1、國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University國立台灣大學機械工程學研究所指導教授：陳復國 博士 報 告 者：蔡恒光1國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University內容大綱一、前言二、降伏準則及加工硬化準則之探討三、降伏準則Hill 48及Barlat之模擬分析四、先進高強度鋼扭曲現象之研究五、S-ra
2、il扭曲現象之研究六、結2國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University3 一、前言1)研究背景與目的2)研究方法與步驟國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University4研究背景與目的o 隨著科技的進步，環保節能的需求，以及產品市場的激烈競爭，輕量化已是大多數產品開發必須考慮重點之。o 為了達成車輛減重的
3、目的，偏向使用價格相對低廉的高強度鋼應用於汽車之結構件，藉由強度的提升以降低對板材厚度的需求，進而減少汽車車體的重量。o 高強度鋼板在沖壓成形製程中，除了成形困難，容易產生破裂的缺陷之外，另一成形困難點仍是容易產生回彈（springback）、側壁捲曲(side wall curl)與扭曲(distortion)等幾何形狀與尺寸的變異。國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University研究方法與步驟5降伏準則之探討扭曲現象之探討降伏準則之整理與探討材料
4、性質實驗V型彎曲成形之驗證U型帽狀引伸成形之驗證歸納S-rail型特徵造型NUMISHEET 1996年之實驗數據驗證探討S-rail型之扭曲現象改善扭曲現象之設計分析Hill 48Barlat(側壁外開)(側壁捲曲)(扭曲)CAE模擬CAE模擬國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University6 二、降伏準則及加工硬化準則之探討1)降伏準則之探討2)加工硬化準則之探討國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Departme
5、nt of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo Hill於1948年提出Hill 48降伏準則，為一個二次非等向性的降伏準則，可描述材料的異向性性質。Hill 48降伏準則結合等向硬化準則為目前模擬板金沖壓成形中最常使用的材料模型，其降伏函數下式：o 其中F、G及H為Hill 48材料模型中描述非等向性的材料係數，可用塑性應變指數來表示：，國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universit
6、yo Hill 48的數學理式子較為簡略，若要同時正確地模擬材料的異向性以及降伏應力下的受力行為甚為困難，需要更複雜且完整的降伏函數方能較佳的表現材料真實的受力情況。國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University89o Barlat提出非二次式且非等向性的降伏準則，其Barlat89降伏函數如下式所示：o 其中a，b，c，h，p為材料參數o m為多晶體模型，對於等向性體心立方(B.C.C)(m=6)和 面心立方(F.C.C)(m=8)金屬。國立台灣
7、大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University等向硬化o等向硬化準則為最基本的加工硬化理，其理為材料進入塑性區後，初始降伏面會均勻擴大而不產生變形或移動現象。o不考慮包辛格效應)()(2kFij為降伏應力函數為降伏應力函數)(ijF為為硬硬化化係係數數 k 為為降降伏伏面面大大小小 k2國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan
8、 University動態硬化oPrager 1955年提出動態硬化準則，其理為材料進入塑性區後，初始降伏面的形狀及大小不變。o動態硬化係數0)(),(20kFkfijijpijxpijsatxijdXCdXCdX塑性應變率張量塑性應變率張量：等效應變率：等效應變率材料降伏面性質參數材料降伏面性質參數、動態硬化張量動態硬化張量、:pijpsatxijijddXCXdX國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo Yoshida材料模型為描述混合
9、等向硬化和動態硬化準則的硬化準則類型，適合模擬大應變且循環塑性變形時的受力情形，亦就是有反覆加工硬化之情況。o 對於某些材料若有反覆加工硬化之情況，其材料包辛格效應會比較明顯。國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University13Yield surface f 的動態硬化用來描述瞬間包辛格的變形模式主要包含降伏點提前發生及加工硬化停滯的急遽變化，這是由於材料不穩定差排所導致的結果如推擠(piled up dislocation)所產生的差排。Bound
