金屬微成形製程分析及其應用---總計畫

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

金屬微成形製程分析及其應用--總計畫 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-002-

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 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

共 同 主 持 人 ： 張朝誠、林恆勝、陳聰嘉

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：卓震 碩士班研究生-兼任助理人員：黃仁佑 博士後研究：蔡毅瑋

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 99 年 10 月 18 日

1

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ ^{成果報告 成果報告 成果報告 成果報告}

□ ^{期中進度報告 期中進度報告 期中進度報告 期中進度報告}

金屬微成形製程分析及其應用 金屬微成形製程分析及其應用 金屬微成形製程分析及其應用

金屬微成形製程分析及其應用－ － －總計畫 － 總計畫 總計畫 總計畫

計畫類別： □ ^{個別型計畫} ■ ^{整合型計畫}

計畫編號：NSC 98－2221－E－011－002

執行期間： 98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日 執行機構及系所：國立台灣科技大學機械系

計畫主持人：黃佑民教授

共同主持人：林恆勝副教授 高雄應用科技大學模具系 張朝誠助理教授 高雄應用科技大學模具系 陳聰嘉副教授 勤益科技大學機械系

計畫參與人員：蔡毅瑋、卓震、黃仁佑

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)： ■ ^精簡報告 □ ^完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權， □ ^一年 ■ ^{二年後可公開查詢}

中 華 民 國 99 年 10 月 12 日

2 中文摘要中文摘要

中文摘要中文摘要

本整合型計畫以「金屬微成形製程及其應用之研究」為題，是由下列四項子計畫

整合而成。

1. 超音波輔助加工於金屬微成形製程之研究（計畫主持人：黃佑民）

2. 純銅微擠製製程及其應用之研究 （計畫主持人：林恆勝）

3. 微旋鍛成形分析與製程應用之研究（計畫主持人：張朝誠）

4. 金屬薄板矩形材微拉/引伸製程之研究 （計畫主持人：陳聰嘉）

本年度之工作為架構每一子計畫所需要之實驗設備，例如，模具、超音波輔助系統、微引伸 機台、具溫度控制之微擠製系統以及微旋鍛機台等等。本整合型計畫之目的在於探討各種微成形製程 加工技術，並利用這些加工技術針對溫度、晶粒尺寸、表面粗糙度、潤滑等因素對於微成形製程加工 之影響。

關鍵詞：微成形製程，微擠製製程，微旋鍛製程，微拉/引伸製程

Abstract

The aim of this proposal is to develop and create several kinds of micro forming processes

manufacturing in order to investigate the effects of temperature, grain size, roughness and lubrication on the process of producing metal micro parts. This integrated research includes four sub-proposals as following titles：

1. A Study of Ultrasonic aided system on Metal Micro-Forming Processes 2. A Study of Micro-Extrusion Processes of Copper and its Applications 3. Forming Analysis and Process Applications of Micro Rotary Swaging

4. A Study on Micro Stretch/Drawing Processes of Metallic Thin Rectangular Blank

In first year, each sub-proposal should set up its own equipments, such as dies, ultrasonic aided system, micro drawing machine, micro extrusion system with temperature control, and micro rotary swaging machine.

Key words: micro-forming processes, micro-extrusion, micro- rotary swaging, micro-stretching/drawing

研究方法 研究方法 研究方法

研究方法、、、進行步驟及執行進度、進行步驟及執行進度進行步驟及執行進度 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「金屬微成形製程分析及其應用」為題，下分四項 子計畫。目前於國內外有關金屬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，係將金屬微成形加工製程之成形性分析之架構分為四項子計畫負責執行，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，本年度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，方能進行日後深入研究與整合，否則將會因整合性 不足而影響其他子計畫之執行。

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進行 說明：

3

子計畫一：超音波輔助加工於金屬微成形製程之研究

（計畫主持人：黃佑民）

已執行完成之項目：

1. 完成超音波加工機台之設計與組立。

2. 完成超音波模具之設計與加工，如圖1所示。

3. 完成CCD量測設備之組立，如圖2所示。

4. 有無超音波之成形履歷，如圖3所示。

5. 有無超音波衝頭負荷之關係。

6. 超音波振幅與衝頭負荷之關係。

7. 超音波振幅與回彈角(spring back)之關係。

8. 衝程速度與回彈角(spring back)之關係。

9. 完成超音波輔助彎曲成形之連續步驟圖，如圖4所示。

圖1 超音波模具之組立圖

4 圖2 CCD量測設備組立圖

圖3 有無超音波之成形履歷

5

子計畫二：微旋鍛成形分析與製程應用之研究

（計畫主持人：林恆勝）

已執行完成之項目：

1. 模擬模型之建立與參數之設定，如圖5和表1所示。

2. 模具圓角對等效應變之影響。

3. 模具片數對等效應變之影響。

4. 模具傾角與圓角對扭轉角之影響。

5. 完成不鏽鋼管之試做，如圖6所示。

圖5 各參數之概述圖

表1 模擬參數之設定

製程參數 模擬參數設定

工件材質 AISI-304，彈塑性

塑流應力 σ =223.049ε^0.34ε&^0.076+329.24

旋鍛模具性質 剛性

模具片數 二、三、四

下壓進給量(µm) 0.387

模具傾角 α (°) 7.5、10、12.5

圓角參數(mm)

