การศึกษาความเป นไปได ในการใช...

1

การศึกษาความเปนไปไดในการใชเทคนิค FLSD ในเหลก็แผนที่ใชในอุตสาหกรรมยานยนต

โดย

สถาบันเหล็กและเหลก็กลาแหงประเทศไทย

กันยายน 2553

2

บทนํา

สถาบันเหล็กและเหล็กกลาแหงประเทศไทยไดริเริ่ม “โครงการปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพ

ในกระบวนการผลิตชิน้สวน” ซึ่งไดรับการสนับสนุนจากสํานักงานเศรษฐกิจอุตสาหกรรม กระทรวง

อุตสาหกรรม โดยมวีัตถุประสงคเพื่อสงเสริมใหผูประกอบการชิ้นสวนมีความสามารถในการออกแบบและ

ผลิตชิ้นสวนใหมีประสิทธิภาพสูงขึน้ อีกทั้งเพิ่มความสามารถของบุคลากรในภาคอุตสาหกรรมใหมี

ความสามารถในการปรับปรุงและพัฒนากระบวนการผลิตสถาบันฯ จึงดําเนินการรวมกับผูเชี่ยวชาญในดาน

การพัฒนาศักยภาพของผูประกอบการชิน้สวน

โดยผูประกอบการที่เขารวมจะไดรับการถายทอดเทคโนโลยีและองคความรูที่ไดจากการวจิัยพัฒนา

เชน การนําโปรแกรมคอมพิวเตอรมาชวยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและการออกแบบ นอกจากนัน้ยัง

ไดรับความรูความเขาใจถึงวิธีการวิเคราะหสมบัตวิัสดุ เพื่อใชในการออกแบบและพัฒนากระบวนการผลิต

ชิ้นสวน

ที่มาและความสําคญัของโครงการ

เหล็กแผนเปนวัสดุที่นิยมมกีารนําไปใชเพื่อขึ้นรูปผลิตเปนชิ้นสวนสําคัญๆ มากมายใน

อุตสาหกรรมยานยนต ในปจจุบนัการใชโปรแกรมคอมพิวเตอรเพื่อคํานวณลกัษณะการขึ้นรูป เขามามีสวน

สําคัญทําให ในการออกแบบแมพิมพเพ่ือใชในการปมชิ้นรปูชิ้นสวนยานยนตที่เปนเหล็กแผนมคีวาม

จําเปนตองทราบความสามารถในการขึน้รูปของเหล็กชนิดนั้นๆ เพ่ือใหทราบวาชิ้นงานยังเหลือ

ความสามารถในการขึ้นรูปไดอีกมากนอยแคไหนจึงเกดิการบางลงจนฉกีขาด

ในการพยากรณความเสียหายโดยการใชโปรแกรมคอมพวิเตอรเขามาชวยในการคํานวณและ

พยากรณสิ่งที่อาจจะเกิดขึ้นกับการขึ้นรูปช้ินสวนเหล็กแผนไมวาจะเปนชิน้สวนยานยนต หรือชิ้นสวนใน

อุตสาหกรรมอื่นๆ ส่ิงที่มักจะพบคือการกําหนดเกณฑความเสียหายที่อาจจะเกิดขึน้นั้น โดยมากใช Forming

Limit Diagram ( FLD) เปนเกณฑ ซึ่งในความเปนจริงแลวความเคนที่นํามาใชเปนเกณฑความเสียหาย

(failure criteria) ถือวาเปนเกณฑที่มคีวามถูกตองเมื่อการขึน้รูปมีแบบขั้นตอนเดียว แตในชิน้งานจริงปจจุบนั

การขึน้รูปมีความตองการขึ้นรูปหลายขั้นตอน จึงทําให FLD ไมสามารถใชเปนเกณฑไดแมนยํานัก จึงเปน

ที่มาของการศกึษาการทดสอบขดีจํากัดการขึน้รูปดวยวิธีการ Forming Limit Stress Diagrams (FLSD) ซ่ึง

จะใหผลที่แมนยํากวาทําใหการออกแบบแมพิมพและผลิตชิ้นสวนมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

3

วัตถุประสงคของโครงการ

ศึกษาการประยุกตใชเทคนิค FLSD ในการคํานวณดวยโปรแกรมจําลองการขึ้นรูปเพื่อการ

คาดการณขีดจํากัดการขึน้รูป

ขอบเขตการดําเนินโครงการ

ประยุกตใชเทคนิค FLSD ในการคํานวณดวยโปรแกรมจําลองการขึ้นรูป เพื่อกําหนดขดีจํากัดการ