10、ing surface F由Isotropic hardening、Kinematic hardening 與non Isotropic hardening所構成的混合型硬化邊界降伏表面。混合型邊界中的Isotropic hardening主要描述材料局部硬化，此與材料穩定差排結構形成有關。國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University14混合型邊界中的Kinematic hardening與non Isotropic hardening 主要描述
11、包辛格反向變形行為包含永久軟化(permanent softening)與加工硬化停滯(workhardening stagnation)。包辛格過程中永久軟化(permanent softening)與加工硬化停滯(workhardening stagnation)，此與材料拉伸所產生變形下其差排結構破裂與壓縮所產成新的差排微觀組織所造成。國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University270鋼板包辛格效應曲線國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室
12、Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University161)分析模型與分析方法之介紹2)V型彎曲成形之驗證分析3)U型帽狀引伸成形之驗證分析國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo V型彎曲成形模具是由一組彎曲角度為90度之母模與沖頭所構成。o 型彎曲成形後的側壁外開角度為探討參數，而側壁外開可分為兩種情況，一種為大於90度時稱為正回彈；
13、另一種為小於90度則稱為負回彈，側壁外開角度則為成形後角度減掉90度。17母模沖頭R角半徑V型彎曲模具示意圖V型彎曲側壁外開示意圖國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 從V型彎曲成形實驗可知Barlat89降伏準則準確率稍高。1800.511.522.513579側壁外開量()沖頭圓角(mm)ExperimentHill 48Barlat270級軟鋼與模擬結果比較圖國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,De
14、partment of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 型帽狀成形是由一組沖頭、母模及壓料板所組成，其作動方式為板材置於母模上，壓料板往下夾持住板材，然後沖頭往下沖壓至合模為止。o 由於其為引伸成形工法，型帽狀之側壁會經歷彎曲與反彎曲的受力情形，使側壁的應力分佈情況較為複雜而產生側壁捲曲的現象。故模型探討的參數為側壁捲曲的曲率半徑。19側壁捲曲之曲率半徑(R)國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiw
15、an Universityo U型帽狀引伸成形之材料受力行為較V型彎曲成形來得複雜，因此可明顯觀察出不同降伏準則下模擬的差異性。o 母模圓角為參數之實驗與模擬驗證可看出使用描述材料異向性受力行為較佳之降伏準則Barlat89的準確率較高。20050100150200d3d5d7d9側壁捲曲之曲率半徑(mm)母模圓角(mm)ExperimentHill 48Barlat590R級先進高強度鋼與模擬結果比較圖 國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universi
16、ty211)分析模型之介紹2)扭曲量之定義3)CAE模擬結果與NUMISHEET DATA之比對驗證國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 從現有文獻及實際業界開發經驗，沖壓製程後之扭曲現象主要是由於板件不對稱的造型，導致應力分佈不平衡而產生的現象。o S-rail之特徵造型與車前側構件有相似之處，均為不對稱的外形。22對稱軸車前側構件S-rail國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department o
17、f Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 扭曲量是將兩端固定距離之A-A斷面及B-B斷面，量測其應力釋放前、後之上端面夾角得1及2並將兩者相加。本研究係以此方法得CAE模擬分析之扭曲量，進行扭曲現象之研究。23BBAA12應力釋放前應力釋放後A-A斷面B-B斷面國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 截面外形之驗證n針對JD及IE截面，將實驗結果與NUMISHET DATA驗
18、證成形後的S-rail外形。n兩種降伏準則的截面回彈結果均符合實驗的趨 勢，然使用降伏準則Barlat89有較佳的結果。24-50510152025303540020406080100120Z座標X座標BenchmarkSimulation(Barlat)Simulation(Hill48)-505101520253035406080100120140160180Z座標X座標BenchmarkSimulation(Barlat)Simulation(Hill48)JD截面之驗證IE截面之驗證E EI ID DJ J變形後國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Dep
