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國立中山大學機械與機電工程研究所 博士論文 管材液壓鼓脹成形之成形性分析 ability analysis of tube hydraulic bulge ing 研究生林義凱 撰 指導教授黃永茂 博士 中華民國 九十四 年 七 月 I 目錄目錄 目錄目錄............................................................................................................................................I 圖目錄圖目錄 ....................................................................................................................................IV 表目錄表目錄 .................................................................................................................................VIII 符號說明符號說明 ................................................................................................................................IX 中文摘要中文摘要 ................................................................................................................................XI 英文摘要英文摘要 ...............................................................................................................................XII 第一章第一章 緒論緒論 .............................................................................................................................1 1-1 前言.................................................................................................................................1 1-2 管材液壓成形之製程簡介.............................................................................................3 1-2-1 管材液壓成形之發展現況.....................................................................................3 1-2-2 管材液壓成形之優缺點..........................................................................................4 1-2-3 管材液壓成形之應用.............................................................................................5 1-2-4 管材液壓成形之影響因素......................................................................................6 1-3 管材液壓成形之文獻回顧.............................................................................................8 1-4 本文之研究目的...........................................................................................................16 1-5 本文之架構...................................................................................................................19 第二章第二章 管材液壓鼓脹成形之解析管材液壓鼓脹成形之解析 .......................................................................................25 2-1 解析模式之基本假設...................................................................................................25 2-1-1 座標系定義...........................................................................................................26 2-1-2 基本塑性力學方程式...........................................................................................26 2-2 固著模式之建構...........................................................................................................28 2-2-1 幾何關係................................................................................................................28 2-2-2 極點厚度之求得...................................................................................................29 2-2-3 成形壓力之求得...................................................................................................30 II 2-3 反推塑流應力之模式建構...........................................................................................32 第三章第三章 成形極限曲線之解析成形極限曲線之解析 ...............................................................................................39 3-1 基本假設.......................................................................................................................39 3-2 SWIFT擴散不穩定準則.................................................................................................40 3-3 HILL局部不穩定準則...................................................................................................42 3-4 HILL一般化新降伏準則...............................................................................................43 第四章第四章 單軸拉伸試驗與鼓脹試驗單軸拉伸試驗與鼓脹試驗 .......................................................................................48 4-1 管材之單軸拉伸試驗...................................................................................................48 4-1-1 萬能拉伸試驗機...................................................................................................48 4-1-2 拉伸試片之製作....................................................................................................49 4-1-3 異方向性 r 值之求得 ...........................................................................................49 4-1-4 材料塑流應力之求得............................................................................................50 4-2 管材之液壓鼓脹試驗...................................................................................................51 4-2-1 實驗設備...............................................................................................................52 4-2-2 試驗管材之準備...................................................................................................53 4-2-3 模具設計與製作...................................................................................................54 4-2-4 量測儀器說明.......................................................................................................56 4-2-5 管材無軸向進給之鼓脹試驗步驟.......................................................................58 4-3 管材之成形極限試驗...................................................................................................59 4-3-1 負載路徑之決定....................................................................................................59 4-3-1 實驗設備...............................................................................................................59 4-3-2 試驗管材之準備...................................................................................................60 4-3-3 模具之設計與製作...............................................................................................61 4-3-4 管材具有軸向進給之液壓鼓脹試驗步驟...........................................................63 第五章第五章 解析、模擬及實驗結果與討論解析、模擬及實驗結果與討論 ...............................................................................85 5-1 管材兩端固定之鼓脹成形...........................................................................................85 III 5-2 單軸拉伸試驗...............................................................................................................87 5-2-1 異方向性 r 值之求得 ...........................................................................................87 5-2-2 單軸拉伸之塑流應力求得...................................................................................87 5-3 塑流應力之求得與驗證...............................................................................................88 5-3-1 鼓脹試驗結果與討論............................................................................................88 5-3-2 有限元素模擬與實驗值之比較...........................................................................91 5-4 成形極限圖之建立.......................................................................................................93 5-4-1 理論預測成形極限曲線.......................................................................................93 5-4-2 具有軸向進給之液壓成形試驗...........................................................................94 5-4-3 解析結果與實驗值之比較...................................................................................94 第六章第六章 結論結論 .........................................................................................................................123 6-1 管材無軸向進給之液壓鼓脹成形.............................................................................123 6-2 雙軸應力態下之塑流應力.........................................................................................124 