陳復國臺灣大學：機械工程學研究所詹惟嶸Zhan, Way-RomeWay-RomeZhan2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61246管件液壓成形（Tube Hydroforming）即是藉著高壓液體去完成金屬管材之膨脹變形的加工方式。管件液壓成形具有強度高、質量輕、節省材料、減少產品組裝道次、降低成本等優點，因此管件液壓成形此項技術遂成為國際各大車廠積極投入開發研究的項目之一。 由於材料之機械性質為CAE模擬所不可或缺的參數，因此建立正確的材料性質曲線是必須的，由於管件之材料性質不易取得，因此本論文利用簡易之CAE模擬模型，希望能利用原板材的材料性質預測管件的材料性質，並利用實驗與模擬結果做相關的比對，實驗結果發現實際製管過程所造成的加工硬化值要比模擬結果來得大，模擬所預測的加工硬化值為理想的製管過程，是不考慮摩擦等因素所造成的最小的加工硬化值。此外實驗發現管件的拉伸曲線在經過一個offset值之後確實可以與原板材的拉伸曲線重合，這表示材料的最大伸長量是固定的，隨著應變的累積，所剩餘的伸長量將會越來越少。 在液壓壓力與製程參數之關係驗證上，是藉由CAE的模擬結果與理論模型做相關的驗證，驗證結果發現理論模型在高壓時會些釭滌爬蘁犍顝珨搌漲豆怹ㄓO，但在實務上在應用公式來評估液壓時，雖然會使公式計算結果正確性略降，但是卻不用擔心”未填滿”的問題，此項公式在工程的應用上算是最大所需的成形壓力（upper bound），因此即使正確性略降，但是在工業上的應用是沒有問題的。 製程規劃方面，由於已經驗證成形性公式的正確性，因此可利用成形性公式進行製程規劃，計算所需的成形壓力以及所需的壓模力為何，在產品開發初期之時便能初步的規劃各項所需的設備。 本論文已根據實際的液壓成形製程建立完整的CAE模擬模式，提供設計者一套完整的液壓成形的模擬模式，並針對各製程可能發生的各種缺陷有初步的研究，此外也初步的建立管件液壓成形製程所需的設計流程。Tube hydroforming is a manufacturing process to form desired component shapes by fluid pressure which is applied ductile metallic tube blanks. This takes low cost, low mass and can retrench materials, even improve structural performance. Hence, tube hydroforming is one of the technologies that car companies investigate aggressive. Because the material properties are required in computer simulations, tube material properties are investigated in the present study. Tensile tests from the tube are not easy to obtain. However, in order to predict the tube material properties, the simple model is established. The experimental results reveal that strain hardening during the tube-rolling process is higher than the computer simulation. Nevertheless, the computer simulation is the least strain hardening during the tube-rolling process. Besides, after the offset of tube materials, the stress curve can overlap tube materials and original materials. It reveals that the failure point is the same. As the material strain hardens, it gets nearer to its failure point. Computer simulation is used to prove the formability formula. The results of the formability formula show higher forming pressure than exact forming pressure. According to the above results, the phenomenon of under-fill will not happen in the application because the calculated value is higher than the right value. The formula can be used in application. The formability formula can estimate the forming pressure and the holding force since it is proved the precision. The designer can decide the hydraulic system and hydraulic press from the calculation in the initial stage. The overall requirements for the simulation of tube hydroforming are fully discussed in the present study. From the simulation, the defects are also investigated. Furthermore we also create some design guidelines for the designers who want to investigate the technology of tube hydroforming.目錄-----------------------------------------------------Ⅴ 圖目錄---------------------------------------------------Ⅹ 表目錄-----------------------------------------------ⅩⅤⅢ 第一章 緒論--------------------------------------------1 1.1 前言------------------------------------------------1 1.2 研究動機與目的--------------------------------------7 1.3 文獻回顧--------------------------------------------9 1.4 研究方法與步驟-------------------------------------14 1.5 論文總覽-------------------------------------------18 第二章 