Rolling经由一组滚轮Rolls施压来改变厚度or断面积a长.docx
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Rolling经由一组滚轮Rolls施压来改变厚度or断面积a长
Chapter13、Rolling
Rolling：
經由一組滾輪Rolls施壓來改變厚度or斷面積a長工作之，通常是針對
plateorsheet來加工。
Plate:
thickness>6mm
Sheet:
thickness<6mm
BoeingLockheedAlbeverageAlfoil
Thickness1.8mm1.9mm0.28→0.1mm0.008mm
˙熱作（hotrolling）是將金屬加熱至再結晶溫度以上來加工，所需變形力小，粗
大、脆，多孔的structure會變fine.
˙Recrystallization:
Theprocessinwhich，在一定溫度範圍內，材質strain—free晶粒
會形成，而取代原來old舊的grains，其溫度通常為0.3Tm～0.5Tm.（Tm:
melting
pointofthemetal）
˙再結晶會↓deusityofdislocation，↓強度，↑延性。
˙lead,Ein,Einc的再結晶溫度是室溫，因此，這種金屬冷作時不會硬化。
˙熱作hotwork（hotRolling）isprocessedat'T=450℃，forAl，upto125℃，foralloy
steel,1650℃for耐火材料，一般即加熱至結晶溫度後再加工。
§熱作的優點：
1.大量消金屬中的孔隙（大部份的ignot有氣孔，這可經由鎚合來消失）
2.打碎置入型的不純物，且分散於整個金屬。
3.粗及柱狀的晶粒會細微化。
4.由於結晶細微化，機械性質通常也改善了。
（延性及衝擊抵抗力改善，強度增加了，均質性↑）
滾輪鋼最大強度在於金屬的流動方向。
5.加工時，所需能量較冷作低。
缺點：
1.表面會加速氧化or剝落。
（不能保持精細公差）
2.表面光度不良。
3.設備及維護成本高。
§冷作：
（低於再結晶溫度加工）
˙原子滑動，（slip）產生。
晶粒變形繼續進行，材料抵抗變形力愈大，此為〝應
變硬化〞。
（strainhardening）
˙對無法以熱處理來強化的金屬，可用此法。
˙延性愈好，愈能忍受coldwork。
˙晶粒愈大，延性愈好。
˙許多金屬經Hotroll後均以coldwork處理，以達到商用標準。
ifpart經由Hotroll
，表面會有缺陷，不光平，尺寸不精or得不到某些物理性質，若經過適當冷
加工，則可得精微尺寸控制，且強度，硬度提高，surface不會氧化，且十分
光滑。
缺點：
1.所須壓力及設備較hotRoll為高。
2.過度冷加工，會使材料變脆。
3.內部會有殘留及力，needheattreatment.
4.再晶溫度↑。
Chapter14、Forging
˙Forging鍛造：
利用壓力使金屬材料依造模具的形狀，產生成型加工。
˙古老的鍛造是–鐵鎚及鐵鉆來鎚擊工件以成形，但不能得到很好的精度及複
。
雜的形狀
˙Forging都為生產單一零件（notcontirnous，likerolling）
˙可得goodstrength和toughnes，通常用於landinggear,Jetengineshaftanddisk.
§Open—dieForging（P383）（upsetting）
實心工作置於二平模間，鎚擊以減小高度。
※當D/h愈大時，愈易發生∵接觸面變大。
→
deforrnedFrictionoppositetheoutwardflow.
Uniformly可加潤滑改變之。
˙barrel亦發生在hotforging，1.因為在die和Material接觸面會急速冷卻，而變形慢
，但其餘部份，則still易變形，2.因為在Hotworking時摩擦係數較大。
Cogging:
open—dieoperation的一種，來減低金屬棒的厚度以一定的間隔經由連
續的鍛造，由於每次contactarea小，所以不需太大的face.
