滚轧.ppt

1、,4-1,4-2,4-3,4-4,4-5,前言4.1塑性變形理論4.2熱作和冷作4.3素材生產4.4整體成形4.5 薄板成形,4.1,4-1,塑性加工(Plastic working)為金屬成形(Metal forming)的重要加工方法，是指利用工模具及機器對工件施加外力，使工件從原先的形狀以塑性變形的方式轉變為另一種不同的形狀。,4-1,塑性加工的特點有:產生塑性變形所需的負荷及應力很大工件的大部份形狀發生改變，屬於精密加工的領域使用的機器及工模具一般而言屬於較大、較重且較貴，故製造的產品數量必須達到一定的規模才合乎經濟效益,4-1,塑性加工具有下列的優點:工件加工所需的時間較短，故生產率

2、高所得工件的形狀和尺寸精度高可增進工件材料的機械性質,4-1,塑性加工的種類可依據不同的基準而有下列的分類方式:依加工溫度分類工件材料倍加工時的溫度高於該材料再結晶溫度的塑性的加工製程成為熱作依產品形式分類素材生產(Raw material production)整體成形(Bulk deformation or Massive forming)薄板成形(Sheet forming),4-1,依加工變形方式分類:壓縮加工拉伸加工彎曲加工剪切加工高能率成形,4-1,4.1 塑性變形理論,當外力作用所產生的應力超過材料之降伏強度的性質時，原子間會發生永久性的相對位移，且在外力去除後也不會恢復原來的狀

3、態，此現象稱為塑性變形(Plastic deformation) 。產生塑性變形的機制是由剪應力(Shear stress)所引起。剪應力引起的塑性變形有滑動(Slip)和雙晶(Twin)兩種類型，如圖4.1所示。,4-1,滑動是指物體受剪應力作用，其值超過某處材料可以扺抗剪切作用的臨界值時，物體在該處相鄰的兩部份即沿著橫軸方向發生相互移動的現象。雙晶則是指材料以某一界面為分隔面，一邊的結晶發生旋轉，另一邊則沒有變化。此界面稱為雙晶面。雙晶面一定會成對出現，也就是在兩個雙晶面中間的原子排列發生旋轉變形，而分別在兩個雙晶面兩側的原子排列則保持原來的形式。雙晶的形成也是滑動所引起，但其變形機制比滑

4、動複雜，所以較不易發生。,4-1,4-1,金屬愈容易發生滑動現象者，亦即愈容易產生塑性變形，同時此類金屬的延展性也較大。金屬發生滑動容易與否，需視其結晶格子的類型而定。晶粒內原子排列密度最大的面即為最容易發生滑動的滑動面，在該滑動面上原子排列最密的直線則是最容易發生滑動的滑動方向。,4-1,如圖4.2(a)所示的面心立方結晶(FCC)金屬(例如Al、Cu、Au、Ag、Ni、-Fe等)，和體心立方結晶(BCC)金屬(例如-Fe、V、Cr、Mo、W等)都有12個滑動系統，故其延展性良好，較容易產生塑性變形。如圖4.2(b)所示的六方結晶(HCP)金屬(例如Mg、Zn、-Ti等)則只有3個滑動系統，

5、故其延展性較差，不利於塑性變形的發生。,4-1,4-1,差排是指結晶體內原子的排列並非完美時所產生的線缺陷(Linear defect)，如圖4.3所示。差排依其差排線方向和原子移動方向的垂直或平行，分為刃差排(Edge dislocation)、螺旋差排(Screw dislocation)和混合差排(Mixed dislocation)等三種類型，如圖4.4所示。,4-1,差排的移動受到晶界(Grain boundary)的影響。當金屬材料的晶粒愈小，形成的晶界即愈多，則差排的移動變得愈不容易，導致工件材料對變形的抵抗能力愈強，也就是說它的強度(Strength)愈大。,4-1,4-1,4

6、-1,加工時工件的溫度在該工件材料的再結晶溫度以上者稱為熱作，又稱為熱加工。 熱作的主要加工方法包括鍛造、滾軋、擠製和熱旋壓成形等。冷作(又稱為冷加工)則是指在工件材料之再結晶溫度以下的溫度進行加工。 冷作的主要加工方法包括抽拉、旋壓成形、壓印、伸展成形、引伸成形、下料、沖孔、板彎形和高能率成形法等。,4.2,4-2,常見金屬的再結晶溫度如表4.1所示,4-2,熱作的優點有:可消除存在金屬材料內部的大部份孔隙較易使金屬材料所包含的雜質等不純物發生破裂而形成均勻散佈促使金屬材料的晶粒細微化，因此可增進其機械性質，即不僅強度增加，延性及衝擊抵抗能力等也同時得到改善加工所需的能量遠低於冷作加工之所需

