净形成形技术（Net Shape Forming Technology）

不得不爱 · 发表于 2011-8-13 09:39

净形成形技术（Net Shape Forming Technology）
1 前言

金属塑性成形产业为能促进产业升级，提升竞争能力并积极介入潜力雄厚之电子、计算机产业，板材冲锻复合成形之制程技术、模具设计与制造技术及自动化生产技术之研发与应用，实为一重要课题；另基于降低生产成本、减轻产品重量、简化零件设计与制造及提升产品附加价值等目的，金属塑性成形领域正积极朝向高精度净形成形技术发展。

2 何谓净形成形（Net Shape Forming）

净形成形之定义如下：

(1) 相对于传统塑性成形（Plastic Forming），可得较小之后续机械加工，即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制程。
(2) 成形零件局部重要位置不须后续机械加工，即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制程。
(3) 在符合零件之尺寸及公差范围内，锻件可不须后续机械加工之成形制程。

3 塑性加工制品高精度化之因素

金属塑性加工现正朝着三大目标发展：

1. 制品精密化（净形零件开发）
2. 制程合理化（以最小投资成本及生产成本为制程整合与应用之原则）
3. 自动化、省力化

日本塑性加工学界大师工藤英明教授于其所发表之“精密锻造的现状与未来“中提到了塑性加工高精度化之因素（如图一所示）。由图一中可知，为能满足21世纪工业竞争之趋势与潮流：省能源、省资源、高效率化；价值观多样化；制品轻细小化等需求，并进而提升塑性加工业界之国际竞争能力，塑性加工制品不得不结合自动化生产与组装并提升其制品之精度。

图（一）塑性加工制品高精度化之因素

塑性加工制品精度提升之需求，可由下列几项因素反映之：

1. 减少后续加工
2. 零件形状一体化、复杂化
3. 流线切断极小化
4. 高附加价值化
5. 表面平滑化
6. 细密加工化

4 板材流动控制成形法（Flow Control Forming），简称FCF

1. 板材流动控制成形法（FCF）简介

(1) 近来，于塑性成形领域，制造净形零件（不须后绩加工），以降低生产制造成本之需求日益殷切，于板金成形制程中有效的加入冷间锻造制程为一极有效的方法，因此FCF制程因应而生。此专有名词，其实质之制程为板金成形与冷间锻造之合技术。（如图二所示）

图（二）冲锻加工技术系统概念图

(2) FCF制程是对材料的塑性流动进行精确控制，其可提升产品精度，于零件不同部位获得不同之尺寸、厚度要求，补偿了板金成形之缺点，以加工出高附加价值的复杂形状制品，这种加工方法将开创塑性加工新领域，预期此将取代部份成形＋切削、粉末冶金与压铸等技术，并扩大塑性加工的使用范围。

(3) FCF制程因采用板材下料的方式，故于生产技术中，大都采用板金成形之生产方式。

微小形零件一采用连续冲模自动化生产。

1. 小型零件一采用连续冲模自动化生产。
2. 中、小型零件形状较杂，应用工序较少者-采用胚料传送自动化生产。
3. 中、小型零件形状较复杂，应用工序较少者-采用复合模具，实施人工生产或结合机械手（robot）之自动化生产。

(4) FCF制程工件成形应力较冷间锻造制程者小，如图（三）所示。

图（三）FCF制程工件成形应力比较图

(5) 图（四）所示为板材冲锻成形制程所包含之冷间锻造与板金冲压基本工序。

图（3-1）板材冲锻成形制程

2 应用FCF制开发之产品例（Helical cup）Helical cup冲锻件如图（四）、图（五）所示。

图（四）应用冲锻复合技术开发之耳机轭

图（五）应用冲锻复合技术开发之零件

(1) Helical cup应用传统冷间锻造制程，如图（六）所示。

图（六） Helical cup传统冷间锻造

(2) Helical cup应用FCF制程，如图（七）所示。

图（七）Helical cup之FCF制程

3 板材流动控制成形（冲锻成形）之优劣点

因板材冲锻成形制程采冲床加工方式（生产速度高）且为净形零件制造制程，除必要之螺纹加工外，无后续机械加工，故其制造成本远低于他种零件制造制程，经实绩印证，其可取代下列制程技术所生产之产品。

