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國科會產學合作計畫
飛機引擎板件液壓成形之液壓可成形性
與製程分析研究
考評成果報告
執行單位:國立成功大學機械系
計畫主持人:李榮顯 教授
合作企業:寶一科技股份有限公司
Metal Forming Lab
National Cheng Kung University
李榮顯 教授
2015/4/13
1
一、計畫目標
• 飛機引擎板件之製造需透
過沖壓、焊接、細部整形
等三十餘道次完成。
• 以液壓成形製程進行板件
預成形，可簡化現有生產
製程。
• 利用延性破壞準則，可在
設計階段預估材料在液壓
成形過程中是否發生破壞
，省去傳統試誤法所耗費
之成本。
Metal Forming Lab
National Cheng Kung University
李榮顯 教授
2015/4/13
2
二、板材可成形性分析
• 可成形性試驗
• 傳統之可成形性試驗，至少需要八組不同外形試件，才能建立材
料完整之成形極限曲線。
• 本計畫僅透過拉伸試驗與自由鼓脹試驗，即可預估出材料之成形
極限曲線。
0度
45度
90度
輥軋方向
66
MPa
單軸拉伸試驗
60
MPa
58
MPa
56
MPa
自由鼓脹試驗
鼓
脹
前
實驗結果建立之破壞軌跡線
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• 成形極限圖
本計畫提出之延性破壞準則
可較準確預估第一象限破壞軌跡線
Metal Forming Lab
Author
Year
Oyane
1980
莊偉倫
1990
本計畫
2011
National Cheng Kung University
Ductile fracture
criteria form
李榮顯 教授
2015/4/13
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• 液壓鼓脹有限元素模擬
• 驗證有限元素模擬與液壓
鼓脹試驗是否吻合
• 以延性破壞準則進行破壞
點預估
66
MPa
60
MPa
58
MPa
56
MPa
鼓
脹
前
等效應力分布圖
自由鼓脹試驗
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5
三、製程參數分析
參數設計
參數
說明
水準一
水準二
水準三
P
升壓速率(kg/cm2•s)
67.3
47
87
Pmax
最大壓力(kg/cm2)
210
300
150
Do1
截面1管外徑
6.6
6.8
7.0
Do2
截面2管外徑
12.4
12.3
12.1
D01
•
•
D02
 作動方式：
1)管件置於模穴中
2)合模
3)升壓
初始胚料以具截面幾何變化之圓錐管進
行製程參數分析。
以相同時間下，破壞能量累積值為目標
值，對L9田口直交表進行望小特性分析。
圓形椎管
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方形椎管
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產品
6
參數最佳化結果
Do1
Do2
• 最佳參數組合為A2B1C1D3，
其中Do1的貢獻度最高。
• Do1位置為產品中截面開
始變化處，Do1較小可減
少合模後該處的積料。
S/N比
A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3
20
10
0
總和SN比
A
B
C
D
水準1
26.20
29.60
43.32
23.07
水準2
28.12
23.23
31.10
22.15
水準3
24.57
26.06
4.47
33.67
Metal Forming Lab
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側視圖
李榮顯 教授
2015/4/13
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四、結果與討論
應變路徑
1) 轉角處
0.5
第1組
0.4
第4組
主 0.3
應
變 0.2
第8組
第一組破壞
第四組破壞
0.1
第八組破壞
0
0
0.1
0.2
0.3
次應變
0.4
0.5
能量百分比
120.00%
破壞線
100.00%
• 轉角處為鼓脹後厚度最薄的地方。
• 轉角處受到鼓脹而朝向第一象限前進
能 80.00%
量
百 60.00%
分
比 40.00%
20.00%
0.00%
0
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0.5
李榮顯 教授
1
1.5
2
2.5
時間(s)
3
2015/4/13
3.5
4
8
2) 破壞處
破壞線
應變路徑
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
主
應
變
0.5
0.4
0.3
0.2
路徑趨勢影響延性破壞準則的選擇
0.1
0
-0.3
Metal Forming Lab
National Cheng Kung University
-0.2
-0.1-0.1 0
0.1
次應變
李榮顯 教授
0.2
0.3
2015/4/13
9
3) 製程參數最佳組合
120.00%
破壞線
破壞能量累積值
100.00%
80.00%
60.00%
第2組
最佳解
40.00%
20.00%
0.00%
0
0.5
1
1.5
成形時間(s)
2
2.5
3
• 最佳組合之破壞點位置與第2組位置接近，但能量累
積較慢，材料可於較大的液壓力下成形。
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李榮顯 教授
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五、結論與成果效益
1. 透過材料試驗與延性破壞準則可評估出材料的可成形性，建立出管材HA-188
成形極限圖。
2. 延性破壞準則考慮材料成形的應力應變資訊以及應變路徑，透過估算材料的
破壞應變，可更準確預測材料之延性破壞行為。
3. 利用田口直交表分析搭配有限元素模擬可有效找出最佳參數組合。可取代傳
統試誤法，節省開模時間與費用。
4. 經由本計畫之製程設計法則不但可提供製程工程師做設計製程之依據，並可
減少此產品一半的製程道次。
5. 本計畫所發展之成形極限圖建構技術相對於傳統建立成形極限曲線所需之材
料與工時較少，可節省約67%時間與50%成本。導入本計畫研發的技術，該公
司每年可節省該產品之製造成本約44萬。
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李榮顯 教授
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Thank You for Your Attention!
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