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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..................................................

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