ขึ้นรูปสําหรับเหล็กแผนในอุตสาหกรรมยานยนต 1 ชิ้นสวน

จําลองการขึ้นรูป FLD ที่สอดคลองกับ FLSD

ทดสอบ Tensile Test

คํานวณ Flow Curve จากการทดสอบดังกลาว

สิ่งที่คาดวาจะไดรับ

แนวทางการลดปริมาณชิ้นสวนที่เกดิการเสียหายลงระหวางกระบวนการปมขึ้นรูป

4

บทที่ 1

ความรูเบี้องตนและทฤษฏีที่เกี่ยวของ

เทคโนโลยกีารปมขึน้รูปชิ้นสวนยานยนตเหลก็แผนในปจจุบัน

รูปที่ 1 ชิ้นสวนยานยนตที่ผลิตในอุตสาหกรรม

5

รูปที่ 2 ลักษณะการโคงงอหลายชั้นของชิ้นงาน (S. Jirathearanat 2009)

จะเห็นไดวาปจจุบันการขึ้นรูปชิน้สวนยานยนตมคีวามซับซอนมากขึ้น ดังจะเห็นไดจากรูปวามกีาร

ดัดโคงไปมาหลายครั้งในแตละชิ้นสวนที่เปนเหล็กแผน ทางภาคอุตสาหกรรมไดมกีารนําเทคนิคการจําลอง

การขึน้รูป (FEM) ดวยโปรแกรมสําเร็จรูปมาชวยในการขึน้รูปชิ้นงานดังแสดงใน รูปที่ 3

6

รูปที่ 3 การออกแบบแมพิมพในกระบวนการปมขึ้นรูปโดยการใช FEM เขามาชวยออกแบบ (J.

Gronostajski, A. Matuszak, A. Niechajowicz, Z. Zimniak,2004)

หนึ่งในกระบวนการจําลองการขึ้นรูปที่โรงงานผูออกแบบตองทราบและคือขีดจํากัดการขึ้นรูปกอนที่

ชิ้นงานจะเกิดการเสียหายหรือฉีกขาด

ชาญ ถนัดงาน (2547 : 266) กลาวไววา ในปจจุบันนี้แผนภาพขีดจํากัดการขึน้รูป เปนเครื่องมือท่ี

เหมาะสมสําหรับการออกแบบกรรมวิธกีารขึน้รูปโลหะแผน แตอยางไรกต็าม ความสําเร็จในการใชงานนั้น

ตองมีความรูและประสบการณทั้งในหองปฏิบัติการและในโรงงานอยางเพียงพอ

จะเห็นวาแผนภาพขีดจํากดัการขึ้นรูปเปนจําเปนอยางยิ่งตอการออกแบบ เพื่อใหชิ้นงานไมเกิดการเสียหาย

หากแตความซับซอนของชิ้นงานดังแสดงใน รูปที่ 1 และ รูปที่ 2 ทําใหการทดสอบดวยวิธกีาร FLD ไม

สามารถใหขีดจํากัดการขึน้รูปไดแมนยํานกัดังจะอธิบายในหัวขอถัดไป

7

การทดสอบดวยวธิ ีForming Limit Diagram (FLD)

แผนภาพขีดจํากดัการขึ้นรูป (FLD) เปนแผนภาพที่บอกวา อนุภาคของโลหะแผนสามารถขึน้รูปได

เทาไร กอนจะเกิด คอคอด (Necking) แผนภาพดังกลาวไดจากการนําโลหะ แผนมาทําสัญลักษณเปนรูป

วงกลมเล็ก ๆ ตลอดแผน ระหวางทําการขึ้นรูป วงกลมดังกลาวจะมีการเสียรูปเปน วงร ีหลังจากนั้นทําการ

วัดคาเสนผานศนูยกลางในแกน หลัก (d1) และ แกนรอง (d2) เทียบกับเสนผานศูนยกลาง เดิม (d0) เพื่อ

พิจารณาคาของความเครียดหลัก (Principal Strain) ซึ่งสามารถหาไดในกรณีที่เปนความเครียดจริง (true

strain) ดังนี้ ε1 = ln(d1/d0 ) และ ε2 = ln(d2/d0 ) หรือกรณีที่เปนความเครียดทางวิศวกรรม (Engineering

Strain) ดังนี ้e1 = (d1 − d0 )/d0 และ e2 = (d2 − d0 )/d0 โดยคาความเครียดของวงกลมบริเวณที่เกิดคอคอด

จะ พิจารณาเปนบริเวณที่เสียหาย สวนคาความเครยีดของ วงกลมที่นอกเหนือจากนัน้จะพจิารณาวาเปน

บริเวณที่ ปลอดภัย หลังจากนั้นนําคาความเครียดตาง ๆ มาพล็อตลง ในแผนภาพ แลวทําการลากเสนตาม

แนวอนุภาคที่เกิดคอ คอด ซ่ึงเสนดังกลาวเรียกวาเสนขีดจํา กัดการขึน้รูป (Forming Limit Curve; FLC) ก็จะ

