9-ศตายุ 1vol 3-2010 - ThaiScience · hydroforming. It starts with creating computer model...

474

วารสารวิชาการพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ปีที่ 20 ฉบับที่ 3 ก.ย. - ธ.ค. 2553 The Journal of KMUTNB., Vol. 20, No. 3, Sep. - Dec. 2010

แผนภูมิควบคุมโดยการสุ่มตัวอย่างแบบกลุ่มลำดับ

รับเมื่อ 31 พฤษภาคม 2553 ตอบรับเมื่อ 21 กรกฎาคม 2553

ผลกระทบของรูปแบบความดันต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วนยานยนต์

ในการขึ้นรูปท่อด้วยของเหลว

Effect of Pressure Profile to Formability of Auto Parts in Tube Hydroforming

ศตายุ แจ่มเจริญ1 และ ภูริต ธนะกิจเกษม2*

บทคัดย่อ

1 นกัศกึษา สายวชิาเทคโนโลยวีสัด ุคณะพลงังานสิง่แวดลอ้มและวสัด ุมหาวทิยาลยัเทคโนโลยพีระจอมเกลา้ธนบรุ ี 2 ผู้ช่วยศาสตราจารย์ สายวิชาเทคโนโลยีวัสดุ คณะพลังงานสิ่งแวดล้อมและวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี

พระจอมเกล้าธนบุรี * ผู้นิพนธ์ประสานงาน โทรศัพท์ 0-2470-8695 ต่อ 300 Email: [email protected]

งานวิจัยนี้ศึกษาถึงผลกระทบของรูปแบบความดันต่อความสามารถในการขึ้นรูปท่อด้วยของเหลว ซึ่งเป็นกระบวนการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์วิธีหนึ่ง โดยเริ่มต้นจากการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ของชิ้นส่วนลักษณะท่อจำนวน 2 รูปแบบคือ ชิ้นส่วนท่อนูนแบบข้อต่อตัวทีและชิ้นส่วนท่อนูนทรงเหลี่ยม จากนั้นจึงจำลอง สถานการณ์การขึ้นรูปด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์แบบไม่เชิงเส้น วัสดุที่ใช้ในกรณีศึกษานี้คือ เหล็กกล้า SPCE ที่มีความหนาขนาด 2.3 มม. ในงานวิจัยนี้ได้ นำเอาแผนภูมิขีดจำกัดการขึ้นรูป และการกระจายตัวความหนาของชิ้นส่วนบนหน้าตัดที่สำคัญมาใช้ในการวิเคราะห์ความสามารถการขึ้นรูป นอกจากนี้ได้ศึกษาถึงความสมบูรณ์ของชิ้นงานภายหลังจากการขึ้นรูป จากการศึกษาพบว่า การเลือกใช้ตัวแปรที่เหมาะสมในการขึ้นรูปนั้น มีอิทธิพลอย่างมากต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน โดยเฉพาะการพิจารณาถึงค่าความดันภายในท่อกับระยะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าที่มีขนาดมากเกินไปและน้อยเกินไปนั้น จะ ส่งผลต่อการเกิดโหมดความล้มเหลวในลักษณะต่างๆ รวมทั้งความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน

คำสำคัญ: การขึ้นรูปท่อด้วยของเหลว การวิเคราะห์ ไฟไนต์เอลิเมนต์แบบไม่เชิงเส้น แผนภูมิขดีจำกดัการขึน้รปู ความสามารถในการขึน้รปู

Abstract

This research studies the effect of pressure

profile to formability of auto parts in tube

hydroforming. It starts with creating computer

model of 2 tubular parts (i.e., tee shaped part and

bulge shaped part). Then, the forming simulation is

created by using nonlinear finite element methods.

The material used in this case study is SPCE steel

with the thickness of 2.3 mm. The forming limit

diagram (FLD) and the thickness distribution of

important cross sections are utilized to analyze the

formability in this work. In addition, the formed part

with respect to the die cavity is taken into account.

From this study, it is found that a proper forming

parameter selection plays an important role to the

formability of the parts. Especially, the internal

475


แผนภูมิควบคุมโดยการสุ่มตัวอย่างแบบกลุ่มลำดับ

pressure with respect to excessive or insufficient die

movement will affect the failure modes in many

aspects as well as the formability of the parts.

Keywords: Tube Hydroforming, Nonlinear Finite

Element Analysis, Forming Limit

Diagram, Formability

1. บทนำ

กระบวนการผลิตชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยส่วนใหญ่จะมาจากการผลิตโดยกระบวนการขึ้น รูปของวัสดุ (Material Forming) เป็นหลักซึ่งเป็นกระบวนการเสยีรปูอยา่งถาวร (Permanent Deformation) รูปร่างพื้นฐานของชิ้นส่วนส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นโลหะแผ่นและลักษณะท่อ ทั้งนี้ชิ้นส่วนลักษณะท่อมีความท้าทายแตกต่างจากชิ้นส่วนลักษณะโลหะแผ่น โดยการใช้วิธีการปั้มขึ้นรูป (Stamping) ไม่สามารถนำมาประยุกต์ใช้ได้ในการผลิตชิ้นส่วนลักษณะท่อ ดังเห็นไดจ้ากงานของ Oh et al. [1] และ Oliveira and Worswick