7、,4-2,熱作的缺點有:因為是在高溫下進行加工，金屬表面容易發生氧化或剝落(Scaling)加工後的工件表面較粗糙，尺寸較難精確控制，常需再施以切削加工等方可得到要求的精度設備及模具的成本和維護費用較高,4-2,冷作的主要特點為:加工後金屬材料的內部會產生殘留應力(Residual stress)，需經適當的熱處理後才可消除易造成金屬結晶顆粒發生破裂或畸變金屬材料的強度和硬度會增加，但相對地延性會隨之降低金屬材料的再結晶溫度會增高可獲得良好的工件表面平滑度,4-2,可得到精確尺寸和形狀的工件操作快速且具經濟性，適合於製造屬於大量生產的零件,4-2,4.3素材生產,素材(Raw material

8、)是指將金屬礦砂經過冶鍊程序，並混合一定比例的成分元素形成合金後，製成固態的材料。生產素材的製程稱為一次加工，得到的素材形狀有板材、棒材、線材、管材及各種形狀的構造用型材，如圖4.5所示。素材生產過程中，尚需其他機具設備的輔助以獲得良好的品質，例如矯直機和整形設備等。,4.3,4-3,4-3,4.4,4.4整體成形,主要的整體成形加工方法有鍛造、滾軋、擠製和抽拉，分別如圖4.6所示，其共同特點為工件材料均為受壓應力作用而產生塑性變形。,4-4,4-4,4.4.1鍛造,鍛造(Forging)是指利用衝擊(Impact)或擠壓(Press)形式的外力，使工件產生塑性變形而得到所要求的形狀、尺寸或機

9、械性質產生外力的來源可為手工或機器。,4-4,鍛造的優點有:工件經鍛造後，內部組織更為細密，可減少孔隙等缺陷的存在工件材料會形成扁長狀的連續性晶粒流組織，因此具有最大方向性強度，可增進耐衝擊、韌性及抗疲勞等機械性質屬於無屑加工之一，故材料成本可較一般切削加工為低所得到產品的尺寸及形狀穩定性良好，適合於大量生產,4-4,鍛造的缺點有:形狀太複雜的零件或產品無法製造模具費用高，不適合少量生產鍛造一般是在高溫狀態下進行，加工後的產品表面容易產生氧化而剝落，故其表面較為粗糙因為是在高溫下工作，機具設備的維護費用較高,4-4,鍛造可依其工作溫度、模具形式或施力方式等有 下列的分類方式:工作溫度:依工作溫

10、度可分為熱鍛、冷鍛和溫鍛三種。 熱鍛(Hot forging)：將工件加熱至超過工件材料的再結晶溫度後，施加鍛造作用力冷鍛(Cold forging)：在常溫時進行鍛造加工,4-4,溫鍛(Warm forging)：加工時工件的溫度介於常溫和工件材料再結晶溫度之間模具形式開模鍛造(Open-die forging)又稱為自由鍛造(Free forging)：指工件材料在鍛造成形過程中並未完全被模具封閉住，其間至少可以在一個以上的方向自由流動，故模具的形式較為簡單。,4-4,閉模鍛造(Closed-die forging)簡稱模鍛：指鍛造時工件材料變形流動的方向都被限制住，最後填滿整個完全封閉的

11、模穴。所得的鍛造件形狀及尺寸精確。,4-4,4-4,施力方式錘鍛(Hammer forging)又稱為鐵匠鍛造(Smith forging)：利用手工具或蒸汽錘鍛機對砧面上的工件進行鎚打工作，如圖4.8(a)所示。落錘鍛造(Drop hammer forging)：在衝頭上裝置上模構成衝鎚，利用蒸汽提供衝鎚的衝擊力，或衝鎚自由落下時本身重量產生的衝擊力，對工件施加作用，如圖4.8(b)所示。衝擊鍛造(Impact forging)：在兩個相對的水平汽壓缸上，分別裝置一半的鍛模形成兩個水平衝鎚，然後同時對放置其間的工件進行衝擊，如圖4.8(c)所示。,4-4,4-4,端壓鍛造(Upset for

