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

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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 效應的影響。

圖4-1 黃銅微擠製尺寸特徵 4.1 黃銅材料試驗

為了預估C2600 之晶粒尺寸效應對材料流動之影響，將 C2600 原始胚料進行冷鑲埋，將胚料依序

研磨並拋光至鏡面。最後將胚料進行腐蝕，腐蝕液配方為硝酸與純水1：1，腐蝕時間為 3 秒。腐蝕後

試片利用光學顯微鏡進行攝影(如圖 4-2 所示)，並以 ASTM E112 之截線法量測晶粒大小，所量得之平 均晶粒大小為22.1 m。

圖4-2 JIS C2600 黃銅金相圖

0.5

1.1

(a) 雙杯擠製成品特徵 (b)前後向擠製成品特徵 0.15

0.5

 1.1

m

為了獲得精確的模擬結果，先利用簡單壓縮試驗取得材料之真實應力-真實應變曲線，輸入 DEFORM 2D 軟體作為成形模擬的材料數據，以提高製程模擬之真實性，減少誤差。實驗採用胚料直 徑為1.1 mm，胚料高度為 1.64 mm，其試片之直徑與高度比為 2:3，在常溫下添加二硫化鉬進行壓縮。

並將壓縮試片之負荷-位移曲線，利用公式計算出真實應力-真實應變曲線以及冪次線(如圖 4-3 所示)，

壓縮後成品外觀如圖4-4 所示。

4.2 模具設計與製作

微雙杯擠製及微前後向擠製模具設計概念為將母模置於模座及上模塊間，並利用各元件間的滑動 配合來定位，模具架構包含沖頭、模塊、母模和頂出沖頭等元件，兩種擠製實驗所用之模具示意圖與

實體圖分別顯示於圖 4-5。擠製作動方式為機台主軸下壓沖頭並擠壓胚料，使得胚料在模穴內產生塑

性流動。沖頭及頂出沖頭材質選用 SKH9 高速鋼，母模設計為嵌入式母模，將碳化鎢嵌入模具鋼 JIS SKD11 內部，此設計可以給予碳化鎢塊預應力(向內)以抵銷成形時產生的向外應力，提高模具壽命。

而上模塊因考量壽命及配合故採用SKD11 模具鋼。

1mm

1mm 1mm

1mm

1mm

1mm 原始試片 壓縮深度 60% 壓縮深度 90%

圖4-3 C2600 之真實應力-應變曲線與

冪次線 圖4-4 簡單壓縮試驗成品外觀

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圖4-5 黃銅微擠製用模具實體圖與示意圖

實驗利用不同表面形貌之球狀沖頭進行微雙杯擠製與微前後向擠製實驗，以觀察不同製程參數對

擠製時摩擦效應與材料流動的影響。沖頭材質皆採用SKH9 高速鋼，由於雙杯擠製及前後向擠製所用

沖頭外型為半球形，且直徑僅0.55 及 0.8 mm，如果以一般車床方式加工會造成沖頭球狀成形區精度 不佳，故本實驗所用沖頭皆以微放電加工機製作(圖 4-6)，利用定位精度達±1 m 之微放電加工機搭配 線放電研磨機構(Wire Electro-Discharge Grinding，WEDG)如圖 4-7 所示，以直徑 0.1 mm 之黃銅線對沖 頭進行加工，可得高精度成品。

微前後向擠製沖頭表面形貌分別以研磨、線放電研磨、拋光及微放電加工四種製程製作，分別以 研磨(ground)、放電(EDMed )、拋光(polished)與溝槽(grooved)表示，而微雙杯擠製所用之沖頭為研磨、

放電及拋光三種。圖 4-8 為不同製程所製作出沖頭外觀。研磨方法為將加工完成沖頭置於旋轉夾頭上

依序以砂紙研磨至 1200 號，完成具有類似車床刀痕之表面特徵。拋光方法為將研磨後沖頭再以粒徑

上沖頭

模塊

模仁

下沖頭 胚料

上沖頭

模塊

模仁

頂出 沖頭

胚料

(a) 微雙杯擠製模具 (b) 微前後向擠製模具

圖4-6 微放電加工機 圖4-7 線放電研磨機構(WEDG)

0.1 m 鑽石膏進行拋光，完成鏡面之表面形貌。微放電加工是在研磨後沖頭表面以小能量進行放電加 工，在沖頭表面加工出特殊形貌。

圖4-8 不同加工法之沖頭表面形貌 4.3 黃銅微雙杯擠製

4.3.1 黃銅微雙杯擠製模擬

微雙杯擠製試片的直徑與高度皆為1.1 mm，沖頭直徑為 0.55 mm，由於不考慮彈性問題，故母模 及沖頭設為剛體，工件假設為剛塑性(rigid plastic)材料，模擬架構如圖 4-9 所示。由於進行雙杯擠製時 胚料杯高比值對於摩擦力的大小非常敏感，而擠製時的摩擦界面有上、下沖頭與胚料、母模與胚料兩 種，理論上由於上下兩沖頭的摩擦值相同，所以只有母模的摩擦變化會影響材料流動行為，為了觀察

微雙杯擠製試片的直徑與高度皆為1.1 mm，沖頭直徑為 0.55 mm，由於不考慮彈性問題，故母模 及沖頭設為剛體，工件假設為剛塑性(rigid plastic)材料，模擬架構如圖 4-9 所示。由於進行雙杯擠製時 胚料杯高比值對於摩擦力的大小非常敏感，而擠製時的摩擦界面有上、下沖頭與胚料、母模與胚料兩 種，理論上由於上下兩沖頭的摩擦值相同，所以只有母模的摩擦變化會影響材料流動行為，為了觀察