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研究生: 王冠曇
Wang, Kun-Tan
論文名稱: 鋅鋁合金微壓印成形之研究
Investigation on Micro-Indentation of Zn-Al Alloy
指導教授: 李榮顯
Lee, Rong-Shean
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 60
中文關鍵詞: 鋅鋁合金微壓印微成形
外文關鍵詞: micro-identation, micro-forming, Zn-Al alloy
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  • 一般尺寸之塑性成形製程之研究在國內已具備基礎,但以微細塑性加工或微成形(micro-forming)製程來製作微小結構件,則少有研究。
    本文以矽基材料與模具鋼製作微型模具,對Zn-Al合金進行微壓印成形(micro-indentation)試驗,以探討不同成形溫度與試件尺寸大小對成形負荷與成形高度之影響。並利用有限元素分析軟體DEFORM-3D分析在不同的成形溫度、摩擦係數、材料厚度與模穴幾何尺寸下,對於Zn-Al合金成形特性之影響。
    由實驗結果顯示,成形溫度對材料的塑流應力、摩擦係數、成形負荷與成形高度有相當的影響,而試件尺寸大小對成形負荷與成形高度有顯著的影響。惟因矽晶圓模具較脆,故材料可成形溫度需比以模具鋼為模具之材料還高。模擬結果與實驗結果相比較顯示摩擦因子與模穴幾何尺寸均是影響Zn-Al合金在微壓印成形之成形特性的重要參數。模擬之網格尺寸必須與試件之幾何尺寸及晶粒大小大小匹配,才能減少模擬誤差之產生。

    Forming technologies for general size parts have been well developed in Taiwan. However, little research work was done in forming of micro-scaled parts in local industry and academy.
    In this thesis, silicon-based materials and die steels are used to perform micro-indentation experiments on Zn-Al alloys. Effects of forming temperature and specimen size upon forming load and forming height are studied and corresponding finite-elements simulations are performed in order to obtain the forming characteristics of Zn-Al alloys.
    Experimental results show that forming temperature has much effect on flow stress, frictioncoefficient, forming load and forming height. The specimen size
    has significant effects on the forming load and forming height. Due to the relatively brittle characteristics of silicon-based dies, higher forming temperatures are needed compared with the conditions using die steel . The simulated results were compared with the experimental results and demonstrated that the friction factor and die cavity geometry are important process parameters during micro-indentation of Zn-Al alloys.The specimen dimension and grain size must match the mesh size of simulation to reduce simulation errors.

    總目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 總目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 IX 符號說明 X 第一章 前言 1 1-1概述 1 1-2文獻回顧 1 1-3本文研究範疇與論文架構 5 第二章 實驗方法 6 2-1實驗目的 6 2-2實驗設備與材料 6 2-2-1實驗設備 6 2-2-2實驗材料與模具 9 2-3恆溫圓環壓縮試驗 12 2-4微壓印成形試驗 13 第三章 電腦模擬分析 14 3-1收斂性分析 14 3-2 CAD模型建立 15 3-3假設模式 17 3-4參數設定 19 第四章 結果與討論 24 4-1模具製程 24 4-1-1 SKD11模具之製程 24 4-1-2矽模具之製程 25 4-2恆溫圓環壓縮試驗 27 4-2-1實驗結果 27 4-2-2定剪摩擦修正曲線 28 4-2-3 