IC導線架剪切製程之沖頭壽命研究
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(3) IC 導線架剪切製程之沖頭壽命研究 指導教授：施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系 共同指導教授：謝忠明 博士 正修科技大學機械工程學系 學生：曾耀進 國立高雄大學電機工程學系. 摘要 以往模具業者常以碳化鎢為連續沖模之沖頭材料，但長時間高速的沖壓下， 沖頭會因與材料長期摩擦生熱與微小的細屑作用等而使表面磨耗與粗糙，縱使碳 化鎢有極高的硬度也無法避免碳化鎢成份的鈷與材料產生親合作用，進而發生嚴 重的摩擦而加快磨耗的速度，而陶瓷材料雖然硬度與抗折強度不如碳化鎢，但其 摩擦係數低不會與材料產生嚴重的摩擦損耗，本文主要在探討陶瓷沖頭和碳化鎢 沖頭應用於 IC 導線架剪切工程，從材料的成本、高品質化、高效率化發展，比較 陶瓷沖頭與碳化鎢沖頭沖壓壽命並做成本分析，本文主要選用 L9(34)的實驗計畫表 以沖頭的寬度、高度、圓角、長度做為模擬參數，利用 ANSYS 有限元素分析軟體 對陶瓷沖頭與碳化鎢沖頭做壽命分析，並應用田口實驗法對各種模擬數據做最佳 化的分析，而由回應表及回應圖找出最佳壽命的沖頭設計，經成本評估而得到最 低的成本和最高的效益，進而得到最佳沖頭的幾何形狀，並經由沖壓實驗來做最 終的品質確認，從以上實驗分析的結果得知陶瓷沖頭應用於 IC 導線架剪切是最合 乎成本與效益，其最佳化的沖頭幾何形狀設計可作為從事 IC 導線架沖切業者的重 要參考與依據。. 關鍵字：IC 導線架、沖壓製程、陶瓷材料、沖頭. i.
(4) Study on Punch Life of IC Lead Frame Stamping Process Advisor : Dr. Ming-Chang Shih Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung Advisor : Dr. Jong-Ming Shieh Institute of Mechanical Engineering Cheng Shiu University Student: Yao-Chin Tseng Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung. ABSTRACT Since the tool maker often take the carbide as the stamping punch material for a long history，however during the high speed and long time stamping，the punch was easy with surface wear out , and the material long-term friction heat generation and the small fines effect , even though carbide with the extremely hardness still can＇t avoid the cobalt and copper affinity effect，therefore to cause serious tribology and speed up the parts wear out , though the ceramic material ，its hardness and transverse rupture strength is inferior to carbide ，but the friction coefficient is lower and not easy to create the serious wear out on the surface , this report will explore and focus on the ceramic punch be applied on IC lead frame stamping process ，from material cost, the quality improvement, the high efficiency development, and make the cost analysis compared with the ceramic and the carbide ； our research take L9(34) experiment plan by choosing punch width 、height 、corner arc 、length ii. as the 4 simulation parameter ，.
(5) utilize the ANSYS software to do the analysis about ceramic and carbide punch life for benchmark ，and makes the optimization using the Taguchi method. to arrange the. different parameter for experiment ，in order to find the better punch life and cost saving optimal setting parameter, through the noise reaction ration chart and table analysis , obtains the lowest cost after the cost appraisal and the highest benefit, then obtains the best geometrical shape , and verify the final quality performance , from the above laboratory procedure knew that the ceramic applied in the IC lead frame stamping project feasibility, and knew that its cost and the benefit, may share to engaged in IC lead frame entrepreneur's important reference and the basis.. Keywords : IC lead frame 、Stamping process、Ceramic 、Punch. iii.
(6) 謝致 感謝指導教授謝忠明與施明昌博士於研究所兩年的過程中，在學業與生活上 的悉心教導，在論文的撰寫上也特別感兩位博士費心的指正，在遇到瓶頸時，提 供寶貴的方向及意見，使研究能有所突破，在此獻上最崇高的敬意與感謝。 在實驗方面，感謝與台灣住礦電子股份有限公司沖壓工廠於模具與試片製作 之配合，這段期間不計成本的支持，以及正修科技大學機械系陳力豪的協助，也 感謝提供實驗所需的設備。 感謝論文評審委員藍文厚博士在口試期間的糾正與建議，使這篇論文更為完 善，同時也感謝郭仲義、羅木松、邱錫榮、郭馨徽、宋文龍等老師在求學期間的 指導與關懷，並感謝台灣住礦電子總經理洪全成先生的鼓勵與支持。 在研究期間，感謝學弟朱峻輝全力的幫忙與協助，以及感謝同窗同學，戴義 家、蔡志忠、陳秀珠、涂莉樺、鐘云偵、葉志文、邱國恩、蔣佳宏、鐘亞晴，謝 謝他們陪我ㄧ同學習成長。 感謝我的父母及家人無悔的付出，在求學的期間，總是在背後默默的支持我， 不斷給予鼓勵與關懷陪伴我走過這段喜怒哀樂的時光。 最後僅向每位曾經幫助、關心過我的人，致上最深的謝意。. iv.
(7) 目錄 摘要 ................................................................i Abstract ...........................................................ii 謝誌 ...............................................................iv 目錄 ................................................................v 表目錄 ............................................................vii 圖目錄 ............................................................viii 符號說明 ...........................................................x 第一章 緒論........................................................1 1.1 研究動機與目的.............................................1 1.2 文獻回顧...................................................4 1.3 研究方法...................................................6 1.4 論文架構...................................................8 第二章 研究理論....................................................9 2.1 有限元素法基本原理.........................................9 2.2 田口氏實驗設計法..........................................11 2.2.1 實驗計畫法介紹......................................11 2.2.2 田口實驗實驗步驟....................................16 2.2.3 田口因子的定義與選擇................................17 2.2.4 直交表之選用........................................19 2.2.5 損失函數............................................20 2.2.6 信號/雜訊比.........................................25 2.2.7 要因效果分析........................................27 2.2.8 變異數分析..........................................29 第三章 導線架剪切製程之沖頭壽命模擬解析...........................31 3.1 分析軟體（ANSYS）..........................................31 3.2 研究方法及步驟.............................................36 3.3 控制因子、水準、及直交表選擇...............................38 3.4 沖壓製程沖頭壽命模擬分析...................................39 3.4.1 CAD 模型之建立.......................................40 3.4.2 網格布建及局部細化...................................41 3.4.3 收斂性分析...........................................41 3.4.4 邊界條件設定.........................................41 3.4.5 原始設計初步分析結果.................................44 第四章 結果與討論.................................................45 4.1 碳化鎢沖頭分析............................................45 4.1.1 初步模擬實驗結果....................................45 v.
(8) 4.1.2 S/N 因子反應分析....................................52 4.1.3 更新最佳化設計......................................55 4.2 陶瓷沖頭分析..............................................57 4.2.1 初步模擬實驗結果....................................57 4.2.2 S/N 因子反應分析....................................63 4.2.3 更新最佳化設計......................................66 4.3 實驗驗證.................................................68 4.3.1 實驗設備............................................68 4.3.2 碳化鎢沖頭實驗結果..................................72 4.3.3 陶瓷沖頭實驗結果....................................74 4.3.4 實驗結果與比較......................................75 第五章 結論與建議.................................................78 參考文獻...........................................................79 簡 介............................................................ 82. vi.
(9) 表目錄 表 2.1 單因子實驗計劃法 ..............................................13 表 2.2 全因子直交表.................................................14 表 2.3 田口式 L8(27)直交表............................................15 表 2.4 干擾因子分類.................................................18 表 2.5 損失函數計算式...............................................25 表 2.6 S/N 回應表....................................................28 表 2.7 變異數分析表.................................................30 表 3.1 陶瓷沖頭材料特性表...........................................35 表 3.2 碳化鎢沖頭材料特性表.........................................35 表 3.3 控制因子水準範圍.............................................39 表 3.4 運用直交表之實驗規範...................................39 表 4.1 模擬實驗碳化鎢沖頭壽命......................................46 表 4.2 碳化鎢沖頭各組模擬實驗之 S/N.................................52 表 4.3 碳化鎢沖頭壽命 S/N 回應表.................................53 表 4.4 碳化鎢沖頭各因子的貢獻度.....................................55 表 4.5 碳化鎢沖頭模擬預測結果.......................................56 表 4.6 碳化鎢沖頭最佳化組合.........................................56 表 4.7 模擬實驗陶瓷沖頭壽命.........................................57 表 4.8 陶瓷沖頭各組模擬實驗之雜訊比 S/N.............................63 表 4.9 陶瓷沖頭壽命 S/N 回應表.......................................63 表 4.10 陶瓷沖頭各因子的貢獻度.......................................66 表 4.11 陶瓷沖頭模擬預測結果.........................................66 表 4.12 陶瓷沖頭最佳化組合...........................................67 表 4.13 最佳化衝次與驗證衝次比較表...................................76 表 4.14 衝次與毛邊長度、刃口磨耗量比較表.............................76 表 4.15 碳化鎢沖頭與陶瓷沖頭的成本比較表.............................77. vii.