[2] เป็นต้น แนวทางดา้นการพฒันาผลติภณัฑแ์ละกระบวนการ

ผลิตชิ้นส่วนลักษณะท่อนั้น จะต้องคำนึงถึงโครงสร้างความแขง็แรง ความปลอดภยัและกระบวนการลดตน้ทนุการผลิตด้วยการพัฒนาตัวผลิตภัณฑ์ให้มีน้ำหนักลดลง จากข้อกำหนดดังกล่าว จึงนำมาซึ่งการแข่งขันทางด้านการออกแบบผลิตภัณฑ์และตัวคุณภาพของผลิตภัณฑ์นั้นๆ เพื่อให้คงความสามารถทางด้านการแข่งขันในตลาดปัจจุบันได้ ทั้งนี้ ในด้านกระบวนการผลิตที่มีศักยภาพสูงที่ได้รับความสนใจอย่างหนึ่งในการผลิต ชิ้นส่วนยานยนต์ก็คือ กระบวนการขึ้นรูปด้วยของเหลว (Hydroforming หรือ HF) ซึ่งมีชิ้นส่วนยานยนต์เป็นจำนวนมากที่มีลักษณะท่อเหมาะสมต่อการนำเอา วิธีการขึ้นรูปด้วยของเหลวมาประยุกต์ใช้ดังแสดงใน รูปที่ 1 [3] จะเห็นได้ว่ามีชิ้นส่วนยานยนต์จํานวนมาก ที่มีลักษณะเป็นท่อและมีรูปร่างที่ซับซ้อน ซึ่งการผลิต ชิ้นส่วนยานยนต์ลักษณะดังกล่าวจะใช้วิธีการขึ้นรูป

โดยใช้แม่พิมพ์ทั่วๆ ไป (หรือ Conventional Forming)

ไม่ได้ ซึ่งโดยวิธีการขึ้นรูปด้วยของเหลวนั้น สามารถที ่ จะช่วยลดต้นทุนของการแต่งชิ้นงานลดขั้นตอนการผลิต และเพิม่คณุภาพของชิ้นงาน แต่เนื่องด้วยการวิเคราะห์ความเป็นไปได้ของกระบวนการนี้ ในทางปฏิบัติจะเกี่ยวข้องกับเครื่องมือจํานวนมาก จึงไม่เหมาะสม ที่จะนํามาใช้วิธีการลองผิดลองถูก (Trial & Errors) ผ่านการทดลองจริงในการออกแบบกระบวนการผลิต จึงมีความจำเป็นในการสร้างแบบจําลองคอมพิวเตอร์ (Computer Model) เพื่อศึกษาวิจัยหาเงื่อนไขการผลิตที่ดีที่สุดเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ เช่น งานของ Yong et

al. [4] และ Tseng et al. [5] เป็นต้น จึงได้นำเอาวิธีการทดลองด้วยการศึกษาความสอดคล้องกันของความดันภายใน (Internal Pressure หรือ P) กับเวลา และระยะการเคลื่อนที่เข้า (Axial Feed หรือ X) ของแม่พิมพ์ ป้อนเข้ากับเวลา หรือที่เรียกว่า Loading Path เพื่อตรวจสอบดูถึง Failure Modes ต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้น ณ บริเวณต่างๆ ของชิ้นส่วน เช่น การเกิดการโก่งงอ

(Buckling) การเกิดรอยย่น (Wrinkling) หรือการ ฉีกขาด (Fracture) เช่น งานของ Kang et al. [6] และ Sorine et al. [7] ดังรูปที่ 2

การขึ้นรูปท่อด้วยของเหลว (Tube Hydroforming

หรือ THF) นี้จะใช้กับผลิตภัณฑ์ที่มีลักษณะคล้ายท่อ โดยการนำเอาแรงดนัสงูของของเหลวภายในมาประยกุตใ์ช้เพื่อที่จะทำการขยายผนังท่อ โดยใช้แรงดันอัดเข้าไปจน

รปูที ่1 ตวัอยา่งโครงสรา้งชิน้สว่นยานยนตท์ีใ่ชก้ระบวนการ ขึ้นรูปด้วยของเหลว

476


��

��

เต็มช่องว่าง (Cavity) ของแม่พิมพ์ (Die) ซึ่งจะทำให้ได้รปูรา่งตามตอ้งการ ดงันัน้ THF จะเริม่ตน้จากการเตรยีมรูปร่างลักษณะท่อ Pre-forming เพื่อให้ได้ขนาดที่เหมาะสมและมีรูปร่างที่สามารถเข้าไปอยู่ได้ในแม่พิมพ์ไดก้อ่นทีจ่ะเริม่ตน้กระบวนการขึน้รปู จากนัน้จงึตัง้เครือ่งแม่พิมพ์ให้อยู่ในสภาวะปิด (Die Closing) แล้วเพิ่มของเหลวไหลเข้าไปจนเต็มภายในท่อทั้งสองด้านของท่อ กระบอกสูบของแม่พิมพ์ป้อนเข้าที่อยู่ด้านข้าง ทั้งสองด้านจะเคลื่อนที่เข้า พร้อมกับของเหลวจะถูก แรงดันอัดจากภายในกระบอกสูบ จนทำให้ชิ้นส่วนลักษณะท่อเกิดการขึ้นรูปโดยที่เนื้อวัสดุจะเกิดการ ขยายตัวจนเต็มช่องว่างของแม่พิมพ์ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 2 ลักษณะการเกิด Failure Modes ใน THF

รูปที่ 3 ตัวอย่างกระบวนการขึ้นรูปด้วยของเหลว

รูปที่ 4 ลักษณะชิ้นส่วนท่อนูนแบบข้อต่อตัวที

รูปที่ 5 ลักษณะชิ้นส่วนท่อนูนทรงเหลี่ยม

[8] และสิ่งหนึ่งที่ส ำคัญ ในการพจิารณาของกระบวนการขึ้นรูปก็คือการเสียรูปของชิ้นส่วนตลอดจนความหนาที่ลดลงของชิ้นส่วนท่อ