ไดแผนภาพขีดจํากัดการขึน้รูป ดังแสดงในรูปที ่4

รูปที่ 4 ช้ินงานตวัอยางในการทดสอบขีดจํากัดการขึน้รูป (ธนสาร อินทรกําธรชัย,2008)

ในทางการคํานวณก็นําหลักการดังกลาวมาใชโดยพิจารณา คาความเครียดในแนวแกนหลักและ

แนวแกนรองที่เกิดขึ้น บนเอลิเมนตตลอดการขึน้รูปโลหะแผนวามีคาเทาไรและ ตกอยูในพื้นทีใ่ดบน

แผนภาพ FLD โดยแบงเปน 5 พื้นที่ ดังรูปที ่5 คือ พื้นที่ท่ี 1 (สีเขียว) คือบริเวณที่อยูระหวางเสนสภาวะ ยดื

ตรึง สภาวะดึงและเสนปลอดภัยในการขึ้นรูป ถาเนื้อ โลหะแผนบริเวณใดมคีาความเครียดหลังขึน้รูปตกอยู

8

ใน พื้นทีน่ี ้แสดงใหเห็นวาเนื้อโลหะแผนบริเวณนั้นมีความ พื้นที่ที่ 2 (สีเหลือง) คือบริเวณที่อยูระหวางเสน

ปลอดภัยในการขึ้นรูป และเสนขีดจํากดัในการขึ้นรูป ถาเนื้อโลหะแผนบริเวณใดมีคาความเครยีดหลังขึ้นรูป

ตกอยู ในพื้นที่นี ้แสดงใหเห็นวาเนื้อโลหะแผนบริเวณนัน้จะเส่ียง ที่จะเกิดคอคอดหลังขึ้นรูป พื้นที่ที ่3 (สี

น้ําเงิน) คือบริเวณที่อยูระหวางเสนสภาวะ ดึง และ สภาวะเฉือนอยางเดียวรูป ถาเนื้อโลหะแผนบริเวณ ใดมี

คาความเครียดหลังขึน้รูปตกอยูในพื้นที่นี ้แสดงให เห็นวาเนื้อโลหะแผนบริเวณนัน้มีแนวโนมที่จะเกิดรอย

ยน หลังขึ้นรูป พื้นที่ที ่4 (สีมวง) คือบริเวณที่อยูใตเสนสภาวะเฉือน อยางเดียว ถาเนื้อโลหะแผนบริเวณใดมี

คาความเครียดหลัง ขึน้รูปตกอยูในพื้นที่นี ้แสดงใหเห็นวาเนื้อโลหะแผน บริเวณนัน้จะเกดิรอยยนหลังขึน้

รูป พื้นที่ที ่5 (สีแดง) คือบริเวณที่อยูเหนือเสนขดีจํากดัใน การขึน้รูป ถาเนื้อโลหะแผนบริเวณใดมคีา

ความเครยีดหลัง ขึ้นรูปตกอยูในพืน้ที่นี ้แสดงใหเห็นวาเนือ้โลหะแผน บริเวณนั้นจะเกดิคอคอดหรือการฉกี

ขาดหลังขึ้นรูป

รูปที่ 5 แผนภาพการแบงพฤติกรรมของโลหะแผนหลังขึ้นรูป(ธนสาร อินทรกําธรชัย,2008)

บานาบิค; และคนอื่นๆ(Banabic; et al. 2000 : 189-208) กลาวไววา คาความเครยีดสูงสุดของ

ความเครยีดหลัก( 1 )และความเครียดรอง( 2 ) สามารถกําหนดโดยการวัดความเครยีดที่เกดิการคอดและการ

แตกบนแผนโลหะดวยการใชกรดิวงกลม การวิจัยทางดานนี้ Keeler เปนผูบุกเบิกกอนในป คศ. 1961 และ

เผยแผสูสาธารณะชนในป คศ. 1965 โดยการพล็อตความเครียดหลักสูงสุดลงมาถึงความเครียดหลักต่ําสดุ

ซึ่งหาไดจากกริดวงกลมเปลี่ยนรูปเปนวงรีที่เกิดการคอดและการแตกหลังการยืดแบบสองแกน(Biaxial

stretching, 0;0 21 ) หลังจากนัน้ Goodwin ทําการวิจัยในป คศ. 1968 โดยการพล็อตเสนโคงรอบๆ

บริเวณการดึงและการกด( 0;0 21 ) โดยใชการทดสอบทางเชิงกลท่ีแตกตางกนั ดังนั้นแผนภาพของ

Keeler และ Goodwin จึงใชรวมกัน ตอมาเรียกวาแผนภาพขีดจํากัดการขึน้รูป ดังรูปที่ 6

9

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-60 -40 -20 0 20 40 60

ความเครียดรอง (%)

ความ

เครีย

ดห

ลัก

(%

)

Zone

Critical

Failure

Zone

Strain

Plane

Safe

Zone

Draw

Stretch

ความหนา 0.91 mm.

