# [機製] Sheet-metal Forming

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此為105-2的修改版
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[105-2 Metal Forming](https://hackmd.io/s/rysnEe6ng)

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{%youtube JahJfGvn_zQ %}

這裡的主角是++薄板(sheet)++，也就是厚度在0.4mm ~ 6mm之間的板材。透過把薄板做成各種不同形狀的製程們都歸類在這一個章節。

# 簡介

這些製程有以下的共通點：

* 通常都是用++低碳鋼++：因為延展性比較好。
* 通常都是++冷作++：因為薄板面積很大，很++難維持均勻的溫度++。
> 熱作通常是用[鈦合金](https://hackmd.io/s/rySG_L1NM#鈦合金)或是[高強度鋼](https://hackmd.io/s/S1a4iZweM#高強度低合金鋼HSLA)。
* 成本低、精度好、製造快速

用處其實也很多，比如說：
* 交通工具。
* 飛機：特別提出來是因為飛機重量需要減輕，所以不會用鋼鐵，會用鋁合金或鈦合金之類的
* 各種生活用品、鍋碗瓢盆
* ~~台灣最美的風景~~ 鐵皮屋

# 方法

「金屬成形」，顧名思義就是用各種手段把金屬變成想要的形狀。這些手段不外乎下面種：


看看上圖會發現竟然有爆炸這種方法⋯⋯

不過最基本的就三種：
* Cutting(shearing)：加工前的準備。把大片金屬切成適當大小，或是適合折的形狀。有需要時在上面鑽洞。
* Bending：把金屬片「折」起來的過程。比如說做鐵櫃時，把金屬折成直角
* Drawing：把金屬「做出弧度」的過程(convex or concave shapes)。

# Cutting(Shearing)

把金屬切裁的製程。

雖然說是「切裁」，但是其實是「半剪半撕」把金屬弄成兩片的，因為cutting時只有一邊是鋒利不是像剪刀那樣上下都有刃，所以有些部分是被撕開，有些部分是被剪開的。這個後面會有更多解釋。

## 物理機制

「切裁」這個過程回到物理定律來說，就是「利用剪應力把讓金屬斷裂」，所以又叫作Shearing一點也不奇怪。


> 切下來的東西叫slug；本來的母材叫sheet


理想上來說，一片平的東西上切出來的東西會希望他是平的。不過學過材力想當然也知道這是不可能的，所以實際上會是這樣：


跟理想狀況相比，這片切下來的東西還多了：

1. burr：毛邊
2. 邊界分成兩層：rough surface跟smooth surface
3. 整片金屬++彎曲++了

金屬彎曲很顯然，因為從上面壓下去，可是邊邊又頂著，所以就彎曲了。分層跟毛邊位置就比較需要解釋了。

這是因為「讓金屬斷掉」這件事是兩種效應的綜合。他們分別發生在兩個地方，分別是：

* 直接被die切掉：發生在++與die接觸部分的金屬++，所以表面比較光滑
* 被剪力直接「撕開」的：離die比較遠的金屬，++沒有與die直接接觸++，是被punch過程中的++剪應力撕開++。所以表面比較粗糙。


> 因為第二種作用需要耗費的力量比較大，所以會希望盡量減少它。


> 注意punch上面是沒有刀片的，die才有。
> punch是鈍的，die的邊緣才是負責切削的地方。

## 構造

看完物理機制之後，就可以看看模具的構造，以及一些可以調整的面向。


1. Clearance：punch的大小比較小; die的大小比較大。兩者的差異就是Clearance
2. Clearance Angle：餘隙角(塗上沒標出來)。可以注意die的洞並不是垂直的，而是有點向外張開，這個角度叫餘隙角。是為了減少burnish，讓少一點功耗費在「撕開」上。
3. Punch：負責下壓的那塊東西。

綜合以上，所以調整製程的一些層面包含了：

1. Clearance的大小
2. punch的速度
3. Punch跟Die的形狀

除了這些之外，還有一些其他因素，比如有沒有潤滑之類的。

### 模具設計：

### Clearance

++Clearance是首要的設計參數++，Clearance會slug的邊緣（間接影響到精度）產生很大的影響。

除了影響摩擦力的大小之外，還影響了Area of Deformation：


* 太小：可能會++出現兩道burnish line(double burnishing)++，而且++摩擦力更大++，++需要更多力量++才可以切穿。像這樣：


* 太大：邊界整個都是拉的，會產生很多毛邊。

一般的標準是Clearance大概在薄板厚度的4%~8%。

> 下禮拜一考metal forming 喔。
> 兩個小時教的完剩下的部分。[name=楊宏智]