1. 脱腊铸造法
2. 压铸＋切削加工
3. 冲压加工＋切削加工
4. 切削＋研磨
5. 嵌合、焊接之组合零件

（一）板材冲锻成形制程之优点

1. 产品之高精度安定化
2. 产品开发时程大幅缩短
3. 整体加工成本大幅减低
4. 产品强度增加（流线未被切削破坏、加工硬化等）
5. 因强度增加，产品可小型化、轻量化
6. 因采冲床加工，产品可大批量稳定供应

（二）板材冲锻成形制程之缺点

1. 与冲压加工比较，模具局部位置承受极高之集中负荷，模具刚度之要求与设计为重要之课题。

2. 若应用冷锻连续冲模制程开发微小或小型净形另件，因加工工序多，需求较宽台面之冲床，且因连续模具有局部位置承受极高之集中负荷，故压床不能单纯采用一般之冲庄冲床或冷锻冲床；须选用高精度，高刚性且滑块运动特性特别要求之成形设备。

3. 模具精度要求高故模具制作费用极高，非为一般之冲压模具与冷锻模具所能比拟，故适合大批量之零件生产。

5 摆辗锻造（Orbital Forging）

5-1摆辗锻造之基本原理及类型

摆辗锻造是1960年代始出现的一种压力加工制程，相关之研究及开发工作主要集中于英国、波兰、西德、日本及中国大陆等国，近年在欧洲（德国、波兰、瑞士）、中国大陆及日本等国已经成功的应用于汽机车、机床、电器、刀具及五金等产业零件之生产。由于此一制程具备省力（为传统压床锻造成形负荷的1/5~1/20）、精度高、无震动、噪音小与设备投资少的优点，因此可以预期在环保法规愈趋严格的末来，本制程必将得到愈来愈广泛的应用。

摆辗锻造为一项新的加工技术、加工时因模具与工件是呈局部接触的方式，故其所需的锻造负荷较传统制程为小，因而锻造加工机的出力和模具受力同样减低，但因摆辗锻造在成形机构与成形原理均和传统锻造方式有别，所以必须考虑到不同的制程参数。

（一）基本原理

摆辗锻造之基本原理如图（八）（a）所示，其上模之中心线0’0相对于下模中心线Z0倾斜了一个小角度γ，因此在成形时作用力仅作用于工件表面之局部区域如图（八）（b）所示，利用上模之回转，逐次压缩材料使之成形，由于每一瞬间材料与模具之接触面积很小，因此可大为节省所需之成形压力。

摆辗锻造由于具备以冷锻方式将形状复杂零件锻造成近净形（或净形）锻件之能力，故拥有极大的市场潜力，而且摆辗锻造能以传统锻造制程的1/5~1/15的成形负荷即能锻制出相同尺寸的产品，因此在锻机的投资成本上要经济许多；另外，由于特殊成形方式及成形负荷的降低，自然也没有一般传统锻造制程恼人的噪音及振动问题，对工作环境的改善及工作效率的提升亦有极大的帮助。

图（八）摆辗锻造示意图

（二）运动类型

摆辗锻机中上下模的基本运动形式有三种：

1. 回转（Rotation）：模具绕自轴旋转。
2. 平移（Feeding）：模具沿一个固定方向移动，一般称为进给。
3. 摆辗（Rocking）：模具相对于另一轴回转，而使得模具摇摆晃动。

