鈦金屬具有強度高、質量輕、耐腐蝕的優點，主要運用在航太產業，隨著加工技術及人民消費力的提升，逐漸運用在汽機車、運動休閒器材等產業。也因為鈦無毒性且生物相容性高，廣泛運用在生醫領域。本研究利用有限元素分析進行二級純鈦金屬螺絲打頭及輾牙製程模擬，探討製程參數與模具設計對鍛造力與成形性的影響。首先利用Gleeble 1500熱機模擬試驗機進行圓柱壓縮試驗，得到二級純鈦金屬在不同溫度與應變率下之塑流應力，並匯入有限元素軟體DEFORM進行模擬打頭及輾牙製程模擬。打頭製程分為三道次進行鍛造，第一道次為螺絲軸部擠出製程，第二道次為頭部預成形製程，第三道次為頭部內六角槽孔成形製程。藉由製程參數及模具設計，可避免螺絲打頭過程所發生的缺陷。輾牙製程為找出適當之牙板間距，使輾牙後之成品符合ISO公制螺紋之規格，並探討摩擦係數、網格尺寸與牙板間距對螺紋高度的影響。最後利用萬能試驗機搭配自行設計之打頭模具及輾牙機進行實驗，將實驗值與模擬值作比較，印證其模擬之準確性。

Titanium with high strength, light weight, and corrosion resistance advantages, are mainly used in aerospace industries. Following the improvement of processing technology and increase of living expenditure ability, titanium are also used in automotive, sports leisure goods and other industries. Because of non-toxicity and high biocompatibility, titanium are widely applied in biomedical fields. At first, Compression tests were carried out under various forming temperatures to obtain the flow stresses which are need in the finite element simulations of heading processes of grade 2 pure titanium screws. A heading process is generally composed of three stages. The first stage is extrusion of the screw shaft. The second stage is preforming of the screw head. The third stage is forging of the inner hexagonal socket part of the screw head. By appropriate process parameters control and die design, defects usually occurring in the heading process can be avoided. The threading process is to identify the appropriate distance of the thread plates, so that the finished product meets the specifications of the ISO metric thread. The effect of friction factor, mesh size and the distance of the thread plates in the threading process are also investigated. Finally, heading and threading experiments are conducted by using a universal testing machine with a self-designed die set. The experimental load and dimensions are compared with the analytical results to verify the suitability and accuracy of finite element model for heading and threading processes.

論文審定書 i
致謝 ii
摘要 iii
圖目錄 vii
表目錄 xi
符號表 xi
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 台灣螺絲產業概況 1
1-3 螺絲製程之簡介 2
1-3-1 螺絲打頭製程 3
1-3-2 螺絲輾牙製程 4
1-4 螺絲種類介紹 6
1-4-1 螺絲頭型及槽孔介紹 6
1-4-2 螺絲螺紋介紹 7
1-5 鈦金屬之優勢 13
1-6 文獻回顧 17
1-6-1 打頭相關之研究 17
1-6-2 輾牙相關之研究 19
1-6-3 鈦金屬成形相關之研究 21
1-7 研究方法及目的 21
第二章 打頭製程有限元素分析 23
2-1 有限元素分析軟體介紹 23
2-2 二級純鈦金屬之圓柱壓縮試驗 24
2-3 打頭製程有限元素分析之模具設計及參數設定 28
2-3-1 強束模與頭部預成形之設計 29
2-3-2 模擬參數設定及網格之劃分 33
2-4 打頭製程模擬結果與討論 34
2-4-1 網格對第一道次負載之影響 34
2-4-2 第一道次強束模圓弧之影響 35
2-4-3 第二道次頭部預成形設計之影響 36
2-4-4 第一道次衝程對第二道次成形之影響 48
2-4-5 溫度之影響 54
2-4-6 三道次之2D及3D打頭模擬比較 54
2-4-7 非等溫模式之探討 57
2-4-8 3D模具應力分析 58
第三章 輾牙製程有限元素分析 61
3-1 輾牙製程模組之建立及參數設定 61
3-2 輾牙製程模擬結果與討論 65
3-2-1 牙板間距之影響 69
3-2-2 網格設定之影響 72
第四章 螺絲打頭及輾牙實驗 75
4-1 螺絲之打頭實驗 75
4-1-1 實驗方法與步驟 78
4-1-2 打頭實驗與模擬之結果討論 79
4-2 螺絲之輾牙實驗 84
4-2-1實驗方法與步驟 85
4-2-2 輾牙實驗與模擬之結果討論 85
4-3 硬度試驗 88
4-3-1 硬度試驗步驟 88
4-3-2硬度試驗之結果比較 89
第五章 結論與未來展望 90
5-1 結論 90
5-2 未來展望 91

【1】 台灣螺絲工業同業公會http://www.allproducts.com/twfastener/chinese/cintro.htm
【2】 春雨集團http://www.chunyu.com.tw/TW/product.html
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【6】 甲蟲工作室http://bugworkshop.blogspot.tw/2010/08/blog-post.html
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