รูปที่ 6 แผนภาพขดีจํากัดการขึน้รูป(S. Jirathearanat 2009)

รูปที่ 7 รูปทรงชิ้นงานกอนเขากระบวนการทดสอบ FLD (S. Jirathearanat 2009)

10

Forming Limit Diagram

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Minor Strain (%)

Ma

jor

str

ain

(%)

รูปที่ 8 รูปตัวอยางการกระจายตัวของขอมูล FLD ที่ไดจากการทดลอง(S. Jirathearanat 2009)

จะเห็นไดวาการทดสอบดวยเทคนคิ FLD ตองใชชิ้นงานทดสอบหลายชิ้นตางขนาดกันออกไปตาม

รูปที่ 7 และผลการทดสอบที่ไดจะมีขอมูลที่กระจายตัวกันตามรูปที่ 8

รูปแบบทฤษฎีสําหรับคํานวณแผนภาพขีดจํากัดการขึ้นรูป

รูปแบบทฤษฏีตางๆ ไดมีการพฒันาสําหรับการคํานวณแผนภาพขดีจํากัดการขึ้นรูป เสนอโดย

Swift และ Hill ซึ่งสมมุติฐานวาโลหะแผนมีสมบัติเปนเอกพันธุ (รูปแบบดังกลาวคือ diffuse necking และ

localized necking) Marciniak เสนอรูปแบบของโลหะแผนไมเปนเอกพันธุในมุมมองเกี่ยวกับรูปทรง

เรขาคณติและทางดานโครงสราง Dudzinski และ Molinari ใชวิธีของ linear perturbation สําหรับการ

วิเคราะหตําแหนงของความเครียดและคํานวณความเครียดจํากัด แตรูปแบบของทฤษฎีคอนขางจะยุงยาก

ซับซอนและผูปฏิบัติงานตองมีความรูความชํานาญอยางลึกซึ้งทางดานคณิตศาสตร ขณะที่ผลลัพธจะไม

สอดคลองกับผลการทดลอง บางครั้งรูปแบบกึ่งอาศัยจากประสบการณไดมกีารพัฒนาอาจจะใหผลลัพธที่

ดีกวาก็ได

11

รูปแบบที่ใชคํานวณ FLD

ทางทฤษฎี

กึ่งการทดลอง

โลหะแผนเอกพันธ

โลหะแผนไมเอกพันธ

ทฤษฎีการคอด

ทฤษฎีBifurcation

ทฤษฎีเชิงเสนPerturbation

การคอดกระจาย

การคอดเฉพาะแหง

Swift

Hill

Storen-Rice

Dudzinski-Molinari

Marciniak-Kuczinski

Jones-Gills

Keeler

รูปแบบที่ใชคํานวณ FLD

ทางทฤษฎี

กึ่งการทดลอง

โลหะแผนเอกพันธ

โลหะแผนไมเอกพันธ

ทฤษฎีการคอด

ทฤษฎีBifurcation

ทฤษฎีเชิงเสนPerturbation

การคอดกระจาย

การคอดเฉพาะแหง

Swift

Hill

Storen-Rice

Dudzinski-Molinari

Marciniak-Kuczinski

Jones-Gills

Keeler

รูปที่ 9 รูปแบบทฤษฎีสําหรับคํานวณแผนภาพขีดจํากดัการขึ้นรูป

ทฤษฏีการคํานวณเรยีกวา M-K โดยถูกพัฒนาขึ้นในป 1967 โดย Marciniak และ Kuczynski

โดยมีสมมุติฐานอยูวามี imperfection อยูในวัสดุซึ่งเปนสาเหตุใหเกิด necking บนผิวของชิ้นงานรวมถึง

ความไม เปนเนื้อเดียวกนัของชิ้นงานเอง ทําใหชิ้นงานรบั load ไดไมเทากนัในแตละบริเวณขณะขึ้นรูป

ซึ่งทําใหเกิดการเสียรูปยืดออกของชิ้นงานแบบไมเสถียรในบริเวณนั้นๆ สงผลใหเกิด necking และเกิดการ

ฉีกขาดเสียหายในที่สดุในทฤษฏี M-K ไดมีการนําทฤษฏี plasticity เขามาเกี่ยวของ (Neale และ Chater,

1980) และ crystal plasticity (Zhou และ Neale, 1995)

นอกจากนั้นยังไดมีการนํา FLD ใปใชในการประเมิน. analytical yield functions สําหรับ

anisotropic sheets (Wu et al., 2003).การใช M–K approach, ทําใหการคํานวณเพื่อทํานาย FLDs โดย crystal

plasticity

ใหผลท่ีแมนยําเมื่อเทียบกับผลการทดลอง (Wu et al., 1998b; Knockaert et al., 2002).