งานวจิยันีไ้ดท้ำการศกึษาการผลติชิน้สว่นยานยนต์ลักษณะท่อ (Tubular Parts) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่นำมาใชใ้นอตุสาหกรรมยานยนตโ์ดยทัว่ไป โดยทำการวเิคราะหถ์ึงค่าความดันภายในที่มีผลต่อการขึ้นรูปของชิ้นส่วนและการขยายตัวของวัสดุในการขณะขึ้นรูปผ่านแบบจำลองคอมพิวเตอร์โดยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต ์ (Finite

Element Method หรือ FEM)

2. กรณีศึกษา: ชิ้นส่วนยานยนต์ งานวิจัยนี้นำข้อมูลที่ได้ศึกษาในเบื้องต้นมาเป็น

แนวทางการวจิยั ประกอบกบัลกัษณะรปูรา่งของชิน้สว่นที่จะนำมาใชว้เิคราะหส์ามารถทีจ่ะนำไปผลติไดจ้รงิ ดงันัน้ จึงได้กำหนดให้ชิ้นส่วนที่ใช้ในการวิเคราะห์มีลักษณะ 2

477


รูปแบบด้วยกัน คือชิ้นส่วนท่อนูนแบบข้อต่อตัวท ี ซึ่งมีลกัษณะรูปแบบ มาจากชิ้นส่วนประเภท Fitting ของข้อต่อแบบต่างๆ และชิ้นส่วนนูนทรงเหลี่ยมที่มีลักษณะรูปแบบมาจากชิ้นส่วน Chassis Side Member ของรถยนต์ ดังในรูปที่ 4 [9] และรูปที่ 5 [10] จากนั้นจึงได้ทำการกำหนดลักษณะของแม่พิมพ์ที ่ โดยแบ่งเป็นแม่พิมพ์ที่ไม่มีการเคลื่อนที่และแม่พิมพ์ที่มีการเคลื่อนที่ตามรูปร่างลักษณะของชิ้นงานทั้ง 2 รูปแบบ

1. ชิ้นส่วนท่อนูนแบบข้อต่อตัวที (Tee Shaped

Part) แสดงถงึสว่นประกอบของแมพ่มิพต์า่งๆ คอื แมพ่มิพท์ี่ไมม่กีารเคลือ่นทีแ่ละแมพ่มิพท์ีม่กีารเคลือ่นทีห่รอืเรยีกวา่ Counter Punch กับ Feeding Punch ดังแสดงในรูปที่ 6

2. ชิ้นส่วนท่อนูนทรงเหลี่ยม (Bulge Shaped Part) แสดงถึงส่วนประกอบของแม่พิมพ์ต่างๆ คือแม่พิมพ์ที่ไม่มีการเคลื่อนที่และแม่พิมพ์ที่มีการเคลื่อนที่ ดังแสดงในรูปที่ 7

วัสดุที่ ใช้ในกรณีศึกษานี้คือเหล็กกล้า SPCE ขนาดความหนาที่ 2.3 มม. ที่มีสมบัติทางกลดังแสดงในตารางที่ 1 การแปรรูปของวัสดุในกรณีนี้ จะได้เน้นพฤติกรรมด้านพลาสติกของวัสดุ โดยในบทความนี้ใช้สมการของ Hollomon แสดงเสน้การไหล (Flow Curve) ของวัสดุ ดังนี้

σ= K∈n (1)

โดยที่ σ คือค่าความเค้นจริง (True Stress) ∈คือ

ค่าความเครียดจริง (True Strain) K คือค่าสัมประสิทธิ์

ความแข็งแรง (Strength Coefficient) และ n คือค่ายกกำลังความแข็ง (Hardening Exponent)

ตารางที่ 1 สมบัติของท่อวัสดุ SPCE

ชนิดของวัสดุ SPCE

ขนาดชิ้นส่วน (mm.) ∅63.5 × 300

ความหนาของวัสดุ (mm.) 2.3

ค่าความหนาแน่นของวัสดุ (kg/m3) 7,850.0

Young’s Modulus (E) (GPa) 207.0

Poisson’s ratio (ν) 0.28

Strength Coefficient (K) (MPa) 586.0

Exponent Hardening (n) 0.247

Lankford Parameter (R00) 1.88



3. แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์และเงื่อนไขของกระบวนการขึ้นรูป

ในการจำลองสถานการณ์การขึ้นรูปจำเป็นต้องสร้างแบบจำลอง CAD ซึ่งจะถูกนำมาสร้างแบบจำลองตาข่าย (Mesh Model) ตามลักษณะของชิ้นส่วนเพื่อ แบ่งเอลิเมนต ์ (Elements) ของชิ้นส่วนต่างๆ โดย ชิ้นส่วนแม่พิมพ์ต่างๆ กำหนดให้เป็นวัตถุแข็งเกร็ง (Rigid Body) ด้วยโปรแกรม Dynaform แสดงรูปแบบของชิ้นส่วนในรูปที่ 8 และรูปแบบของแม่พิมพ์ในรูปที่ 9

��

��

��

��

σ∈

รูปที่ 6 แม่พิมพ์ของชิ้นส่วนท่อนูนแบบข้อต่อตัวที รูปที่ 7 แม่พิมพ์ของชิ้นส่วนท่อนูนทรงเหลี่ยม

478


ตามลำดับและเวลาเสมือน (Virtual Time หรือ t) ที่ใช้การจำลองสถานการณ์การขึ้นรูปนี้ กำหนดไว้ที่ 0.05

วินาที และสมมุติสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน (Friction

Coefficient หรือ μ) อยู่ที่ 0.125 ทั้งนี้ชนิดเอลิเมนต์ที่ใช้ในการจำลองท่อ คือเอลิเมนต์โครงสร้างแบบเปลือก (Shell Element) กำหนดให้ค่าตัวแปรแก้ไขความเฉือน (Shear Correction Factor) อยู่ที ่ 0.833 และแม่พิมพ์ต้านชิ้นบน (Counter Punch) กดด้วยแรง (FC) 1kN

