靈活胖子立釗，如果沒有你們這兩年將會遜色不少。而學弟妹振傑、
雅喬、馨勻和書麟感謝你們幫忙處理一些實驗室的雜事，讓我們在寫 論文時能心無旁騖。
也要謝謝高雄金屬中心的李明富先生與師父，在實驗上給予大力 的協助，並提供相關的專業知識供我在各種參數上的改變做參考。
最後要謝謝父母提供我充足的生活條件，讓我能無後顧之憂的專 注於學業，並時常給予關心，讓在外地的我時時感到家的溫暖。
目錄
2.1.4. 實驗方法及結果 ... 15
4.2.2. 壓料板力變動之影響 ... 55
4.2.3. 移除第一階段下模具與改變壓料板力 ... 58
4.2.4. 模具側邊傾斜角設計 ... 61
4.2.5. 相機殼件機頂之段差高度修改 ... 64
4.2.6. 較佳之製程參數成形模擬 ... 66
4.2.7. 較佳之製程參數實驗驗證 ... 71
5. 第五章 結論與未來工作 ... 74
6. 參考文獻 ... 77
4. 表目錄
表 1.1 液壓成形的各式類別... 2
表 4.1 各點厚度分佈 ... 44
表 4.2 鈦鋁複合板實驗與不同材料性質給定方法之厚度比較 ... 49
表 4.3 板液壓所使用之製成參數 ... 50
5. 圖目錄
圖 2.4 鈦鋁複合板材真實應力/真實應變曲線 ... 17
圖 3.13 兩階段成形之接觸設定 ... 36
圖 4.15 給予截角後之料片尺寸 ... 51
圖 4.33 20 度模具之料片厚度分布情況 ... 62
1. 第一章 緒論
1.1.1. 板液壓成形
液壓成形一般可依照加工產品的外型分為管液壓成形與板液壓 成形兩大類，並依照成形時壓力給予方式與機台配置可細分為
（表 1.1）所示的較常見的六種。
表 1.1 液壓成形的各式類別 Classification of hydroforming
Tube hydroforming
（管液壓成形）
Low pressure hydroforming High pressure hydroforming Sequenced pressure hydroforming
Sheet hydroforming
（板液壓成形）
Hydraulic stretch forming of single blank Hydraulic stretch forming of double blank
Hydromechanical deep drawing
管液壓成形之成形過程為將欲成形之管件置於模具之中，由兩端
至於板液壓成形則是將板件置於一個存有液壓油的液壓室上方，
圖 1.4 板液壓深引伸成形流程示意圖[1]
圖 1.5 品質不良的板液壓成品：(a)皺摺、(b)破裂
1.1.2. 複合金屬板材
隨著各種產品不斷的推陳出新，對於材料的要求也愈趨嚴苛，除 了良好的機械性質以外，耀眼的表面光澤、抗磨耗、抗腐蝕與輕量化 等等都成為考量之一，因此單一金屬以漸漸無法兼顧如此多面向的需 求，這使得可兼具多種材料特性的複合金屬應運而生。結合材料的方 式有許多種，舉例來說，透過輥軋製程可以藉由材料表面間接觸的摩 擦力使兩種或兩種以上的金屬材料合而為一。此種複合金屬不僅可以 兼具材料特性，擁有優異的機械性質及表面特性，在應用面上更能符 合產品設計之需求，而也因其材料的特殊組合，還可達到減輕重量、
降低成本等目的。結合以上優點，複合金屬板材相當適合應用於對於 產品殼件非常要求的 3C 產業，可以使產品的設計增加更多發揮創意 的空間。
圖 1.6 輥軋製成的鈦鋁複合板材
1.2. 文獻回顧
Thiruvarudchelvan [2]等人從理論推導液壓力大小在成形過程中 對於板件的影響（如圖 1.7），其認為適當的控制液壓力不僅可以幫 助料件進給，更能抑制皺褶、破裂等缺陷發生。