Zn-Al合金塑流應力行為特徵 30 4-3 Zn-Al合金微壓印製程 32 4-3-1 Zn-Al合金微壓印實驗結果 32 4-3-2 Zn-Al合金微壓印後之顯微組織 35 4-4 Zn-Al合金微壓印成形模擬分析 39 4-4-1 模擬結果 40 4-4-2模擬驗證比對 52 第五章結論與建議 56 5-1結論 56 5-2建議 57 參考文獻 圖目錄 圖2-1 SAGINOMIY 100噸動態成形試驗機 8 圖2-2數據擷取系統裝置圖 8 圖2-3 Geni DAQ使用介面 9 圖2-4未壓印之試件的金相顯微組織圖 10 圖3-1上模模型 16 圖3-2胚料模型 16 圖3-3下模及模穴模型 16 圖3-4模具及胚料之CAD模型 17 圖3-5厚度=0.5mm之試件網格細化尺寸 20 圖3-6厚度=1mm之試件網格細化尺寸 21 圖3-7厚度=2mm之試件網格細化尺寸 21 圖3-8胚料網格分佈圖 22 圖3-9模擬的速度邊界條件之設定 22 圖4-1 SKD11經微放電加工後之表面粗度值 24 圖4-2長方型陣列SKD11模具經微放電加工後之形狀尺寸 25 圖4-3尺寸位置圖 26 圖4-4 Lee及Altan之校正曲線 29 圖4-5胚料在100℃之定剪摩擦校正曲線 29 圖4-6胚料在200℃之定剪摩擦校正曲線 30 圖4-7 Zn-Al合金塑流應力圖 31 圖4-8 ZnAl經SKD11模具微壓印後之形狀 32 圖4-9 Zn-Al合金經矽晶模具微壓印後之形狀 33 圖4-10以SKD11長方形塊狀模穴之壓印成形高度與負荷 34 圖4-11以矽晶圓長方形塊狀模穴之壓印成形高度與負荷 34 圖4-12厚度0.5mm之試件在100℃經SKD11模具壓印後之金相顯微組織圖 35 圖4-13厚度1mm之試件在100℃經SKD11模具壓印後之金相顯微組織圖 35 圖4-14厚度2mm之試件在100℃經SKD11模具壓印後之金相顯微組織圖 36 圖4-15厚度0.5mm之試件在200℃經SKD11模具壓印後之金相顯微組織圖 36 圖4-16厚度1mm之試件在200℃經SKD11模具壓印後之金相顯微組織圖 37 圖4-17厚度2mm之試件在200℃經SKD11模具壓印後之金相顯微組織圖 37 圖4-18厚度0.5mm之試件在250℃經矽晶圓模具壓印後之金相顯微組織圖 38 圖4-19厚度1mm之試件在250℃經矽晶圓模具壓印後之金相顯微組織圖 38 圖4-20厚度2mm之試件在250℃經矽晶圓模具壓印後之金相顯微組織圖 39 圖4-21 Zn-Al合金模擬之溫度-充模負荷關係圖 40 圖4-22 Zn-Al合金模擬之成形負荷-成形高度關係圖 41 圖4-23(a)厚度=2mm之胚料在100℃之模擬成形應力分佈 43 圖4-23(b)厚度=2mm之胚料在100℃之模擬成形應變分佈 43 圖4-23(c)厚度=2mm之胚料在100℃之模擬成形流向分佈 44 圖4-24(a)厚度=1mm之胚料在100℃之模擬成形應力分佈 44 圖4-24(b)厚度=1mm之胚料在100℃之模擬成形應變分佈 45 圖4-24(c)厚度=1mm之胚料在100℃之模擬成形流向分佈 45 圖4-25(a)厚度=0.5mm之胚料在100℃之模擬成形應力分佈 46 圖4-25(b)厚度=0.5mm之胚料在100℃之模擬成形應變分佈 46 圖4-25(c)厚度=0.5mm之胚料在100℃之模擬成形流向分佈 47 圖4-26(a)厚度=2mm之胚料在200℃之模擬成形應力分佈 47 圖4-26(b)厚度=2mm之胚料在200℃之模擬成形應變分佈 48 圖4-26(c)厚度=2mm之胚料在200℃之模擬成形流向分佈 48 圖4-27(a)厚度=1mm之胚料在200℃之模擬成形應力分佈 49 圖4-27(b)厚度=1mm之胚料在200℃之模擬成形應變分佈 49 圖4-27(c)厚度=1mm之胚料在200℃之模擬成形流向分佈 50 圖4-28(a)厚度=0.5mm之胚料在200℃之模擬成形應力分佈 50 圖4-28(b)厚度=0.5mm之胚料在200℃之模擬成形應變分佈 51 圖4-28(c)厚度=0.5mm之胚料在200℃之模擬成形流向分佈 51 圖4-29 Zn-Al合金微壓印成形之實驗與模擬的充模負荷比較圖 53 圖4-30(a)Zn-Al合金微壓印成形之實驗與模擬的成形高度比較圖 53 圖4-30(b)Zn-Al合金微壓印成形之實驗與模擬的成形高度比較圖 54 圖4-31 Zn-Al合金之不同定剪摩擦因子的模擬充模負荷比較圖 54 圖4-32 Zn-Al合金之不同模穴幾何尺寸的模擬充模負荷比較圖 55 表目錄 表2-1鋅合金之化學組成成份( ﹪) 9 表2-2圓環壓縮試驗規劃表 12 表2-3微壓印成形實驗之規劃表 13 表3-1收斂性分析差異數值表 15 表3-2胚料網格分割狀況 20 表3-3 Zn-Al合金微壓印成形模擬條件規劃 23 表4-1以矽晶圓進行模具製作,原始設計、顯影後、RIE蝕刻後、KOH蝕刻後尺寸結果 26 表4-2胚料100℃,壓縮量及高度、內徑減縮比 28 表4-3胚料200℃,壓縮量及高度、內徑減縮比 28

    1.DEFORM System User Manual, Scientific Forming Technologies Corporation, Apr. 1, 1995.
    2.Geiger, M., A. Mebner,U. Engel,R. Kals and F. Vollertsen,“Metal Forming of Micro Parts for Electronics,” Production Engineering, Vol. II/1, pp. 15-18 (1994).
