金屬板材微成形加工製程之成形性研究與應用---總計畫

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

金屬板材微成形加工製程之成形性研究與應用--總計畫 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-043-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系

計 畫 主 持 人 ： 黃佑民

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：劉銘倫

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 96 年 10 月 18 日

金屬板材微成形加工製程之成形性研究與應用---總計畫

計畫編號：95-2221-E-011-043

執行期間：95年8月1日至96年7月31日止

李經綸 淡江大學機電系 劉春和 清雲科技大學機械系

陳長成 北台灣科學技術學院機械系

中文摘要

本計畫之總體目標為分析金屬微成 形加工製程之成形性，目前進行之研究主 題有五項。各子計畫之目標如下：（一）

本子計畫由台灣科技大學機械工程系黃 佑民教授主持，進行「金屬薄板微成形加 工製程之基礎研究與應用」。（二）本子 計 畫 由 宜 蘭 大 學 機 械 系 盧 永 華 教 授 主 持，進行「金屬薄板微折邊成形性之研究 與應用」。（三）本子計畫由淡江大學機 電系李經綸副教授主持，進行「金屬薄板 微引伸成形性之研究與應用」。（四）本 子計畫由清雲科技大學機械系劉春和副 教授主持，進行「金屬薄板微壓印成形性 之研究與應用」。（五）本子計畫由北台 灣科學技術學院機械工程系陳長成副教 授主持，進行「金屬薄板 V 型微彎曲成形 性之研究與應用」。

細 節 請 參 考 各 子 計 畫 之 結 案 報 告。

關鍵詞：微成形、微折邊成形性、微壓印 成形性、V 型微彎曲成形性、微 引伸成形性

研究方法、進行步驟及執行進度

本整合型計畫採分工整合方式，總計 畫以「金屬薄板微成形加工製程之成形性 研究與應用」為題，下分五項子計畫。目 前於國內外有關金屬薄板微成形加工製程 之成形性研究方面，尚都還停留於各自研 究之階段，雖有數篇相關之論文發表，但 其內容尚未達到所謂之定論，故本整合型 計畫之研究為了縮短研究開發之時程，係 將金屬薄板微成形加工製程之成形性分析 之架構分為五項子計畫負責執行，再集合 各子計畫之成果完成金屬微成形加工製程 之成形性研究。因此，在第一年每一子計 畫以建立各子計畫本身之基礎研究為主，

每一子計畫必須達成本身所預期之目標，

方能進行第二年與第三年之深入研究與整 合，否則將會因整合性不足而影響其他子 計畫之執行。

第二年則以測試第一年所規劃建立之 金屬微成形實驗設備與基礎分析軟體為 主，各子計畫依其研究之需求，使用子計 畫一初步建立之實驗設備進行實驗、強化 實驗設備，探討微成形之尺寸效應，建立 量測技術並設計各子計畫應用例所需之模 具，進行模具加工，進而建立相關之技術。

此外，執行各子計畫分工合作所建立之基 礎模擬軟體，撰寫各子計畫之金屬微成形 製程之界面軟體並進行模擬，同時配合實

驗以驗證所研發之各項金屬微成形加工製 程之成形性分析軟體系統之正確性與可信 度。

第三年總計畫以整合各子計畫為主，

而各子計畫除了延續第二年之實驗外，並 繼續改善所研發之金屬微成形加工製程之 成形性專業分析軟體並同時進行應用例之 分析。研究之重點在於如何將研究成果予 以商業應用化，例如將金屬微成形加工製 程之成形性分析軟體系統之輸入與輸出予 以簡潔化與系統化，以改善程式之運算效 率，方便將來推廣至產業界應用。

各子計畫的詳細執行內容可參考子計 畫申請書，以下則針對各子計畫的執行成 果之重點做一說明：

子計畫一：金屬薄板微成形加工製程 之基礎研究與應用

(計畫主持人：黃佑民)

已執行完成之項目：

1. 實驗設備與量測儀器之安裝及測試（如 圖 1 所示）。

2. 完成控制介面的程式撰寫。

3. 完成拉伸試驗試片之標準製作流程。

4. 完成微拉伸試片之定位模組的設計與 製作。

圖 1. 系統機構寫真圖

子計畫二：金屬薄板微折邊成形性之研究 與應用

(計畫主持人：盧永華)

