2025-04-No2-扣件技術新訊

余征諴博士 / 國立高雄科技大學 鍛造輥軋工程研究中心

各位【台灣扣件產業服務雲】會員先進們大家好，與您分享本期 #扣件技術新訊 (2025-04-No-2)：

#技術主題 : #馬車螺栓 (圓頭方頸螺栓) 多道次鍛造成形 CAE 案例

馬車螺栓(圓頭方頸螺栓，Carriage Bolt)具有圓頂頭部、方形頸部與螺紋部(桿身部)的螺栓。使用時，方頸部能嵌入木材或金屬中的方形孔洞，防止螺栓在鎖緊過程中發生旋轉。馬車螺栓在鍛造過程中，由於其圓頭方頸的特殊幾何特徵，容易在成形時出現材料流動不均的情況，導致頭部與頸部的過渡區，容易產生裂紋或疊料等缺陷，進而影響產品的機械性能。

在此馬車螺栓多道次鍛造成形CAE案例中，螺栓規格為 M12x1.75、材質為中鋼 10B33球化鋼材，採用多道次冷鍛成形，其成形製程包括：

第零道次 (S0)：線材剪切下料。

第一道次 (S1)：前向擠製成形，進行線材整形。

第二道次 (S2)：鍛壓成形，分配頭部、方頸部、桿身部體積。將頭部與方頸部間，預成形設計為上圓下方的自然過渡形狀，避免材料流動發生疊料缺陷。

第三道次 (S3)：鍛壓成形，圓頭與方頸部預成形，方頸未完全成形。

第四道次 (S4)：頭部擠製六角孔成形，材料向下及向外鼓脹成形方頸，將頭部圓頭鍛壓至目標尺寸。

從有限元素分析CAE結果知：

1. 成形負荷，第一至第四道次，分別為 40 / 13 / 54 / 93 噸，合計 200 噸。

2. 各道次應變分佈： 

(1) 第一道次：下料後擠製整形，主要變形(應變)集中在鍛胚下方縮徑處。 
(2) 第二道次：胚料上半部，由圓柱形壓縮鼓脹為上圓下方的過渡形狀，主要應變區為與模具接觸的方形過渡面。 
(3) 第三道次：胚料由上圓下方過渡形狀，鍛壓為圓頭方頸形狀，方頸未完全成形，應變集中在圓頭方頸交界處。 
(4) 第四道次：上沖頭反擠製頭部六角孔，材料向下及向外鼓脹成形方頸，並將頭部圓頭鍛壓至目標高度，應變集中在反擠製沖頭承面區與圓頭方頸交界處。

利用CAE分析軟體，進行馬車螺栓多道次鍛造成形分析，可在不實際試模的情況下，預測材料流動、塑性應變分佈、成形負荷等資訊，如在鍛胚高應變區，即材料激烈變形區，此處對於模具磨損及破壞之影響甚大，未來可針對鍛胚預成形及模具設計進行改善優化設計，以減少開模試錯次數、降低材料浪費、提升模具壽命與成品品質穩定性。

應用該技術，可協助產業透過『馬車螺栓 (圓頭方頸螺栓) 多道次鍛造成形 CAE 案例』，建立『製程監控技術』之技術能量及相關研究開發之參考資料。

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#馬車螺栓多道次鍛造成形 CAE 分析動畫 [ https://youtu.be/oGxpfAEH2ts ]

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#參考資料：

[1] 台灣扣件產業服務雲, 扣件技術新訊, Vol. 2025-04-No2, 馬車螺栓 (圓頭方頸螺栓) 多道次鍛造成形 CAE 案例, https://www.tw-fastener.com/tfsc/knowledge/BLP_6c06e035-3bc4-4537-942b-1fa8eff7b17c

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Tag: #Fastener, #Bolt, #CAE, #CaseStudy, #Screw.

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