由上下模运动模式的不同组合，摆辗锻机可分为三种机型，如图（九）。

图（九）摆辗锻造的三种运动型式

5-2 摆辗锻造之制程参数

摆辗锻造之重要制程参数包括：摆辗角度(γ)、摆头转速(n)、每转进给量(s)、摆头与工件接触时间(t)，其在制程中所扮演之角色及影响如下所述：

(1) 摆动角度（γ）

γ角的大小直接影响到摆头与工件之间的面积接触率（λ=摆头与工件接触面投影面积／工件表面投影面积），此乃因摆头为一圆锥体其圆锥顶角一般取180-2γ°，γ角愈大则圆锥顶角愈小，摆头与工件之间的面积接触率（λ）愈小。而面积接触率（λ）的大小又会影响工件成形所需负荷例如当λ=1/n时，即摆头与工件之间的接触面积为整体投影面积的1/n倍，则变形力可以减力到原本的1/n，摆辗锻造就是在此一观念上所发展出来的塑性加工制程。

(2) 摆头转速(n)

摆头转速直接影响设备电机功率，转速太高不但电机功率成正比增加，且会使机架受力恶化。摆头转速亦影响摆头之每转进给量(s)，因此也直接影响到轴向压力与锻件品质（参考(3)之说明）。摆头转速一般们于30~300rpm之间。

(3)每转进给量(s)

每转进给量(s)乃指摆头每转（摇摆）一圈相对于下模的进给量，其由两项参数所决定，即滑块进给速度(v)与摆头转速(n)，S=v/n，当s较小时就会产生“蘑菇效应”现象，工件锻不透。一般S的选择以使λ=0.2~0.23为宜，目前常用摆辗锻造设备的S=0.2~2mm／转。

(4)摆头与工件接触时间(t)

摆头与工件接触时间(t)对工件品质有直接影响，t之设定通常以工件达到其设定高度之后，摆头在工作表面能多辗压1~2圈，以达到表面精整的效果。

5-3摆辗锻造制程之特点及设备

摆辗锻造制程之特点

在国内摆辗锻造是一种新的加工方法，目前仅有金属工业研究中心有摆辗锻造机。

(图十) 金属中心PXW-200A型 (200吨)摆辗锻机外观(波兰制)

5-4 摆辗锻造之产品

(图十一) 过用摆辗锻造制程所锻制之产品(棘轮、排档齿轮、端面凸轮等)

6 锻造模具技术

6-1 净形锻造(Net Shape Forging)

所谓净形锻造就是：

(1)相对于传统模锻制程，可得较小之后续机械加工量之锻造制程。
(2)锻件局部重要位置不需后续机械加工即可符合零件之尺寸及公差要求之锻造制程。
(3)在符合零件之尺寸及公差范团内，锻件可不需后续机械加工。

传统的锻造制程，胚料经由剪切或锯断控制下料重量，通过加热炉之加热，达到锻造制程所需之温度，藉由送料机构或人员操作，在锻造机械，如落钟锻机或机械压床的成形下，完成锻造工程，再进行剪缘及后续之加工。在这些过程中，下料重量的多寡，加热能量的消耗，锻造工程道次，锻材步留率的高低，锻品之要求精度，模具制作的费用，操作机台及人员之投资，以及后续加工量的多少、难易等等，都会影响最终产品的制造成本及其价值。因此，为了降低制作成本、提高产品价值及竞争力，制程设计者纷纷朝向精密净形锻造或省能源锻造的方向前进，以期达到下述目标：

1. 节省下料重量、提高材料步留率。
2. 结合热处理制程，降低能源成本。
3. 寻求合理预成形，减少工程道次及模具、设备、人工成本费用。
4. 提高产品精度，降低机械加工成本。

6-2 高精度锻造品之决定因素

欲获得高精度锻造品之决定因素如图（十二）

图（十二）高精度锻造品之决定因素

6-3 锻造模具之加工技术

决定高精度化锻造品之决定因素如图（十二）所示，现依据锻造模具之加工流程图及其相关技术整理成图（十三）及图（十四）

图（十三）流程图

图（十四）相关技术整理

6-4 锻造模具加工技术之发展趋势

(1)高速铣削

传统铣削加工如要使锻模加工面达到精加工程度，必须增加加工时间

（因Feed Pitch必须比较小）；而像日本等先进国家已发展高速铣削加工机，利用高速铣削加工机，可藉进刀速度（高达10m/min）及心轴rpm（高达10,000rpm以上）之提高以补偿加工时间，并达到精加工程度，生产效率可提高10倍以上，目前日本亦正朝向心轴转速提高为20,000rpm以上之高速铣削加工机之开发、应用，表（一）为高速铣削加工机之特性。