已執行完成之項目：

1. 完成以連體力學為基礎之收縮折邊，拉 伸折邊之理論推導。

2. 完成收縮折邊產生皺摺、拉伸折邊產生 頸縮時之臨界最大應變之判斷準則式。

3. 完成微收縮折邊、微拉伸折邊在 degenerated 殼元素下的 3D 有限元素 分析（如圖二 所示）。

4. 製作 25µm、50 mµ 、75 mµ 、100 mµ 之 微拉伸試片。

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Punch Stroke (mm) 0

5 10 15 20 25 30 35

Punch Force (N)

C=0 C=50

圖二 金屬薄板厚度 0.05 mm 下之衝頭力與 衝程之關係

子計畫三：金屬薄板微引伸成形性之研究 與應用

(計畫主持人：李經綸)

已執行完成之項目：

1. 進行掃描式電子顯微鏡及相關實驗設 備與軟體之操作訓練。

2. 進行有限元素分析軟體之操作訓練。

3. 建立微成形有限元素分析方程式。

4. 進行不同材料、不同料片厚度，及不同 晶粒尺寸之料片製作。

2. 製作試片進行微拉伸實驗，擷取材料機 械性質及異向性參數。

3. 進行微引伸成形的理論推導。

4. 進行微引伸成形的三維有限元素分析。

5. 完成圓杯微引伸成形之分析（如圖三所 示）。

6. 依據應力與應變分佈及料片厚度分佈 關係，探討不同材料參數及不同模具參 數對微引伸成形性之影響。

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 Punch stroke (mm)

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00

Punch load (N)

micro isoclearance drawing micro isoclearance drawing micro isoclearance drawing

圖三 圓杯微引伸成形之衝程負荷圖

子計畫四：金屬薄板微壓印成形性之研究 與應用

﹙計畫主持人：劉春和﹚

已執行完成之項目：

1. 完成磁力微壓印設備之設計與製作（如 圖四所示）。

2. 電磁場量測軟硬體之設置完成。

3. 完成磁力強度之模擬技巧與微壓印成 形之製程模擬。

4. 進行解析程式初步測試與整合。

5. 完成實驗規範並進行成形機之操作訓 練。

6. 完成與其它子計畫整合工作之配合與 相關參數之整合。

圖四 磁力微壓印設備

子計畫五：金屬薄板 V 型微彎曲成形性之 研究與應用

﹙計畫主持人：陳長成﹚

已執行完成之項目：

1. 完成建立金屬薄板 V 型微彎曲成 形實驗規劃，主要包括 V 型微彎 曲成形試片之製作與 V 型微彎曲 成形實驗模具之建構兩部分。

2. 完成金屬薄板 V 型微彎曲成形試 片之製作：試片厚度為 200 mµ 、 150 mµ 、100 mµ 、50 mµ 等四 級。而晶粒尺寸設定為 70 mµ 、 50 mµ 、25 mµ 、10 mµ 等四級。

試片數量依據每一種厚度分為晶 粒四個等級，每個等級製作 5-10 片。

3. 完成金屬薄板 V 型微彎曲成形實 驗模具之製作，包括衝頭之製 作、V 型模(下模)之製作及量測 系統之裝設等，以及與子計畫一 之金屬微成形實驗機台上進行實 驗時的連結細節等（如圖五所 示）。

圖五 V 型微彎曲實驗測試

各子計晝之關聯性

本計畫為一個整合型計畫，其各部 分相關的研究方法及進行步驟，已分年 份分述於各個子計畫中，整體架構則由 總計畫主持人負責協調與督導。各子計 畫採購之硬體設備，在台灣科技大學所

採購並建立之實驗平台設備將由各相關 研究人員共同使用。其它子計畫採購 者，原則上分置於各校，有必要時，再 洽商共用。軟體及資料則盡量透過電腦 網路共用，以收整合之效。研究成果與 經驗，亦隨時透過電腦網路共用。並視 研究進展，不定期聚會討論。

完成之工作項目及成果

在整合型計畫方面，已得到之成果說明 如下：

1. 各子計畫已完成其實驗設備之採購、架 設與測試，並設計製作其相關之實驗設 備如模具、衝頭等。

2. 各子計畫已推導出其適用之有限元素 方程式，並進行初步模擬測試與整合。

3. 完成金屬薄板試片之製作，各詳細厚度 請參照各子計畫內容。

4. 配合子計畫一之微成形設備，設計適 用於各子計畫之模具。