（厚度↓，長度↑）
Fullering:
distibutesmaterialaway（減少crosssection）使用convexdie（凸）
Edging:
將材料侷限於tocalizedarea（用concavedie）
§ForgingForceforaSolidCylindricalPiece（Eq.14.1）
F=YfA←∵StrainhardeningYf↑當高度↓，but如為perfectplasticcondition.
H→F=YfKfA→（inhotworking）
F=Yfπr2（1+2μr/3h）
Yf:
flowstress←利用truestrain來算（查fig2.6）
r:
raduis,（final）
μ1:
frictioncoefficient
h:
height（fincl）Kf:
forgingshapefactor
§Impression（印刷）—Die＆closed—Dieforging（P386）
§Precisionforging
‧needhighercapacityforforce.
‧需要適當定位incavity.
‧Doneedtoomuchmachining
‧notmanymaxerialsarewasted
nearnetforging
§Coining
在模座中加壓金屬而成，模座並可限制側向流動，ex.硬幣的殘花紋。
※不可用hibricant，*sizingP.388，☆Force
§Embossing浮花壓製
僅使模內金屬受到抽拉，而向一面凸出的操作，由於不改善工作物的厚度，
故不須像Coining那樣的高壓。
Ex:
名牌、獎牌。
§heeding（14.4）
ex：
螺絲釘頭
˙配合extrusion可作許多不同patrts
˙l/D以防buckle
§Piercing穿孔法
為了seamlesstube，而不
‧通常followedbypounchingtoproduceahole.
‧piercingforcedependson衝頭的crosssection和頂端之形狀。
strengthofthematerial和摩擦。
§Hnbbing（Hobbing）用於模具製作
優點：
加工凸出的部份，較加工凹cavity容易尤其對於有多個cavity的parts.
利用硬化的衝頭帶有特殊的形狀，將其壓入材料內，而產生同形狀的母模，
此材料可被用於後來成型用的母模。
Steps，Process：
1.hobbing→annealing→machiningtheexcessmaterial
→（回復strainhardening）
§Rollforging
棒材的crosssection被reducedand成型，經由通過一對滾筒w/有型的凹槽，而產
生steelball.
§軌道式forging
（orbital）
經由機械式移動控制衝頭循一定軌道運動，並做鍛造（Fig,14,18）
ex.：
disk-shapedparts，bevelgear斜齒輪
§Incrementalforging
useTool經由數個steps來做成型鍛造，類似於cogging.
§Isothermalforging（hot-dieforging）
等溫鍛造 熱模
→鍛造時，die被加熱至和高溫Workpiece同溫。
‧由於die和Workpiece同高溫；在forging期間lowstrength，highductility.
∴forgingloadislow,materialflowisimpron.
‧適合Complexports，且較好的dimension.
‧容易在一行程內即鍛至near-netshape.
‧貴而且較難大量生產。
‧die大都由Nior輝銅礦合金來做．（貴）
但如用在Tior超合金上，則顯得經濟。
§RotamSwaging，（radialForging），Swaging
對一個圓棒材或管，對其經由die的旋轉施以徑向壓力，使之成型。
ex：
來福線
‧Swaginglimits〝OD〞≒150mm.
‧tolerance±0.5mm～0.5mm.
‧適合中or高量產工作。
§Tviming
§Forgingmachines
分為Presses，和hammer；die （P.407）
˙Presses：
Mechanical，Hndraulic，screw
逐漸加壓，atconstantspeed，loadlimited,當load達到預設值時則停止。
Hydxalicpressure：
˙時間長，comparedto機械式的press.
˙125MN
Mechanicalpress：
利用曲柄or偏心逆動的方式。
screwpressed：
˙Hammers
直接施以Impactloading到工件上，速度較快。
位能→動能
可分為重力掉落式（落鎚式），動力墜落式（powerdrophammer）
→（自由落體）→由蒸汽、空氣or液壓來加速。
qranitydrophammer（dropforging）
counterblowhammer，Highenergy-ratemachine（非常高速）
Chapter15、Extrusion＆Drawing
§Extrusion：
將材料加壓經由一個模型擠出，而製成（desired）均勻截面的產品。
（擠製）
‧機乎所有的solidorHollowcross-section都可被擠出。
‧根據材料的延展性，Extrusion可HotorColdWorking.
ex：
Door，Window的frame框架，滑動軌道，管子以不同Section.