12

อยางไรก็ตามทั้งผลท่ีไดจากการทดลองและการคํานวณแสดงใหเห็นวา FLD มีความไวอยางยิ่งตอการ

เปล่ียน strain path (Laukonis และ Ghosh, 1978; Graf และ Hosford, 1993, 1994; Zhao, 1996; Hiwatashi,

1998; Wu, 1998; Kuroda และ Tvergaard, 2000).

ไดมีการนํา FLSD ไปใชในการออกแบบในอุตสาหกรรมชิน้สวนยานยนตในระบบ S-Rail ผลทั้ง

ทางทฤษฏีดวยวิธกีาร perturbation analysis ออกมาเปนที่นาพอใจ ไดมกีารจําลอง1ปรากฏการณ necking

และผลก็ออกมาเปนสรุปไดวาสามารถประยกุตใชเขากับการปฏิบัติงานจริง ทั้งสามารถชวยลดการลองผิด

ลองถูก การออกแบบใหชิ้นงานมีประสิทธิภาพสูงขึ้น(Z. Zimniak,2000)

ในชิ้นสวนยานยนตในอุตสาหกรรมปจจุบนัมีความซับซอน จึงมีความพายามท่ีจะหาขีดจํากัดการ

ขึ้นรูปจากการทดสอบ FLD โดย Arrieux (1982),ในอดีตไดเสนอไววาเปนการหาขีดจํากดัการขึ้นรูปดวย

แนวความคิดของ stress base ซ่ึงจะแทบไมไดรับผลกระทบจากการเปลี่ยน strain path ขณะขึ้นรูป

ไดมีการสราง FLSD โดยไดจากการคํานวณ principal stresse ที่จุด necking.โดยอาศัยปรากฏการการเกิด

plasticity ที่ไดจาก Hill (1948) และ Hosford (1979), (Arrieux, 1995; Zhao et al., 1996; Haddad et al.,

2000; Stoughton, 2000; Zimniak, 2000; Stoughton และ Zhu, 2004) และในการศึกษาโดยตั้งบนพืน้ฐานของ

crystal plasticity, Wu et al. (2000) ก็ยืนยนัวาไดผลใกลเคียงกัน

รูปที่ 10 พฤติกรรมของ FLSD เมื่อเทียบกับ FLD (V. Uthaisangsuk *, U. Prahl, W. Bleck, 2006)

1 MARC ®niteelement analysis package

13

เนื่องจาก FLSD เปนแนวความคดิการสรางเกณฑการเสียหายของชิ้นงานเหล็กแผนโดยอาศัยความ

เคนเปนตัวทําใหเกดิการปริแตกของวัสดุ ดวยวิธกีารนี้ทําใหไมสามารถวัดความเคนเพื่อสรางเกณฑความ

เสียหายนี้ไดโดยตรงจึงตองทําการจําลองการขึ้นรูปเพื่อหาคาความเคนที่เกดิขึน้ ณ จดุแตกหกัตามรูปที่ 11

รูปที่ 11 จําลองการขึน้รูปเพื่อหา FLSD

14

ผลการวิจัย

ดําเนนิการทดสอบการขึน้รูปชิ้นงาน FLC

รูปที่ 12 ชิ้นงานทดสอบเพื่อหา Forming Limit Curve (FLC)

ในการทํา FLC ไดใชเครื่อง MTEC ที่ไดรับการออกแบบสําหรับการขึน้รูปแบบนี้แลวโดยมี

รายละเอียดโดยสังเขปดังตอไปนี ้

รูปที่ 13 เครื่อง press 200 ตัน ที่ใชในการทดลองขึน้รูปชิ้นงานทั้งหมด

15

เครื่อง HYDRAULIC PRESS ขนาด 200 ตันทีใ่ชในการทดลองขึ้นรูปโลหะแผนเปนอุปกรณที่สําคัญในการ

ทดลองโดยคุณสมบัติทีจ่ําเปนอยางยิ่งสําหรับในการทําการวิจัยหรือทดลอง ของเครื่อง HYDRAULIC

PRESS คือความแมนยําของเครื่องจักรทีใ่ชซึ่งเปนสิ่งท่ีควบคุมไดยากที่สุดเนื่องจากเครื่อง HYDRAULIC

PRESS ใชวาลวในการควบควบการเคลื่อนที่ของน้ํามนัที่คณุสมบัติเปล่ียนแปลงไดงาย เชน อุณหภูมิ ดังนั้น

จึงมีความจําเปนอยางยิ่งที่จะตองมีอุปกรณในการควบคุมการเคลื่อนที่ของน้ํามันที่แมนยํา ซ่ึงเครื่อง

HYDRAULIC PRESS 200 DDP นั้นมีความเหมาะสมและมีความละเอียดที่สามารถยอมรับไดในงานวิจัย