(10) 圖目錄 圖 1.1 研究方法流程圖 ................................................7 圖 2.1 製程系統之輸入輸出...........................................17 圖 2.2 傳統品質損失函數.............................................20 圖 2.3 田口品質損失函數.............................................21 圖 2.4 品質量測值與損失曲線圖......................................21 圖 2.5 望小特性品質損失函數.........................................23 圖 2.6 望大特性品質損失函數.........................................24 圖 2.7 望目特性品質損失函數.........................................24 圖 2.8 S/N 回應圖....................................................28 圖 3.1 沖頭受力圖...................................................32 圖 3.2 沖頭分析流程圖...............................................33 圖 3.3 沖頭外形尺寸圖...............................................34 圖 3.4 實驗流程圖...................................................37 圖 3.5 沖頭實體圖與實際沖頭.........................................40 圖 4.1 條件(1) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................47 圖 4.2 條件(2) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................47 圖 4.3 條件(3) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................48 圖 4.4 條件(4) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................48 圖 4.5 條件(5) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................49 圖 4.6 條件(6) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................49 圖 4.7 條件(7) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................50 圖 4.8 條件(8) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................50 圖 4.9 條件(9) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖........................51 圖 4.10 碳化鎢沖頭寬度 S/N 回應圖.....................................53 圖 4.11 碳化鎢沖頭高度 S/N 回應圖.....................................54 圖 4.12 碳化鎢沖頭圓角 S/N 回應圖.....................................54 圖 4.13 碳化鎢沖頭長度 S/N 回應圖.....................................55 圖 4.14 條件(1) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖.........................58 圖 4.15 條件(2) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖.........................58 圖 4.16 條件(3) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................59 圖 4.17 條件(4) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................59 圖 4.18 條件(5) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................60 圖 4.19 條件(6) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................60 圖 4.20 條件(7) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................61 圖 4.21 條件(8) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................61 viii.
(11) 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖 圖. 4.22 條件(9) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖...........................62 4.23 陶瓷沖頭寬度 S/N 回應圖.......................................64 4.24 陶瓷沖頭高度 S/N 回應圖.......................................64 4.25 陶瓷沖頭圓角 S/N 回應圖.......................................65 4.26 陶瓷沖頭長度 S/N 回應圖.......................................65 4.27 IC 連續沖模設備..............................................68 4.28 沖壓機......................................................69 4.29 上模座結構圖................................................70 4.30 沖頭結構圖..................................................71 4.31 下模座結構圖................................................71 4.32 碳化鎢沖頭 1,021,005 衝次後導線架毛邊.........................72 4.33 碳化鎢沖頭 1,021,005 衝次沖頭刃口磨耗量.......................73 4.34 陶瓷沖頭 2,169,450 衝次後導線架毛邊..........................74 4.35 陶瓷沖頭 2,169,450 衝次沖頭刃口磨耗量........................75. ix.
(12) 符號說明 Sm：平均變動(The variation due to mean) ST：全變動(Total variation) ηi：實驗組數 df：自由度(Degree of freedom) SA：控制因子 A 的變動 STotal：變動總量 Vi：控制因子的變異(Variance) ρi：貢獻度 T ：S/N 比之平均值. μ ：最佳化參數組合之 S/N 比預測值 yˆ ：最佳化參數組合之實驗預測值. S ：標準差(Standard deviations) S/N：信號雜訊比(Signal-noise ratio) y ：平均值(Mean). [C ] ：結構的阻尼矩陣（master. damping matrix of the structure）. [K ] ：結構的剛性矩陣（master. stiffness matrix of the structure）. [M ] ：結構的質量矩陣（master. mass matrix of the structure）. →. P ：總負荷向量（total load vector） ~. P. max. ：最大外力值（the maximum external force）. P cr ：臨界負載（critical load） →. Q ：節點位移（nodal displacement） Q. max. ：最大位移值（the maximum displacement）. R ：散逸函數（dissipation function）. x.
(13) T ：動能（kinetic energy） t ：時間（time）. π P ：位能（potential energy）. φ ：位移（displacement）. {φ }：位移向量（displacement. vectors）. ψ ：外力相角（phase angle of external force） ω ：自然頻率（natural frequency）. xi.
(14) 第一章 緒論 1.1 研究動機與目的 台灣在 1980 年代之前的高科技產業主要以消費性電子，但在 1985 年以後， 融入美國電腦業的分工體系，為美國電腦大廠進行代工，因此，在 1980 年代後期， 資訊電子業也一躍而為台灣的主力產業，但隨著網際網路的興起、數位傳輸技術 的進步及電信自由化的發展，所以通訊（Communication）、資訊（Computer）及 消費性電子（Consumer electronics）等 3C 產品也進一步的整合，其中 IC 產業 是我國邁向開發國家與經濟發展的一鼓重大力量，金屬沖壓件更是電子零組件產 業健全發展不可或缺的角色。 IC 產業與通訊產業中，相關產品的電子訊號需要利用各式的傳輸介面，藉由 傳統的線材連接器、或光纖連接器，將資料傳遞到指定的設備中。其中 IC 導線架 與各式連接器內金屬端子，皆需倚賴高速沖床以連續沖模的方式，進行薄金屬板 剪切與成型加工。 在半導體晶圓製程細微化，依摩爾定律，每 18 個月相對單位密度體積將提昇 一倍，在有限面積下，單顆裸晶體積與密度必須向下發展，也就是說在顯微技術 將不斷縮小。其製程由 0.35μm 發展成目前 0.045μm(45nm)，所以在半導體後製 程封裝流程勢必將朝向更細微化發展。 IC 導線架模具業者常以高價的鎢鋼為連續沖模之沖頭材料，但在長時間的連 續工作環境中，微小的廢屑會因熱、因摩擦、因潤滑劑的黏性隨著沖頭行程而上 升，影響了模具的正常運作。在材料加工製程中，刀具的外型尺寸以及磨耗狀況 將直接影響到產品的尺寸與加工品質，高速薄金屬板剪切製程中，沖頭側腹的磨 耗現象會因剪切參數的設定而異，而側腹磨耗量會直接影響到沖頭的寬度值，相 對的產品的剪切尺寸也受到很大的影響。 IC 導線架製造過程，一般可分為沖壓式(Stamping)及蝕刻式(Etching)兩種流 程。沖壓式製程，其優點為一種低成本，迅速，且省勞力的 IC 導線架製造方法； 1.
(15) 但是高細長比的剪切沖頭，使得刀具的剛性受到很大的限制，在加工中容易造成 斷裂，挫曲或撕裂的現象，導致材料有相當程度的潛在不穩定的變異性因子存在 風險，且沖壓模具價格高昂，所以務必考慮其成本與經濟規模下來做決定。蝕刻 式製程，其優點是在蝕刻製程為藥液腐蝕，所以其製程無應力產生，可避免掉加 工所殘留應力因素，其光罩成本亦比沖壓模具少很多，但在製程生產過程中易產 生過蝕刻現象，造成尺寸上的誤差，由於蝕刻速度較慢，故適用於小批量生產， 以符合目前電子產品，少量多樣的產出模式，並可適用於較細微之產品。但是在 成本與效率的考量下，IC 導線架引腳的成型上能需以生產速率快的連續沖模製程 進行之。 連續沖壓模為一種低成本、迅速、降低勞力與高度自動化金屬沖壓件製造方 法，在大量、快速的情況下連續沖壓有絕對的優勢；由於市場與消費者的需求電 子產品也朝的短、薄，輕、小的趨勢發展，相對 IC 沖壓產品也由早期的 8 支導腳 發展到目前的 256 支導腳，導腳的 Pitch 也縮小到 0.14mm，沖壓技術的提升與產 品成本的降低為未來 IC 沖壓產業發展與生存的關鍵，為了在這一波時代的洪流爭 一席之地，所以目前工業界與學術界紛紛積極投入加工精密化與產品微小化之研 究。 模具材料的選擇與應用關係著模具的壽命與產品的品質，但往往因材料選擇不當 造成模具的品質無法確保，進而影響到製造成本的提高與品質的降低，沖壓模具 利用剪切成型所以要有抗磨耗性，且沖壓模具要承受高速衝擊易斷裂，故材料也 要兼顧破壞韌性，除了傳統工具鋼以外，一般比較常用的就是碳化鎢材料，但由 於 IC 導線架要求品質越來越高，導腳的 Pitch 越來越小，相形下導腳的沖頭越來 越細小，沖壓模具精度要求也越來越高，相對的模具的成本也跟著越高，其中沖 頭約佔模具成本 1/4~1/3，所以如何減少沖頭磨耗是降低產品製造成本的關鍵，而 耐磨耗材料的選用是減少沖頭磨耗最直接方法，這次選用陶瓷材料做為研究的題 材，是針對陶瓷材料的高硬度與低摩擦特性，評估其成本與相對壽命是否值得投. 2.
(16) 資，會不會影響到沖壓品質，因模具沖壓時間的延長，進而減少模具維修成本並 增加沖壓機台的利用率；在有限元素模擬軟體的輔助下，並運用田口實驗法來做 為沖頭的最佳化分析，可減少嘗試錯誤的發生，可以節省模具開發時程和成本， 更可以提高模具的可信度，故陶瓷材料沖頭應用可行性評估與沖壓成本的減少為 本研究最主要之目的。 综合以上，本文探討 IC 導線架沖壓製程之沖頭壽命與成本分析，主要研究主 題為： (1) 從材料的成本、沖頭壽命等，比較陶瓷與碳化鎢沖頭所需耗費的成本。 (2) 應用 ANSYS 有限元素分析軟體，來執行實驗並分析其結果是否符合實際工 程上的應用，並運用田口實驗法來做為沖頭的最佳化分析。. 3.