材料：
AL、Copper、Stell、Mg、lead.
‧Extrusionisoftencombinedw/forgingoperation－coldextrusion.
高強度，精度良好，表面良好，W/高產製速度和低模具成本。
§Drawing（拉製）
將solid棒材，線材，或管子抽拉經由die來改變其cross-section的過程。
ex：
shaft、spindle、smallpiston、鉚針（rivets）
類似：
extrusion
§ExtrusionProcess（p.419）
forbasicextrusionprocess：
byadrivenram
（direct）putin
roundbillet→chamber→forcedthroughadie
‧theopendiecanbeanygeometry.
‧Infig15.4
dieangle（α），extrusionratioAo/Af.CCD（circumscribing-circlediameter）
shapefactor:
周長/cross-sectionarea（Solidarea有lowestshaperfactor）
§ExtrustionForce
rx=A0/Af←startingcrasssectionareaextrusionration.
→finalcrosssectionarea.
ε=㏑rx
F=A0K㏑（A0/Af）
→extrusionconstant
§MetalFlowinextrusion
Fig15.7
§ExtrusionPractice （P.422）
‧Al，capper，Mg，alloy，steel容易被extruded（∵建性好）
‧Ti，耐火材則較困難，且die易磨來電。
‧Extrusionratio10:
1～100:
1（usually）
maybehigherforspecialapplication，orlowerforlessductilematerials.
CCDforAl：
6mm～1m
Becauseofhigherforcesrequired，max，CCDforsteelisusuallylimitedto0.15m.
§HotExtrusion（p.423）
Table15.1
§Diedesignandmaterial（P.424）
Dieangleαistheimportantfact在extrusiondesign.
‧對於lowangle，接觸面積大，則摩擦
力增（die-billet，因此RamForce就增加。
‧大的dieangle會引起大的turbutance在
金屬流動時duringreduction，同樣也
引起大的Ramforce的需求。
§15.5ColdExtrusion
ageneraltermoftendenotingacombinationofoperation，suchasdirectandindirect
extrusionandfavging.
•Thisprocessusesslungcutfromcold-finishedorhot-rolledbar，wireorplates
（<40mminDia.）
‧熱作or冷作dependsonthe變形量（amountofstrain）和材料本身。
ａ．通常Al、Copper、Mg、Zinc、Tin、steed合金是熱擠。
ｂ．low-carbonsteel，較軟的鋼材料則可用冷擠製。
ｃ．Alisthebestforextrusion．
‧冷擠通常用於discreteparts，且已為finishedform
ImpactExtrusion：
highspeedcoldextrusion.
‧冷製五優點：
1.經由work-hardening，改善機械性質，變形和friction產生的熱不會使之再
結晶。
２.易於控制公差。
３.表面較佳，∵沒有氫化層oxidefilm。
４.不需加熱程序。
（經濟）
５.可大量生產及成本低。
缺點：
１.產生在die的stress較大（especiallyw/steelworkpieces）。
§ImpactExtrusion
•和Indirectextrusion類似，但pnch快速的衝擊blank（slug），然後材料會倒擠成型。
‧highreductionandproductionrate.
‧適薄件。
§HydrostaticExtrusion（改良式的directextrusion）
‧經由fluid來傳達extrusionpressure，沒有containerwall摩擦考慮。
Pressure≒1400MPa
‧高壓→somefluidtransmit到diesurface→減少friction→減少Ramforcerequired。
‧可increse材料的ductility，對脆性材料（for傳統的extrusion）。
§ExtrusionDefects
１.Surfacecrocking：
extrusionTemp，frictionorspeed太高。
‧Solution：
降低extrusionTemp和速度。
（Al、Mg、Zinc常發生）
•在低溫也會發生，大都因為product和die間periodicstricking（週期）
（sticks→pressure↑→moves→pressure↓）產生竹節式"bamboodefect"的crack。
２.Pipedefect（tailpipeorfishtail）
發生在材料壓die接觸面溫度降低，則此部位strength↑.