另外一個方法是暴力造表 & 查手冊。通常查到的東西會是這樣：

$$c = at$$

其中$c$是Clearance寬度，$t$是薄板厚度，$a$是手冊上建議的係數。

一般來說，越硬的材質，需要的Clearance會越大(也就是a值越大)。所以冷加工需要的Clearance也比熱加工還大(如果有的話)。

### Punch Force
$$ Max ~F= 0.7 \cdot T \cdot L \cdot UTS$$
> T: thickness
> L: total length sheared

不過當然也和衝頭跟工件間的摩擦力有關啦。

### Shaving

是一種為了讓表面不那麼粗糙設計的過程。就是Shearing之後，把邊緣再削過一次，這樣表面就會變平了：


右邊那個是兩者同時結合的刀具。

### Punch/Die的形狀

比如說把Punch削成斜的，這樣打下去的壓力就比較大，所以就可以更容易切穿。這就是bevel punch。還有其他變形：


### Fine Shearing

對普通Shearing做出的改良，可以讓精度變高，表面變光滑。

先看看本來的版本：


再來看看為了做Fine Shearing做出的改良：


為了達成這件事，做出的改良有：

1. 新增Pressure Pad：把薄板抓牢，衝下去的時候兩邊不會翹起來。
2. 增加V-Shaped Stinger：就是薄板跟Pressure Tab中間的小三角溝槽。讓Pressure Pad可以確實壓住薄板，不會滑動
3. 在薄板底下新增一個有Pressure的Cusion：這樣薄板上下都被夾住，一起往下壓。
4. 用比較小的Clearance，減少毛邊

> 這個構造又叫triple-action hydraulic presses，為有來自3個地方(punch, pressure pad, cusion底下的counter force)的主動施力。

## 方法：

## Blanking/Punching

Blanking叫做「沖胚」; Punching叫做「沖孔」。

白話文就是：

* 「剪出一個形狀」叫Blanking
* 「剪出一個形狀的洞」叫Punching

假設今天你切了一個這樣的東西：


* 如果++切下來那塊是你要的++，這個過程就叫++Blanking++
* 如果++切下來的東西不是你要的++，這個過程就叫++Punching++

~~這聽起來超像廢話的~~

## Shear Operations

就是切一堆拉哩拉雜的東西：切個洞、切兩塊、切邊邊、切縫縫等等。一種切法就一個名詞，他們分別是：


* Parting：切成兩塊
* Perforating：切一個洞
* Notching：切邊邊
* Lancing：切出一塊可以翹起來的地方(tab)
* Slitting：在中間切個縫

我都以為我在背7000單了。
> 師曰：其實是托福啦（？

### Slitting

主要構造是上下兩個輪子，上面有刀刃：


側視圖大概是這樣：


就是上下刀刃會有一點距離，然後切下去就可以用剪力分成兩邊了。

### Nibbling

一次切一小段一小段，就可以切出很複雜的形狀。可以想像成是一連串重疊的slitting(overlapping slitting)。


## Tailor-Welded Blanks

這個概念是用「拼貼」的方式做出複雜的形狀。跟Nibbling直接在整塊板材上切出完整形狀的邏輯不一樣。


大概分成3步：
1. 把想要做的成品分解成幾個簡單的形狀，用雷射切出來：

2. 把這些幾何形狀用雷射焊接起來，形成大概的雛形：

3. 把雛形拿去加工，得到最後的成品：

這在做複雜形狀的時候顯然有很多好處：

1. 節省很多切割下來的廢料
2. 焊接也順便做完了，省時間
3. 形狀可以自由決定

總之，在做複雜形狀的時候效率變得更好。

## Miscellaneous Methods

其他可以切東西的特別方法，比如：

* Laser-Beam：用雷射去切
* Water-Jet：水刀，高壓水柱
* Band Saw：線鋸。工廠實習鋸超久的那種
* Friction Saw：奪魂鋸的那種鋸子
* Flam Cutting：比如說用乙炔氧焰燒