(17) 1.2 文獻回顧 在於 IC 導線架剪切研究方面，Lee 等[1]利用有限元素法模擬 IC 導線架剪切 製程，研究導線架沖切過程回彈效應對導線架偏移量的影響。Mekaru[2]研究指出 IC 導線架在高速的剪切製程中易造成斷裂、挫屈或撕裂的現象，但 IC 導線架的還 是以連續沖模為主。Cheung 等[3]對於 IC 導線架 Dam Bar 沖切製程，刀具摩耗對 剪切力與剪切品質之影響。Lee 等[4]探討 IC 導線架剪切，針對沖頭間隙值、沖頭 傾角、IC 導線架材料等參數研究剪切力與能量關係。 在沖壓剪切製程方面 Goijaerts 等[5]以實驗的方法證明在 1mm 不銹鋼板材的 剪切製程中，間隙大時金屬板會有較大的彎曲變形，所以模輥高度會加大，毛邊 高度決定於沖頭半徑。Li[6]針對沖頭間隙、切刃邊的銳利性、沖頭傾角方面做為 剪切面與毛邊的影響研究，以沖頭傾角對毛邊的影響最大。Hambi[7]研究金屬剪 切製程中，評估刀具摩耗情況、沖頭間隙、料片厚度對於剪切力量與沖壓件幾何 形狀之影響。Lou[8]以厚板材沖孔實驗，分析沖頭幾何形狀與沖頭表面處理，發 現較大的沖頭傾角，經過 Tic 鍍層或壓光處理有較長的壽命。 在有限元素模擬分析方面，李成傑[10]以有限元素方法分別建立連續合成及 線性模型，探討三維導線架型式構裝在各製程所衍生的構裝翹曲及應力，輔以表 面輪廓儀量測構裝表面翹曲，驗證模擬模型之正確性，並比較不同模型所預測構 裝翹曲及晶片應力的差異。滿梓芸[11]透過板材試驗建構出SUS304 板材完整的資 料庫。經由研究結果顯示，在板材沖剪方面，當模具間隙越小時，模輥面與撕裂 面尺寸值越小，而剪切面尺寸則會越大；當壓料壓力越大時，模輥面與撕裂面尺 寸值越小，而剪切面尺寸則會越大。在板材彎曲方面，影響尺寸精度及回彈量之 主要參數為模具間隙與壓料壓力；影響板材應變之主要參數為模具間隙與沖彎速 度，並加以驗證有限元素分析軟體應用於板材沖剪與彎曲成形之可行性與可靠性 在應用田口實驗法方面，楊國榮[12]文針對打線接合之封裝方式，以電漿 (Plasma)處理導線架表面，以改善金線與導線架的接合。利用電漿(Plasma)進行 4.
(18) 封裝基材(L/F)表面清洗動作，並使用原子力顯微鏡(AFM)對於基材表面，進行粗 糙度之探測，以分析表面粗糙度與金線拉力(Wire Pull)之間關係。以田口法 (Taguchi Method)分析電漿參數對導線接合的影響，並找出一組最佳的製程參數， 後進行實驗驗證以完成最終品質確認。王理常[13]以中碳鋼 S45C. 的材料，利用. 田口式品質設計方法改善衝剪的品質，其中以間隙值、衝頭與下模刃口鈍銳、壓 料板壓力和逆壓板壓力作為實驗因子，發現間隙越小與壓板壓力越大，可以減少 粗糙面的比例。 在金屬剪切磨耗方面，許多學術研究的結果都明確指出刀具側腹磨耗是最大 影響工件品質的原因。Cheung[14]研究薄金屬板剪切實驗，沖頭側腹的磨耗量會 大於沖頭頂部，沖頭的磨耗又大於下模。Luo [15]用高速鋼沖頭對厚鐵板的剪切 實驗，發現沖頭的磨耗主要發生在沖頭側腹的位置。Faura 等人[16]針對沖頭間 隙、沖頭傾角對沖頭側腹的磨耗現象做過相關研究，側腹磨耗量會影響到沖頭的 寬度與剪切產品的尺寸。Lee 等[17]也認為刀具刃邊的尖銳性會直接影響到下料件 之毛邊尺寸，沖頭愈鈍毛邊愈大。. 5.
(19) 1.3 研究方法 本研究利用從材料的成本、加工所需的時間與機器人工成本，來做為陶瓷與碳 化鎢沖頭加工與材料成本分析，並從模具上機的衝次，架模時間、維修時間、磨 模時間等分析，比較陶瓷與碳化鎢沖頭所需耗費的成本。 應用 ANSYS 有限元素分析軟體，來執行實驗並分析其結果是否符合實際工程上的 應用，並運用田口實驗設計法規劃 IC 導線架剪切實驗，同時探討沖頭長度、高度、 寬度、沖頭圓角等四項剪切參數對剪沖頭壽命之影響，根據因子回應分析結果得 到較適合參數水準組合，來做為沖頭的最佳化分析，其研究方法流程如圖 1.1。. 6.
(20) 訂定研究主題與方向. 文獻蒐集與整理. 訂定研究方法. ProE 實體的產生. 模擬條件規劃. ANSYS 分析模擬. 田口實驗. 最佳化. 模具實際驗證. 結果比對. 結論與完成. 圖 1.1 研究方法流程圖. 7.
(21) 1.4 論文架構 本文分為五個章節，以碳化鎢與陶瓷沖頭做為 IC 導線架連續沖模，並用 ANSYS 軟體，針對不同材質的沖頭作壽命分析接著以田口法找出最佳化的沖頭幾何形狀 設計。 在研究論文的組織上，依循著本研究的脈絡與步驟，將整個研究的主軸依序 呈現，可分為五個章節，將各章節之主要內容闡述如下： 第一章 緒論，敘述本研究之研究動機與目的，接著介紹文獻回顧，說明在相關研 究領域中各先進學者所提出之研究成果，最後對於本論文之組織章節做說明。 第二章 基本理論，有限元素法基本原理與田口氏實驗法原理介紹 第三章 實驗程序及設備介紹，應用有限元素法套裝軟體 ANSYS 來分析沖頭的壽命 與利用田口法予以最佳化 第四章 探討實驗結果並分析 第五章 結論與建議. 8.
(22) 第二章. 基本理論. 2.1 有限元素法基本原理 有限元素分析可應用之行業包括了機械工業、航空工業、土木業、電子電機 業、電腦產業、半導體、微機電、生物科技等。因此，基本的有限元素法已成為 解決結構分析、熱傳導與流體力學的一項工具。ㄧ般結構振動系統都是連續體， 當無法化簡為點質量時，通常會考慮為無窮個自由度的連續體系統。除了簡易的 樑、柱、平板等可獲得其解析解外，對於外形複雜之結構大多採用有限元素法求 其系統運動方程式[19]，以下是利用Lagrange所推導出動態問題的有限元素分析： 利用Lagrange 方程式導出運動方程式，. −. +. ={0}. （2-1）. 其中，. L = T −πP 為Lagrangian 函數，而T為動能， πP 為位能。 R 為散逸函數（dissipation function）。 為節點位移。 為節點速度。 將公式（2-1）整理可得到結構的運動方程式，. [M] (t )+ [C] (t )+ [K] (t ) =. (t ). （2-2）. 其中 為節點的加速度向量，假如對於自然振動而忽略掉阻尼項並不會改變太大， 則運動方程式可改寫成，. [M] (t ) + [K] (t ) = (t ). （2-3）. 9.
(23) 結構模態分析 結構在無外力的作用下的系統方程式可寫成. [M] (t ) + [C] (t ) + [K] (t ) = 0. （2-4）. 若為無阻尼時，（2-3）為齊性方程式且無一次微分項，可化簡為. [M] (t ) + [K] (t ) = 0. （2-5）. 然而對一線性系統而言，位移向量在複數平面中，公式如下. (t ) = {φ}eiωt （2-6） 其中{φ}表示結構之振形，ω為結構之自然頻率，t 為時間。 將（2-6）代回（2-5）可得：. (−ω2[M]+[K]){φ} = 0. （2-7）. 解（2-7）式之特徵值與特徵向量問題，則可得結構之自然頻率ω 與位移向量{φ}。. 2.1.2 結構頻率響應分析 結構在受到外力的刺激下，其結構系統方程式則為. [M] (t )+[C] (t )+[K] (t )=. (t ). （2-8）. 外力向量 (t )為一個週期函數，在複數平面中則可表示為. (t )={P max eiψ }eiωt. （2-9）. 其中P max 為最大外力值、ψ 為外力相角、ω 為自然頻率。 則位移向量被表示為. (t )= {Q max eiφ }eiωt. （2-10）. 10.
(24) 其中Q max 為最大位移值、φ 為位移相角、ω 為自然頻率。 將（2-9）式及（2-10）式代回（2-8）式，消去eiωt後，方程式可表示為：. (−ω [M]+ iω[C]+[K]){Q max e iφ} = {P max eiωt }. （2-11）. 響應方程式上式中力量向量 {P max e iψ}與矩陣特性方程式已知，則可求出未知向量. max {Q eiφ }。. 2.2 田口實驗計劃法 田口式品質工程是田口玄一(Taguchi Genichi)博士於 1950 年代所開發倡導。田 口方法最大的特點在於利用簡單的直交表實驗設計與簡潔的變異數分析，以少量 的實驗數據進行分析，以較少的實驗組合，取得有用的資訊。雖不如全因子法真 正找出確切的最佳化位置，但能以少數實驗便能指出最佳化趨勢，可行性遠大於 全因子法。田口方法有以下特點：(1)基於品質損失函數之品質特性、(2)實驗因子 的定義與選擇、(3)S/N 比、(4)田口直交表 [18]。. 2.2.1. 實驗計劃法介紹. 以實驗的方法來決定設計參數，目前已知的實驗安排至少有下列四種方法： （1）試誤法（trial and error） ， （2）單因子實驗法（one factor at a time experiments） ， （3）全因子實驗法（full factorial experiments），（4）田口式直交表（Taguchi’s. orthogonalarrays）實驗法。以下分別舉例說明之。 （1）試誤法（trial and error） 此法是每個人一生中無意識中常常在應用的方法：憑個人的經驗或直 覺，選擇一組設計參數，直接嘗試；如果結果不可以接受，則嘗試另一組設 計參數；如果其結果可以接受，則這組設計參數就被採用——無需任何資料 11.