圖 1.7 成形過程中板件受液壓力作用示意圖[2]
Kleiner [3]等人探討在不同液壓力作用下，對於圓杯引伸的破裂 情形，並對於成功引伸的成品探討其殘留應力值大小與製程參數的關 係。
圖 1.8 不同液壓利對於圓杯引伸的破裂情形[3]
Dankert [4]等人利用無合模的圓杯引伸，探討在不同引伸比下的 最合適的液壓力與壓板力，並與實驗參數做比較以驗證模擬的真實 性。
圖 1.9 無合模的板液壓圓杯引伸[4]
Parsa [5]等人對於 Al/SUS 複合板材，改變 Al 或 SUS 貼附沖頭進 行引伸並比較其成品厚度，同時探討對於兩階段引伸，料片有無反摺 對於成品厚度分部的差異。
圖 1.10 複合金屬兩階段有反摺與無反摺引伸[5]
Tseng [6,7] 等人藉由調整不同的板液壓製程參數（壓板 力、液壓 力與模具間隙）觀察 3C 產品電池背蓋模型之成形；結論為 0.45mm 厚之鈦鋁複合板件(Ti/Al clad sheet)可有效達到與單一板材相同的成 形性，如圖 1.11 所示；SUS 及鈦鋁板件其厚度分佈比較如圖 1.12 所示。
圖 1.11 鈦鋁複合板成形後殼件無破裂[6,7]
圖 1.12 各量測點位之薄化率分佈實驗與模擬比對 [6,7]
Swadwsh [8]等人藉由改變模具上緣部分的側壁斜角與給予不同 的最終液壓室壓力，探討對圓杯深引伸成形極限的影響，發現給予適 當的終壓與斜角可以提升成形極限。
圖 1.13 改變模具上緣部分的側壁斜角之研究[8]
1.3. 研究動機與目的
從相關文獻中可以得知，板液壓成形應用於深引伸將可得到較傳 統深引伸更高的引伸比，且在液壓力作用下亦有助於板件貼附沖頭，
因此可用更少的階段來製造出複雜的外型；但對於某些具稜角與高引 伸量的產品設計，則無法在單一階段即完成所要求之外型，所以須規 劃多階段之沖頭與模具外型以達到成形之目的。此時若以有限元素模 擬來輔助模具之開發，將可加速開發速度與減少模具製作成本。而近 年來，複合材料的應用也愈來越受重視，許多金屬成型也紛紛選用複 合板材做為素材，希望能結合不同材料之特性來達到嚴苛的產品需
求。
因此，本研究希望能結合板液壓成形與複合板材之特性，以外型 較複雜的相機外殼做為載具（圖 1.14），利用有限元素法來模擬分析 以取得較適當的製程參數，並適當的修改其模具外型，而後與實驗相 互驗證，希望能藉此減少製造時所需的階段並提升產品品質，以提供 未來製程與模具設計之參考。
圖 1.14 相機外殼
1.4. 研究方法
本研究將使用多種金屬如：鈦鋁(Ti-Grade 1/A1050)複合金屬板材、
不鏽鋼(ASUS304)、鋁(A1050)與鈦(Ti-Grade 1)做為板液壓成形之板件，
並將所選用之載具分割為上下兩部分得到兩階段之沖頭與模具外型，
以有限元素分析板液壓製程中板件厚度的變化狀況，以預測其成形 性。
首先透過材料試驗取得板材之機械性質，將取得之材料參數帶入 有限元素軟體 ABAQUS 進行模擬分析，藉由量測實驗成品之各部分
厚度分布與模擬結果做比較，在修改並且確認模擬之準確性後，將藉 由改變不同製程參數與使用不同加工工序來對板件做成形分析，以此 比較其優劣並取得一組較佳之配對，使得所成形之成品厚度分布較為 均勻且與最初之設計外型貼近。最後再以此一製程參數進行實驗驗證，
並比較其與初始參數之差異，證實此一參數設定與加工工序能順利做 出成品並得到較優良之性質。
1.5. 論文內容介紹
本研究中所使用之板材與板液壓成形機台、模具，均由財團法人 金屬發展研究中心（以下簡稱金屬中心）所提供。在接續第一章之介 紹後，本論文中將分：材料性質與試驗（第二章）、有限元素分析（第 三章）、板液壓成形實驗與模擬（第四章）、現有結果討論與後續工作