## Equipment

### Tool and Die Materials
- 通常刀具跟模具都用工具鋼跟碳化物
- 當然潤滑是不可少的

<br>

有時候要做一些很複雜的形狀，會需要一連串的衝孔與沖胚動作。這時候可以稍微設計一下，讓時間上更有效率。這其實不是什麼機械上的特殊設計，只是一個工作安排的方法，但是卻可以加快不少時間。就像single cycle CPU跟pipelining CPU那樣。

假設今天要做一個有很多階段的Punching跟Blacking的東西，你有幾個做法：

### Transfer Die

Naive的做法。有幾道程序就生幾個獨立的機器出來，像這樣：


每個工件一個個獨立地加工

### Progressive Die

pipeline的做法，把同一台機器切成不同的stage，每一個cycle就往後推移一個stage。像這樣：


可發現每一個時刻下，模具的每個部分都沒閒著，他們都在負責不同的Stage。只要一直把胚料往左送固定距離，就可以不斷做出來。這跟CPU Pipelining根本有87%像。

（影片有介紹Transfer Die 與 Progressive Die 的不同）
（Progressive先）
{%youtube C2VZ48PaDbQ %}

### Compound Die

一口氣把所有洞打完的做法。既然是二維的形狀，那為什麼不一口氣全部壓完呢？這就是Compound Die -- 全部的動作都集中在一個die上，打一下就全部解決：



雖然聽起來很猛，但是這種模具的設計與成本都比較貴。也只能用在比較簡單的形狀（像影片中的那樣）。

{%youtube hOhTr1YONJk %}

# Formability

這裡主要在講一些Forming的物理機制。

## 議題1：Luder's Band

白話文就是：往下壓的時候不會每個地方都壓得很均勻，所以做得不好就會皺起來。這就叫Luder's Band。

### Stress Strain Curve of Mild Steel

這件事情跟Stree-Strain Curve上面的降伏平台有關。我們先來看看中低碳鋼的Stress-Strain Curve：


這裡可以注意他跟典型的stress-strain curve有一點點不一樣：在降伏應力前面多了一個小高峰：


他的降伏應力分成Upper Yielding Stress 跟 Lower Yielding Stress。這是怎麼一回事？[這裡](https://www.quora.com/Why-does-mild-steel-have-upper-and-lower-yield-points-whereas-Aluminum-has-only-one-yield-point)有相關的解釋。把它摘要一下大概是這樣：

1. 鋼鐵裡面有C, N等等不純物，他們的原子比較小，所以容易堆在插排的邊緣(吳錫侃第三份作業有出這題)：


> 這種構造有個名字叫Cottrell Atmosphere
> [這裏](http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0370-1298/62/1/308/meta)有一篇論文解釋。:

2. 因為++比較小的原子++在裡面，所以周圍的鐵原子會往裡面擠，在周圍形成++壓應力場++。
3. 拉伸的時候，必須先多花一點把它拉開。這就是Upper Yielding Stress的成因。

4. 接下來的狀況就會因含碳量高低造成影響了：
* 如果是含碳量比較低的中、低碳鋼(mild steel)，移動的時候碰到Cattrel atmophere的機率很低，所以力量就不需要那麼多。這就是Lower Yield Stress

* 如果是含碳量比較高的鋼，剛把一個Cattrel atmosphere拉開，位移一小段後又會碰到C，C就會混進插排裡形成新的Catterel atmosphere。一路上就會一直遇到這種構造，所以不會有Lower Yield Stress。++一路都是Upper Yield Stress++。

### Yield Point Elongation


那麼這樣有上下兩個降伏應力的曲線會造成什麼想呢？假設今天加工時施加的應力是在兩邊界之間，就是兩條水平紅線中間：


那應變可能的範圍會非常大，而且是不定的，有的地方會比較多，有的地方比較少。所以++在上下降伏應力中間加工，就可能產生不均勻的應變++，像這樣：


就會形成++一條一條像皺紋的東西++。這就叫做++Yield Poine Elingation++，或是叫++Luder's Band++。像照片下面這樣：


這顯然是一件不太妙的事情，所以要想辦法解掉。幸好我們知道++加工後Stress-Strain Curve也會跟著改變++：


只要故意先加工一遍，++讓Stress-Strain Curve的起始往右平移到降伏平台的右邊++。這樣就可以降低應力靠近降伏應力時，應變的不確定性，進而消除Luder's Band了。典型的做法就是先把薄板丟去做 Cold Rolling後，就直接拿去加工。