ในการจำลองสถานการณ์ของกระบวนการขึ้นรูปชิ้นส่วนยานยนต์ด้วย THF ได้พิจารณาถึงความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วนเพื่อให้ได้ชิ้นส่วนตามต้องการ จึงได้ใช้วิธีการวิเคราะห์ด้วยการลองผิดลองถูกเป็นขั้นบันไดซึ่งถูกนำมาประยุกต์ใช้ เช่น งานของ

Strano et al. [11] เพื่อหาวิธีการที่เหมาะสมที่สุดและดีที่สุดในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน โดยคำนึงถึงตัวแปรต่างๆ ที่มีผลต่อการขึ้นรูปก็คือ ค่าความดันภายในท่อ ระยะการเคลื่อนที่เข้าของแม่พิมพ์ป้อนเข้าและระยะเวลาในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน รวมถึงลักษณะการเกิด Failure

Modes ในรูปแบบต่างๆ ขั้นตอนกระบวนการวิเคราะห์และออกแบบในงาน

วจิยันีแ้สดงในรปูที ่ 10 เปน็การหาคา่ตวัแปรในกระบวนการที่เหมาะสมของชิ้นส่วน โดยเริ่มต้นที่การกำหนดค่า ตัวแปรที่สำคัญที่จะนำไปใช้ในการวิเคราะห์ คือ ค่าความดันภายในท่อและระยะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ที่

ป้อนเข้า หลังจากนั้นจึงทำการวิเคราะห์ด้วยวิธี FEM ด้วยโปรแกรม ETA/Dynaform เพื่อดูว่าชิ้นส่วนที่ทำการทดลองสามารถขึ้นรูปได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่โดยใช้แผนภูมิขีดจำกัดการขึ้นรูป (Forming Limit

Diagram หรือ FLD) มาช่วยวิเคราะห์ เพื่อให้ได้ ชิ้นส่วนสำเร็จตามที่ต้องการ ในกรณีที่วิเคราะห์แล้ว เกิดแนวโน้มความเสียหายจากการแตกหัก (Crack)

หรือเกิดการฉีกขาด (Tearing) ในการขึ้นรูปก็จะต้องมีการปรับค่าตัวแปรของความดันให้ลดลงและเพิ่ม ระยะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ที่ป้อนเข้า แต่ในทาง กลับกันถ้ามีแนวโน้มที่ จะเกิดความเสียหายจาก รอยย่นของชิ้นส่วนก็ให้ปรับค่าตัวแปรของความดัน เพิ่มขึ้นและปรับให้ระยะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ ที่ป้อนเข้าลดลง แล้วจึงนำค่าที่ปรับแก้แล้วไปทำการวเิคราะหใ์หมอ่กีครัง้ เพือ่ดผูลการวเิคราะหท์ีไ่ดต้อ่ไป

4. ผลการวิเคราะห์และอภิปรายผล

จากการวิเคราะห์ ชิ้นส่วนลักษณะท่อทั้ง 2 รูปแบบ โดยทำการวิเคราะห์ชิ้นส่วนด้วยวิธีการปรับ

รูปที่ 8 Mesh Model ของชิ้นส่วน

รูปที่ 9 Mesh Model ของแม่พิมพ์

รูปที่ 10 ขั้นตอนกระบวนการวิเคราะห์

Min=2.07 mm.Max=2.74 mm.



479


เปลี่ยนค่า P กับ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าตาม Flow

Chart ดังรูปที่ 10 แล้วจึงกำหนดการวิเคราะห์ที่มีความแตกต่างกันอย่างละ 3 เงื่อนไข เพื่อตรวจสอบถึงความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วนท่อและการเกิด Failure Modes ต่างๆ พร้อมทั้งนำเอา FLD มาใช้ประกอบ ซึง่รเิริม่ใชต้ัง้แตง่านของ Keeler and Backofen

[12] โดยแสดงความเครยีดหลกั (Principal Strain) ของแต่ละเอลิเมนต์ของชิ้นส่วนผนังบางมาใช้ การวิเคราะห์นี้ได้ทำการประมวลผลด้วย Explicit Nonlinear FEM โดยใช้โปรแกรม LSDYNA [13] การคำนวณทั้งหมดทำบน PC Workstation ที่มีตัวประมวลผล Intel(R)

Core(TM) 2 Extreme และ RAM ที่ 3.0 GB โดยใช้เวลาคำนวณแตล่ะเงือ่นไขประมาณ 40 นาทถีงึ 2 ชัว่โมง 4.1 ชิ้นส่วนข้อต่อตัวที (Tee Shaped Part)

ตารางที่ 2 เงื่อนไขการผลิตชิ้นส่วนข้อต่อตัวทีและผล

การวิเคราะห์

Time (sec)

Condition1 Condition2 Condition3

Pressure (MPa)

Axial Feed (mm.)

Pressure (MPa)

Axial Feed (mm.)

Pressure (MPa)

Axial Feed (mm.)

