先進高強度鋼板沖壓成形扭曲現象之研究 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 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-rail扭曲現象之研究 六、結論 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.
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先進高強度鋼板沖壓成形扭曲現象之研究 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 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 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-rail扭曲現象之研究 六、結論 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 2 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 University 3 研究背景與目的 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ㄧ。 為了達成車輛減重的目的，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。 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 4 研究方法與步驟 降 之 伏 探 準 討 則 V型彎曲成形 之驗證 Hill 48 降伏準則之 整理與探討 Barlat 材料性質 實驗 CAE 模擬 (側壁外開) U型帽狀引伸成形 之驗證 (側壁捲曲) 扭 之 曲 探 現 討 象 歸納S-rail 型特徵造型 CAE 模擬 NUMISHEET 1996年 之實驗數據驗證 探討S-rail型之 扭曲現象 (扭曲) 改善扭曲現象之 設計分析 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 University 5 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,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 6 降伏準則-Hill48 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： 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 University Hill 48的數學理論式子較為簡略，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 University 降伏準則-Barlat’89 Barlat提出非二次式且非等向性的降伏準則，其 Barlat’89降伏函數如下式所示： 其中a，b，c，h，p為材料參數 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 等向硬化準則為最基本的加工硬化理論，其理論為材料進入塑性區 後，初始降伏面會均勻擴大而不產生變形或移動現象。 不考慮包辛格效應 F ( ij ) k ( ) 2 F ( ij )為降伏應力函數 k 為硬化係數 k 2 為降伏面大小 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 動態硬化 Prager 1955年提出動態硬化準則，其理論為材料進入塑性區後，初 始降伏面的形狀及大小不變。 f ( ij , k ) F ( ij ) k 0 2 0 動態硬化係數 dX ij Cx X sat d Cx X ij d p ij p dX 、 X ij : 動態硬化張量 ij C、 X sat : 材料降伏面性質參數 x d ：等效應變率 p d ijp : 塑性應變率張量 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 加工硬化準則-混合硬化 Yoshida材料模型為描述混合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。 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 University 加工硬化準則-混合硬化 Yield 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。 Bounding 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 University 13 加工硬化準則-混合硬化 混合型邊界中的Kinematic hardening與non Isotropic hardening 主要描述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 University 14 270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 Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 三、降伏準則Hill 48及Barlat’89之模擬分析 1) 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 University 16 V型彎曲成形模型與分析方法之介紹 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。 Ｖ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；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。 沖頭 R角半徑 母模 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 V型彎曲模具示意圖 V型彎曲側壁外開示意圖 17 V型彎曲成形之驗證分析 從V型彎曲成形實驗可知Barlat’89降伏準則準確率稍高 。 側壁外開量(°) 2.5 2 1.5 Experiment Hill 48 1 Barlat 0.5 0 1 3 5 7 9 沖頭圓角(mm) 270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,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 18 U型帽狀引伸成形模型與分析方法之介紹 Ｕ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。 由於其為引伸成形工法，Ｕ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。 沖頭 壓料板 母模 國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室 側壁捲曲之曲率半徑(R) Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 19 U型帽狀引伸成形之驗證分析 側壁捲曲之曲率半徑(mm) 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。 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Barlat’89的準確率較高。 200 Experiment Hill 48 150 Barlat 100 50 0 d3 d5 d7 d9 母模圓角(mm) 590R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 University 20 四、先進高強度鋼扭曲現象之研究 1) 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 University 21 分析模型之介紹 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。 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。 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 of Mechanical Engineering,National Taiwan University 22 扭曲量之定義 扭曲量θ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θ1及θ2並將兩者相加 。本研究係以此方法得CAE模擬分析之扭曲量θ，進行 扭曲現象之研究。 A θ1 應力釋放前 應力釋放後 B A-A斷面 θ2 A B 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 University 23 CAE模擬結果與NUMISHEET DATA之比對驗證(2/2) 變形後 截面外形之驗證 針對JD及IE截面，將實驗結果與NUMISHET DATA驗證成形後的S-rail外形。 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Barlat’89有較佳的結果。 40 E J D 40 35 35 Benchmark 30 Benchmark 30 25 Simulation(Barlat) 25 Simulation(Barlat) 20 Simulation(Hill48) 20 Simulation(Hill48) 15 15 10 10 5 5 0 0 -5 Z座標 Z座標 I 0 20 40 60 X座標 80 100 120 -5 60 80 100 120 140 160 180 X座標 國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室 JD截面之驗證 Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,NationalIE截面之驗證 Taiwan University 24 五、S-rail扭曲現象之研究 參數探討 一般參數對扭曲現象之模擬分析 造型參數對扭曲現象之模擬分析 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 University 25 探討參數之介紹 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。 造型參數 w 沖頭圓角 R 母模圓角 r S型圓角 d 寬度距離比 w/x 高度距離比 h/x d x r R h 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 26 一般參數對扭曲現象之模擬分析(1/2) 扭曲量隨著材料強度增加而增加。 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。 D 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 27 扭曲量隨著壓料力增加而降低。 壓料板壓住板材的力量越大，板材沖壓時達到塑性區的板材比率 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 University 一般參數對扭曲現象之模擬分析(2/2) 扭曲量隨著板材厚度增加而降低。 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。 wt 3 I 12 I：轉動慣量 w：寬度 t：厚度 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 29 造型參數對扭曲現象之模擬分析(1/2) 沖頭圓角越大，其扭曲量越大。 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。 沖頭圓角9mm之上表面應力分佈圖 拉伸應力 壓縮應力 沖頭圓角9mm之下表面應力分佈圖 國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室 藍：應力釋放前 Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 紅：應力釋放後 30 造型參數對扭曲現象之模擬分析(2/2) 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。 大 小 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 小 大 國立台灣大學機械工程學系模具設計實驗室 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 Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 31 S-rail成形扭曲機制之研究(1/3) S-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。 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。 切斷面處 右上圓角 左上圓角 S-rail上表面應力分佈圖 左側壁 拉伸應力 壓縮應力 (長短代表大小) 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 左下圓角 S-rail下表面應力分佈圖 右側壁 32 32 右下圓角 S-rail型成形扭曲機制之研究(2/3) 左上圓角：應力釋放前，a部分之應力差大於b部份之應 力差，則ψ1 會變大；反之，a部份之應力差小於b部份 之應力差，則ψ1會變小。 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。 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ψ2會變大。 左上圓角 a b (b的應力差大於a的應力差) 拉伸應力 壓縮應力 (長短代表大小) ψ1 左側壁 ψ2 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 33 Die Design Lab,Department of Mechanical Engineering,National Taiwan University 左下圓角 33 S-rail型成形扭曲機制之研究(3/3) 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ψ3會變小；反之，則ψ3會變大。 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。 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ψ4 會變大；反之，a部份之應力差小於b部份 之應力差，則ψ4會變小。 a (a的應力差大於b的應力差) b 拉伸應力 壓縮應力 (長短代表大小) 下表面 上表面 右上圓角 ψ4 右側壁 ψ3 34 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 右下圓角 34 六、結論 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 35 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 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Barlat’89之準確性較Hill 48為佳。 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。 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 36