## 議題2：量化Formability

### Cupping Test

是一種測試Formability好不好的一種測試。測試過程大致如下：

1. 用一個正球的頭去壓金屬薄板，壓到金屬板恰好斷裂時，立刻停止。


<br>

2. 雖然模具本身是正圓的，但因為金屬材料有彈性、方向性等等機械性質，所以壓完之後，留下的痕跡未必是正圓。這時就可以依照留下來深度、斷裂位置、圓周等等痕跡，與正球形的模具比較，去判斷這種材質的Formability好不好。

一般來說++壓得越深，Formability越好++。


不過Cupping Test只是一種定性的測試，不太能量化。

單用眼睛看不能量化，那要怎麼辦？答案很簡單：做很多次然後用某種方式記錄起來，他就量化了。這就是後接下來要講的Forming Limit Diagram.

### Forming Limit Diagram

如果我們針對某個厚度的薄板，重複做不同力度的沖壓，那我們會拿到很多不同完整或被壓爛的板板：


一如往常，我們知道正球形的模，壓下去的痕跡一定不是正圓，而是有點歪歪扭扭的形狀。上面那張圖也是各種爛掉。

如果把他們大概的樣子畫出來，大概是長這樣：


有的是上下左右都外擴，有的是左右縮起來，但是上下變更長。但不管是哪一種變形的模樣，都可以觀察到：

1. 一定找得到一個方向，不管怎麼沖壓，沿那個方向的變形永遠都是伸長。像這裡就是y軸。

這裡講的文言一點，就是「總有一個方向，應變永遠都是正的」。這個方向的應變叫做major strain

2. 沿另外一個方向也會有變形，但不一定是伸長。比如說這裡的x方向。

這裡一樣講的專業一點，就是「找得到另外一個方向，應變可能是正，也可能是負」因為應變的定義就知道：為正表示變長;應變為負表是長度變短嘛～
這個方向的應變叫minor strain

如果把第一種狀況的應變當成y軸，第二種狀況的應變當x軸，並且統計每一次沖壓之後，變形輪廓對應的x與y，會得到下面的結果：


三角形表示「會使薄板破裂的應變組合」、藍色是「逼近破裂的應變組合」、紅色是「沒有破裂的應變組合」。

統計結果可以發現，在這個平面上，破裂與否似乎有一個很清楚的界線。另外幾組實驗的結果是這樣：


雖然很多，但總之他們大概長相都像這樣：


特徵是：

1. 會造成裂痕的major strain 跟 minor strain的組合，在這張圖形成一個邊界。這個就叫「Forming Limit Curve」。

2. 近一步觀察這條曲線，可以發現：y軸左邊是個斜率比較陡的直線；右邊是個比較緩的曲線

如果你已經做出某種材料的這個曲線，那這樣可以進一步由這張圖推論這個材料的Formability：

1. 當Forming Limit Curve越往上時，表示可以承受越多應變才斷裂，所以Formability越好

2. 同樣大小的minor strain，負的minor strain 比正的minor strain可以造成更大的major strain。

這個起來很玄，不過想像一下下面這件事：
* 這是你的臉頰：

* 如果你這樣捏他：

* 他會上下變長，而且可以拉的很長。


所以左右受壓力(minor stress為負)的時候，上下可以拉比較長(major stress可以比較大)

* 可是如果你是先把他左右拉開(minor stress為正)：


* 如果你要再往上下拉，那應該會更難拉(也就是major stress會比較小)。


這就是他想講的東西了。只是因為術語很多所以讓他聽起來很饒口。

還有其他因素會影響，比如說

1. 材料越厚，Formability Limit Curve會越往上
2. 有沒有潤滑、表面粗糙度、加工的形狀、Punch的設計⋯⋯都會影響到這條曲線

這個東西可以做為加工時模具設計的指標。比如說你要加工一個比較長的東西，把模具兩側設計成會對胚料造成壓應力，就有機會幫助金屬更容易成形。

> 之後的Strtech Forming會利用到

# Bending

## Intro

- 最常見的forming operation
- 迴紋針，檔案櫃⋯⋯
- 就是把金屬彎曲，彎成想要的形狀的過程。像這樣彎成直角：


### Minimun Bending Radius

不過實際上並不能彎成尖尖的直角，再怎麼控制都會有一個弧度在。像上面那張圖，儘管已經非常直角了，放大一看還是可以看到一個圓弧。這個圓弧對應到的半徑就叫++Bemding Radius++


視你想要轉的角度 & 材料 & 其他性質，每一種狀況都會有自己的Minimum Bending Radius(就像你不能真的彎成直角一樣)。這個有手冊可以查公式或是查表。