0 0 0 0 0 0 0

0.01 14.0 0 20.0 0 20.0 0

0.02 14.0 10.0 20.0 15.0 20.0 25.0

0.03 18.0 10.0 28.0 15.0 24.0 25.0

0.04 18.0 20.0 28.0 30.0 24.0 50.0

0.05 22.0 20.0 32.0 30.0 28.0 50.0

FLD

Formed Part

4.1.1 ผลทีไ่ดจ้าก Condition1 จะเหน็ไดว้า่ คา่ P

ที่กำหนด สามารถที่จะขึ้นรูปได้ แต่ให้ผลการขึ้นรูปไม่เป็นที่น่าพอใจ โดยมีขนาดรอยนูนที่เกิดขึ้นน้อยเกินไป รูปที่ 11 ได้แสดงภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนในช่วงสุดท้ายของการขึน้รปูและการวเิคราะหด์ว้ย FLD รปูในรปูที ่ 12

ได้แสดงให้เห็นลักษณะของชิ้นส่วนไม่มีแนวโน้มที่จะเกดิการฉกีขาด แตจ่ะมเีอลเิมนตจ์ำนวนมากทีอ่ยูภ่ายใต้เส้นขีดจำกัดการขึ้นรูป (Forming Limit Curve หรือ FLC) ซึ่งมีแนวโน้มที่ชิ้นส่วนจะเกิดรอยย่นขึ้นได้ โดยที่เอลิเมนต์เหล่านี้มีสภาวะความเครียดหลักอยู่ในช่วงที่ 2

ของ FLD และมีขนาดความหนาชิ้นส่วนน้อยที่สุดที่ 2.07 mm. และขนาดมากที่สุดที่ 2.74 mm. จากรูปที่ 13

จากนั้นจึงได้ทำการปรับตั้งค่า P และ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าใน Condition2

4.1.2 ผลที่ได้จาก Condition2 จะเห็นได้ว่า จากรูปที่ 14 เมื่อปรับค่า P ให้สูงขึ้นจากระดับที่ 20

MPa จนถึงค่าความดันที่ 32 MPa ตามลำดับ ชิ้นส่วนจะไม่สามารถขึ้นรูปได้และเกิดการระเบิดออก (Burst) ของเอลิเมนต์บริเวณที่นูนออกทางด้านบนสุดที่เป็นข้อต่อตัวที ซึ่งเป็นผลจากค่า P ที่เพิ่มสูงขึ้นมากเกินไป จนทำให้ไม่สามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนได้จนจบกระบวนการ

รูปที่ 11 ภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนสำหรับ Condition1

รูปที่ 12 FLD สำหรับ Condition1

480



Max=3.37 mm.

Min=1.88 mm.

Burst

Max=3.37 mm.

Min=1.88 mm.

Burst

Max=3.37 mm.

Min=1.88 mm.

Burst

ฉะนั้นจะต้องพิจารณาถึงความเหมาะสมของค่า P ภายในท่อว่าจะต้องมีความสอดคล้องกันกับ X ของ แม่พิมพ์ป้อนเข้า โดยขณะที่ให้ P เข้าไปนั้น เมื่อผนังของท่อชิ้นส่วนเกิดการขยายตัวแล้วไปสัมผัสกับ แมพ่มิพต์า้นชิน้บน แรงทีก่ดลงมาจะทำใหค้วามหนาของท่อในบริเวณนี้ก็จะมีขนาดที่บางลงจนเกิดการฉีกขาดของเอลเิมนตบ์รเิวณนี ้ ซึง่เปน็สิง่ทีส่ำคญัในการพจิารณาว่าทำอย่างไรถึงจะขึ้นรูปชิ้นส่วนได้ โดยองค์ประกอบของตัวแปรต่างๆ จะต้องถูกกำหนดค่าให้ได้อย่าง เหมาะสมจึงจะสามารถขึ้นรูปได้

4.1.3 ผลที่ได้จาก Condition3 ได้ทำการปรับค่า P ภายในท่อให้สอดคล้องกับสภาวะการขึ้นรูป ผลที่ได้

สามารถที่จะขึ้นรูปชิ้นส่วนได้อย่างสมบูรณ์กว่าใน 2 แบบแรก แต่ก็จะมีเอลิเมนต์จำนวนมากที่อยู่ภายใต้ FLC ซึ่งมีแนวโน้มที่ชิ้นส่วนจะเกิดรอยย่นขึ้นได้เช่นกัน จากรูปที่ 15 และในรูปที่ 16 โดยที่ชิ้นส่วนมีขนาดความหนานอ้ยทีส่ดุที ่1.88 mm. และขนาดมากทีส่ดุที ่3.37 mm. จากรูปที่ 17

แต่เมื่อทำการตรวจสอบแล้วจะเห็นได้ว่าลักษณะการขึน้รปูของชิน้สว่นทอ่สำหรบั Condition3 ยงัไมด่พี อ โดยพิจารณาจากพื้นที่ผิวของผนังท่อที่หายไปจาก การกดของแม่พิมพ์ป้อนเข้า (A0) ซึ่งจะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับพื้นที่ที่ เกิดรอยนูนขึ้น (A1) ดังนั้นจึงได้ทำการตรวจสอบ ดังรูปที่ 18 แต่ผลที่ได้ของพื้นที่ที่เกิด

รปูที ่14 ภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนบริเวณที่เกิดการระเบดิออกสำหรับ Condition2


รูปที่ 13 ความหนาของชิ้นส่วนสำหรับ Condition1 รูปที่ 15 ภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนสำหรับ Condition3

481


Max=3.37 mm.

Min=1.88 mm.

