鍛造之沖孔腹板形狀最佳化設計

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1、鍛造之沖孔腹板形狀最佳化設計摘要沖孔腹板是鍛件中較難以鍛打成形的部位，其形狀應能兼顧成形負荷及後續剪邊之需，本文係針對上述考量，利用有限元素法來分析不同沖孔腹板形狀的影響，並結合多項式網路及基因演算法，以獲得最佳沖孔腹板形狀，文中並經多次交互模擬驗證，發現模擬分析、網路預測及基因最佳設計所得誤差皆很小。因此，以本研究之沖孔腹板形狀最佳設計途徑，將可推及於更複雜而難成形的鍛模外形設計。關鍵詞：鍛造、沖孔腹板、多項式網路、基因演算法、最佳化AbstractTherecessisoneofthepartsinforgi

2、ngwithmoremuchdifficultyinforming.Theforgingloadandthetrimminginpost-processshouldbeconsideredespeciallyduringtherecessshapedesign.Thefiniteelementmethodwasusedtoanalyzecomprehensivelytheeffectsofrecessshape.Then,thepolynomialnetworkandgeneticalgorithmwerecom

3、binedtoobtainingtheoptimalrecessshapeofforging.Throughtheinteractiveverifiesofmodelingrepeatedly,theerrorsofresultfrommodelinganalysis,networkpredictionandgeneticalgorithmoptimaldesignareextremelylimited.Consequently,theoptimaldesignapproachofrecessshapeinthi

4、sstudycouldbeextendedtothedesignofmorecomplicatedanddifficultformedforgingdie.Keywords:Forging,Recess,Polynomialnetwork,Geneticalgorithm,Optimization8一、前言鍛件設計時應考慮的設計要項有鍛件形狀、拔模斜度、內外圓角、肋與腹板、鍛件公差、加工裕留量及餘塊等，其中腹板是平行於鍛造面的薄部位，此部份材料變形阻力增加，鍛造負荷較高，故是鍛件中較難以鍛打成形的部位。腹板的功用

5、除了結構上的因素外，在鍛造上主要是提供材料以充填肋骨，或作為孔穴所需之沖孔腹板。因為模鍛時鍛件並不直接鍛出貫穿孔，而是在分模面預先於孔處設計一層沖孔腹板，成形時僅鍛出盲孔，然後於後處理時在沖床上沖除。[1-2]8沖孔腹板的設計參數主要是厚度及形狀，而為不同鍛造製程之需，有各種形狀的設計，譬如平底式、斜底式、帶倉式、拱底式及壓凹式等，但一般皆經由傳統經驗或嚐試錯誤方法來決定其形狀及尺寸[2-3]，或是雖有應用科學化的方式進行相關設計，但大部份也都依賴鍛造手冊或經驗數據進行腹板狀鍛件的探討[4-6]，而直接利用數值解

6、析進行沖孔腹板形狀細部分析與設計則鮮少。有限元素法是一種強而有力的數值解析方法，尤其電腦的普及加速其應用普遍性，在金屬成形或模具形狀設計領域的研究亦然[7-8]。但無論有限元素法或其他塑性力學數值解析法，雖是一可信賴的資訊，但成為精確的設計法則仍嫌不足之處，因此找出一值得信賴而有效的模式是非常重要，而將有限元素法分析的結果以類神經網路模式來歸納成設計資訊是不錯的方式，因其正確率頗高，而且有限元素模擬分析的次數也較少[9-11]。多項式網路是一種自組適應模擬工具，可以建構輸入變數與輸出結果間的關係[12]，它與其他

7、網路相比較，有較高的預測精度及內部網路連結較少的優點[10-12]。輸入與輸出變數間的關係模式建立後，若能找出最佳的設計知識，則對鍛造模具設計而言，更是方便。全域工程最佳化方法就是在解業界實際問題時，可在全方位考慮下而求得最佳設計的過程，進而達到設計最好產品的目標。基因演算法就是此種方法之一，這種模擬自然界的演化法則，由於具備相當多特有的性能，故在最佳化上有優異的效果[13]。本文即將有限元素法、多項式網路模式及基因演算法結合成一最佳設計系統，以求得最佳沖孔腹板形狀，如圖1所示，亦即以有限元素法模擬分析不同任意曲

8、線構成之沖孔腹板形狀對鍛造變形的影響，並將此獲得的資訊，經由多項式網路建立沖孔腹板幾何形狀與鍛造負荷及腹板剪邊線等效應變間的關係模式，最後再透過基因演算法尋找出最佳的腹板形狀。而且為使各項模擬分析及模式建立正確可行，研究中將進行多次交互模擬驗證及比較分析。形狀初步規劃(Bezier曲線)製程變數材料特性鍛造模式建立(田口方法)(有限元素法)關係式建構(多項式網路)最佳途徑