### Bendibility

就是「容不容易彎」

* 彎曲的路徑越長，越容易彎，Bendibility越好
* 彎邊邊跟彎中間，難易度也會不一樣。
* 如果有加工硬化，會比較不好彎。
* 另外，加工過的材料會變得有方向性(ref. 工材加工硬化的圖)，所以對不同方向來說，彎曲的難易度會不一樣。

### Spring Back

就是彎下去之後，一部分會往回彈的現象。~~男生都懂。~~

這件事情是無法避免的，所以事前就要算好。比如說要彎到90度，
就要預留回彈的空間，多彎一點，讓他彈回去之後剛好變90度。

這個東西也可以帶公式或查表算。

### Bending Force

也是帶公式或查表算。

## 方法

### Roll Bending

把一個薄板滾成圓柱的過程。

大部分都是用3個Roller，++控制他們的距離就可以控制曲率++，也就可以控制滾出來的半徑了：


過程大概像這樣：


滾完之後，把縫縫焊接起來之後，就可以完成了。

### V-Bending

就是想要彎出一個固定角度要做的事。


(老樣子)就是一個Punch一個Die，壓下去之後就變成Die的形狀了。

> 發現一堆東西的構造都是Punch + Die：擠製、鍛造、切割等等。

### Edge Bending


從邊邊往下壓的壓法。

Edge Bending 跟 V Bending是兩個最常用的，因為又簡單又快速。

### Beading

在薄板邊緣捲出一個圓


除了人使用上方便(邊緣不會割到手)之外，可以讓勁度(stiffness)變好。

> 勁度(stiffness)跟強度(strength)是不一樣的概念。比如說，橡膠可以承受的tensile strength可能比玻璃高，但是玻璃的stiffness比橡皮高（因為前者抵抗因外力而變形的能力較大）。
>> 簡單的說，勁度大小就是受到多少外力才能進行一定程度的變形。
> [參考資料](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020138300800406)

### Flanging

{%youtube WeiaXy8wZHc %}

> 開放式課程影片只有帶過，沒有解說

簡單的說就是把邊彎成直角，用來增加強度或是勁度。


## Equipment

### Tool and Die Materials
- die material: 廣泛使用碳鋼或是灰[鑄鐵](https://hackmd.io/s/rkjDipLZf#鑄鐵Cast-Iron)
- 硬木：低強度材料或是小批量產品
- 碳化物：高強度或是腐蝕性材料

<br>

這裡介紹一連串Bending跟其他加工方法的Combo技能。

就像Transfer Dies跟Progressive Die一樣，如果要做一連串的Bending，除了一道Bending用單一的機器去做之外，也可以想辦法優化一下整體的過程，減少步驟。

### Press Brakes

一種用做一連串Bending的機器。

因為很難解釋是什麼，所以直接看影片。

{%youtube xSB_z4JVPIk %}

大致上就是，上下各有一條很長的軌道，可以把不同的punch跟die分別擺進上下軌道中，就可以做出一連串的Bending過程。


# Bending-Related Operations

<br>

## Roll Forming

這是用在比如說做這樣的零件：


就是又長條，又需要折起來的零件。如果只用Bending或只用Rolling感覺都很進退兩難。既然這樣就~~卡在中間~~兩個一起用，像這樣：


就是設計一連串的滾輪，每經過一個滾輪，材料就彎曲一點點。最後出去的時候就做出成品了。

是一種連續性、大量製造的方式。不過如果需要的量不大，那普通的pressing就可以了。

<br>

## Tube Bending

把管子彎曲。像這樣：


有很多種型態。

不過Tube Bending跟彎其他實心的東西不一樣的地方是：容易有皺紋


可以注意內徑的皺紋比外徑部分嚴重很多。因為在彎曲時，靠內的部分會受壓力，如果管壁太薄馬上變成undetermined beam，不小心就會偏心變成歪歪扭扭的。

:bookmark_tabs: 解決方法
- 古老方法：進行彎曲前先塞東西（像是沙子）進去管內，彎曲時可以避免管壁往內縮。
- 現今：用Flexible mandrels插進去，一起彎。

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## Tube Forming(Bulging)