→surfaceoxide，和不純物流向billet的中心，像漏斗。
（圖fig15.）
避免：
uniformflowpattern，控制Tamp，gradient，reducefroction做一小的
duringblack小於billet，則可去掉表面氧化層or不純物。
３.InfernalCrack（CenterCracking，Center-busat）
在中心部產生crack，由於hydrostatictensilestress在
•當dieangleψ，和不純物的increase.
•extrusionratio↓friction↓Internalcrack.
§Drawing
圖形棒材or線材其crosssection由抽拉的方式來改變者。
•主要的影響factor：
reductionincrossareadieangle，friction，die-workpiece
interfacespeed.
•min，drawingforce→不一定是optimum，∴有其他consideration.
•friction↑→forces↑butforceneedstobelimiteddie，product全被破壞。
§DrawingPractice
1～2.5m/s→heavysections
50m/s→veryfinewire
•reduction：
0～45％
smallercrosssection→smallerreduction
•finewire=15～25％reduction
大尺寸則20～45％
•if超過45％（reduction），則可能潤滑故障，且Surface變差。
§areareduction（analysisofDrawing）
γ=（A0－Af）/A0（Af:
finalarea）
→areareductiondrawing.
ε=lnA0/Af=ln1/（1－γ）
idealσ=Yfε→anerageflowstress
consideringfriction：
σa=Yf（1+μ/tanα）ψlnA0/Af
μ→（die-work;confficientoffriction）
whereψ=0.88+0.12D/Lc
（D:
averagediameterofworkduringdrawing（mm））
（Lc:
contactlength）
D=（D0+Df）/2，Lc=（D0－Df）/2sinα
§maximumreductionPerPassforwiredrawing
Whyneedmorethanonesteps？
Ans：
1.reduction↑→drawingforce↑
2.ifreductionislargeenough→drawingstress→greaterthanyieldstress
∴maximumreduction需由max.drawingstress決定
foridealcase（nofriction，noredundentwork）
max.drawingstress=yieldstress
σd=YflnA0/Af=YlnA0/Af=Yln1/（1－γ）=Y
→lnA0/Af=ln[1/（1－γ）]=1→A0/Af=1/（1－γ）=e#=2.7183
→εmax=1#
γmax=（e－1）/e=0.632#
以上省（忽）略了：
1.friction
2.strainhardening（可increasereduction，∵wire變得更strouger
afterstrainhardening）
Inpractice，Design要小於此理論值。
•0.5forsingledraftwire.
→upperlimit
•0.3formultiple-draftwire.
§Diedesign（p.436）
§lubrication（４種方式）
1.Wetdrawing：
bothdie和rod浸在潤滑液內可油，乳劑含脂肪添加物or其
他化學物品。
2.drydrawing：
rod表面被敷上層潤滑物Suckas：
soap，讓Rod經由一個stuffing-
-box內有lubricant.
３.Coatingtherod一層軟性metal（Solidlubricant）
ex.copperortin錫……
４.nltrasonicvibrationofdie和mandrels
Defectsandresidualstresses和extrusion一樣，but多一seam
SheetMetalForming：
用途產品：
金屬桌（metaldesk），檔案櫃（filecabinet），車體，飛機機車（fuselage），
飲料罐（beveragecans）。
（‧die，punch）[•press.（stampingpress）product→stamping]
和casting，forging比較：
lightweight（產品較輕），Versatile（形狀多樣化）
→大都pereform在roomtemp下。
•∵便宜，goodstrengthandformability.
∴low-carbonsteel最常被用為sheetmetal.
對aircraft，則Al和Ti為主要材料（P.445Fig.16.
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