6-3 成形極限曲線之解析與實驗.....................................................................................124 參考文獻參考文獻 ...............................................................................................................................126 作者簡介作者簡介 ...............................................................................................................................136 發表著作發表著作 ...............................................................................................................................137 IV 圖目錄圖目錄 圖 1-1 液壓成形技術之分類.............................................................................................20 圖 1-2 管材液壓成形各作用力之示意圖.........................................................................20 圖 1-3 軸對稱元件之液壓成形過程.................................................................................21 圖 1-4 應用管材液壓成形製程之汽車元件.....................................................................21 圖 1-5 應用管材液壓成形製程之自行車元件a把手；b車架....................................21 圖 1-6 應用管材液壓成形製程之機車元件哈雷機車之 V-rod 車架 ...........................22 圖 1-7 不當負載路徑所造成之管材缺陷.........................................................................22 圖 1-8 負載路徑之成形極限曲線.....................................................................................22 圖 1-9 管材液壓成形中影響摩擦之參數.........................................................................23 圖 1-10 長直圓管經預彎曲成形步驟之示意圖.................................................................23 圖 1-11 液壓成形零件經預彎曲之典型衛浴設備應用實例 .............................................24 圖 1-12 液壓成形零件經預衝擊成形之應用實例.............................................................24 圖 2-1 座標系之定義.........................................................................................................35 圖 2-2 管材於鼓脹區之微小元素受力情形.....................................................................35 圖 2-3 管材之液壓鼓脹成形幾何關係示意圖.................................................................36 圖 2-4 管材成形至第 i-1 步與第 i 步之情形....................................................................36 圖 2-5 管材鼓脹成形之解析流程圖.................................................................................37 圖 3-1 Keeler-Goodwin 成形極限圖 .................................................................................46 圖 3-2 預測成形極限曲線之流程圖.................................................................................47 圖 4-1 剖半管材之壓平示意圖.........................................................................................66 圖 4-2 拉伸試片尺寸圖.....................................................................................................66 圖 4-3 固定管材液壓鼓脹試驗系統.................................................................................67 圖 4-4 液壓鼓脹試驗機台組立示意圖.............................................................................67 圖 4-5 退火溫度與時間關係.............................................................................................68 圖 4-6 上、下進油管a尺寸圖，b實體照片................................................................69 圖 4-7 嵌管模a尺寸圖；b實體照片............................................................................70 圖 4-8 高度墊圈a尺寸圖；b實體照片........................................................................71 V 圖 4-9 優力膠受力示意圖.................................................................................................72 圖 4-10 優力膠a尺寸圖；b實體照片............................................................................72 圖 4-11 輔助長度測量錶量測鼓脹高度之機構 .................................................................73 圖 4-12 管材鼓脹高度之量測情形.....................................................................................73 圖 4-13 壓力傳送器與數位顯示器之實體照片.................................................................74 圖 4-14 厚度量測機構示意圖.............................................................................................74 圖 4-15 曲率量測機構示意圖a歸零動作；b量測情形................................................75 圖 4-16 變形後網格在成形極限圖中之相對位置.............................................................75 圖 4-17 配合 LS-DYNA 控制應變路徑之程式流程圖......................................................76 圖 4-18 控制所得應變路徑之結果.....................................................................................77 圖 4-19 控制所得之負載路徑.............................................................................................77 圖 4-20 液壓成形試驗機台.................................................................................................78 圖 4-21 具有軸向進給之液壓成形系統.............................................................................79 圖 4-22 網格蝕刻示意圖.....................................................................................................79 圖 4-23 電化學蝕刻流程圖.................................................................................................80 圖 4-24 推桿a尺寸圖；b實體照片................................................................................81 圖 4-25 推桿與液壓缸間之連接頭a尺寸圖；b實體照片............................................82 圖 4-26 嵌管模a尺寸圖；b實體照片............................................................................84 圖 4-27 優力膠受力示意圖.................................................................................................84 圖 5-1 管材於鼓脹區之外形比較...................................................................................100 圖 5-2 管材於鼓脹區之厚度分佈比較...........................................................................100 圖 5-3 鼓脹長度對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響...............................................101 圖 5-4 管材厚度對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響...............................................101 圖 5-5 應變硬化指數對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響.......................................102 圖 5-6 入模半徑對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響...............................................102 圖 5-7 ϕ r值對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響.......................................................103 圖 5-8 θ r 值對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響.......................................................103 圖 5-9 r值對成形壓力與鼓脹高度的關係之影響.........................................................104 圖5-10 管材厚度對最大鼓脹高度與鼓脹長度的關係之影響.......................................104 VI 圖5-11 入模半徑對最大鼓脹高度與鼓脹長度的關係之影響.......................................105 圖5-12 AA6011拉伸試片之異方向性迴歸圖.................................................................105 圖5-13 SUS409拉伸試片之異方向性迴歸圖.................................................................106 圖5-14 拉伸試驗後之AA6011試片................................................................................106 圖5-15 拉伸試驗後之SUS409試片................................................................................107 圖5-16 AA6011 拉伸試驗之塑流應力曲線....................................................................107 圖5-17a SUS409 拉伸試驗之塑流應力曲線.....................................................................108 圖5-17b SUS409 拉伸試驗之塑流應力曲線.....................................................................108 圖5-18 AA6011鋁合金管再現性試驗.............................................................................109 圖5-19 SUS409不銹鋼管再現性試驗.............................................................................109 圖5-20 AA6011於各成形壓力下之鼓脹情形.................................................................110 圖5-21 SUS409於各成形壓力下之鼓脹情形.................................................................110 圖5-22 AA6011於鼓脹區之外形比較.............................................................................111 圖5-23 SUS409於鼓脹區之外形比較..................................................