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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊捷凱
研究生(外文):Chieh Kai Yang
論文名稱:鈑金折床衝壓製程參數分析與最佳化
論文名稱(外文):Analysis and Optimization of Manufacturing Parameters for Sheet Metal Forming Processes by Press Brake
指導教授:王正賢王正賢引用關係
指導教授(外文):Jean Shyan Wang
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:工業工程與科技管理學系
學門:工程學門
學類:工業工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:122
中文關鍵詞:折床衝壓成形法衝程深度鈑金回彈角度有限元素法
外文關鍵詞:press brake forming methodpenetrationsheet metalspringback anglefinite element method
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本文探討之加工方法為目前業界經常使用的折床衝壓成形法(press brake forming),此類加工設備可用於製造多段折彎與形狀簡單之產品,並可藉由調整衝程深度(Penetration)來生產不同角度之鈑金(Sheet Metal),以滿足少量多樣之產品需求。因此,本研究之主要目的為推導一有效率之解析解模型,以預測鈑金折床衝壓成形製程中產生之回彈角度(Springback Angle)及其折彎時所需之衝程深度,並探討鈑金製程中之(1)材料類型,(2) 鈑金設計角度,(3)鈑金厚度和(4)衝頭半徑等因子與回彈角度的關係。以期能提供操作人員了解各種加工參數對於回彈角度的影響程度,並作為一修正加工參數的參考依據。
此外,本文亦將透過有限元素法(Finite Element Method)之商業套裝軟體ANSYS與鈑金折彎實驗來求得模擬與實驗之回彈值,並將所得之結果與解析解模型比較,以驗證此解析解模型之可行性與準確性。其後,更將利用最佳化方法找出不同加工參數下之最佳設計角度與衝程深度,使操作人員能快速且精確地製造出符合欲成形角度之鈑金,以降低手工修整比例,並減少成本與時間的浪費,進而提升鈑金零件之製造能力。
In this investigation, the press brake forming method, which is the one of the most common methods in the manufacturing industry, was discussed. It was applied to manufacture sheet metal parts with different angles by adjusting the penetration. However, the springback occurred during the bending process and it directly affected the quality of parts. Hence, in order to overcome the problems of springback and provide the optimal penetration for operators to manufacture sheet metal parts, using the optimum method searched the best designed angle and the optimal penetration to help operators produce sheet metals more quickly and accurately and decrease the cost and time.
The aim of this research is to develop an efficient analytical model to predict the springback angle and find the optimal penetration. Furthermore, the investigation discussed all the manufacturing parameters, which influenced the springback during the bending procedure and found the relationships between springback and material type, design angle, material thickness and radius of punch. Besides, in order to prove the analytical models which are feasible and accurate, the commercial package of finite element method, ANSYS, was applied to simulate the forming processes of the sheet metal parts and the experimental data were obtained by making a series of experiments on sheet metal parts in Aerospace Industrial Development Corporation.
封面內頁
簽名頁
博碩士論文暨電子檔案上網授權書 iii
中文摘要 iv
Abstract v
誌謝 vi
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xiii

第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 折床機之簡介 2
1.4 材料之塑性變形與回彈 5
第二章 文獻回顧 7
2.1 材料之擬合方程式 7
2.2 鈑金回彈之數學模型 8
2.3 電腦輔助模擬與分析 9
第三章 研究方法 10
3.1 材料性質檢測 12
3.2 非線性材料之擬合方程式 15
3.3 衝程深度計算 18
3.4 折床衝壓之回彈預測解析解 20
3.4.1 單圓法解析解模型 22
3.4.2 雙圓法解析解模型 32
3.4.3 橢圓法解析解模型 38
3.5 電腦輔助模擬與分析 46
3.5.1 設定材料特性 47
3.5.2 實體模型建構 48
3.5.3 元素設定 51
3.5.4 建構有限元素模型 51
3.5.5 邊界條件設定 54
3.5.6 折床衝壓加工模擬 54
3.6 實驗方法 55
3.7 鈑金回彈補償與衝程深度修正 57
3.8 衝程深度之最佳化設計 58
第四章 結果與討論 61
4.1 材料拉伸與擬合之結果 61
4.2 比較分析與實驗之結果 65
4.3 鈑金衝壓之分析結果 75
4.3.1 鈑金厚度與回彈角度之關係 75
4.3.2 衝頭半徑與回彈角度之關係 77
4.3.3 設計角度與回彈角度之關係 79
4.4 最佳化之分析結果 80
4.5 分析結果之實用成效 82
第五章 結論與未來發展方向 84
5.1 結論 84
5.2 未來發展方向 85
參考文獻 86

