本研究加熱器選用陶瓷電熱片之加熱系統，其優點具有隔熱效果佳、最小熱損失、加熱溫度分佈 均勻，並且也建立一組能運用於加熱系統的加熱模具，其表面皆作拋光處理。加熱系統與加熱模具實 際組立如圖2-4 所示。其中加熱模具須注意三項要點：(a)為了能承受 400 ºC 高溫和高溫下的高塑性韌 性狀態，將所有模具都進行高溫回火熱處理；(b)加熱時，陶瓷電熱片須與加熱模具緊密貼合，使用時 勿與油、塑膠接觸以防止產生漏電現象。
圖2-4 加熱系統 2.3 材料機械性質
本研究為了得到更精確的模擬結果，利用簡單壓縮試驗取得材料的真實應力-真實應變曲線，作為 有限元素軟體DEFORM 2D 模擬逆向微型擠製成形之材料數據。試片尺寸依據 ASTM E9-89a1規範製 作[29]，採用胚料直徑為 2 mm，胚料高度為 3 mm (如圖 2-5)，其試片之直徑與高度比為 2:3。簡單壓 縮試驗參數如表2-1 所示。
20m 20m 20m
(a) 純銅經 800ºC 退火 (b) 純銅經 580ºC 退火 (c) 純銅經 ECAE 製程
(a) 加熱模座 (b) 溫度控制器
壓縮試驗模具由平板沖頭、壓縮模仁和加熱模座所組成，材料為 SKD61 經過調質熱處理與拋光 處理，如圖2-6 所示。
圖2-6 壓縮試驗實體圖
從三種不同成形溫度對三種晶粒尺寸之真實應力-應變結果顯示，成形溫度愈高則純銅真實應力-應變曲線愈低。圖2-7(a)顯示，在常溫下，經 ECAE 細化之真實應力應變明顯大於未晶粒細化材料，
但當溫度提高到400 ºC 時，如圖 2-7(c)所示，三種晶粒真實應力應變曲線即差異性不大。圖 2-8 為不 同晶粒尺寸對不同成形溫度之試片壓縮後的結果。資料顯示，在常溫下，退火後之純銅晶粒尺寸粗大
化後其結果會使得壓縮後之外緣變得較不規則，但是經過ECAE 晶粒細化後的壓縮外形明顯較圓滑。
當成形溫度的提高，材料更均勻的向外流動，可明顯改善大晶粒尺寸的不規則外形。
圖2-5 壓縮試驗試片
平板沖頭 壓縮模仁
(a) 沖頭與壓縮模仁 (b) 壓縮試驗靜態情況
表2-1 簡單壓縮實驗參數
試片材料 純銅C1100 (1/2H 棒材) Ø 2 × 3 mm
直徑與高度比 2：3
沖頭速度 0.01 mm/sec 壓縮深度 60%、90%
潤滑劑 二硫化鉬(MoS2) 晶粒尺寸(m) 62、36、 4
壓縮溫度 25ºC、200ºC 與 400ºC
9
圖2-7 不同晶粒尺寸與成形溫度之真應力-應變曲線
(a) 成形溫度 25 ºC (b) 成形溫度 200 ºC
(c) 成形溫度 400 ºC
1mm
11
2.4 微擠製實驗
本研究分別利用直徑為 2 mm 與高度為 1.5 mm 之純銅胚料，進行微逆向擠製，並以直徑為 2 mm、
高度為 2.5 mm 之純銅胚料，進行微前後向擠製，探討製程溫度與晶粒尺寸對成品之影響。本研究利
用800 ºC 和 580 ºC 退火與等徑轉角擠製製程製作三種晶粒尺寸分別為 62、36 與 4 m 之純銅胚料，
並利用不同直徑沖頭，製作不同圓杯壁厚之微型成品(圖 2-9)。另外考慮製程溫度對材料流動之影響，
分別以25、200 與 400 ºC 進行擠製。
圖2-9 微擠製成品特徵尺寸(單位：mm) 杯緣
高度 沖頭
直徑
壁厚(0.2、0.1、0.05)
Ø2.0
杯緣 高度
前擠 長度 Ø 1.0
沖頭直徑 壁厚(0.2、0.1)
Ø 2.0
(a) 微逆向擠製成品特徵 (b) 微前後向擠製成品特徵
2.4.1 微逆向擠製
微逆向擠製模具設計概念為沖頭放置母模內，利用電子壓床擠壓沖頭使材料在模穴中受到沖頭的 向下擠壓，導致材料往沖頭與模穴之間隙流動而形成圓杯。其優點是不用擔心沖頭與母模定位問題與
校對時間，整體模具架構如圖2-10 所示。其模具架構包含沖頭、母模、頂出沖頭、頂出銷等元件。實
驗分別以直徑1.6、1.8 與 1.9 mm 三種沖頭進行擠製，以得到不同壁厚之圓杯成品。
圖2-10 微逆向擠製實驗模具