管件材料性質的預測-----------------------------20 2.1 製管CAE模擬模型的建立-----------------------------20 2.1.1 有限元素法軟體之介紹--------------------------21 2.1.2 CAE模擬模型的建立-----------------------------21 2.1.3 利用模擬結果預測管件之材料性質----------------23 2.1.4 實際製管過程與CAE模擬模型的差異--------------29 2.2 材料性質試驗---------------------------------------31 2.2.1 拉伸試驗--------------------------------------31 2.2.2 實驗結果--------------------------------------36 2.3 管材與原板材在材料性質之差異比較-------------------44 2.3.1 模擬結果與實驗結果的比較----------------------44 2.3.2 結果與討論------------------------------------47 2.4 板件材料性質與管件材料性質對成形的影響-------------49 2.5 焊道對管件材料性質的影響---------------------------55 2.5.1 高週波焊接------------------------------------55 2.5.2 焊接後材料的缺陷 -----------------------------56 2.5.3 高週波焊接管件之微硬度分佈--------------------57 2.5.4 焊道材料性質與管件材料性質的差異--------------61 第三章 液壓壓力與製程參數之關係-----------------------63 3.1 液壓壓力與成形最小圓角半徑之關係-------------------64 3.2 壓模力計算公式-------------------------------------68 3.3 二維理論模型之驗證---------------------------------69 3.4 三維CAE驗證結果-----------------------------------71 3.4.1 選取各代表性截面------------------------------71 3.4.2 各截面的模擬結果------------------------------73 3.4.3 三維CAE驗證結果------------------------------80 3.5 結果討論-------------------------------------------81 第四章 製程規劃---------------------------------------82 4.1 CAD軟體之介紹--------------------------------------82 4.2 產品形狀之CAD圖檔建立-----------------------------83 4.3 管件截面分析---------------------------------------84 4.3.1 截面之選擇------------------------------------84 4.3.2 截面之特性分析--------------------------------87 4.4 二維理論模型預測各截面液壓成形條件-----------------88 4.4.1 選擇適當大小之管件----------------------------88 4.4.2 最小成形壓力與合模力之分析--------------------90 第五章 建立液壓成形製程之CAE模擬模式------------------93 5.1 三維模具模型之CAD圖檔建立-------------------------93 5.1.1 彎管模型之建立-------------------------------93 5.1.2 預成形模具模型之建立-------------------------96 5.1.3 液壓成形模具模型之建立-----------------------98 5.2 模具CAD圖檔與CAE軟體之介面轉換-------------------99 5.2.1 有限元素模擬軟體PAM-STAMP--------------------99 5.2.2 CAD model圖檔的取得-------------------------101 5.2.3 網格資料的建立------------------------------103 5.3 有限元素法模型之建立------------------------------104 5.3.1 彎管模型之建立------------------------------104 5.3.2 預成形模具模型之建立------------------------105 5.3.3 液壓成形模具模型之建立----------------------106 5.4 模擬分析結果--------------------------------------108 5.4.1 彎管之分析結果-------------------------------109 5.4.2 預成形之分析結果-----------------------------111 5.4.3 液壓成形之分析結果---------------------------115 5.4.4 管材與原板材之材料性質對模擬結果的影響-------123 5.5 結果與討論----------------------------------------129 第六章 結論與未來研究方向-------------------------------132 6.1 結論----------------------------------------------132 6.2 未來研究方向--------------------------------------133 參考文獻------------------------------------------------134 圖目錄 圖1.1 板件液壓成形製程------------------------------------2 圖1.2 液壓成形之模具圖------------------------------------4 圖1.3 管件液壓成形製程------------------------------------5 圖1.4 液壓成形的應用範圍----------------------------------6 圖1.5 汽車應用之部位--------------------------------------6 圖1.6 液壓鼓脹成形的測試儀器-----------------------------10 圖1.7 Rotary Draw Bending Machine------------------------12 圖1.8 Bend Die-------------------------------------------12 圖2.1 管件製造流程---------------------------------------22 圖2.2 製管CAE模擬模型-----------------------------------23 圖2.3 彎管之應變圖---------------------------------------24 