附錄 89

圖目錄
圖 1 CNC液壓折床機 3
圖 2 折彎時鈑金之放置方式 4
圖 3 折床衝壓之加工過程 4
圖 4 材料之應力-應變圖與回彈量 5
圖 5 折彎成形過程中之回彈現象 6
圖 6 研究方法之流程圖 11
圖 7 MTS TestStar Ⅱs 控制系統 12
圖 8 MST 810 Material Test System試驗機 13
圖 9 GW instruNet 網路架構式資料擷取系統 13
圖 10 應變規之示意圖 14
圖 11 應變規之貼附狀態 14
圖 12 試片之拉伸狀態 15
圖 13 衝程深度之換算模型 19
圖 14 衝頭衝壓時鈑金之彎曲狀態 21
圖 15 彎曲時鈑金內部之作用力分布 22
圖 16 簡化鈑金內部之作用力 22
圖 17 單圓法解析解模型 24
圖 18 成形時與回彈後之應力-應變 29
圖 19 衝壓時鈑金與衝頭間之間距 32
圖 20 雙圓法解析解模型 33
圖 21 材料之應力-應變圖 36
圖 22 橢圓法解析解模型 39
圖 23 成形時與回彈後之應力-應變曲線 44
圖 24 參數化設計之概念模型 48
圖 25 衝頭與母模部份之2D實體模型 49
圖 26 鈑金部分之2D實體模型 50
圖 27 完整之2D實體模型 50
圖 28 元素PLANE 42 51
圖 29 鈑金部分之網格 52
圖 30 元素Target 169與元素Contact 172 53
圖 31 Contact Pair元素模型 53
圖 32 模擬折床衝壓過程 55
圖 33 實驗機台與公母模 56
圖 34 試片尺寸與晶粒方向 56
圖 35 應用回彈角修正設計角度 57
圖 36 修正衝程深度後之衝壓過程 58
圖 37 2024-T3材料性質之應力-應變曲線 62
圖 38 7075-T6材料性質之應力-應變曲線 62
圖 39 2024-T3材料性質之應力-應變擬合曲線 64
圖 40 7075-T6材料性質之應力-應變擬合曲線 64
圖 41 2024-T3於設計角90°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 67
圖 42 2024-T3於設計角105°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 68
圖 43 2024-T3於設計角120°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 70
圖 44 7075-T6於設計角90°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 71
圖 45 7075-T6於設計角105°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 73
圖 46 7075-T6於設計角120°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 74
圖 47 ANSYS與解析解所得之2024-T3鈑金厚度與回彈角趨勢圖 76
圖 48 ANSYS與解析解所得之7075-T6鈑金厚度與回彈角趨勢圖 77
圖 49 ANSYS與解析解所得之2024-T3衝頭半徑與回彈角趨勢圖 78
圖 50 ANSYS與解析解所得之7075-T6衝頭半徑與回彈角趨勢圖 78
圖 51 ANSYS與解析解所得之2024-T3設計角度與回彈角趨勢圖 79
圖 52 ANSYS與解析解所得之7075-T6設計角度與回彈角趨勢圖 80

表目錄
表 1 不同材料之擬合方程式 8
表 2 最佳化範例中使用之加工參數 59
表 3 最佳化之範例說明與結果 60
表 4 材料之線性性質 61
表 5 兩種鋁合金於擬合後之結果 63
表 6 鈑金折彎試驗之加工參數 65
表 7 2024-T3於設計角90°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 66
表 8 2024-T3於設計角105°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 68
表 9 2024-T3於設計角120°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 69
表 10 7075-T6於設計角90°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 71
表 11 7075-T6於設計角105°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 72
表 12 7075-T6於設計角120°之ANSYS、解析解與實驗值的誤差 74
表 13 ANSYS與橢圓解析解於2024-T3、設計角度90~120度之最佳化結果比較 81
表 14 ANSYS與橢圓解析解於7075-T6、設計角度90~120度之最佳化結果比較 82
表 15 機台程式與橢圓法解析解於實用上之成效比較 83
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