รูปแบบและอุปกรณตาง ๆ ของเครื่อง HYDRAULIC PRESS 200 DDP รูปแบบของเครื่อง HYDRAULIC

PRESS ที่ใชนัน้ไดแสดงในรูปขางลาง ซ่ึงเปนรูปแบบของเครื่องท่ีใชจริงในงานวิจยัและนอกจากนี้ยังมี

อุปกรณเพิ่มเติมอีก เชน คอมพิวเตอรทีใ่ชควบคุมการทํางานของเครื่องโดยตรง จอ TOUCH SCREEN

PANEL

รูปที่ 14 User interface ของเครื่อง press

รูปที่ 15 parameters ที่วัดและควบคุมไดของเครื่อง press

16

ผลการทดสอบ Tensile Test และ FLD Test

การดําเนนิการทดสอบสมบัติเชิงเหล็กแผน ทีมวิจัยไดดําเนินการทดสอบ Tensile Test SPCE ความ

หนา 0.8mm และไดคํานวณ Flow Curve ที่จําเปนตองใชในการจําลองวิเคราะหการขึ้นรูปของชิ้นงาน Fuel

Tank Cover ไดผลดังแสดงในรูปที่ 16 สวนการดําเนินการทดสอบการขึ้นรูปโดยใช Solid Punch

Hemispherical Dome Forming C-100 เพื่อหา Forming Limit Curve ขอมูล FLC ที่ไดตามรูปที่ 17 จะ

นําไปใชในการทํานายการฉีกขาดของชิน้งานในการวิเคราะหดวย FEM

รูปที่ 16 flow curve ของเหล็กแผน SPCE270 ความหนา 0.8 mm เพื่อใชในการจําลองการปมขึ้นรูป

17

รูปที่ 17 Forming Limit Diagram ที่ไดจากการทดลอง

การจําลองการขึ้นรูปทั้งในสวนของ การสราง FLD และการจําลองช้ินงานอุตสาหกรรม เพื่อใหการคํานวณเปนไปใน

ทิศทางที่ถูกตอง จําเปนตองทํา polynomial regression 4th order ของขอมูล FLD และ flow curve กอน เพื่อ

ลด noise ของ FLD และ flow curve data ซึ่งจะสามารถปองกันการเกิด numerical divergence ระหวางการ

จําลองปมข้ึนรูป

การจําลองการขึ้นรูปชิ้นงานอตุสาหกรรม

ในเบื้องตนทางทีมวิจัยไดดําเนินการสรางแบบจําลองเพื่อวเิคราะหการขึ้นรูปของ Fuel Tank Cover โดย

ไดนําเอาแมพิมพที่ทาง TSA สงมาใหไปดําเนนิการ Scan แลวจึงสราง CAD surface ของ Tooling ทั้งหมด

ใหมขึ้นมาเพ่ือการจําลองโดยเฉพาะ (เนื่องจากแมพิมพตวันี้ทางบริษัทไมมี Geometry File อยู ทาง MTEC

จึงจําเปนตองสรางขึน้ใหม) โปรแกรมที่ใชจําลองคือ DYNAFORM

18

รูปที่ 18 Forming Simulation model component

รูปที่ 19 ชิ้นงานหลังการขึ้นรูปจากการทดลอง

Die

Blank Binder

Punch

19

รูปที่ 20 การปรีแตกของชิน้งานที่ไดจากการทดลอง

การปริแตกของชิ้นงานในรูปที่ 20 เกิดบริเวณลางขวาของชิ้นงานตามรูปที่ 19

การจําลองการขึ้นรูปชิ้นงาน FLD

รูปที่ 21 การกําหนดขอบเขตการคํานวณโดย simulation ในลักษณะ axis symmetric สองแกนในระนาบ

เหล็กแผน

การจําลองการขึ้นรูป FLD นี้มีจุดมุงหมายเพื่อการแปลงความเคนที่เกิดขึ้นบนชิ้นงานขณะเกิดการเสียหาย

เนื่องจากตามทฤษฏีแลวการขึน้รูปวัสดุที่มีอัตราสวนความกวางยาวของชิ้นงานตอความหนา( Aspect Ratio)

สูงมาก การใช mesh element ในการคํานวณเปนแบบ shell จึงสามารถทําได โดย initial element size ที่ใช

คือ 0.9-1 mm และเนื่องจากธรรมชาติของการคํานวณจะเกดิ solution gradient เพ่ือหลีกเล่ียงปญหาดังกลาว

จึงเลือกใช algorithm แบบ remeshing rule พรอมกับ adaptive mesh , Blank holder force 30,000 KN คงที่,

ductile damage FLD criteria, flow curve ตามรูปที่ 16, ในการศึกษาความเปนไปไดเบื้องตนเพื่อใหการ

จําลองสามารถทําไดจึงใหการสราง governing equation ของระบบเปนไปโดยอาศัยหลักการภาระสมดุล

20

สถิตยและแกปญหาสมการอนุพันธเชิงตัวเลขดวยวิธีตรง การควบคุม element distortion ใชการควบคุมการ

กระจายตัวของระดับพลังงานในแตละ element.