圖2.4 原始板材與管材之應力應變曲線（OD/T=11.964）---------26 圖2.5 原始板材與管材之應力應變曲線（OD/T=16.565）---------26 圖2.6 原始板材與管材之應力應變曲線（OD/T=21.35）----------27 圖2.7 原始板材與管材之應力應變曲線（OD/T=33.86）----------27 圖2.8 原始板材與管材之應力應變曲線（OD/T=36）-------------28 圖2.9 實驗測試位置---------------------------------------30 圖2.10 管件的焊接----------------------------------------30 圖2.11 MTS 810拉伸試驗機---------------------------------32 圖2.12 伸長計-------------------------------------------32 圖2.13 拉伸試片規格-------------------------------------33 圖2.14 圓弧形夾具---------------------------------------34 圖2.15 不同夾頭之應力應變圖-----------------------------34 圖2.16 原材料之應力應變曲線(OD=48.6㎜)-----------------37 圖2.17 原材料之應力應變曲線(OD=88.8㎜)-----------------37 圖2.18 AKASHI MVK-E微硬度試驗機------------------------39 圖 2.19 硬度測試位置-------------------------------------39 圖 2.20 管件軸向之硬度分佈圖(48.6㎜)---------------------40 圖2.21管件圓周方向之硬度分佈圖(48.6㎜)------------------40 圖 2.22管件軸向之硬度分佈圖(88.8㎜)---------------------41 圖 2.23管件圓周方向之硬度分佈圖(88.8㎜)-----------------41 圖 2.24 管件之真應力應變曲線（OD=48.6㎜）-----------------42 圖 2.25管件之真應力應變曲線（OD=88.8㎜）----------------43 圖 2.26 管件材料性質的預測（OD=48.6㎜）------------------45 圖 2.27 實驗結果（OD=48.6㎜）-----------------------------46 圖 2.28 管件材料性質的預測（OD=88.8㎜）-------------------46 圖 2.29 實驗結果（OD=88.8㎜）----------------------------47 圖2.30 拉伸曲線-----------------------------------------50 圖 2.31 模擬模型-----------------------------------------50 圖 2.32 成形時最大厚度-----------------------------------52 圖 2.33 成形時最小厚度-----------------------------------52 圖 2.34 成形時最大厚度與最小厚度的差異-------------------53 圖 2.35 成形時最小厚度的變薄率---------------------------54 圖 2.36 高週波焊接---------------------------------------56 圖 2.37 熱影響區域示意圖---------------------------------57 圖 2.38 硬度與焊接位置的關係圖---------------------------59 圖 2.39 管件之硬度分佈圖---------------------------------59 圖 2.40 硬度與焊接位置的關係圖---------------------------60 圖 2.41 管件之硬度分佈圖---------------------------------60 圖 2.42 焊道材料性質與管件材料性質的差異（OD=48.6㎜）----61 圖 2.43 焊道材料性質與管件材料性質的差異（OD=88.8㎜）----62 圖 3.1 無限長之直管--------------------------------------63 圖 3.2 管件未能成形至所要求之形狀------------------------64 圖 3.3 未成形之管件的尺寸參數----------------------------65 圖 3.4 成品的各項尺寸參數--------------------------------66 圖 3.5 應力-應變曲線圖-----------------------------------66 圖 3.6 壓模力計算公式所使用之尺寸參數--------------------68 圖 3.7 板厚1mm管件的模擬結果----------------------------70 圖 3.8 板厚2mm管件的模擬結果----------------------------70 圖 3.9 選取代表性的截面----------------------------------72 圖 3.10 截面A在液壓成形前的圖形-------------------------74 圖 3.11 截面A在液壓成形後的成形圖-----------------------74 圖 3.12 截面A最小R角與壓力的關係------------------------74 圖 3.13 截面A之成形變化圖-------------------------------75 圖 3.14 截面B最小R角與壓力的關係------------------------76 圖 3.15 截面C最小R角與壓力的關係------------------------77 圖 3.16 截面D最小R角與壓力的關係------------------------78 圖 3.17 截面E最小R角與壓力的關係------------------------79 圖 4.1 汽車結構件----------------------------------------83 圖 4.2 汽車結構件上視圖----------------------------------85 圖 4.3 各截面之周長變化圖--------------------------------85 圖 4.4 各截面的形狀--------------------------------------86 圖 4.5 原始管件半徑38mm時之各截面周長相差比圖-----------89 圖 4.6 原始管件半徑36mm時之各截面周長相差比圖-----------89 圖 4.7 汽車結構件在Z方向的垂直投影面積------------------91 圖 5.1 管件投影面積圖------------------------------------94 圖 5.2 彎曲管件圖----------------------------------------95 圖 5.3 管件尺寸圖----------------------------------------95 圖 5.4 