二片 0.1、0.2、0.3

三片 0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.1 四片 0.02、0.03、0.04、0.05、0.06

摩擦因子 0.05、0.1、0.15

圖6 不鏽鋼管之試做成品

6

子計畫三：純銅微擠製製程及其應用之研究

（計畫主持人：張朝誠）

已執行完成之項目：

1. 溫度控制微擠製成形實驗平台之設計與建構，如圖7所示。

2. 等徑轉角擠製細化純銅晶粒。

3. 溫度與晶粒尺寸對材料流動之影響。

4. 微金屬圓杯之成品製作，如圖8所示。

(a) 實驗平台示意圖

圖 7. 溫度控制微擠製成形實驗平台 (b) 實驗平台組合圖

(d) 不同成形溫度之變形 (c) 壓縮試片

Heating cell Die

Upward and downward movement driver

Insulation layer

Thermal couple

Testing machine base Punch

Movement controller and data acquisition system (equipped within the Universal Testing Machine)

Heating and temperature controller

7

子計畫四：金屬薄板矩形材微拉/引伸製程之研究

（計畫主持人：陳聰嘉）

已執行完成之項目：

1. 完成微引伸機台之設計與組立，如圖9所示。

2. 完成微U型彎曲之模具之設計，如圖10所示。

3. 完成微U型彎曲製程之變形履歷模擬，如圖11所示。

4. 完成微U型彎曲實驗之參數設定，如表2所示。

圖 9 微拉/引伸機台系統

(a)成品壁厚為 0.1mm (b)成品壁厚為 0.2mm (c)成品壁厚為 0.4mm 圖 8 微逆向擠製微型圓杯成品圖

(外徑 2 mm。圖中成品由左至右分別為 800℃退火 500℃退火與 ECAE 處理之純銅)

8 圖10 模具之示意圖

圖 11 微 U型 引 伸 之 變 形 履 歷 模 擬

各子計畫之關連性 各子計畫之關連性 各子計畫之關連性 各子計畫之關連性

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。

Punch

Holder

Blank

Die

9 計畫成果自評

計畫成果自評 計畫成果自評 計畫成果自評

（1）建立微成形實驗之平台，可提供產學界進行實驗。

（2）將金屬薄板塑性成形理論可適用於金屬薄板微成形加工之製程技術之範圍予以定論化與 CAE 程 式化，並提供產學界參考。

（3）傳統的實驗方法可適用的微成形範圍予以定論化，並將實驗步驟予以明確化，進而提供產學界參 考。

（4）提出超音波輔助成形方法改善微成形所遭遇之瓶頸和問題，將其結果提供產學界參考。

（5）提出微旋壓法製作微管件，將其結果提供產學界參考。

（6）提出ECAE法細化晶粒，並以所獲得之細晶粒材料進行微擠製實驗，將其結果提供產學界參考。

（7）提出微U型引伸法，探討不同加工參數對於U型引伸之影響，將其結果提供產學界參考。

（8）藉由研究之過程培育研究人才，以期將來能將所學應用於產業界，對產業界研發能力之提升將有 所助益。

無研發成果推廣資料

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：黃佑民 計畫編號：98-2221-E-011-002- 計畫名稱：金屬微成形製程分析及其應用--總計畫

量化

成果項目 ^{實際已達成}

數（被接受 或已發表）

預期總達成 數(含實際已

達成數)

本計畫實 際貢獻百

分比

單位

備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...

等）

期刊論文 1 1 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 5 5 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100%

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 12 12 100%

博士生 1 1 100%

博士後研究員 1 1 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 4 4 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 8 8 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100% 章/本

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

其他成果

(

無

成果項目 量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科 教 處 計 畫 加 填 項

目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因 說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

（1）建&amp；#63991；微成形實驗之平台，可提供產學界進&amp；#64008；實驗。

（2）將&amp；#63754；屬薄板塑性成形&amp；#63972；&amp；#63809；可適用於&amp；

#63754；屬薄板微成形加工之製程技術之範圍予以定&amp；#63809；化與 CAE 程式化，並 提供產學界&amp；#63851；考。

（3）傳統的實驗方法可適用的微成形範圍予以定&amp；#63809；化，並將實驗步驟予以 明確化，進而提供產學界&amp；#63851；考。

（4）提出超音波輔助成形方法改善微成形所遭遇之瓶頸和問題，將其結果提供產學界參 考。

（5）提出微旋壓法製作微管件，將其結果提供產學界參考。

（6）提出 ECAE 法細化晶粒，並以所獲得之細晶粒材料進行微擠製實驗，將其結果提供產 學界參考。

（7）提出微 U 型引伸法，探討不同加工參數對於 U 型引伸之影響，將其結果提供產學界 參考。

（8）藉由研究之過程培育研究人才，以期將&amp；#63789；能將所學應用於產業界，對 產業界研發能&amp；#63882；之提升將有

所助&amp；#64023；。