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↑butforceneedstobelimited die,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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