（第五章）進行詳細介紹。
2. 第二章 材料性質與試驗
2.1.2. 彈性係數與指數定律
2.1.3. 異向性
由於本研究所使用之鈦鋁複合板材為冷輥軋所得，且並未為達到 完全退火，因此將考慮為異向性(anisotropic)的材料並探討其方向性。
在考慮鈦鋁複合板材為異向性材料的情況下，需求得其塑性應變 比值r (plastic strain ratio)。r值定義為拉伸試驗中試片之側向應變與厚 度方向應變之比值（式2.4），其物理意義為材料變薄之阻抗，可反映
2.1.4. 實驗方法及結果
本研究之拉伸試驗係採用本系之MTS-810萬能拉伸試驗機（圖 2.1），並在試片兩面貼上應變規(strain gage)以量測其應變。實驗所用 之應變規為共和電業公司(KYOWA)所生產之一般常溫型單軸拉伸應 變規KFG-1-120-C1-11L3M2R。
圖 2.1 MTS-810 拉伸試驗機
拉伸試驗之試片尺寸由 ASTM-E8 之拉伸試驗規範決定[12]，然 而考慮原始試片取得的因素，故將試片大小依原始試片尺寸作等比例 縮小，拉伸試片尺寸如圖 2.2 所示，厚度則為 0.8mm。另外，由於考 慮鈦鋁複合板材為異向性的材料，因此需要與輥軋方向夾 0∘、45∘、
90∘的拉伸試片，其配置如圖 2.3 所示，由於受限於料片數量在各方 向僅能使用兩片試片。此外，拉伸試驗所得之應力/應變曲線會因為 實驗條件不同而有所差異，本實驗將在常溫下進行，並設定拉伸速率 為 0.02mm/s 以進行實驗；設定擷取器之擷取速率為 50times/s 以紀錄 拉伸試驗機上荷重元(load cell)所量測之荷重值及應變規之應變值，藉 此取得材料的機械性質。
圖 2.2 拉伸試驗試片尺寸圖(mm)
450 900
Rolling direction
00
圖 2.3 鈦鋁拉伸試驗試片配置圖
圖 2.4 為拉伸試驗所得到之鈦鋁複合板材在00、450與900三方向 的真實應力/真實應變曲線，考慮到材料因為經過輥壓後無法消除殘 留應力，而無法取得十分平整的試片，在加上試片較薄且材料較軟，
造成拉伸試驗機在夾持時的材料就有部份的變形產生，觀察所得的拉 伸曲線圖可以發現除了在00方向在彈性區有稍微不同外，在進入塑性 區域後鈦鋁複合版材的強度與斜率皆相同，考慮到實驗時之誤差，因 此後續將不考慮版材之方向性，而使用圖 2.5 之拉伸曲線來帶入模擬 時使用。
圖 2.4 鈦鋁複合板材真實應力/真實應變曲線
圖 2.7 SUS304 近似之真實應力/真實應變曲線
圖 2.8 A1050 實驗真實應力/真實應變曲線
0 20 40 60 80 100 120 140
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
S tr es s(M P a )
Strain
圖 2.9 A1050 近似之真實應力/真實應變曲線
在進行拉伸試驗的時候，應變規皆有提前脫落的現象產生，因此 所得之真實應力/真實應變曲線在塑性區的延展性都小於材料表上之 材料極限，在加上三種材料在塑性區域都維持一個固定斜率，所以將 對塑性區做些微延伸而得到近似之應力/真實應變曲線，帶入後續模 擬。
本研究亦針對鈦鋁附合板材中所使用的另一材料－鈦(Ti-grade 1) 作拉伸試驗，觀察其應力/應變關係作為後續之參考。由圖 2.10 可以 發現，鈦鋁複合板材中使用的鈦在剛進入塑性區域時會有些微軟化的
本研究亦針對鈦鋁附合板材中所使用的另一材料－鈦(Ti-grade 1) 作拉伸試驗，觀察其應力/應變關係作為後續之參考。由圖 2.10 可以 發現，鈦鋁複合板材中使用的鈦在剛進入塑性區域時會有些微軟化的