模具分段圖----------------------------------------97 圖 5.5 預成形CAD圖--------------------------------------97 圖 5.6 合模模具之CAD圖----------------------------------98 圖 5.7 液壓成形模具之CAD圖------------------------------98 圖 5.8 檔案處理流程-------------------------------------100 圖 5.9 CAD模型------------------------------------------101 圖 5.10 CAD模型之破裂面---------------------------------102 圖 5.11 模面網格圖檔------------------------------------103 圖 5.12模具配置圖---------------------------------------103 圖 5.13 CNC Rotary-Bending-------------------------------105 圖 5.14 預成形模具之運動圖------------------------------105 圖 5.15 預成形模具之合模圖------------------------------106 圖 5.16 液壓成形模具之上下模----------------------------107 圖 5.17 液壓成形模具之CAE圖----------------------------107 圖 5.18 彎管時的管件厚度變化----------------------------109 圖 5.19 36㎜管件之彎管厚度分佈圖------------------------110 圖 5.20 38㎜管件之彎管厚度分佈圖------------------------110 圖 5.21 預成形時之形狀變化------------------------------112 圖 5.22 管件半徑為36mm之預成形厚度分佈圖---------------113 圖 5.23 管件半徑為38mm之預成形厚度分佈圖---------------113 圖 5.24 管件半徑為36㎜之預成形圖-----------------------114 圖 5.25 管件半徑為38㎜之預成形圖-----------------------114 圖 5.26 預成形之夾料示意圖------------------------------115 圖 5.27 合模時之形狀變化--------------------------------116 圖 5.28 管件半徑為36㎜之合模厚度分佈圖-----------------116 圖 5.29 管件半徑為36㎜之合模厚度分佈圖-----------------117 圖 5.30 管件半徑為36㎜之合模圖-------------------------117 圖 5.31 管件半徑為38㎜之合模圖-------------------------118 圖 5.32 液壓成形時之形狀變化圖--------------------------119 圖 5.33 管件半徑為36㎜之液壓成形厚度分佈圖-------------120 圖 5.34 管件半徑為38㎜之液壓成形厚度分佈圖-------------120 圖 5.35 管件半徑為36㎜之液壓成形圖---------------------121 圖 5.36 管件半徑為38㎜之液壓成形圖---------------------121 圖 5.37 截面C之液壓成形形狀圖--------------------------122 圖 5.38 原始板件材質之彎管模擬結果----------------------123 圖 5.39 管件材質之彎管模擬結果--------------------------124 圖 5.40原始板件材質之預成形模擬結果---------------------125 圖 5.41管件材質之預成形模擬結果-------------------------125 圖 5.42原始板件材質之液壓成形模擬結果-------------------126 圖 5.43管件材質之液壓成形模擬結果-----------------------127 表目錄 表 2.1 管件尺寸------------------------------------------25 表 2.2 各種管件之OD/T值---------------------------------28 表 2.3 實際管件之應變------------------------------------30 表 2.4 管件尺寸------------------------------------------36 表 2.5 模擬結果與實驗結果的比較表------------------------48 表 2.6 材料性質比較--------------------------------------51 表 2.7 管件尺寸------------------------------------------58 表 3.1 截面A之最小R角-----------------------------------75 表 3.2 截面B之最小R角-----------------------------------76 表 3.3 截面C之最小R角-----------------------------------77 表 3.4 截面D之最小R角-----------------------------------78 表 3.5 截面E之最小R角-----------------------------------79 表 3.6 各截面之成形結果----------------------------------80 表 4.1 各截面特性歸納------------------------------------87 表 4.2 各截面計算結果------------------------------------90 表 4.3 壓模力計算結果------------------------------------92 表 5.1管件各截面尺寸-------------------------------------96 表5.2 模擬參數-----------------------------------------108 表 5.3 彎管厚度變化率比較表-----------------------------111 表 5.4 液壓成形厚度變化率比較表-------------------------121 表 5.5 各截面周長---------------------------------------122 表 5.6 彎管厚度變化率比較表-----------------------------124 表 5.7 預成形厚度變化率比較表---------------------------126 表 5.8 液壓成形厚度變化率比較表-------------------------127en-US壓模力板件液壓成形成形壓力液壓成形未填滿加工硬化值管件液壓成形strain hardeninghydroformingsheet metal hydroformingholding forceunder fillforming pressurethesis