實驗試片為JIS C1100 純銅，直徑與高度為 2 mm 與 1.5 mm 圓柱胚料如圖 2-10(c)，利用不同製 程製備三種不同晶粒尺寸材料進行實驗。實驗中添加水性石墨潤滑劑，沖頭下壓速度為 0.01 mm/s、
壓縮行程分別為1.0 mm(直徑 1.9 mm 沖頭)、1.1 mm(直徑 1.8 mm 沖頭)與 1.2 mm(直徑 1.6 mm 沖頭)，
搭配加熱系統分別進行25、200 與 400 ºC 三種加工溫度的微逆向擠製實驗。
胚料
頂出沖頭 模仁 沖頭
(a) 微逆向擠製模具示意圖 (b) 微逆向擠製模具實體圖 (c) 微逆向擠製實驗胚料
13
2.4.2 微前後向擠製
微前後向微型擠製之模具設計方法與逆向擠製相同，採用沖頭放置母模內，利用平板擠壓沖頭。
完成程序後，再將成品頂出。整體模具架構如圖2-11 所示。此實驗主要改變沖頭直徑、成形溫度與不
同晶粒尺寸之胚料，以探討這些參數變化對成形之影響。
本實驗沖頭直徑分別為1.8 與 1.6 mm，可完成壁厚分別為 0.1 與 0.2 mm 之成品。沖頭使用材質 為SKH9 高速鋼，母模材質之選用方式為主要為嵌入式母模，將碳化鎢模塊嵌入模具鋼 SKD61 內部，
其嵌入式母模原理主要先給予碳化鎢模塊預應力，當鍛造時，模仁承受向外的應力，此時應力互相抵 消，可有效降低整體應力，提高模具壽命。實驗試片為JIS C1100 純銅，直徑與高度為 2 與 2.5 mm，
搭配三種不同晶粒尺寸材料進行實驗。實驗中添加水性石墨潤滑劑，沖頭下壓速度為 0.01 mm/s、壓 縮行程1.45 mm，搭配加熱系統分別進行 25、200 與 400 ºC 三種加工溫度的前後向擠製實驗。
圖2-11 微前後向擠製實驗模具 模仁
胚料 沖頭
頂出銷
三、摩擦與潤滑效應 3.1 微雙杯擠製
微雙杯擠製係將試片置於母模內孔及兩支對向沖頭之間，並以上沖頭向下擠壓試片，下沖頭為靜
止，使材料在模具內產生塑性流動，最後製作具有雙圓杯之成品，如圖3-1 所示。由於下部材料是靜
止，因此材料承受之摩擦力比較趨近於靜摩擦，而上半部之杯部由於沖頭與材料之間有相對速度，其 摩擦現象比較趨近於動摩擦，因此上杯深度會大於下杯。利用上與下杯高度比值(HU/HL)和進給行程與 原試片高比值的關係，將可瞭解摩擦效應對微擠製成形之影響。
本研究針對C1100 純銅線材，經 800、580 ºC 退火製程與 ECAE 技術製作平均晶粒尺寸為 62、
36 與 4 m、直徑與高度為 2 與 2.5 mm 之純銅胚料(如圖 3-1 所示)，胚料表面以 1000 號砂紙進行研磨 其平均表面粗糙度為 Ra 0.144 m，進行無潤滑與有潤滑條件下的微雙杯擠製成形實驗，觀察製程溫 度為25、200 與 400ºC 下的杯高變化。本研究也利用有限元素模擬微雙杯擠製成形，測量上下杯高比 與行程之關係，建立校正曲線，作為評估摩擦因子之參考依據。
圖3-1 微雙杯擠製成品尺寸特徵
3.2 微雙杯擠製模擬
雙杯擠製模擬採用三種不同晶粒尺寸之純銅材料，搭配三種成形溫度下簡單壓縮試驗所測得之真 實應力應變曲線(如圖 2-7 所示)，試片直徑與高度分別為 2 mm 與 2.5 mm，利用 DEFORM 軟體，進 行逆向擠製模擬。由於不考慮彈性問題，故工件假設為剛塑性(rigid plastic)材料，有限元素總數約為 13000，沖頭速度為 0.01 mm/s，以定剪摩擦模型針對摩擦因子為 0.02、0.1、0.2、0.3、0.4 與 0.5 之條 件，分別進行模擬，模擬參數如表3-1 所示。
模擬的架構圖如圖3-2 所示。圖 3-3 之模擬結果顯示，在沖頭衝程相同情況下，當摩擦因子上升，
試片因為摩擦力增加而減少向下流動的趨勢，使得上杯緣高度較下杯緣高。經量取上、下杯高度，觀 察不同摩擦因子對於材料流動的影響，以建立摩擦因子校正曲線。
H UHL
Ø1 Ø2
15
圖3-3 微雙杯擠製模擬示意圖
(擠製行程分別為 0、0.5、1 與 1.5mm，定剪摩擦因子為 0.02)
3.3 微雙杯擠製實驗