(25) 分析。試誤法不是一種有系統性的方法，太過依賴個人的經驗，有時候很有 效率，當個人經驗豐富或運氣不錯的時候，但是大部份的時候浪費了很多人 力、物力資源。縱使是可以獲得一個可以接受的設計值，但是試誤過程所累 積的經驗常常是沒有系統的，這些經驗也很難傳承給其他人。. （2）單因子實驗法（one factor at a time experiments） 此法也是許多工程師常常在使用的方法；每次只變動一個因子，而其他 因子則維持於前次實驗的水準，以探討因子水準變動之效應。表 4-1 中實驗 中探討 7 個 2 水準因子對 Y 的影響，目標為使 Y 最小化。實驗 1 全固定於 水準一，實驗 2 只變動 A 至水準 2，其餘維持不變，是以 A 之效應為 0.3。 實驗 3 只變動 B 至水準 2，其餘維持和實驗 2 相同，是以 B 之效應為 0.5。 效應為正，代表該因子變化時對 Y 值而言有加大的趨勢；效應為負，則 有減小的趨勢。當目標為使 Y 減至最小，則應找出各因子貢獻最小的組合， 亦即 A1、B1、C2、D1、E1、F2、G1。 其缺點在於評估效應時有明顯的偏見，例如對 A 之效應而言，是植基 於其他因子均為水準一的情形下 A 的表現。一旦其他因子一併變動，原先求 出 A 的效應將沒有意義。. 12.
(26) 表 2.1 單因子實驗計劃法 EXP. A. B. B. D. E. F. G. Y. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.2. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.5. 3. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 2.0. 4. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1.1. 5. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 1.8. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 2.2. 7. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1. 1.6. 8. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1.7. Effect. 0.3. 0.5. -0.9. 0.7. 0.4. -0.6. 0.1. （3）全因子實驗法（full factorial experiments） 此實驗方法是考慮所有可能的因子排列組合，所有因子水準的組合均在 實驗中出現，若有七個因子，每個因子有兩個變動水準，則共需要128組實 驗如表 2.2所示。此方法的缺點非常明顯：沒有效率，需要太多組實驗。 「全 因子」之實驗計劃必然是直交的，很多直交表的理論源自於此方法。使用直 交表的主要優點是評估因子效應時將「偏見」減至最低（事實上「全因子」 直交表實驗可以將「偏見」完全排除），而獲得較可靠的統計資訊，次要的 優點是簡化資料分析的工作。. 13.
(27) 表 2.2 全因子直交表 實驗 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 . .. 因. 子 A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . . 2 2. B 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . . 2 2. 及 D 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 . . 2 2. C 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . . 2 2. 14. 水 E 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 . . 2 2. 準 F 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 . . 2 2. G 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 . . 1 2.
(28) （4）田口式直交表實驗法（Taguchi’s orthogonalarrays） 田口式直交表的構想是以較少的實驗次數來獲得有用的統計資訊，雖然理論 上會有精度上的損失，但對解決工程品質問題的目的而言，田口式直交表是足夠 的，田口直交表以 La(bc×de)表示，代表共有 a 組實驗，其中最多可容納 b 個水準的 因子 c 個，d 個水準的因子 e 個，而 L 取自 Latin square。常用的 L18(21×37)代表共 有 18 組實驗，其中最多可容納 2 個水準的因子 1 個，3 個水準的因子 7 個(在全因 子試驗中需有 21×37＝4,374 組實驗)。而表 2.3 是常用的 L8(27) 直交表，代表共有. 8 組實驗，其中最多可容納 2 個水準的因子 7 個(在全因子試驗中需有 27＝128 組實 驗) 。 7. 表 2.3 田口式 L8(2 )直交表 實驗 1 2 3 4 5 6 7 8. 因. 子 A 1 1 1 1 2 2 2 2. B 1 1 2 2 1 1 2 2. 及 D 1 2 1 2 1 2 1 2. C 1 1 2 2 2 2 1 1. 15. 水 E 1 2 1 2 2 1 2 1. 準 F 1 2 2 1 1 2 2 1. G 1 2 2 1 2 1 1 2.
(29) 田口式直交表具有的特性，如下：. (1) 僅部分之全因子組合。 (2) 在每一行裡，所有水準出現的次數相等。 (3) 任二行裡，如表所示之 B 行與 C 行，B 行中相同的水準對應至 C 行時，C 行之各個水準出現相等的次數，反之亦然。. (4) 當中一行空下不使用時，也不影響直交表之直交性。 (5) 可獨立於其它參數的影響，進行各個參數之影響評估。. 2.2.2 田口實驗步驟 在田口實驗設計中，其主要之實驗步驟大致可分為以下六大部分，以下將針 對各個步驟做詳細說明. 16.
(30) 2.2.3 實驗因子的定義與選擇 因子為影響品質特性的參數，對任何一個產品或製程，均可從其輸入參 數探討品質特性之狀況，如圖 2.1 所示。影響品質特性的因子大致可分為三 類：. 控制因子. 信號因子. 系. 統. 品質特性. 干擾因子. 圖 2.1 製程系統之輸入輸出 (1) 控制因子 參數設計中實驗設計者可以控制的因子。為了選出最佳的水準，於是 在所提出的因子中可安排幾個水準並加以掌控，大致上可由實驗設計者自 行掌控的因子。. (2) 信號因子 在特定的控制因子下，輸入某一信號因子可使品質特性隨之做連續函 數的變化。信號因子之主效果是為了調查其他控制因子之水準，與控制因 子之交互作用為控制要因。 常當成信號因子的有以下幾種： 17.
(31) （a）物品的種種使用條件 （b）試驗條件（在強制劣化等方面） （c）劣化中之時間 （d）品種 （e）人、裝置等之差異. (3) 干擾因子(或稱雜訊因子) 干擾因子為實驗設計者無法控制，干擾因子的水準會隨環境變化，而 使品質特性產生變異，凡是參數的水準不容易控制或必須花費高成本來控 制的參數，皆視為干擾因子。 其又可分為數種，如表 2.4 所示：. 表 2.4 干擾因子分類[18] 干擾因子類別 使用階段的 干擾因子 製造階段的 干擾因子. 例. 子. 外部干擾因子 使用環境（溫度、溼度）、使用者 內部干擾因子 材料磨耗、材料老化 外部干擾因子 製造環境（溫度、溼度）、製造者 內部干擾因子 材料變異、製程參數變異. 品質特性良策時的 量測干擾因子 量測的位置、量測的時間 干擾因子. 18.
(32) 2.2.4 直交表之選用 雖然直交表各因子間能各別獨立的被評估，且當因子本身變動，其效應 不會影響到其他因子的評估。亦即在所有的特定組合中，每一因子其水準分 佈比例皆為 1：1。但在選擇直交表時，仍需參考其自由度（degree of freedom） 來決定，而所謂自由度即指獲取情報數大小的考量。換言之，也就是在不重 複比較的情形下，水準間比較之最少次數。 例如：有一因子包含Ａ、Ｂ、Ｃ三個水準，進行比較時 當Ａ與Ｂ比較時，Ａ優於Ｂ 當Ａ與Ｃ比較時，Ａ優於Ｃ 只需經過兩次比較即可得最佳值，代表其自由度為二，自由度即為該因子之 水準減一，將其以方程式來表. f 因子 = 該因子水準數 − 1. (2-12). 其總自由度（f）即為各因子之自由度總和. fT = f A + f B + L + f N. (2-13). 也就是說在選擇直交表時，其實數據必須大於或等於該實驗之總自由度 f T ， 如此才能獲得較正確的結果。. 19.
(33) 2.2.5 損失函數 田口博士認為品質不應只有滿足客戶需求，符合圖面公差等舊有的品質 認定觀念，應該要和成本與損失相結合。傳統的品質衡量標準一般都是以不 良率做為判定標準，只要產品規格，落於公差範圍內即為良品，落於公差範 圍外即為不良品，而就顧客角度來看，這些在規格範圍內的產品，依然是有 損失的。如圖 2.2 所示。 因此他提出了二次式的品質損失函數來衡量產品質，整個田口實驗設計 法其實是架構在一個損失函數（loss function）的概念上，其用於定量評估產 品因變異所造成的品質損失，它是以目標值 m 來作泰勒級數展開的近似值， 用來表現經濟損失 L(y)、品質特性與目標值間之差值（y-m） ，這兩者之間的 關係。當品質特性符合目標值時，損失為零；若品質特性偏離目標值時，就 有損失。如圖 2.3 所示。. 損失 m-∆ 規格下限. m 標準值. m+∆ 規格上限. 圖 2.2 傳統品質損失函數. 20. y 品質特性.
(34) 損失 m-∆ 規格下限. m 標準值. y 品質特性 m+∆ 規格上限. 圖 2.3 田口品質損失函數 以下就望目特性為例說明田口博士的二次式損失函數。如圖 2.4 所示： 假設 y=m 時，則產品損失為 0，令 L(y)為損失函數，y 為品質特性（實驗量 測值），m 為目標值。. Bad L(y). 損 失. General. Best. m 品質量測值. 圖 2.4 品質量測值與損失曲線圖 21.
