2026-10-No1-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 (2026-10-No-1)：
#技術主題 : #螺栓多道次鍛粗成形與切片法負荷預估技術
切片法（slab method）是一種解析方法，可不經完整有限元素分析，快速預測多道次冷鍛的各道次成形荷重。以 Al6061-T0 之 M12 六角螺栓驗證，預測值與有限元素法（finite element method, FEM）的誤差約 1%，可快速且準確預估鍛粗負荷。
#為什麼要用鋁合金螺栓？
扣件輕量化可降低運輸設備的燃油消耗與碳排放。鋁合金具高比強度、良好加工性與耐海水腐蝕性。以鋁合金螺栓取代不鏽鋼螺栓，可減輕重量並緩解電偶腐蝕。
#鋁合金螺栓冷鍛有哪些挑戰？
螺栓冷成形包含頭部鍛粗、切邊與搓牙。其中鍛粗設計不當，易造成挫曲與破裂；荷重不足使頭部成形不完整，荷重過大則造成模具應力過大，縮短模具壽命。FEM 雖可評估荷重，但計算耗時，且多道次冷鍛粗的荷重解析研究仍有限。
#如何設計多道次冷鍛製程？
Park等人[1]依體積不變原理決定初始鍛胚尺寸，並以鍛粗比（s ≤ 2.3）與鍛粗應變判斷挫曲與破裂風險。單道次鍛粗的鍛粗比為 3.36，超出容許範圍，因此改採三道次鍛粗，包括：
第0道次 (S0)：線材剪切下料。
第1道次 (S1)：半閉模預成形。
第2道次 (S2)：第一次鍛粗成形。
第3道次 (S3)：第二次鍛粗成形。
#切片法如何預測成形荷重？
切片法依塑流應力、有效接觸面積與摩擦修正項估算荷重。S1 與 S3 的模具會約束材料，僅未接觸模穴的底層持續變形，因此只取該層的等效直徑與高度計算。驗證採用 DEFORM 建立二維軸對稱 FEM 模型（摩擦因子 0.1，鍛粗速度 100 mm/s），並以鍛粗實驗比對頭部形狀。
#驗證結果如何？
FEM 預測的頭部形狀與實驗試片吻合，且未出現挫曲或表面裂紋。S1 的變形集中在頭部下半部，S2 集中在上半部，S3 出現鼓脹現象。
荷重方面，S1 的切片法預測值為 3.72 tons，FEM 為 3.73 tons；S3 的切片法預測值為 13.71 tons，FEM 為 13.87 tons，誤差約 1%。
#此技術有什麼效益？
此方法無需完整 FEM 計算，即可快速估算各道次荷重，協助冷鍛機噸位選用與模具設計，減少試模次數。此方法也可延伸應用於其他扣件的多道次冷鍛製程設計。
#FAQ
Q1：什麼是切片法（slab method）？
A1：切片法是以流動應力、接觸面積與摩擦修正項估算鍛造荷重的解析方法。Park 與 Lee（2026）將其修正為只計算仍在變形的底層，用於預測多道次冷鍛各道次的成形荷重。
Q2：為什麼 M12 鋁合金螺栓要採用三道次鍛粗？
A2：單道次鍛粗的鍛粗比為 3.36，超出 2.3 的容許上限，有挫曲與破裂風險。改採預成形、第一次鍛粗與第二次鍛粗三道次後，各道次鍛粗比降至 0.95、0.48 與 0.85。
Q3：切片法預測的荷重有多準確？
A3：與 FEM 比對，S1 為 3.72 與 3.73 tons，S3 為 13.71 與 13.87 tons，誤差約 1%。論文未實測荷重，因此此誤差代表與 FEM 的一致程度。
Q4：鋁合金螺栓相較不鏽鋼螺栓有何優點？
A4：鋁合金螺栓可減輕結構重量，並與鋁合金構件搭配使用，緩解海水環境中的電偶腐蝕。不鏽鋼螺栓搭配鋁合金構件，則會加速鋁合金的電偶腐蝕。
應用該技術，可協助產業透過『螺栓多道次鍛粗成形與切片法負荷預估技術』，建立『螺栓鍛造成形技術』之技術能量及相關研究開發之參考資料。
根據公開的網頁及專利資訊，可提供相關類似技術與產品之公司，如：邁達斯興業股份有限公司、緯聯股份有限公司、慶達科技股份有限公司、緯紘精密工業股份有限公司、強鑫工業股份有限公司 ... 等公司。
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#參考資料：
[1] Park, S. C., & Lee, K. H. (2026). Upset forging process design of aluminum bolts and forming load evaluation by slab method. Journal of Advanced Marine Engineering and Technology-Vol, 50(3), 197-204., https://e-jamet.org/_PR/view/?aidx=49953&bidx=4482
[2] 台灣扣件產業服務雲, 扣件技術新訊, Vol. 2026-10-No1, 螺栓多道次鍛粗成形與切片法負荷預估技術, https://www.tw-fastener.com/tfsc/knowledge/BLP_8dd35c30-1f78-4509-bbcd-8c67b7956f2e
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Tag: #Fastener, #Bolt, #Forging, #ProcessDesign, #Screw.
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#Further Information :
#Article Type : Paper Review.
#Title : Upset forging process design of aluminum bolts and forming load evaluation by slab method
#Product : Fastener, Bolt, Nut, Screw.
#Technology : Multi-Stage Forging, Process design, Die design,
#Process Design : Coil cutting, Heading, Upsetting, Forward extrusion, Backward extrusion.
#Benefit : High production efficiency, Low material waste, High material usage.
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