在做像這樣的東西。把管子在徑向做加工。

原理如下圖：


1. 把Tube裡面塞橡膠(或是柔軟有彈性的東西)，用左右模包著。
2. 把Punch往Tube裡面塞，這時候填充的東西就會往周圍擠，填滿模具。管子就變成模具的形狀了。
3. 把左右模分開，取出成品。

這個應用是可以做bellow，就是這種有波紋的管子：


> 適合溫差變化大的地方，像是阿拉伯地區的輸油管。[name=楊宏智]
> Typical products made are coffee or water pitchers, beer barrels, and beads on oil drums. by 課本

做法就是先把管子用Tube Forming做成這樣：


然後兩邊再壓：


不過我查到的Tube Forming似乎沒有看到這種做法。大部分都像這樣（用液體而不是橡膠）：

{%youtube 7299yFzRAyY %}

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## Stretch Forming

這個概念是這樣的：

1. 金屬要過降伏點才會變形
2. 所以，如果++預先施加左右伸展，先讓應力接近降伏應力++，接著再加工，就可以讓塑形變得容易。

簡單來說就是這樣：


只是把保鮮膜換成金屬：


因為預先施加張力，所以

1. 沖壓時需要的力量比較小：甚至可以只用木頭做模具
2. 衍伸的其中一個好處是：做大尺度的工件時，模具成本可以降低，因為對模具強度的要求不需要那麼高了
3. 另外一個好處是在只做少數幾件的情況，這個方法的成本相對低，彈性也比較高。
4. spring back現象不顯著。

常見的產品有：
1. aircraft wing-skin panels 機翼外殼
2. fuselages 機身
3. boat hulls 船與水接觸的底部。

# (Deep) Drawing


「深抽」。過程就跟圖一樣，把金屬板放著，然後Punch打下去。Punch就會變成縫縫的形狀。

注意這個過程中，扮演模具角色的是Clearance，所以才沒有歸類在之前的Forging當中。有時候Clearance中間會有彈簧，加工完之後會把工件從模具表面分離。不過現在找不到那張圖。

通常用在++深度比直徑深++的狀況(因為可以弄很深麻)。

但是這樣會有一個問題：薄板那麼大，現在要縮成一個比較小的尺寸，這樣會有皺摺：



成因其實也很好懂，因為要從大的半徑變小的半徑，就會受到壓力，所以就容易變形了。

這裡有一個大致的趨勢是這樣：

> x軸是「力的大小」；y軸是「深度」(沿+y方向遞增)或「薄板厚度」(沿+y方向遞減)。

1. 如果力很小，但是深度很深，或是板子很薄，就容易有wrinkle(左上的區塊)
2. 如果力量太大，薄板會直接斷裂(右上的區塊)。
3. 最衰的是兩個的交集，兩個都會發生。

## 應用

可以拿來做啤酒罐、彈殼


> Doming是要做出啤酒底部那個圓頂的構造。
> 因為這樣擺起來比較穩。

## Redrawing

1. 抽完一次之後，換個半徑再抽一次，就叫做Redrawing。像左邊那個圖。
2. 抽完之後一次之後，++翻面++，換個半徑再抽一次，叫做Reverse Redrawing。


## Ironing


讓一個抽完的東西厚度變薄。

剛剛抽完的地方很厚，下一階段抽的時候，++故意把die中間半徑做小一點++，這樣抽過去的時候就會因為間隙變小而變薄。不過底部厚度不會變。

因為過程就像熨斗燙過之後把衣服變平，所以叫Ironing

不過因為把東西變平，所以就有可能產生這種缺陷：


就是邊緣不會是整齊的。這就像把麵團桿平時，不一定會跟一開始的形狀一樣是差不多的道理。而且材料未必是等向的。這種缺陷叫做++Earing++。

## Earing
- the edges of cups may become wavy
- caused by the planar anisotropy
- 利用Draw beads減緩earing 現象，藉由：
- 控制金屬流
- 降低 blankholder forces：因為beaded sheet 的慣性矩變大，使得勁度變大，導致不容易起皺折。
> because the beaded sheet has a higher stiffness (due to its higher moment of inertia) and, hence, a lower tendency to wrinkle. by 課本

> 這次就考到這裡吧（還有上次沒考完的drawing & extrusion）[name=楊宏智]