(35) 從圖 2.4 可看出在損失最小位置，具備式(2-14)式之特性在損失為 0 位 置，且一階倒數為零特性，經泰勒展開捨去高階項可符合(2-15)式。 L(m ) = 0 ， L ′(m ) = 0. L( y ) = L(m + y − m ) ≅ L(m ) + ≅. (2-14) ′′ L ′(m ) ( y − m ) + L (m ) ( y − m )2 + L 1! 2!. L ′′(m ) ( y − m )2 = k ( y − m )2 2!. (2-15). 因此我們可以得到損失函數為. L( y ) = k ( y − m ). 2. (2-16). 上式只適用於單一零件，要對一批次的零件作觀察，來看其一般性（on. the average），因此採用 MSD（mean square deviation） 『平方偏差平均數』， 即 ( y − m ) 的平均值。公式修正後如下： 2. 1 n 2 L( y ) = k ∑ ( y i − m ) = k (MSD ) n i =1. (2-17). MSD 為一含有平均數 ( y ) 及變異數 (σ ) 的統計評量指標。. 22.
(36) 損失函數與平均數及變異數相關，如果縮小平均數與目標值之差異，或 降低變異數的離散程度都有助於減少損失。. 計算損失函數有三種標準型態如下：. 1. 望小特性：品質功能特性 y 為非負值，且值愈小愈好，最好為零，即 為望小特性，如圖 2.5 所示。例如不良率、產品變異率等。. 品質損失 y 品質特性. 圖 2.5 望小特性品質損失函數. 23.
(37) 2. 望大特性：品質功能特性 y 為非負值，且值愈大愈好。品質目標值最 大化，即為望大特性，如圖 2.6 所示。例如產品的可靠度等。. 品質損失 y 品質特性. 圖 2.6 望大特性品質損失函數. 3. 望目特性：品質功能特性 y 有限定的目標值，品質目標比目標值大或 小都不好，期望值能趨近於目標值即為望目特性，如圖 2.7 所示。例如產品 的規格、產品的尺寸等。. 品質損失 y 品質特性. 圖 2.7 望目特性品質損失函數失 24.
(38) 表 2-5 為三種標準型態損是函數之計算公式. 表 2.5. 損失函數計算式. 望小特性 K=. 比例常數 K. 損失函數 L( y ) （品質）. 望大特性. A0 2 Δ0. A L( y ) = Ky 2 = 02 Δ0. K = A0 ⋅ Δ 0. L( y ) = K. 望目特性. 2. 1 y2. = A0 Δ 0. 2. K=. A0 2 Δ0. L( y ) = K ( y − m0 ). 2. 1 y2. =. A0 2 ( y − m0 ) 2 && A 0. Δ 0 為規格界限， A0 為品質損失. 2.2.6 信號／雜訊比 田口品質工程的參數設計方法是將品質特性轉換成 S/N 比（即信號／雜 訊比），我們以訊噪比來度量穩健性的觀念，其觀念來自於通訊系統中訊號 與噪音強度間的比值。 為何我們要以 S/N 比作為分析取捨的依據，而不直接使用實驗的輸出值 呢？簡單來說，如此才能得到干擾因子對系統的影響。訊號雜訊比 S/N（signal. to noise ratio）為衡量產品穩定性的統計指標，利用 S/N 比的特性，可以找到 變異數小且品質特性平均之最佳設計。而 S/N 比與損失函數有密切之關係， 兩者公式如下：. η = S / N = −10 log MSD L=k. (2-18). 1 n ( y − m )2 = k (MSD ) ∑ n i =1. (2-19). 25.
(39) S/N 比愈高，則 MSD 愈小，相對的損失也變的比較少，兩者間呈反比 之表現。因此兩者是評量品質的客觀條件。 以下為望小、望大、望目三種不同品質特性 S/N 比之計算公式：. 1. 望小特性的 S/N 比（η）：. S/N 比. η = 10 ⋅ log. ⎛1 n 2⎞ 1 = −10 ⋅ logVe = −10 ⋅ log⎜ ∑ yi ⎟ Ve ⎝ n i =1 ⎠. (2-20). = 10 log( y + σ 2 ) yi 為品質測量值 n 為量測總數 f 為自由度. 2. 望大特性的 S/N 比（η）：. S/N 比. ⎡ 1 n ⎛ 1 ⎞⎤ η = −10 log ⎢ ∑ ⎜⎜ 2 ⎟⎟⎥ ⎣ n i =1 ⎝ yi ⎠⎦. ⎡ 1 ⎛ 3σ 2 ⎞⎤ =－10log ⎢ 2 ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟⎥ y ⎠⎦ ⎣y ⎝. 26. (2-21).
(40) 3. 望目特性的 S/N 比（η）： ⎡1 n ( yi − m )2 ⎤⎥ ∑ ⎣ n i =1 ⎦. η = −10 log ⎢. S/N 比. [. = −10 log ( y − m ) + σ 2. 其中. σ. 2. 2. ]. (2-22). 2 2 2 ( y1 − y ) + ( y2 − y ) + ... + ( yn − y ) =. n. 2.2.7 要因效果分析 要因效果分析又可稱為回應表分析（analysis by response table），其包含 回應表，如表 2.6 所示以及回應圖，如圖 2.8 所示。其中回應圖為直交表的 數據分析，用來區分各個因子的平均值大小，已決定哪些因子對實驗的影響 最大；回應表的最佳值推算，可能落於局部最佳化（local optimization），或 落於整體最佳化（global optimization）。 根據回應圖，其橫軸為該因子及水準分佈，縱軸為信號雜訊比，藉由察 看回應圖可得到各因子中最強的水準，將此水準取出作一最佳組合（optimum ，以下圖為例，取出較強的水準，假設其最佳之結果組合為 A3、 combination）. B3、C1、D3，並利用最佳回應值（mean estimate）的公式來求出其預測最佳 值結果。 其公式如下：. η OPT = T + (A1 − T ) + (B2 − T ) + (C 2 − T ) + (D1 − T ). 其中 T 代表該品質之平均 S/N 比；. 27. (2-23).
(41) 表 2.6. S/N 回應表. A. B. C. D. LEVEL 1. -65.16. -65.12. -64.08. -64.25. LEVEL 2. -63.88. -64.06. -64.24. -64.33. LEVEL 3. -63.73. -63.59. -64.45. -64.19. A. B. C. D. -63.6. -64.0. -64.4. -64.8. -65.2 1. 2. 3. 1. 2. 圖 2.8. 3. 1. 2. S/N 回應圖. 28. 3. 1. 2. 3.
(42) 2.2.8 變異數分析 在田口方法中，我們常將交互作用視為實驗誤差的一部份，當因子效應 和實驗誤差比較起來足夠大時，才認定此因子應為有意義的或是重要的。變 異數分析（analysis of variance），即是將實驗結果的所有信號雜訊比，分解 為各因子及其交互作用與誤差項的平方和，藉由平方和的大小判定該因子對 功能的品質特性影響程度，也就是用來求得可控因子對品質特性的貢獻度， 因此需先判定因子的顯著性，利用『誤差變動』與『因子變動』作比較，當 『因子變動』小於『誤差變動』，則該因子可視為無效因子，意指該因子之 貢獻度低，但有時仍需先判斷該因子是否為重要因子。經由上述之判斷，將 小於『誤差變動』的全部因子與『誤差變動』相加變成『調和誤差變動』， 以此來作貢獻度的運算，計算結果整理成表 2.7 以供判讀。 相關公式如下： 自由度. f A = 水準數 − 1. (2-24). 純變動. ′ S A = S A − f A × Ve. (2-25). 變動. ⎡ K i Ai 2 ⎤ S A = ⎢∑ ⎥ − CF ⎣⎢ i =1 n Ai ⎦⎥. (2-26). 平均變動. 1⎛ n ⎞ Sm = CF = ⎜ ∑η i ⎟ N ⎝ i =1 ⎠. 全變動. ⎛ n ⎞ S T = ⎜ ∑η i ⎟ − CF ⎝ i =1 ⎠. 變異. VA =. SA fA. (2-29). 變異比. FA =. VA VeT. (2-30). 2. (2-27). 2. 29. (2-28).
(43) S ′A × 100% ST. 貢獻度. eA =. 調和誤差項變異. VeT =. 調和誤差項的變動. S eT = S ( 要考慮之因子 ) + S e. (2-33). 調和誤差項的自由度. f eT = f ( 要考慮之因子 ) + f e. (2-34). 調和誤差項的純變動. ′ = S T − S ′A − S B′ L − S H′ S eT. (2-35). 誤差項變動. S e = ST − S A − S B L − S H. (2-36). 誤差項自由度. f e = fT − f A − f B L − f H. (2-37). 調和誤差項的貢獻度. eeT =. (2-31). S eT f eT. (2-32). ′ S eT × 100% ST. (2-38). 表 2.7 變異數分析表 純變動. .......... 變異. .......... 自由度. .......... 變動 (S). .......... .......... 可控因子. 貢獻度 (ρ). (f). (V). (S’). SA. fA. VA. S ′A. ρA. 因子 D. SD. SD. VD. S D′. ρD. 誤差 (e). Se. fe. Ve. S e′. ρe. 因子 A 因子 B 因子 C. 調和誤差 ( eT ) 總和 (T). 30.