19、artment of Mechanical Engineering,National Taiwan University25n 參數探討n 一般參數對扭曲現象之模擬分析n 造型參數對扭曲現象之模擬分析n S-rail成形扭曲機制之研究國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 為了瞭解先進高強度鋼於沖壓成形之扭曲現象，歸納 S-rail特徵造型參數進行研究。26造型參數造型參數沖頭圓角R母模圓角rS型圓角d寬度距離比w/x高度距離比h/xdw
20、xhRr國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University(1/2)o扭曲量隨著材料強度增加而增加。o高強度鋼之彈性回復量BC大於低強度鋼之CD，故扭曲量隨著材料強度增加而增加。27D國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo扭曲量隨著壓料力增加而降低。o壓料板壓住板材的力量越大，板材沖壓時達到塑性區
21、的板材比率較高，且其彈性回復量較低故扭曲量降低。國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 扭曲量隨著板材厚度增加而降低。o 板材厚度愈厚，其抵抗回彈的剛性會變大，此剛性與轉動慣量有關。因此，厚度增加，剛性的增加較內外之彎曲應力差為大，故扭曲量會減少。29123wtI I：轉動慣量 w：寬度 t：厚度(2/2)國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineer
22、ing,National Taiwan Universityo 沖頭圓角越大，其扭曲量越大。o 從模擬分析結果可知當沖頭圓角為9mm之上下表面應力分佈圖，並配合S型圓角附近之斷面圖。左側壁應力釋放後產生向左的拉伸力造成左側壁向左彎曲；右側壁則會產生向左的壓縮力造成右側壁向左彎曲，另一端亦如此而產生扭曲現象。30沖頭圓角9mm之上表面應力分佈圖沖頭圓角9mm之下表面應力分佈圖 拉伸應力 壓縮應力藍：應力釋放前紅：應力釋放後國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan U
23、niversityo 當沖頭圓角為1mm之上下表面應力分佈圖，其右邊靠近S型圓角處之側壁拉伸應力區域較沖頭圓角9mm者為小，故造成扭曲現象較輕微。因此，沖頭圓角越小則扭曲量越小。31沖頭圓角1mm之上表面應力分佈圖沖頭圓角9mm之上表面應力分佈圖沖頭圓角1mm之下表面應力分佈圖沖頭圓角9mm之下表面應力分佈圖小大小大國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan UniversityoS-rail跟一般隧型樑造型最大的不同在於其S型的造型。從模擬分析應力分佈圖，可看出應
24、力較大值分佈於S型圓角附近，因此本研究將根據S型圓角附近區域之應力變化探討其扭曲機制。o從S-rail上下表面之應力分佈圖，針對S型圓角附近的斷面探討受力情形。可將其分為左上圓角、左側壁、左下圓角、右下圓角、右側壁及右上圓角六個區域探討之。32 拉伸應力 壓縮應力 (長短代表大小)切斷面處32S-rail上表面應力分佈圖S-rail下表面應力分佈圖左上圓角左側壁左下圓角右上圓角右側壁右下圓角國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 左上圓角
25、：應力釋放前，a部分之應力差大於b部份之應力差，則1會變大；反之，a部份之應力差小於b部份之應力差，則1會變小。o 左側壁：應力釋放前，上表面為較大之壓縮應力，下表面為較小之壓縮應力，故應力釋放後側壁會向左變形。o 左下圓角：應力釋放前，上表面為壓縮應力，下表面為拉伸應力，故應力釋放後2會變大。3333 拉伸應力 壓縮應力 (長短代表大小)左上圓角左側壁左下圓角12ab(b的應力差大於a的應力差)上表面下表面國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Univers
26、ityo 右下圓角：應力釋放前，若上表面之拉伸應力大於下表面之拉伸應力，則3會變小；反之，則3會變大。o 右側壁：應力釋放前，上表面為較大之拉伸應力，下表面為較小之拉伸應力，故應力釋放後側壁會向左變形。o 右上圓角：應力釋放前，a部分之應力差大於b部份之應力差，則4會變大；反之，a部份之應力差小於b部份之應力差，則4會變小。3434 拉伸應力 壓縮應力 (長短代表大小)右上圓角右側壁右下圓角34ab(a的應力差大於b的應力差)上表面下表面國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University35 六、國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan Universityo 本研究針對目前普遍運用的降伏準則作探討，並比較其差異性及整理其CAE模擬分析所需的材料性質參數o 以V型彎曲成形及U形帽狀引伸成形驗證結果方面使用降伏準則Barlat89之準確性較Hill 48為佳。o 針對S-rail成形之一般參數及造型參數進行模擬分析，探討材料強度、壓料力、板厚以及S型造型對於扭曲之影響性，並從中研究扭曲現象之成形機制。36