ในสวนของตําแหนงผลเฉลยท่ีไดจากการจําลองใช Upper surface layer, เวลาในการแสดงการจําลองแตละ

ชิ้น 20-30 วินาที เวลาท่ีใชในคํานวณการจําลองรวมทั้งส้ิน 84 ชม.

เมื่อพิจารณาทั้งระบบจะเห็นวาชิ้นงานเปนลักษณะสมมาตรทั้งสองแกนจึงสามารถทํา simulation ไดโดย

กําหนดบริเวณการคํานวณเพียง 1 ใน 4 สวนของ model เต็ม ซ่ึงจะทําใหประหยัดทรัพยากรคอมพิวเตอรใน

การคํานวณ ซ่ึงหมายถึงเวลาการคํานวณที่เรว็ขึ้นดวย แตการแสดงผลการคํานวณเพื่อใหเขาใจไดงายจึงขอ

แสดงผลแบบเต็มชิ้นงาน

รูปที่ 22 การจําลองการขึ้นรูปช้ินงาน Full Blank

21

รูปที่ 23 Strain บนชิ้นงาน Full Blank ที่เกิดจากการจําลองการขึน้รูปชิ้นงาน เทียบกับ FLD จากการทดลอง

รูปที่ 24 การจําลองการขึ้นรูปช้ินงาน R40

22

รูปที่ 25 Strain บนชิ้นงาน R40 ที่เกิดจากการจําลองการขึน้รูปชิ้นงาน เทียบกับ FLD จากการทดลอง


23


รูปที่ 28 การจําลองการขึ้นรูปช้ินงาน R57.5

24

รูปที่ 29 Strain บนชิ้นงาน R57.5 ที่เกิดจากการจําลองการขึ้นรูปชิ้นงาน เทียบกับ FLD จากการทดลอง


25


รูปที่ 32 การจําลองการขึ้นรูปช้ินงาน R72.5

26

รูปที่ 33 Strain บนชิ้นงาน R72.5 ที่เกิดจากการจําลองการขึ้นรูปชิ้นงาน เทียบกับ FLD จากการทดลอง


27


เพื่อเปนการตรวจสอบความถูกตองของการ simulation จึงไดทําการ simulation ทุกชิ้นงานและ plot major

และ minor true strain เทียบกับผลการทดลองดังรูปที่ 22-35 ซ่ึงแสดงใหเห็นวาการจําลองการขึน้รูปชิ้นงาน

มีความถูกตอง

ผลการจําลองการขึ้นรูป Fuel filler door

การจําลองนี้เปนการจําลองที่แรงหนีบขนาด 22 ตัน การคํานวณโดย material model: Isotropic hardening.

สําหรับ low carbon steel.(SPCE270) , mesh control method : adaptive algorithm

28

รูปที่ 36 แสดง Min In-plane Stress ที่ไดจาก simulation

รูปที่ 37 แสดง Max In-plane Stress ที่ไดจาก simulation

29

รูปที่ 38 Strain บนชิ้นงานอุตสาหกรรมจากการ simulation เทียบกับ FLD จากการทดลอง

เมื่อนําผล จากผลการจําลองเพื่อหา FLD ทั้ง 7 แบบตามรูปที่ 22-35 มาเลือก stress ท่ีเกิดขึ้น แลว plot graph

จะได curve FLSD ดังแสดงในรูปที่ 39

รูปที่ 39 Stress บนชิ้นงานอุตสาหกรรมจากการ simulation เทียบกับ FLSD จากการ simulation

จากรูปที่ 38 จะเห็นวา surface strain ที่เกิดขึ้นบนชิน้งานไมสามารถบงชี้ไดวาชิ้นงานเกิดความเสียหายแต

เมื่อพิจารณา stress บนชิ้นงานตามรูปท่ี 39 จะเห็นวามีบริเวณที่เกดิรอยราวบนชิ้นงานตามที่เกิดขึ้นจากการ

ทดลอง

30

สรุป

จากงานวิจัยองคความรูพื้นฐานกอนหนากลาวถึงความสามารถในลดผลกระทบการทํานายความเสียหายของ

ชิ้นงานโดยมคีวามเครียดหลักและความเครยีดรองที่เกดิขึน้บนชิ้นงานที่ไมเปนความสัมพันธแบบเสนตรง

อันจะทําใหเกดิความคลาดเคลื่อนในเกณฑความเสียหายแบบ FLD และไดมีการทดลองพื้นฐานดวยแนวคิด

การสรางเกณฑความเสียหายโดยตั้งอยูบนพืน้ฐานความเคนหลักและความเคนรอง(FLSD) ซึ่งสอดคลองกับ