(44) 第三章. 導線架剪切製程之沖頭壽命模擬解析. 本研究主要是利用有限元素分析軟體（ANSYS），來分析導線架沖頭壽命之 分析，並利用有限元素分析求解出的數據與實驗分析出的數據做比對。. 3.1 分析軟體（ANSYS） ANSYS為一廣泛性之商業套裝工程分析軟體，所謂工程分析軟體，主要在於 機械結構系統受到外力負載後，所呈現的反應，例如位移、應力、溫度等，藉由 該反應吾人可知機械結構系統受到外力負載後的狀態，進而判別是否合於設計標 準。ANSYS軟體在工程上的應用相當廣泛，包含機械、電機、土木、航空及電子 等不同領域的使用，皆能達到某種程度的可性度，獲得各界好評。ANSYS可分析 的項目有很多種，其分析包含項目如下。. (1)靜力分析(Static analysis) (2)模態分析(Modal analysis) (3)簡諧響應分析(Harmonic analysis) (4)暫態動態分析(Transient dynamic analysis) (5)頻譜分析 (Spectrum analysis) (6)挫曲分析(Bulking analysis) (7)壽命分析(Life analysis) 本研究主要藉由有限元素分析軟體ANSYS 求解導線架沖頭的壽命並用田口 法找出最佳材質及幾何外型，此結果也同時與實驗分析比較，以確保本研究的正 確性。 藉由PRO/E 繪圖軟體繪製成實體圖，實體圖繪製完成後，再經PRO/E 繪圖軟體所提供之轉檔功能直接將實體圖轉入ANSYS 程式內做分析。當實體圖檔 成功轉入ANSYS開始前置處理的部份，如元素的選擇（solid、shell、beam）、材 料參數的設定（楊氏係數、蒲松比、密度）、元素網格及邊界條件的設定，本實 31.
(45) 驗重複施以3022N重複的力量如圖3.1，最後是求解器的選擇，而有限元素壽命分 析流程圖如圖3.2。本研究是以導線架沖頭做研究如圖3.3。量測沖頭個部位尺寸以 便在ANSYS 裡建模如表3.1，沖頭材料為碳化鎢和陶瓷，其性質如表3.1和表3.2所 示。. 3022N. 圖 3.1 沖頭受力圖. 32.
(46) 沖頭尺寸的設定. Pre/E 繪製沖頭實體圖. 轉檔匯入 ANSYS 分析軟體. 設定元素種類與材料參數. 網格設定與分割. 選擇分析模式(壽命). 開始分析. 否. 比較分析結果與 實驗是否吻合. 是 儲存結果. 圖 3.2 沖頭分析流程圖. 33.
(47) (圓角) (高度) (寬度). (長度). 圖 3.3 沖頭外形尺寸圖. 34.
(48) 表3.1 陶瓷沖頭材料機械性質 材料性質. 數值. 楊氏係數 (MPa). 2.20E+06. 蒲松比. 0.31. 密度 (Kg/mm3). 6.70E-06. 抗拉強度 (MPa). 700. 抗壓強度 (MPa). 3500. 抗拉降伏強度 (MPa). 600. 抗壓降伏強度 (MPa). 3000. 表3.2 碳化鎢沖頭材料機械性質 材料性質. 數值. 楊氏係數 (MPa). 5.50E+06. 蒲松比. 0.22. 密度 (Kg/mm3). 1.40E-05. 抗拉強度 (MPa). 1300. 抗壓強度 (MPa). 6400. 抗拉降伏強度 (MPa). 1200. 抗壓降伏強度 (MPa). 5700. 35.
(49) 3.2 研究方法及步驟 本研究之步驟是先選擇鑽頭部位重要幾何外形參數作為控制因子，然後決 定水準大小，依據直交表的規範將實驗參數套入所需的直交表中，以繪圖軟體建 立相關之 3D 模型，將 3D 模型匯入數值分析軟體 ANSYS 3D 中，在 ANSYS 中 對 3D 模型進行前處理如網格規劃、材料特性、邊界條件等設定，設定完成後即 可執行軟體使其進行數值模擬運算，運算完成後經由後處理即可得到受力後幾何 形狀顯示、應力、應變、最大變形量、壽命等分析結果。將模擬結果用田口方法 分析，找出模具受應力最低做為最佳化設計之參數組合。步驟流程圖如圖 3.4 所 示。. 36.
(50) 初始外形設計. 決定最佳化條件. 實驗參數與對應水準值設定. 建立直交表. ANSYS 模擬計算各參數組合目標值. 計算各參數組合信號雜訊比. 歸納最佳參數組合. 最佳參數組合模擬分析. 是否吻合與滿足 目標. 是 確認最佳化結果. 圖 3.4 實驗流程圖. 37. 否.
(51) 3.3 控制因子、水準、及直交表選擇 在以田口方法進行沖頭壽命分析，求得沖頭壽命最佳化前，必須先決定沖頭 的各項參數中，何者要做為控制因子，然後決定取幾個水準以及水準的範圍，最 後再套用於適合的直交表。 影響沖頭壽命因素有許多，如沖頭幾何形狀、沖切材料的強度、潤滑液、模 具精度等都會有所影響，本研究將在不改變產品主要形式狀況下，選定對沖頭壽 命影響較大的幾個參數來做分析研究。將以這些部位做為控制因子來探討其對壽 命大小之影響。最後決定以四項為控制因子，其分別為：(1)沖頭寬度(2)沖頭高度. (3)沖頭圓角(4)沖頭長度。 其水準分別為：. (1) 沖頭寬度：0.4mm、0.5mm、0.6mm， (2) 沖頭高度：12mm、10mm、8mm， (3) 沖頭圓角：25mm、37.5mm、50mm， (4) 沖頭長度：10.45mm、10.55mm、10.65mm。. ( ). 如表3.3所示。本研究取四個控制因子及三個水準，所以選用 L9 3 4 的田口直交表 做實驗分析，如表3.4所示。. 38.
(52) 表 3.3 控制因子水準範圍 Level. Level l. Level 2. Level 3. A(沖頭寬度). 0.4mm. 0.5mm. 0.6mm. B(沖頭高度). 12mm. 10mm. 8mm. C(沖頭圓角). 25mm 25mm. 37.5mm 37.5mm. 50mm 50mm. D(沖頭長度). 10.45mm 10.45mm. 實驗因子. 10.55mm 10.55mm 10.65mm 10.65mm. 表 3.4 L9 (3 4 ) 直交表之實驗規範 No.. Factors 沖頭寬度(mm) 沖頭高度(mm) 沖頭圓角(mm). 1 2 3 4 5 6 7 8 9. 0.40 0.40 0.40 0.50 0.50 0.50 0.60 0.60 0.60. 8.00 10.00 12.00 8.00 10.00 12.00 8.00 10.00 12.00. 25.00 37.50 50.00 37.50 50.00 25.00 50.00 25.00 37.50. 沖頭長度(mm) 10.45 10.55 10.65 10.65 10.45 10.55 10.55 10.65 10.45. 3.4 沖壓製程沖頭壽命模擬分析 本研究以田口方法配合有限元素法分析軟體進行沖頭沖壓製程之模擬解 析，以找出沖頭壽命最佳化的參數組合。軟體模擬主要分為三個部份，分別是前 處理、模擬運算及後處理。前處理部份是利用繪圖軟體建立沖頭之 3D 圖檔，再 將其匯入至 ANSYS-3D 進行網格規劃及邊界條件設定。模擬運算部份以有限元素 法架構之塑性力學進行求解，求出沖頭的應力、彈性應變、壽命等數值。後處理 39.
(53) 部份可產生速度、應力、應變、應變速率、溫度場的等值線和等色面等的動態顯 示。. 3.4.1 CAD 模型之建立 本文利用三維繪圖軟體Pro-Engineer建立沖頭之幾何外形，再將其轉換成三角網格 之stl (STereoLithography)檔案格式並載入ANSYS-3D前處理程式，沖頭之實體圖如 圖3.5所示。. 圖 3.5 沖頭實體圖與實際沖頭. 40.
(54) 3.4.2 網格布建及局部細化 在前處理階段，依據表 3.8 直交表的設定，使用 Pro/E 繪製出沖頭的 3D 圖檔。建立沖頭模型後，匯入 ANSYS-3D 進行網格建構，一般而言，建構 之網格數目越多，代表每個單位網格之邊長越小，用於代表整體之節點與元 素越多，模擬結果會越準確。然而網格數目越多時，其所需之運算時間亦越 長，導致模擬失去效率。因此為了在精確度可以接受之範圍內，達到最短模 擬時間之目的進行收斂性分析，以評估網格數目是否需要增減。一般而言在 不同模具位置因受力產生較大應力部位使用較細的網格，可獲得較精確的分 析。. 3.4.3 收斂性分析 在上節中提到，由於設定過多的網格數目將會導致模擬時間過長，而失 去其效率，因此針對精確度與模擬時間，做為收斂性分析之評估。收斂性分 析是依當次元素數目模型的最大主應力值與上次元素數目模型的的最大主 應力值差異在1％內，則達到數值分析收斂。. 3.4.4 邊界條件設定 沖壓製程中沖頭為一重複的彈性變形行為，因此以有限元素法分析彈性 變形問題時就必須採用適合的假設模式來進行分析與模擬，以合理的簡化複 雜的彈性變形問題，而達到最佳的效能。本文所使用的假設模式如下：. 41.
(55) (1) 彈塑性模式 考慮模擬成形時有塑性變形與彈性變形兩種行為，模擬時必須設定 為彈塑性模式。. (2) 剛性模式 在模擬成形時假設其為剛體，不會有所變形。. (3) 彈性模式 一般為了得到材料的應力與應變，進行分析時均假設其為彈性體。. (4) 摩擦模式 ANSYS-3D 提供兩種摩擦模式，分別為定剪摩擦模式(constant shear friction)以及庫倫摩擦模式(Coulomb friction)。在此簡述如下： (a)庫倫摩擦模式 當介面發生相對滑動時，其切線方向摩擦力正比於接觸面之正壓 力，其公式如 3-3 所示。. f t ≤ −μ ⋅ f n t. (3-1). 其中， f n ：接觸面正壓力. f t ：摩擦力. μ ：庫倫摩擦因子 42.