12、ging)又稱為鍛粗鍛造：係指將均勻截面積棒材的一端加熱後再施加壓縮作用力使其變粗或變形，如圖4.8(d)所示。壓力鍛造(Press forging)：利用壓床產生緩慢的壓力作用，經工具擠壓金屬材料使其產生塑性變形，如圖4.8(e)所示。滾軋鍛造(Roll forging)：利用一對反向旋轉的滾輪，將工件斷面滾軋變小而長度伸長，如圖4.8(f)所示。,4-4,鍛造的加工程序會依不同的鍛造方法和金屬材料種類而有些差異，但所進行的主要步驟大都包含有:準備胚料加熱胚料預鍛成形模鍛整形,4-4,熱處理檢 驗,4-4,4.4.2滾軋,滾軋(Rolling)是指將金屬棒材或塊狀胚料在加熱或未加熱的狀態下，

13、通過一對旋轉方向相反的滾輪之間，利用其互相配合的轉動輾軋，使工件厚度減小而長度伸長，或改變截面形狀的塑性加工方法。滾軋可依滾輪的外形和輔助的工具而分為平板滾軋(Flat rolling)、成型滾軋(Shape rolling)、圓環滾軋(Ring rolling)和管件滾軋(Tube rolling)等類別，可用圖4.9所示的平板滾軋為例說明。,4-4,4-4,一般熱作滾軋可利用控制再結晶溫度的保持時間，使新長成的晶粒比尚未受滾軋前的晶粒細小，因而可增進產品的機械性質，如圖4.10所示。,4-4,穿孔法(Piercing)是指應用滾輪製造無縫管的方法。將實心圓柱形棒材加熱後，使之通過兩個轉向相

14、同，但轉軸分別與棒材主軸左右偏轉約6高瑰形滾輪，並在兩滾輪中間安置一個固定且具有尖端的心軸，工件材料被迫沿心軸外表面前進而形成無縫管，如圖4.11所示。滾軋又可依滾輪配置方式的不同分為縱向滾軋(Longitudinal rolling)、橫向滾軋(Transverse rolling)和歪斜滾軋(Skew rolling)三種，如圖4.12所示。,4-4,為了提升工作效率、減低滾輪負荷、進行精軋和冷軋等目的，發展出各種不同數目滾輪組合的機組，如圖4.13所示。,4-4,4-4,4-4,4.4.3擠製,擠製(Extrusion)是指對工件施以推力，使其通過一定形狀的模具孔時，材料受壓應力作用造成

15、截面積縮小而形成截面形狀均一的產品。一般製程為將材料加熱至塑性狀態後置於擠製室內，藉由衝桿的推擠與模具的配合而成形，如圖4.14所示。,4-4,4-4,擠製的優點有:可製造任何形狀的產品產品的強度及精度高且表面平滑相較於鑄造或鍛造所用的模具，擠製模具的製造費用低很多，故生產成本相對較低產品的長度幾乎沒有限制,4-4,擠製的缺點有:生產速率比滾軋加工慢很多產品的截面積必須為均一,4-4,擠製依其施力方向與材料流動方向的關係，以及施力速度的快慢，可分為:1.直接擠製(Direct extrusion)又稱為向前擠製(Forward extrusion)指產品的流動方向和施力的方向相同，如圖4.15

16、(a)所示2.間接擠製(Indirect extrusion又稱為向後擠製(Backward extrusion)指產品的流動方向和施力的方向相反，如圖4.15(b)所示,4-4,4-4,3.衝擊擠製(Impact extrusion)上述之直接擠製和間接擠製的施力方式是採用緩慢的擠壓作用，而衝擊擠製，如圖4.16所示,4-4,4.4.4抽拉,抽拉(Drawing)是指將經過清潔及潤滑處理的材料，在模具出口端之預先加工成形的線材上施加拉力，使工件材料受到模具的壓迫作用而縮小直徑形成線材產品，如圖4.17所示。,4-4,4-4,4-4,抽拉可用於管子直徑的縮小或提高管子形狀精度、 表面平滑度和機

17、械性質等的加工，如圖4.18所示,4-4,4.5,4.5薄板成形,薄板成形與整體成形的材料變形基本原理大致相同，但兩者之間尚存在著一些差異，其中較重要的有薄板成形是:以冷作加工為主，故產品具有冷作加工的特性使材料發生變形的應力形式不只是壓應力而已，還包括拉應力、剪應力和彎曲應力等工件在塑性變形前後，厚度方面的尺寸變化很小，主要是產生形狀的改變,4-5,有些加工(例如變曲加工)在施加的外力去除後會產生彈回(Spring back)現象，影響加工要求的變形量包含有材料剪切分離產生廢料的加工方式，例如沖孔、剪斷及下料等,4-5,4.5.1沖剪加工,沖剪加工是利用衝頭(Punch)對置於沖剪模具間的材