本研究針對不同成形溫度和有與無潤滑劑之潤滑條件，進行微雙杯擠製實驗，以探討成形過程材 料受摩擦效應之影響。實驗程序係將試片置於模孔內及上下兩支對向沖頭之間，以上沖頭向下擠壓試 片，下沖頭為靜止，使材料在模具內產生塑性流動，形成上下兩個圓杯。經實驗後量取成品之上杯高 度(HU)與下杯高度(HL)，並與模擬所建立之校正曲線比較，以預估摩擦因子大小。
微雙杯擠製模具之示意圖與實體組裝圖顯示於圖 3-4。主要零件包含上沖頭、下沖頭、圓筒型母
模、頂出沖頭等元件，沖頭材質為SKH9 高速鋼，母模材料為 JIS SKD 61 模具鋼。沖頭直徑為 1 mm，
圓筒型母模內徑為 2 mm，加工後經調質熱處理，以增加其強度。
實驗試片是由 2 mm 直徑之純銅(JIS C1100)線材經由放電線切割加工機切割成長度 2.5 mm 之純 銅圓柱胚料，平均晶粒尺寸為62、36 與 4 m，在 25、200 與 400ºC 的條件下進行雙杯擠製實驗。試 片皆以1000 號砂紙研磨表面，並搭配無潤滑與常溫 添加機油潤滑、200 與 400ºC 添加石墨潤滑劑之
沖頭 (剛體)
胚料 (塑性體)
母模 (剛體)
參數 設定值
材料晶粒
尺寸(m) 62`、36、5 成形溫度
(ºC) 25、200、400 擠製行程
(mm) 1.5
擠製速度
(mm/s) 0.01
網格 13000
定摩擦因子 0.02、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 圖3-2 微雙杯擠製模擬架構圖
表3-1 微雙杯擠製模擬參數表
潤滑情況搭配進行實驗，沖頭速度為 0.01 mm/s，資料擷取率設為 100 ms，分別進行 0.5、1.0 與 1.5 mm 之三種不同擠製行程的微雙杯擠製實驗。25ºC 下三種晶粒尺寸實驗後胚料剖面顯示於圖 3-5。
圖3-4 微雙杯擠製模具示意圖及實體圖
圖3-5 微雙杯擠製成品剖面圖(成形溫度為 25ºC) 下沖頭
模仁 胚料 上沖頭
(b)模具與沖頭實體圖
(c)組立圖 (a) 微雙杯擠製模具示意圖
0.5 1 1.5 無
潤 滑 有 潤 滑
(a) 晶粒尺寸 62 m
0.5 1 1.5 無
潤 滑 有 潤 滑
(b) 晶粒尺寸 36 m 0.5 1 1.5
無 潤 滑 有 潤 滑
(c) 晶粒尺寸 4 m
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四、黃銅微擠製
摩擦效應是影響精微成形製程中材料流動的主要因素之一，為了要更精準的預估成形時的界面摩 擦，本研究根據前面的實驗結果規劃兩組微擠製實驗，分別利用微雙杯擠製以及微前後向擠製進行實 驗並建立摩擦校正曲線以預估微擠製時的界面摩擦變化。為了觀察沖頭表面形貌對於摩擦效應的影響，
必須分別求得胚料與模具、胚料與沖頭間的界面摩擦值。由於前後向擠製實驗無法得知沖頭或是模具 對於材料流動的影響較大，因此本研究分別探討不同參數對兩種擠製法之影響，並綜合兩種擠製法之 優點，分別預估胚料與模具、胚料與沖頭間的界面摩擦值。並比較實驗與模擬差異。本研究利用黃銅 C2600 胚料進行內徑 0.55 mm、外徑 1.1 mm 的雙杯擠製實驗，並搭配四種不同表面形貌沖頭進行具有 壁厚0.15 mm 逆擠圓杯與直徑 0.55mm 前擠圓棒之前後向擠製實驗(圖 4-1)，將實驗結果和有限元素 模擬軟體DEFORM 2D 進行擠製模擬分析所建立之摩擦校正曲線比對，探討不同表面形貌沖頭對摩擦
必須分別求得胚料與模具、胚料與沖頭間的界面摩擦值。由於前後向擠製實驗無法得知沖頭或是模具 對於材料流動的影響較大，因此本研究分別探討不同參數對兩種擠製法之影響，並綜合兩種擠製法之 優點，分別預估胚料與模具、胚料與沖頭間的界面摩擦值。並比較實驗與模擬差異。本研究利用黃銅 C2600 胚料進行內徑 0.55 mm、外徑 1.1 mm 的雙杯擠製實驗，並搭配四種不同表面形貌沖頭進行具有 壁厚0.15 mm 逆擠圓杯與直徑 0.55mm 前擠圓棒之前後向擠製實驗(圖 4-1)，將實驗結果和有限元素 模擬軟體DEFORM 2D 進行擠製模擬分析所建立之摩擦校正曲線比對，探討不同表面形貌沖頭對摩擦