(56) t：表示相對滑動速度 Vr 的單位向量，. ⎛V t= ⎜⎜ r ⎝ Vr. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. (3-2). (b)定剪摩擦模式 當介面發生相對滑動時，切線方向摩擦力為材料剪降伏強度之固定 分量，其公式如 5-3 所示。此模式適用於高介面接觸壓力時，塑性加工 絕大部分是使用此摩擦模式。. f m ≤ −ms k s t = −ms. σy 3. t. 其中， k s ：材料剪降伏強度. m s ：定剪摩差因子 t：表示相對滑動速度 Vr 的單位向量，. ⎛V t= ⎜⎜ r ⎝ Vr. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. σ y ：材料降伏應力. 43. (3-3).
(57) 3.4.5 原始設計初步分析結果 3D圖形經設計後以上述設定之條件步驟，進行ANSYS軟體分析沖頭受力後 應力分佈的情形，以下的圖形將說明模擬分析後相關的結果。從這些圖中可發現 沖頭頂端刀刃部承受的應力最大，這些部位易產生應力集中的情形與破壞，也符 合一般沖壓製上沖頭的破壞主要由沖頭的刃口先破壞的情況，在下一章將對這些 部位尺寸的變化做探討以求得最佳化的設計。. 44.
(58) 第四章. 結果與討論. 在一般IC導線架沖壓中，對於模具壽命的評判，主要是由刃口的模耗與IC導 線架的品質做為判斷的條件，而這兩項條件是有其相關聯性，當刃口磨耗過大時 其沖壓的產品品質相對的不好，所以這次研究我們就以IC導線架的品質中的毛邊 做為望目的控制值，一般IC導線架毛邊最大規格為0.05mm，所以這次我們已. 0.04mm為控制管制點並控制毛邊於0.04mm以內，毛邊接近0.04mm就表示已達模具 壽命需做模具壽命延展處理，其中碳化鎢沖頭目前的業界經驗上的壽命約為一百 萬衝次，碳化鎢沖頭就以一百萬衝次做為目標，因陶瓷材料成本約為碳化鎢材料 的1.5倍，所以這次陶瓷沖頭就以壽命二百萬衝次做為目標，因此在特定的尺寸範 圍內做尺寸上的調整，做為望目型參數最佳化之基準。. 4.1 碳化鎢沖頭分析 本研究之碳化鎢沖頭壽命分析，主要探討的是外形參數的設計，利用ANSYS 軟體模擬碳化鎢沖頭壽命，並對外形參數的設計模擬結果，最後應用以田口實驗 法做最佳化分析。. 4.1.1 初步模擬實驗結果 針對外形參數的設計模擬結果，如表4.1為模擬實驗參數碳化鎢沖頭的最低壽 命，圖4.1~圖4.9為本次模擬實驗之碳化鎢沖頭壽命圖。. 45.
(59) 表 4.1 模擬實驗碳化鎢沖頭壽命 N o. 1 2 3 4 5 6 7 8 9. A 1 1 1 2 2 2 3 3 3. 實驗因子水準 B C D 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1 3 2 2 1 3 3 2 1. 46. 模擬數據 Life (cycle) 1019000 1023100 1131800 4814500 4308500 4361100 15077000 17051000 15526000.
(60) 碳化鎢沖頭條件 1 Damag e. Life. Object Name. Safety Factor. Solved. State. Scope. All Bodies. Geometry. Definition Damag e. Life. Type. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. 1.019e+006 cycles. 0.39455. Maximum. Object Name. Total Deformation. 981.34. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.0845e-005 mm/mm. 44.465 MPa. Maximum. 1.4995e-002 mm. 9.0135e-004 mm/mm. 495.74 MPa. 圖 4.1 條件(1) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 碳化鎢沖頭條件 2 Object Name. Life. Damage. Safety Factor. Solved. State. Scope. Geometry. All Bodies. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. Maximum. Object Name. Total Deformation. 1.0231e+006 cycles. 0.39481. 977.44. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.2147e-005 mm/mm. 45.181 MPa. Maximum. 1.7034e-002 mm. 9.0073e-004 mm/mm. 495.4 MPa. 圖 4.2 條件(2) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 47.
(61) 碳化鎢沖頭條件 3 Life. Object Name. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Life. Type. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. 1.1318e+006 cycles. 0.40167. Maximum. Object Name. Total Deformation. 883.53. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.1211e-005 mm/mm. 44.666 MPa. Maximum. 1.8917e-002 mm. 8.8539e-004 mm/mm. 486.96 MPa. 圖 4.3 條件(3) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 碳化鎢沖頭條件 4 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. Maximum. 4.8145e+006 cycles. 0.50562. 207.7. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 7.0012e-005 mm/mm. 38.507 MPa. Maximum. 1.3498e-002 mm. 7.0333e-004 mm/mm. 386.83 MPa. Object Name. 圖 4.4 條件(4) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 48.
(62) 碳化鎢沖頭條件 5 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. 4.3085e+006 cycles. 0.49727. Maximum. Object Name. 232.1. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.0831e-005 mm/mm. 44.457 MPa. Maximum. 1.5175e-002 mm. 7.1515e-004 mm/mm. 393.33 MPa. 圖 4.5 條件(5) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 碳化鎢沖頭條件 6 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. Geometry. All Bodies. Definition. Type. Life. Design Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. Maximum. 4.3611e+006 cycles. 0.49817. 229.3. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.2146e-005 mm/mm. 45.18 MPa. Maximum. 1.5457e-002 mm. 7.1384e-004 mm/mm. 392.61 MPa. Object Name. 圖 4.6 條件(6) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 49.
(63) 碳化鎢沖頭條件 7 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. 1.5077e+007 cycles. Maximum. Object Name. Total Deformation. 0.59526. 66.325. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.3918e-005 mm/mm. 46.155 MPa. Maximum. 1.2513e-002 mm. 5.9739e-004 mm/mm. 328.57 MPa. 圖 4.7 條件(7) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 碳化鎢沖頭條件 8 Object Name. Life. Damage. Safety Factor. Solved. State. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. Maximum. Object Name. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. 1.7051e+007 cycles. 0.60535. 58.649. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 7.224e-005 mm/mm. 39.732 MPa. Maximum. 1.273e-002 mm. 5.8744e-004 mm/mm. 323.09 MPa. 圖 4.8 條件(8) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 50.
(64) 碳化鎢沖頭條件 9 Object Name. Life. Damage. Safety Factor. Solved. State. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. Maximum. Object Name. 1.5526e+007 cycles. 0.59766. 64.407. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 8.3952e-005 mm/mm. 46.174 MPa. Maximum. 1.4155e-002 mm. 5.95e-004 mm/mm. 327.25 MPa. 圖 4.9 條件(9) 碳化鎢沖頭應力、應變與壽命圖. 51.
(65) 4.1.2 S/N 因子反應分析 本文是採用沖頭壽命為品質特性，來做田口式回應分析。由 9 組模擬實驗中 壽命數據，求得各個因子於不同水準間之 S/N 比值並且建構出控制因子對 S/N 比 的反應表及反應圖。 由於沖頭在沖壓過程中有一定的極限磨耗，所以在其既定的幾何形狀下其最低壽 命能符合望目壽命既可，故將模擬數據依望目之品質特性，由公式(2-11)計算出各 組模擬實驗之S/N比值，選擇越大的S/N比，越接近望目值。本次碳化鎢沖頭望目 值為一百萬衝次，在對表4.2 碳化鎢沖頭S/N比做平均值分析後，可得到各個因子 於三水準間之S/N比值，如表4.3 碳化鎢沖頭因子回應表，並且繪製出因子回應圖， 如圖4.10~4.13 碳化鎢沖頭回應圖。. 表4.2 碳化鎢沖頭各組模擬實驗之S/N No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9. y 平均值. 1019000 1023100 1131800 4814500 4308500 4361100 15077000 17051000 15526000. 52. 雜訊比 S/N -85.575 -87.272 -102.398 -131.629 -130.393 -130.530 -142.970 -144.110 -143.243.
(66) 表4.3 碳化鎢沖頭壽命S/N回應表 Level. Factors. 水準1 水準2 水準3 Delta Rank. -90.000. A. B. -91.749 -130.850 -143.441 -51.693 1. C. -120.058 -120.072 -119.737 -120.592 -120.715 -120.257 -125.390 -125.254 -126.046 -5.332 -5.182 -6.309 3 4 2. A1. -100.000. -110.000. -120.000. -130.000. D. A2. -140.000. A3 -150.000. 圖4.10 碳化鎢沖頭寬度S/N回應圖. 53.
(67) -90.000. -100.000. -110.000. -120.000. B1. B2. -130.000. B3. -140.000. -150.000. 圖4.11 碳化鎢沖頭高度S/N回應圖. -90.000. -100.000. -110.000. -120.000. C1. C2. -130.000. C3. -140.000. -150.000. 圖4.12 碳化鎢圓角S/N回應圖. 54.