Burst

รอยนูน ที่มีขนาดความสูง 43.8 mm. นั้น มีค่าน้อยกว่าพื้นที่ผิวของผนังท่อที่หายไปจากการกดของแม่พิมพ์ปอ้นเขา้ ซึง่แสดงใหเ้หน็วา่ผนงัทอ่ในบรเิวณดงักลา่วสามารถที่จะสูงเพิ่มขึ้นได้อีก ด้วยการเพิ่มค่าความดันภายในท่อ

4.1.4 สรุปผลชิ้นส่วนลักษณะท่อนูนแบบข้อต่อตัวที จากการเปรียบเทียบผลที่ได้จากทั้ง 3

Condition แสดงให้เห็นว่า การวิเคราะห์ใน Condition3 สามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนได้สมบูรณ์ที่สุดแต่ก็ยังไม่ดีพอ โดยเมื่อได้นำเอาข้อมูลที่ได้มาแสดงในกราฟค่า P ภายในท่อเปรียบเทียบกับ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าเมื่อเทียบกับ t ดังในรูปที่ 19 และรูปที่ 20 ซึ่งจากกราฟแสดงให้เห็นว่า P ในช่วงเริ่มต้นมีลักษณะที่คล้ายกันอยา่งใน Condition1กบั Condition3 ทีค่วามดนั 20 MPa

รูปที่ 17 ความหนาของชิ้นส่วนสำหรับ Condition3

รูปที่ 18 เปรียบเทียบพื้นที่ ผิ วก่อนการขึ้ นรูปกับ พื้นที่ผิวหลังจากการขึ้นรูปชิ้นส่วนท่อสำหรับ Condition3

รูปที่ 19 ความสัมพันธ์ P กับ t ของทุก Condition

รปูที ่20 ความสัมพันธ ์ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้ากับ t

ของทุก Condition

รูปที่ 21 ความสัมพันธ์ P และ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้า สำหรับท่อนูนแบบข้อต่อตัวที

Min=1.85 mm.

Max=3.37 mm.

Min=1.85 mm.

Max=3.37 mm.

Min=1.85 mm.

Max=3.37 mm.

Min=1.85 mm.

Max=3.37 mm.

482


ขนาดความหนามากที่สุดที่ 3.37 mm. จากรูปที่ 23 อันเนื่องมาจากความหนาขนาด 2.3 mm. ของชิ้นส่วนท่อมีขนาดที่เพียงพอต่อการขยายตัวของผนังท่อจนไม่เกิดการฉีกขาด แต่เมื่อได้ลองปรับขนาดความหนา เริ่มต้นลดลงไปที่ 2 mm. ดังรูปที่ 24 ก็จะเกิดการระเบิดออกของชิ้นส่วนท่อคล้ายกับ Condition2 4.2 ชิ้นส่วนท่อนูนทรงเหลี่ยม (Bulge Shaped Part)

ตารางที่ 3 เงื่อนไขการผลิตชิ้นส่วนท่อนูนทรงเหลี่ยมและผลการวิเคราะห์

Time (sec)

Condition1 Condition2 Condition3

Pressure (MPa)

Axial Feed (mm.)

Pressure (MPa)

Axial Feed (mm.)

Pressure (MPa)

Axial Feed (mm.)

0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

0.01 14.0 0.0 17.0 0.0 15.0 0.0

0.02 14.0 10.0 17.0 20.0 15.0 15.0

0.03 18.0 10.0 22.0 20.0 19.5 15.0

0.04 18.0 18.0 22.0 34.0 19.5 32.0

0.05 22.0 18.0 28.0 34.0 24.0 32.0

FLD

Formed Part

4.2.1 ผลที่ได้จาก Condition1 จะเห็นได้ว่า ใน

รปูที ่25 ชิน้สว่นไมส่ามารถขึน้รปูไดส้ำเรจ็ โดยมลีกัษณะการเกิดรอยย่นและเกิดการโก่งงอ ซึ่งจากรูปที่ 26 นั้น

แต่เมื่อระยะการเคลื่อนที่ของแม่พิมพ์ที่ป้อนเข้าผ่านไปได้ 25 mm. ค่า P ภายในท่อก็จะแตกต่างกันและเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น โดยค่า P ภายในท่อที่สูงขึ้นมากนัน้มแีนวโนม้ทีจ่ะเกดิการฉกีขาดเชน่เดยีวกบั Condition2 ไดเ้ชน่กนั และในรปูที ่21 แสดงใหเ้หน็ถงึการเปรยีบเทยีบทั้ง 3 Condition ของกระบวนการขึ้นรูป โดยสังเกตได้ว่าการขึ้นรูปชิ้นงานทั้ง 3 Condition นั้น การใช้ค่า P

ภายในท่อที่สูงและ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าที่มากจะ ส่งผลให้ขึ้นรูปชิ้นส่วนท่อได้ดี แต่ต้องคำนึงถึงความสอดคล้องของกระบวนเพื่อไม่ให้เกิดการฉีกขาด

4.1.5 ข้อสังเกตเพิ่มเติม จากการวิเคราะห์ได้ทำการทดสอบแรงกดของแม่พิมพ์ต้านชิ้นบน ซึ่งเป็นเหมือนตัวผยุงไม่ให้ส่วนที่นูนเกิดการ Unstable อย่างรวดเร็ว จึงได้ทดสอบกรณีที่แรงกด (FC) มีค่าเท่ากับ 1N ดังรูปที่ 22 แสดงให้เห็นว่ายังสามารถที่จะขึ้นรูปได้เป็นอย่างดีและมีขนาดความหนาน้อยที่สุดที่ 1.85 mm.

รูปที่ 22 ลักษณะการขึ้นรูปในกรณีที่ FC = 1 N

รูปที่ 23 ความหนาในกรณีที่ FC = 1 N

รูปที่ 24 ลักษณะการระเบิดในกรณีที่ FC = 1 N และ ความหนาเริ่มต้นที่ 2 มม.

Min=0.23 mm. Max=5.95 mm.

