摘要

本文使用三維有限元素軟體DEFORM分析壓延加工時，被壓延材於輥隙內之變形過程。研究的對象是圓棒之三輥行星式壓延。分析模式採剛塑性模式，並假設壓延時輥輪為剛體，且不考慮壓延過程的溫度變化。
第一部份是應用有限元素套裝軟體DEFORM 3D，來模擬現場之三輥行星式壓延時，壓延材在輥隙內之塑性流動情形，並分析其輥輪負載、力矩及棒材外形之變化，這些解析結果可做為壓延製程及壓延機設計時之參考。
第二部分應用有限元素套裝軟體DEFORM 3D，以三輥行星式壓延模擬機，壓延一般黏土為實例，針對不同偏斜角α、傾斜角β、輥輪形狀、壓下率r，分析其輥輪負載、力矩及壓延材表面螺紋深度之變化。

Finite Element Analysis on Planetary Three-Roll Rolling
Advisor Prof.: Y. M. Hwang
Student: F. H. Tsai

ABSTRACT
This paper used three-dimensional finite element code---Deform to analyze the plastic deformation behavior of material at the rolling-gap during planetary 3-roll rolling of rods or bars. The rigid-plastic model was used. The rolls are assumed to be rigid body and the change of temperature during rolling is ignored.
The first part was used Deform to simulate the manufactured bars in factory. We analyzed the rolling force, torque and the shape after deformation. These results can offer knowledge for the design of actual rolling mill or pass schedule of the 3-roll rolling processes.
The second part was compared with FEM and experiment. The simulation was made with the roll size and shape of a mini-type 3-roll rolling mill. We analyzed the rolling force, torque and the depth of spirals with different inclined angle, offset angle, roll shape and reduction.

摘要…………………………………………………………Ⅰ
目錄…………………………………………………………Ⅱ
圖表目錄……………………………………………………Ⅴ
符號說明……………………………………………………Ⅶ
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2三輥行星式壓延簡介 2
1-3文獻回顧 3
1-3-1 三輥行星式壓延 3
1-3-2 有限元素套裝軟體之比較 4
1-4 研究目的 6
1-5 本研究之組織架構 6
第二章 有限元素軟體 DEFORM簡介 10
2-1有限元素套裝軟體 DEFORM之架構 10
2-1-1前處理器(Pre-processor) 10
2-1-2模擬引擎(Simulation Engine) 12
2-1-3後處理器（Post-Processor） 13
2-1-4實用模組(Utility Module) 14
2-2摩擦效應 14
2-3 收斂方法 15
第三章 三輥行星式壓延加工之模擬 19
3-1 前言 19
3-2 模擬分析模式之建構 19
3-2-1 基本假設 19
3-2-2 加工條件之設定 20
3-2-3 有限元素之分析模式 20
3-3 模擬結果與討論 21
3-3-1 輥輪（Ⅰ）之模擬結果 22
3-3-2 輥輪（Ⅱ）之模擬結果 22
3-3-3 模擬結果之分析討論 23
第四章 解析與實驗之比較 33
4-1 前言 33
4-2 模擬模式之建構 33
4-2-1 參數之假設條件 33
4-2-2 參數之設定 34
4-2-3 有限元素之分析模式 34
4-3 解析結果與討論 35
4-3-1 螺紋深度之比較 35
4-3-2 壓延荷重之比較 36
4-3-3 解析結果之綜合討論 37
第五章 結論 53
5-1 研究成果之概要 53
5-2 今後研究之課題 54
參考文獻 55

參考文獻

[1] K. Nakasuji, K. Kuroda and C. Hayashi, “Development and Features of Rotary Reduction Mill,” Journal of the ISIJ, Vol.31, No.6, p.620 ( 1991).
[2] W. Jurgen Ammerling, etc. “The Kocks 3-roll Technology for High Precision Specialty Rod and Bar Products,” MPT-metallurgical Plant and Technology, No.6/89, p.14.
[3] C. H. Lee and S. Kobayashi, “New Solution to Rigid-Plastic Deformation Problems Using a Matrix Method,” Trans. ASME, J. Engr. Ind., Vol.95, p.865 (1973).
[4] K. Aoyagi and K. Ohta, “Material Deformation, Rolling Load and Torque in 3-roll Planetary Mill,” Journal of JSTP, Vol. 24.273, p.1039 (1983).
[5] 木村 貢，崛端真彥， “長方形斷面材料壓延特性”，塑性加工，Vol.27, No.306, p.827 (1986).
[6] 崛端真彥,木村 貢, “三方压延压力分佈”，塑性特性，Vol.30, No337, p.1302 (1989).
[7] 青柳幸四郎，太田國照， “Material Deformation, Rolling Load and Torque in 3-roll Planetary Mill”, 塑性加工, Vol. A, Version K6, 1994.
[8] 李毓傑，“行星式三輥輪高縮減壓延機壓延製程之彈塑性有限元素分析”，國立中山大學機械所，碩士論文(1995)。
[9] 張明湖，高縮減壓延機壓延製程之模擬，華新卡本特特殊鋼有限公司委託國立中山大學研究計畫，1998.
[10] R. Lapovok, S. Smirnov and V. Solomein, “Modeling the helicsl rolling of rods in a Three-high mill,” Journal of Materials Processing Technology.
[11] W. Yasuhiro, K. YAMADA, S. HAMAUZU and S. UCHIDA, “Three-Dimensional Analysis of Helical Rolling Using Rigid-Plastic Finite Element Method,” The 7th Int. Conf on Steel Rolling, Japan (1998-11) .
[12] MSC/NASTRAN, MSC International company, 1973.
[13] LS-DYNA3D, Livermore Software Technology Corporation (LSTC) , 1987.
[14] MARC, MARC Software International, Inc, 1976.
[15] ANSYS, ANSYS, Inc, 1970.
[16] PATRAN/p3, MSC International company, 1973.
[17] I-DEAS, Structural Dynamics Research Corporation, 1979.
[18] G. J. Li, W. T. Wu, A. Arvind and J. P. Tang, “3D Finite Element Analysis of Industrial Metal Forming Processes,” Advanced Technology of Plasticity, Vol.1, p.479 (1996).
[19] 蔡文銘，“行星式三輥輪壓延之實驗探討”，國立中山大學機械所，碩士論文(1999)。
[20] 楊川輝，“三次元壓延加工之有限元素模擬”，國立中山大學機械所，碩士論文(1999)。
[21] Kobayashi, Oh, Altan, “Metal forming and the Finite-Element Method,” Oxford University Press , p.93(1989).