(68) -90.000. -100.000. -110.000. -120.000. D1. D2. D3. -130.000. -140.000. -150.000. 圖 4.13 碳化鎢沖頭長度 S/N 回應圖 4.1.3 最佳化設計 本實驗依田口實驗方法所得到之最佳化參數，僅是在本次實驗中所設定的三 水準之中找出彼此間相對性最佳之水準，如表 4.4 得知沖頭寬度貢獻度最大，由. S/N 曲線可得知碳化鎢沖頭其最佳化組合如表 4.5 與表 4.6，為沖頭寬度(A1) 0.40mm，沖頭高度(B1) 12mm，沖頭圓角(C1) 25mm，沖頭長度(D1) 10.45mm，其 預估壽命為 1,019,000 衝次與目標值一百萬衝次，壽命提升 1.9%。. 表4.4 碳化鎢沖頭各因子的貢獻度 因 沖 沖 沖 沖. 頭 頭 頭 頭. 寬 高 圓 長. 子 度 度 角 度. 貢 獻 度 96.1791 1.1416 1.0561 1.6232 55.
(69) 表4.5 碳化鎢沖頭模擬預測結果 預測最佳化參數 雜訊比S/N 預測值 預測 Life. A1. B1. C1. -91.749 -120.058 -120.072 -119.737 -85.575 1019000. 表4.6 碳化鎢沖頭最佳化組合 水準. Level l. Level 2. Level 3. A(沖頭寬度). 0.4mm. 0.5mm. 0.6mm. B(沖頭高度). 12mm. 10mm. 8mm. C(沖頭圓角). 25mm 25mm. 37.5mm 37.5mm. 50mm 50mm. D(沖頭長度). 10.45mm 10.45mm. 因子. D1. 56. 10.55mm 10.55mm 10.65mm 10.65mm.
(70) 4.2 陶瓷沖頭分析 陶瓷沖頭壽命分析，主要探討的是外形參數的設計，利用ANSYS軟體模擬碳化 鎢沖頭壽命，並對外形參數的設計模擬結果，最後應用以田口實驗法做最佳化分 析。. 4.2.1 初步模擬實驗結果 針對外形參數的設計模擬結果，表4.7為模擬實驗參數陶瓷沖頭的最低壽命，圖. 4.14~圖4.22為本次模擬實驗之陶瓷沖頭壽命圖。. 表 4.7 模擬實驗陶瓷沖頭壽命 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9. A 1 1 1 2 2 2 3 3 3. 實驗因子水準 B C D 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1 3 2 2 1 3 3 2 1. 57. 模擬數據 Life (cycle) 386030 382060 426910 2422800 2166300 2234200 9006100 10347000 9398700.
(71) 陶瓷沖頭條件 1 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. 3.8603e+005 cycles. 0.38837. Maximum. 2590.5. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 1.8409e-004 mm/mm. 36.817 MPa. Maximum. 4.1275e-002 mm. 2.4734e-003 mm/mm. 494.68 MPa. Object Name. 圖4.14 條件(1) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 陶瓷沖頭條件 2 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. Maximum. 3.8206e+005 cycles. 0.38778. 2617.4. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Minimum. 0. mm. 1.8993e-004 mm/mm. 37.985 MPa. Maximum. 4.6862e-002 mm. 2.4771e-003 mm/mm. 495.42 MPa. Object Name. Equivalent Stress. 圖4.15 條件(2) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 58.
(72) 陶瓷沖頭條件 3 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. Geometry. All Bodies. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. 4.2691e+005 cycles. Maximum. Object Name. 0.39404. 2342.4. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Minimum. 0. mm. 1.8507e-004 mm/mm. Equivalent Stress 37.015 MPa. Maximum. 5.2039e-002 mm. 2.4377e-003 mm/mm. 487.55 MPa. 圖4.16 條件(3) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 陶瓷沖頭條件 4 Object Name. Life. Damage. Safety Factor. Solved. State. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. Maximum. Object Name. 2.4228e+006 cycles. 0.49542. 412.74. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 1.6829e-004 mm/mm. 37.023 MPa. Maximum. 3.3765e-002 mm. 1.7646e-003 mm/mm. 388.2 MPa. 圖4.17 條件(4) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 59.
(73) 陶瓷沖頭條件 5 Object Name. Life. Damage. Safety Factor. Solved. State. Scope. Geometry. All Bodies. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. 2.1663e+006 cycles. 0.48825. Maximum. Object Name. Total Deformation. 461.61. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 1.6272e-004 mm/mm. 35.799 MPa. Maximum. 3.794e-002 mm. 1.7905e-003 mm/mm. 393.91 MPa. 圖4.18 條件(5) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 陶瓷沖頭條件 6 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. Geometry. All Bodies. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. Maximum. 2.2342e+006 cycles. 0.4902. 447.59. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 1.6848e-004 mm/mm. 37.067 MPa. Maximum. 3.864e-002 mm. 1.7833e-003 mm/mm. 392.32 MPa. Object Name. 圖4.19 條件(6) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 60.
(74) 陶瓷沖頭條件 7 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Design Life. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Results. Minimum. 9.0061e+006 cycles. Maximum. 0.58409. 111.04. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 1.7119e-004 mm/mm. 37.662 MPa. Maximum. 3.1286e-002 mm. 1.4967e-003 mm/mm. 329.27 MPa. Object Name. 圖4.20 條件(7) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 陶瓷沖頭條件 8 Object Name. Life. Damage. State. Safety Factor. Solved. Scope. All Bodies. Geometry. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. Maximum. 1.0347e+007 cycles. 0.59398. 96.65. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Minimum. 0. mm. 1.6827e-004 mm/mm. 37.02 MPa. Maximum. 3.1822e-002 mm. 1.4717e-003 mm/mm. 323.78 MPa. Object Name. Equivalent Stress. 圖4.21 條件(8) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 61.
(75) 陶瓷沖頭條件 9 Object Name. Life. Damage. Safety Factor. Solved. State. Scope. Geometry. All Bodies. Definition. Type. Life. Damage. Safety Factor. 1.e+009 cycles. Design Life. Results. Minimum. Maximum. Object Name. 9.3987e+006 cycles. 0.58712. 106.4. Total Deformation. Equivalent Elastic Strain. Equivalent Stress. Minimum. 0. mm. 1.7131e-004 mm/mm. 37.688 MPa. Maximum. 3.5376e-002 mm. 1.4889e-003 mm/mm. 327.57 MPa. 圖4.22 條件(9) 陶瓷沖頭應力、應變與壽命圖. 62.
(76) 4.2.2 S/N 因子反應分析 本次陶瓷沖頭望目值為二百萬衝次，在對表4.8 陶瓷沖頭S/N比做平均值分析後， 可得到各個因子於三水準間之S/N比值，如表4.9 陶瓷沖頭因子回應表，並且繪製 出因子回應圖，如圖4.23~4.26 陶瓷沖頭回應圖。. 表4.8 陶瓷沖頭各組模擬實驗之S/N No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9. y. 平均值. 雜訊比 S/N. 386030 382060 426910 2422800 2166300 2234200 9006100 10347000 9398700. -124.158 -124.179 -123.935 -112.523 -104.418 -107.392 -136.910 -138.431 -137.383. 表4.9 電腦模擬之陶瓷沖頭壽命S/N回應表 Level. Factors. 水準1 水準2 水準3 Delta Rank. A. B. -124.091 -108.111 -137.574 -29.464 1. 63. C. D. -124.530 -123.327 -121.986 -122.343 -124.695 -122.827 -122.903 -121.754 -124.963 -2.187 -2.941 -2.977 4 3 2.
(77) -100.000 -105.000. A2. -110.000 -115.000 -120.000 -125.000. A1. -130.000 -135.000. A3. -140.000. 圖4.23 陶瓷沖頭寬度S/N回應圖. -100.000 -105.000 -110.000 -115.000 -120.000 -125.000. B2. B1. B3. -130.000 -135.000 -140.000. 圖4.24 陶瓷沖頭高度S/N回應圖. 64.
(78) -100.000 -105.000 -110.000 -115.000 -120.000 -125.000. C1. C3 C2. -130.000 -135.000 -140.000. 圖4.25 陶瓷圓角S/N回應圖. -100.000 -105.000 -110.000 -115.000 -120.000 -125.000. D1. D2. D3. -130.000 -135.000 -140.000. 圖4.26 陶瓷沖頭長度S/N回應圖. 65.
(79) 4.2.3 最佳化設計 本實驗依田口實驗方法所得到之最佳化參數，僅是在本次實驗中所設定的三 水準之中找出彼此間相對性最佳之水準，如表 4.10 得知沖頭寬度貢獻度最大，由 S/N 曲線可得知陶瓷沖頭其最佳化組合如表 4.11 與表 4.12，為沖頭寬度(A2) 0.50mm，沖頭高度(B2) 10mm，沖頭圓角(C3) 50mm，沖頭長度(D1) 10.45mm，其 預估壽命為 2,166,300 衝次與目標值二百萬衝次，壽命提升 8.3%。. 表4.10 陶瓷沖頭各因子的貢獻度 因 沖 沖 沖 沖. 頭 頭 頭 頭. 寬 高 圓 長. 子 度 度 角 度. 貢 獻 度 97.3982 0.5780 0.9696 1.0542. 表4.11 陶瓷沖頭模擬預測結果 預測最佳化參數. A2. 雜訊比 S/N 預測值 預測 Life. -108.111. 66. B2. C3. -122.343 -121.754 -104.418 2166300. D1 -121.986.
(80) 表 4.12 陶瓷沖頭最佳化組合. Level l. Level 2. Level 3. A(沖頭寬度). 0.4mm. 0.5mm. 0.6mm. B(沖頭高度). 12mm. 10mm. 8mm. C(沖頭圓角). 25mm 25mm. 37.5mm 37.5mm. 50mm 50mm. D(沖頭長度). 10.45mm 10.45mm. 因子. 67. 10.55mm 10.55mm 10.65mm 10.65mm.
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