Development of Hydraulic Bulge Test to Study Effect of Anisotropy on Low Carbon Steel Sheet Metal for a High Effective Strain

Abstract

ในกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำ ส่วนมากโลหะแผ่นจะถูกแรงกระทำภายใต้สภาวะแรงดึงสองทิศทาง (Biaxial) และมีการยืดตัวที่ค่าความเครียดมากกว่า 60% ส่งผลให้ค่าการทดสอบหาสมบัติของโลหะแผ่นที่ได้มาจากผลการทดสอบแรงดึงแกนเดียวที่ให้ข้อมูลความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดในช่วงความเครียดที่ต่ำกว่า 30% ไม่สามารถใช้ในการออกแบบและศึกษาพฤติกรรมของการขึ้นรูปวัสดุได้อย่างเหมาะสม ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาการทดสอบคุณสมบัติโลหะแผ่นแบบเป่าโป่งด้วยน้ำ (Hydraulic Bulge Test; HBT) ขึ้นมาทดแทนโดยใช้แรงดันน้ำมาทำการขึ้นรูปโลหะแผ่นที่ถูกขึงตรึงให้เป็นรูปโดมครึ่งวงกลมจนกระทั้งชิ้นงานเกิดการฉีกขาด หลังจากนั้นจึงนำค่าความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกับความสูงของโดมที่เกิดขึ้น มาทำการหาความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับความเครียด โดยกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดที่ได้จากการทดสอบนี้จะรวมผลของค่าความไม่เท่ากันทุกทิศทุกทางของโลหะแผ่น (Anisotropy) ซึ่งส่งผลให้กราฟที่ได้จะมีค่าความเค้นที่สูงกว่าความเป็นจริง จึงจำเป็นต้องอาศัยการทดสอบแรงดึงแกนเดียวมาทำการหาค่าความไม่เท่ากันทุกทิศทุกทางของโลหะแผ่น แต่ค่าความไม่เท่ากันทุกทิศทุกทางของโลหะแผ่นที่หามาได้นั้น ยังอยู่ในระดับความเครียดที่น้อยกว่าระดับความเครียดที่เกิดขึ้นในการทดสอบ HBT ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นในการพัฒนาการทดสอบแบบเป่าโป่งด้วยน้ำโดยการปรับสัดส่วนของรูปโดมทรงกลมและโดมรูปทรงวงรีในสัดส่วนต่างๆ กัน เพื่อให้สามารถเห็นถึงอิทธิพลของค่าความไม่เท่ากันทุกทิศทุกทางของโลหะแผ่นในระดับความเครียดที่สูงได้ โดยเริ่มจากออกแบบรูปร่างและรูปทรงแล้วทดสอบด้วยการจำลองการขึ้นรูปด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ก่อน แล้วจึงมาทำการสร้างแม่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบรวดเร็วแบบฟิวส์เดปโพซิชันโมเดลลิ่ง (Fuse Deposition Modeling; FDM) โดยใช้วัสดุที่ทำจากพีแอลเอ (Polylactic Acid; PLA) เนื่องจากการทดสอบคุณสมบัติของโลหะแผ่นใช้การทดสอบเพียงไม่กี่ครั้งทำให้เป็นการประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายในการทำแม่พิมพ์ ในการทดสอบจริงได้ทดสอบกับโลหะแผ่นคาร์บอนต่ำ SPCC ความหนา 1.0 มิลลิเมตร พบว่าแม่พิมพ์ที่ทำจาก PLA สามารถขึ้นรูปชิ้นงานในรูปทรงวงรีได้ โดยแม่พิมพ์ไม่เสียหายและยุบตัว นอกจากนั้นจากผลทางสถิติยังพบว่าที่ความสูงโดมเท่ากันที่ 21.48 มิลลิเมตร แรงดันในแนวรีดมีค่า 211.76 บาร์ และแรงดันในแนวขวางแนวรีดมีค่า 215.23 บาร์ ซึ่งมีความแตกต่างกันที่ 3.47 บาร์ ดังนั้นแม่พิมพ์ที่ออกแบบไว้สามารถแสดงอิทธิพลของค่าความไม่เท่ากันทุกทิศทุกทางของโลหะแผ่นได้

In sheet hydroforming process, the sheet metal is subjected to a biaxial condition, which has the elongation of more than 60%. As a result, the conventional tensile testing cannot evaluate the forming behavior of materials properly, because the strain value obtained from the tensile test is lower than 30% that is not enough for the actual forming process. A test was performed to simulate the material under biaxial conditions by applying a pressurized fluid through a semi-circular dome test. Pressurized plate will produce two-directional elongation so called the Hydraulic Bulge Test (HBT). However, the test is still under the influence of the anisotropy, resulting in higher flow stress than the actual test. Tensile test for obtaining the anisotropy is required to correct the flow stress, but the strain level is lower than required in the HBT. As a result, the results of simulation are less accurate. The purpose of this research is to develop the molds used in the Hydraulic Bulge Test to determine the influence of the rolling direction of the sheet metal. Using 3D printing technology to produce the molds to reduce costs and to guide the design of sheet hydroforming process using PLA (Polylactic Acid) material. In this test, the SPCC sheet metal was tested at 1.0 mm thickness. Elliptical hydraulic bulge testing die were printed at the aspect ratio of 2.0 with 3D print. The experiment showed that the use of PLA to create the molded metal sheet can be done by designing the appropriate parameters and shapes. When checking the shape of the 3D Print mold, it was found to be in good condition, no bending or distorsion. When examined by statistical process for testing specimens from the variants of similar specimens from metal mold. The SPCC with 1.0 mm thickness test found that, at the same dome height of 21.48 mm, the pressure at 0 degree of the rolling direction, the value was 211.76 bar and in 90 degree of the rolling direction, the value was 215.23 bar, which was different about 3.47 bar. In conclusion, the result of differences in the anisotropy of the material is clearly quite significant and can be used to determine the anisotropy in the future.