(2)电化学加工（ECM）

电化学加工（Electro-Chemical Machining）是利用在电解液中的电化学溶解将工件加工成形。加工时工件接电源的正极，工具（电极）接电源的负极，工具（电极）向工件缓慢进给，使二极之间保持在约0.1~0.5mm间隙，被加工件金属在电化学作用下以离子状态进入电解液，形成氢氧化物，而此间隙中的氢氧化物被高速流动之电解液冲走，以确保电化学反应能持续不断的进行，直到加工结束。

目前ECM技术之主要应用于难切削材料和复杂模面、模穴、异型孔和薄壁零件的加工，还可用于表面拋光、去毛边、刻印、磨削、研磨、车削等，其生产效率约为放电加工（EDM）之5~10倍，在某些情况下，甚至可比传统铣削加工还高，表（二）为其优、缺点。

(3)自动研磨拋光

锻造模具模穴之曲面研磨拋光，传统上均以人工操作，此技术人员必须具有高度的技术及丰富的经验，目前此类人员不易养成，先进国家已投入开发利用机器人进行模具曲面之自动拋光，目前已有商业产品，但功能仍待加强，设备成本亦太高。

(4)CAD/CAE/CAM系统整合快速模型制作技术（RP）及快速造模技术（RT）

目前先进国家锻造模具之设计、加工制作均朝向运用CAD/CAE/CAM系统整合为主要发展趋势，但此技术所依赖之人才养成为其主要重点，针对此点日本等先进国家已投入专家系统（Expert System）之开发（如汽车连杆专家系统等），但其困难度颇高，仍停留于研发阶段，尚无商业化软件完成。

快速模型制作技术（Rapid Proto typing, RP）为逆向工程技术之一，其可将产品复制以供外形参考，模具设计或产品功能设计等多项之修正，参酌依据；尤其在产品（如锻件）并无确切之尺寸资料时、或欲检查产品设计变更后之外观情形时，此技术确实为一大利器；目前依不同制程，其复制品之材质大致有硬化树脂、粉末状热塑性材料、线状热塑性材料、薄片材料（如纸等）。快速模具制作技术(Rapid Tooling ,RT)为利用快速成形技术(RP)所得到之雏形(Prototype)，翻制成硅胶模，脱腊模等模具，以便复制原形。

RT技术的发展可以分为两方面：

(1)直接造模法：如DTM(Rapid Tool)、EOS(DMLS)、EOS(DCP)、3D system(AIM)、3DP、LOM………等
(2)间接造模法（利用RP件翻制模具）：如Silicon Rubber、Mold、Epoxy-Aluminum Mold(MRM)、Plaster molding、Metal spraying、3D Keltool、Wax为molding pattern 再cast…..等。

表（一）高速铣削加工机之特性

表（二）电化学加工之优、缺点

Reference：
(1) 金属工业 32卷5期87年9月
净形加工成形制程吴春甫
(2) 锻造第七卷第一期87年3月
(a) 近净形复合锻造及先进冲锻复合成形技术日本考察心得
吴春甫、郑炳国、丘先拿
(b) 锻造模具技术现况与趋势（一）
王俊杰、蔡盛祺、林文树
(3) 锻造第七卷第二期87年7月锻造模具技术现况与趋势（二）王俊杰、蔡盛祺、林文树
(4) 锻造第七卷第四期 87年11月
(a) 机车曲柄轴近净形锻造技术开发郑炳国、黄广渺
(b) 机车变速齿轮摆辗锻造制程研发苏子可
(c) 从计算机仿真看摆辗锻造之特性李荣显、谢宗鑫、何益彰、周金龙、苏子可
(5) 锻造技术手册中华民国锻造协会出版
(6) 新版精密工作便览精密工学会编(end)

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