กระบวนการปมขึ้นรูปจริงสําหรับชิ้นงานมีที่ทวีความซับซอนมากขึน้ในปจจุบัน(shape complexity)

งานวิจัยนี้แสดงใหเห็นวาเกณฑความเสียหายที่ถูกพัฒนาขึน้ดังกลาว(FLSD) สามารถบงชี้การเกิดความ

เสียหายบนชิ้นงานไดมีนยักวาการใชเทคนิคแบบ FLD โดยจากผลการจําลองการปมขึ้นรูป เห็นไดวาความ

เคนที่เกิดบนผิวชิ้นงาน(In plane Surface Stress)มีความเชือ่มโยงกับรอยแตกบนชิ้นงานทดสอบมากกวา

ความเครยีด(strain) ที่เกิดบนชิ้นงานตามรูปที่ 38 และ 39 ทําใหดวยวิธีการนี้ผูออกแบบการปมขึ้นรูปชิน้งาน

เหล็กแผนสามารถนําไปเปนเกณฑประยุกตใชในการทําจําลองการปมขึ้นรูป(FE simulation) เพื่อใหเกิดการ

ปรับแตงแมพิมพ(Tryout) นอยที่สุด รวมถึงการหลีกเลี่ยงการปริแตกของชิ้นงาน(ductile fracture) ที่มี

ประสิทธิภาพมากขึน้

ดวยผลการจําลองการปมขึน้รูปประกอบกับเกณฑการเสียหายท่ีสรางขึ้น( FLSD) จึงเปนเครื่องมือบงชี้ถึง

การแตกเสียหายของชิ้นงานสําหรับการออกแบบผิวหนาแมพิมพ (die face)ในเบื้องตน สําหรับใน

กระบวนการทดลองแมพิมพหลังออกแบบ(Tryout) FLSD ทําใหโรงงานมขีอมูลเบื้องตนในการตดัสินใจ

ปรับแตงแมพิมพหนางานใหเหมาะสมและหลีกเสี่ยงการแตกหักเสียหายได

หากแมพิมพปมแลวชิ้นงานมกีารเสียหายจะตองมกีารปรับแตงแมพิมพ( Tryout) เปนเวลา 1 วันเต็มหากลด

กระบวนการนี้ไดก็สามารถลดคาแรงคนในกระบวนการ tryout ไดซึ่งใชคนประมาณ 5-7 คนตอแมพิมพ

หากการแกไขทําใหแมพิมพเสียหายจนใชงานไมได ก็ตองสงทําแมพิมพใหม โดยแมพิมพทีใ่ชในการวิจัยตวั

นี้มีราคาประมาณ 400,000 บาท หากเปนแมพิมพสําหรับใชในชิ้นงานขนาดใหญ เชน กระโปรงหนารถ

แมพิมพจะมีราคาสูงถึง 10 ลานบาท และใชเวลาสรางแมพิมพใหมมาทดแทนไมต่ํากวา 1 สัปดาห(ขึ้นอยูกับ

ความซับซอนของแมพิมพ)

เนื่องจากวิธกีารสราง FLSD นี้เปนเกณฑการเสียหายของวสัดุทําใหสามารถนําไปใชกับการปมขึ้นรูป

ชิ้นงานเหล็กแผนอ่ืนๆ ท่ีทําจากวัสดุชนดิเดียวกันไดดวย ซ่ึงหมายถึงสามารถนําไปใชกับแมพิมพอ่ืนๆใน

โรงงานไดตามแตขนาดของโรงงานวามีแมพิมพกี่ตวั

31

Reference

[1] Stoughton TB. A general forming limit criterion for sheet metal forming. International Journal

of Mechanical Sciences 2000;42:1–27.

[2] Graf A, Hosford WF. Calculations of forming limit diagrams for changing strain paths.

Metallurgical Transactions A 1993;24:2497. Butuc MC. Forming limit diagrams. Definition of

Plastic Instability Criteria. Ph.D. Thesis, Engineering Faculty of Porto University; 2004.

[3] Keeler SP. Determination of forming limits in automotive stampings, Society of Automotive

Engineers 1965, Technical paper no. 650535.

[4] Goodwin GM. Application of strain analysis to sheet metal forming problems. In the Press

Shop, Society of Automotive Engineers 1968, Technical paper no. 680093.

[5] Arrieux R, Bedrin C, Boivin M. Determination of an intrinsic forming limit stress diagram for

isotropic sheets. In: Proceedings of the 12th IDDRG congress, Santa Margherita, Ligure,

1982;2:61–71

[6] V. Uthaisangsuk *, U. Prahl, W. Bleck Stress based failure criterion for formability

characterization of metastable steels. Computational material science.Jan 2006

การศึกษาความเป นไปได ในการใช...

Documents