Collapse

Tear



Collapse

Tear



Collapse

Tear



Collapse

Tear



Collapse

Tear


483


FLD ได้แสดงถึงเอลิเมนต์จำนวนมากอยู่ในช่วงการเกิดรอยย่น โดยชิ้นส่วนมีขนาดความหนาน้อยที่สุดที่ 1.86

mm. และขนาดมากที่สุดที่ 2.46 mm. จากรูปที่ 27 แล้วจึงได้ทำการเพิ่มค่า P ภายในท่อและปรับ X ของ แม่พิมพ์ที่ป้อนเข้าเพิ่มขึ้น

4.2.2 ผลที่ได้จาก Condition2 จะเห็นได้ว่า เมื่อได้ปรับค่า P ภายในท่อให้สูงขึ้นผลที่ได้คือ ชิ้นส่วนไม่สามารถขึ้นรูปได้สำเร็จและเกิดการยุบตัว (Collapse)

ตรงบริเวณปากท่อของชิ้นส่วน อีกทั้งเอลิเมนต์ด้านบนและด้านล่างของผนังท่อที่มีแนวโน้มการเกิดการฉีกขาด

รูปที่ 25 ภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนบริเวณที่เกิดรอยย่น และเกิดการโก่งงอสำหรับ Condition1


รูปที่ 27 ความหนาของชิ้นส่วน สำหรับ Condition1

รูปที่ 28 ภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนบริเวณที่ เกิดการ ยุบตัวและแนวโน้มการเกิดการฉีกขาดสำหรับ Condition2



�� 26 �� FLD �� 1.86 mm. �� 2.46 mm. �� 27 �� P �� X ��

�� 25.

��

Condition1

�� 26. FLD �� Condition1

�� 27. �� Condition1

�� Condition2 �� P

�� (Collapse) �� 28 �� FLD �� 29 �� X �� 0.23 mm. �� 5.95 mm. �� 30

�� 28. ��

�� Condition2

�� 29. FLD �� Condition2

�� 30. �� Condition2

Collapse Tear

Min=1.86 mm.

Max=2.46 mm.


Wrink ling


484


ด้วยเช่นกัน ดังรูปที่ 28 และ FLD ที่แสดงในรูปที่ 29 ซึ่งเป็นผลจาก X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าที่มากจนเกินไป โดยชิ้นส่วนมีขนาดความหนาน้อยที่สุดที่ 0.23 mm.

และขนาดมากที่สุดที่ 5.95 mm. ดังรูปที่ 30

4.2.3 ผลที่ได้จาก Condition3 เมื่อได้ปรับค่า P

ภายในให้สอดคล้องกับสภาวะการขึ้นรูปแล้วจะเห็นได้ว่าค่า P ที่เหมาะสมกับ X ของแม่พิมพ์ที่ป้อนเข้านั้น มี

ผลเป็นอย่างมากต่อกระบวนการขึ้นรูปของชิ้นส่วน จากรูปที ่ 31 ชิ้นส่วนสามารถขยายผนังท่อออกไปจนเต็มผิวภายในแม่พิมพ์ แต่ก็ยังมีเอลิเมนต์บางส่วนของผนังท่อยังไม่สามารถขยายไปจนเต็มผิวด้านในของแม่พิมพ์ Not Fully Fit ซึ่งแสดงว่าต้องเพิ่ม P เข้าไปอีก แต่ถ้าเพิ่มมากไปก็อาจจะไม่สามารถควบคุมได้ซึ่งอาจจะเกิดการฉีกขาดหรือระเบิดออกได้ อีกทั้งในรูปที ่ 32 FLD ได้แสดงถึงเอลิเมนต์จำนวนหนึ่งอยู่ภายใต้ FLC ซึ่งมีแนวโน้มที่ชิ้นส่วนจะเกิดรอยย่นได้ โดยชิ้นส่วนมีขนาดความหนาน้อยที่สุดที ่ 1.60 mm. และขนาดมากที่สุดที ่3.58 mm. ดังรูปที่ 33

4.2.4 สรปุผลชิน้สว่นทอ่นนูทรงเหลีย่ม (Bulge

Shaped Part) นำข้อมูลที่ได้มาแสดงในกราฟเพื่อเปรียบเทียบ ดังรูปที่ 34 และรูปที่ 35 จะเห็นได้ว่าลักษณะกราฟของค่า P ภายในท่อและ X ของแม่พิมพ์

รูปที่ 31 ภาพหน้าตัดของชิ้นส่วนบริเวณผนังท่อที่ไม่ สามารถขยายไปได้เต็มที่สำหรับ Condition3



รูปที่ 34 ความสัมพันธ์ P กับ t ของทุก Condition

485


ป้อนเข้าทั้ง 3 Condition มีลักษณะใกล้เคียงกัน ซึ่งการเลือกใช้ค่า P ที่เหมาะสมและสอดคล้องกับกระบวนการขึน้รปูนัน้ จะทำใหส้ามารถขึน้รปูไดเ้ปน็อยา่งด ี อยา่งเชน่กรณีของ Condition3 แต่ก็ยังมีเอลิเมนต์บางส่วนของผนงัทีไ่มส่ามารถขยายไปไดเ้ตม็ทีแ่ละในรปูที ่36 แสดงถงึการเปรยีบเทยีบความดนัภายในทอ่และระยะการเคลือ่นที่เข้าของแม่พิมพ์ป้อนเข้าซึ่งมีรูปแบบเหมือนขั้นบันไดและค่าความดันที่ใช้มากที่สุดคือ Condition2 ดังนั้น จึงพอสรุปได้ว่าการปรับปรุงแก้ไขค่า Condition ต่างๆ สามารถที่จะช่วยให้ได้ชิ้นส่วนที่มีความสมบูรณ์

รูปที่ 35 ความสัมพันธ์ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้ากับ t

ของทุก Condition

รูปที่ 36 ความสัมพันธ์ P และ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้า สำหรับท่อนูนทรงเหลี่ยม

5. สรุป จากการทดลอง THF สำหรับชิ้นส่วนลักษณะท่อ

ทั้ง 2 รูปแบบ จะเห็นได้ว่าการเลือกใช้ค่าตัวแปรที่เหมาะสม มีอิทธิพลเป็นอย่างมากต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน โดยมีลักษณะการเกิด Failures