18、料施加衝擊作用，使材料受到的剪應力值超過其剪力強度(Shear strength)而發生剪斷分離的加工方法，如圖4.19所示。材料受衝擊作用的剪斷過程分為開始階段的彈性變形並造成薄層擠壓面；接著是塑性變形的平滑剪斷面，約佔被沖離料片厚度的三分之一；最後是當剪力超過材料具有的抵抗能力後，將其撕斷形成的不規則破裂面和一小部份的毛邊，如圖4.20所示。,4-5,4-5,4-5,沖剪加工的種類很多，常見的有:1.沖孔(Piercing)如圖4.21(a)所示2.剪斷(Shearing)利用手工具或沖剪模具等，將板材裁剪成所要的形狀，如圖4.21(b)所示3.下料(Blanking)利用沖剪模在板材上沖

19、剪出完整輪廓的胚料，供做為下一加工道次之用，如圖4.21(c)所示,4-5,4.整緣(Trimming)將板材或加工後零件中不平順或多餘的外緣沖剪去除，如圖4.21(d)所示,4-5,4-5,壓印(Coining)加工又稱為鑄幣法，因為硬幣一般是以此法壓製而成。利用閉合模及衝頭的配合，如圖4.22(a)所示，施加壓力作用於放置其間的薄板材料，使其上下兩面形成由衝頭面和下模分別控制的花紋或圖案，如圖4.22(b)所示。此法可用於製造硬幣、徽章、標誌等產品。,4.5.2壓印,4-5,4-5,4.5.3旋壓成形,旋壓成形(Spinning)是指把工件材料置於成形模具上面，當旋形機啟動時利用工具(例如

20、滾輪)加壓於工件上，迫使工件連同模具一起旋轉並產生塑性變形，如圖4.23所示:,4-5,4-5,4.5.4引伸成形,引伸成形(Drawing)為將一圓平板胚料置於圓筒狀模孔的上面，利用一直徑比模孔小的平底衝頭向下作用而產生空心圓筒產品。圖4.24表示部份引伸成形的加工方法,4-5,4.5.5伸展成形,成形模則對板材中間部位做垂直方向施力並配合夾持器向左右的移動，使工件材料隨成形模的外部形狀成形，如圖4.25所示。,4-5,4-5,4-5,4.5.6彎曲加工,彎曲(Bending)加工主要是指利用壓力使板材彎曲變形，常見的形式有角彎形(Angle bending)、板彎形(Plate bendi

21、ng)、摺縫(Seaming)和彎管(Tube bending)加工等。1.角彎形包括V彎形、U彎形和L彎形，如圖4.26(a)所示2.板彎形又稱為三滾輪成形法(Three-roll forming)，如圖4.26(b)所示,4-5,3.摺縫常用於結合金屬板，罐或桶底部及其他薄層金屬容器的加工方法，圖4.26(c)所示為摺縫常見的形式,4-5,4-5,4.5.7高能率成形,高能率成形(High energy rate forming，HERF)是指在極短的時間內產生很高能量迫使材料成形的方法，主要的形式有:1.爆炸成形(Explosive forming)利用炸藥爆炸的能量，造成如水、油或空氣

22、等介質產生震波，因而促使板材成形的加工法，如圖4.27所示,4-5,4-5,2.電氣液壓成形(Electro-hydraulic forming)3.磁力成形(Magnetic forming),4-5,4.5.8超塑性成形,超塑性成形(Superplastic forming，SPF)是指對某些具有非常細晶粒(一般小於20 m)的材料，在高於該材料的熔點溫度(以k為單位)百分之六十以上的溫度，以很低應變率(10-410-2 sec-1)的方式進行塑性加工時，可得到非常大的伸長率(可超過1000) 。,4-5,超塑性成形的優點有:複雜形狀的產品可一次完成且精度良好，不需分開加工後再裝配，或經多次加工才能得到產品所需的形狀，故有較大的設計彈性，並可縮短產品製造的前置時間由於工件材料的成形性良好，故可節省使用的材料，因而降低產品的重量所得產品的殘留應力很少甚至沒有，對疲勞作用敏感材料的成形加工很有助益,4-5,因流應力(Flow stress)較低，模具材料可使用強度較低者，因此可節省模具材料和製模的費用,超塑性成形的缺點有:變形速率較慢，故加工時間長不適合需大量生產的產品,4-5,