# 兩種非固體die(母模)

## Rubber Forming

就是把母模改成一片rubber，這樣公模打下去的時候，rubber會變形而自動連同母材一起包覆住公模，就可以做出來了。


好處是可以少做一個模。

不過這樣有一個缺點：rubber壓下去的時後未必會剛好貼住，可能稍微有不均勻的地方，就會有缺陷。所以還需要一點改良。

解法就是把rubber用液壓取代，這樣可以流動的液壓就可以完全緊貼著公模。這就是下面要講的Hydroforming

## Hydroforming


真對rubber forming做出改良，把rubber改成液壓，液態的液壓能夠充分把壓力傳遞到材料每一個點上，而且可以完全包覆住公模。

對於tube也可以用類似的方法：

* Conventional Hydroforming


過程如圖：
1. 把管子放到模裡面
2. 閉模
3. 灌液壓，然後就會像吹氣球一樣，讓管子變成die的形狀。

* Sequential Hydroforming

大致上同Conventional Hydroforming，但是是++邊閉模邊加壓++。可以讓角落處的成形更好。
> [這裏](https://www.thefabricator.com/article/hydroforming/pressure-sequence-and-high-pressure-hydroforming--knowing-the-processes-can-mean-boosting-profits)有文章詳細介紹這兩種不同製程。

# Spinning

## Spinning

旋壓(我還是說英文好了)

{%youtube um-biLfru-c %}

直觀地看就是把車床當手拉胚，把tube當成陶土，這樣只要在一個點上施壓，就可以做出很多形狀。好處就是：

1. 因為是用車床，所以可以搭配CNC，讓製程自動化
2. 不用複雜的模具，便宜
3. 可以做出複雜的形狀，直徑超過5公尺的也可以。

而且看起來超紓壓。

## Shear Spinning


~~戴套套~~是Spinning的特例，就是把金屬薄板用spinning的方式，貼在一個mandrel上面。

這樣的好處是金屬一路上只會受到張力，所以可以降低皺褶。

## Tube Spinning


大致同Spinning，只是在上面轉的原料從板子變成tube

{%youtube 9UraDd-uJrs %}

## Incremental Forming
~~看名字也知道工具與工件接觸的面積不會太大。~~

其實就是拿一根旋轉的圓柱前端頂住工件，壓出你需要的形狀。

幾乎不用模具，可以利用CNC製作。

{%youtube o7W7Fm5CTpA %}

# Specialized Forming Processes

## Explosion Forming


1. 把母材放到水裡面
2. 丟炸藥
3. 把炸藥的衝擊波就會讓薄板貼到模具上，就完成成形了

為什麼沒事要用這麼奇葩的成型方法呢？是因為

1. 加工的力量要多大有多大：只要炸藥放多一點就可以了
2. 模具簡單：根本只要母模就可以了，不用煩惱上面的Punch要多大、要怎麼設計、要多少錢...

所以適合用來做大、少量，而且非常客製化的東西。比如說衛星。

這裡有一個超epic的示範。居然可以把船身炸出來。

{%youtube Cmo9MQ3pPF0 %}

## Electromegnetic Forming

在金屬線圈裡面通點，通電時利用冷次定律產生的磁場，讓金屬緊貼在模具上，以達成成形效果。

非鐵金屬也可以用，因為是用感應電流。


## Peen Forming

> Peen: 珠擊

用小珠珠下去打出凹痕，作為成形的壓力來源。

{%youtube AgPsxoZnEa0 %}

這樣的好處就是會殘留壓應力，可以用在像飛機這種對張應力很忌諱的應用。[這裏](https://www.quora.com/How-does-compressive-residual-stress-increase-fatigue-life)有人解釋原因。

## Laser Forming

> localized plastic deformation
>

用雷射幫助局部的成形。

8年前的[影片](https://www.youtube.com/watch?v=1SBgobop7Wg)。

## Superelastic Forming

利用「高壓氣體」作為壓力來源。跟吹汽球很像。

可以做出像這樣的東西：


把中間黏起來並且灌入高壓氣體，最後就會像吹氣球一樣膨脹成模具的形狀。

stop-off 是用來阻止上下相黏的材質。

這裡有個Superelastic Forming的影片。注意中間再準備噴高壓氮氣的時候他有出現提示。

{%youtube KPFAoLmJ5og %}

好處是沒有廢料、成本低(只要噴氣就好)。

缺點是速度很慢。適合做高附加價值的東西。

## Metal Honeycomb Structure

蜂巢結構：高 stiffness-to-weight

講製造蜂巢結構的方法：
a. Expansion process
b. Corrugation process

## Economics of Sheet-forming
大量生產，單位成本就下降，但是不同製程還是有差，像是