Mode ในรูปแบบที่แตกต่างกันตามขนาดของ P ภายในท่อและ X ของแม่พิมพ์ป้อนเข้าตลอดตามแนวแกนของชิ้นงาน อาทิเช่น การให้ค่า P ภายในท่อมากเกินไป จะสง่ผลใหเ้กดิการขยายตวัของผนงัทอ่อยา่งไมม่เีสถยีรภาพ จนทำให้เกิดการฉีกขาดและในทางกลับกันถ้า P ภายในท่อมีขนาดน้อยจนเกินไปก็จะเกิดรอยย่น ไม่สามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนได้อย่างสมบูรณ์

ดังนั้น การที่จะได้ค่าที่เหมาะสมจึงจำเป็นต้องมีการทดสอบด้วยการลองผิดลองถูกด้วยการจำลองสถานการณ์การขึ้นรูปด้วยโปรแกรม FEM ในหลายๆ ครัง้ดว้ยกนั เพือ่ใหไ้ดก้ระบวนการผลติชิน้สว่นทีเ่หมาะสมทีส่ดุ โดยใชก้ารพจิารณาจาก FLD มาอา้งองิการทดสอบ ซึ่งพบได้ว่าแนวทางการพัฒนา P ภายในและ X ของ แม่พิมพ์ป้อนเข้า เป็นขั้นบันไดสามารถช่วยให้มองเห็นถึงพฤติกรรมของชิ้นส่วนได้ ทำให้การทดลองเสมือนเป็นไปอย่างมีทิศทาง

จากการทดลองดังกล่าว จะทำให้สามารถทราบได้ว่าการใช้ค่าตัวแปรที่เหมาะสมในกระบวนการขึ้นรูปชิ้นสว่นนัน้ ควรจะปรบัตอ้งคา่ทีเ่หมาะสมอยา่งไร ซึง่การนำ เอา FEM มาประยกุตใ์ชใ้นการออกแบบกระบวนการขึ้นรูปสามารถชว่ยลดเวลาในการพฒันาผลติภณัฑ ์ โดยเฉพาะกับการทดลองจริงที่มีค่าใช้จ่ายสูงและยังช่วยให้สามารถทดลองความคิดและรูปแบบใหม่ๆ โดยมีค่าใช้จ่ายที่ต่ำ 6. กิตติกรรมประกาศ

งานวิจัยนี้ได้รับทุนอุดหนุนจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย ภายใต้โครงการทุนวิจัยมหาบัณฑิต สกว. สาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สัญญาเลขที่ MRG-ORMEP505S120 ทั้งนี้ความเห็นในรายงานผลการวิจัยเป็นของผู้รับทุน สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัยไม่จำเป็นต้องเห็นด้วยเสมอไป

486


เอกสารอ้างอิง [1] S.-L. Oh, B.-H. Jeon, H.-Y. Kim, and J.-B.

Yang, “Applications of hydroforming processes

to automobile parts,” Journal of Materials

Processing Technology, vol.174, pp. 42-55, 2006.

[2] D.A. Oliveira and M.J. Worswick, “Tube

bending and hydroforming of aluminium alloy

S-rails, International,” Journal of Material

Forming, vol. 2, no. 3, pp. 197-215, 2009.

[3] M. Koc and T. Altan, “An overall review of the

tube hydroforming (THF) technology,” Journal

of Materials Processing Technology, vol. 108,

pp. 384-393, 2001.

[4] Z. Yong, L.C. Chan, W. Chunguang, and W.

Pei, “Optimization for Loading Paths of Tube

Hydroforming Using a Hybrid Method,”

Materials and Manufacturing Processes, vol.

24, pp. 700–708, 2009.

[5] H.-C. Tseng, Z.-C. Wu, C. Hung, M.-H. Lee,

and C.-C. Huang, “Investigation of Optimum

Process Parameters on the Sheet Hydroforming

of Titanium / Aluminum Clad Metal for

Battery Housing,” in 4TH INTERNATIONAL

CONFERENCE ON TUBE HYDROFORMING,

2009.

[6] S.-J. Kang, H.-K. Kim, and B.-S. Kangb, “Tube

size effect on hydroforming formability,”

Journal of Materials Processing Technology,

vol. 160, pp.24–33, 2005.

[7] M. Sorine, C.H.M.S. Simha, I.v. Riemsdijk,

and M.J. Worswick, “Prediction of necking of

high strength steel tubes during hydroforming

multi axial loading, International,” Journal of

Mechanical Sciences, vol. 50, pp. 1411-1422,

2008.

[8] M. Ahmetoglu, (2001). The basic elements of

tubular hydroforming. [Online]. Available:

www.thefabricator.com

[9] Nonlinear Engineering, LCC. (2009, May19).

“Hydroformed structural tee.” [Online].

Available: www.nleng.com/hydroformed_tee/

hydroformed_tee.html,

[10] G. Morphy, (2007, June 12). “The evolution of

tube hydroforming,” [Online]. Available: http://

www.thefabricator.com/article//hydroforming/

the-evolution-of-tube-hydroforming.

[11] M. Strano, S. Jirathearanat, S.-G. Shr, and T.

Altan, “Virtual process development in tube

hydroforming,” Journal of Materials Processing

Technology, vol. 146, pp. 130–136, 2004.

[12] S. P. Keeler, and W.A. Backofen, “Plastic

Instability and fracture in sheets stretched over

rigid punches,” ASM Transactions Quarterly,

vol. 56, pp. 25-48, 1964.

[13] LSTC, 2006, LS-DYNA: User’s Manual,

Version 970.

9-ศตายุ 1vol 3-2010 - ThaiScience · hydroforming. It starts with creating computer model...

Documents

Transcript of 9-ศตายุ 1vol 3-2010 - ThaiScience · hydroforming. It starts with creating computer model...