    3.Geiger, M., A. Mebner,U. Engel,R. Kals and F. Vollertsen ,“Design of Micro-forming Processes – Fundamentals, Material Data and Friction Behaviour,” Proceedings of the 9th International Cold Forging Congress, Solihull, UK, pp. 155-164 (1995).
    4.Geiger,M.,M. Kleiner,R. Eckstein,N. Tiesler and U. Engel, Microforming”,Keynote Paper ,Annals of the CIRP Vol 50/2/2001.
    5.Kobayashi, S., S. I. Oh and T. Altan, “Metal forming and the finite-element method”, Oxford university press, New York, 1998.
    6.Loffler, Hans,“Structure and Structure Development of Al-Zn Alloys”,Akademie Verlag GmbH,Berlin,pp.432-438,1995。
    7.Lee, G. B., “Surface-Micromachined Magnetically-activated Mirror and Its Application on a 4 x 4Fiber-Optic Switch,” 中華民國力學學會第23屆全國力學會議論文集,第2冊,新竹(1999)。
    8.Leopold, J., “Foundations of Micro – Forming,” Advanced Technology of Plasticity, Proc. 6th ICTP, Nuremberg, Germany, Vol. II, pp. 883-888 (1999).
    9.Messner, A, U. Engel,R. Kals and F. Vollertsen “Size Effect in the FE-simulation of Micro-forming Process,” Journal of Material Processing Tecnology, Vol. 45, pp. 371-376 (1994)。
    10.Neugebauer, R.,A. Schubert,J. Kadner and T. Burkhardt , “High Precision Embossing of Microparts,” Advanced Technology of Plasticity, Proc. 6th ICTP, Nuremberg, Germany, Vol. II, pp. 921-926 (1999).
    11.Picart, P. and J. F. Michel, “Effects of Size and Texture of the Constitutive Behaviour for very Small Components in Sheet Metal Forming,” Advanced Technology of Plasticity, Proc. 6th ICTP, Nuremberg, Germany, Vol. II, pp. 895-900 (1999)
    12.Raulea,L. V., L. E. Govaert, and F. P. T. Bauijeus, “Grain and specimen size effects in processing metal sheets,” Advanced Technology of Plasticity, Vol. II, Proceeding of the 6th ICTP, Setp. 19-24, 1999.
    13.Saotome, Y. and H.Iwazaki,“Superplastic backward microextrusion of microparts for micro-electro-mechanical systems”,Journal of Materials Processing Technology,119,307-311,2001.
    14.Saotome, Y.,K.Imai,S.Shimizu,T.Zhang and A.Inoue, “Superplastic forming of nano/micro 3D-structure with PT-based metallic glass”,Advanced Technology of Plasticity,Vol.2,Proceeding of the 7 ICTP,Oct 28-31,2002.
    15.Tiesler, N., U. Engel, and M. Geiger, “Forming of Microparts – Effects of Miniaturization of Friction,” Advanced Technology of Plasticity, Proc. 6th ICTP, Nuremberg, Germany, Vol. II, pp. 889-894 (1999).
    16.李榮顯著,“塑性加工學”,三民書局,pp.50-70,1986。
    17.李雄,“超塑性成形發展概況”,中國機械工程學會雙月刊,191期,pp.65-75,1998。
    18.吳政宏,“高縮減壓延製程之參數模擬分析”,碩士論文,國立成功大學機械工程研究所,pp.25-39,2002。
    19.航發訓練中心, “85年度經濟部科技專案業界培訓計劃, 航太鍛件驗證系統技術研討會教材”, 1996。
    20.張哲偉,” 雷射LIGA製程應用於繞射式光學元件之製作,” 中國機械工程學會第十六屆全國學術研討會論文集,第五冊新興工程技術,新竹,pp. 5 - 12 (1999)。
    21.許博淵,”LIGA spinnerets for microfibers,” 中國機械工程學會第十六屆全國學術研討會論文集,第五冊新興工程技術,新竹,pp. H062 – H068 (1999)。
    22.許光城,尺度效應與表面狀況在細微結構件塑性成形製程參數之研究(I),國科會專題研究成果報告,計畫編號NSC 89-2212-E-151-023- (2000)。
    23.許光城,“尺度效應與表面狀況在細微結構件塑性成形製程參數之研究(Ⅱ)”,國科會專題研究成果報告,計畫編號NSC90-2212-E-151-002-(2002)。
    24.曾建凱,”微膠電泳晶片應用在DNA分子之偵測,” 中國機械工程學會第十六屆全國學術研討會論文集,第五冊新興工程技術,新竹,pp. 37 - 44 1999。
    25.楊國和,“鑄模材料對鋅基合金快速模具顯微組織及機械性能的影響”,國科會專題研究成果報告,計畫編號89-2216-E-151-005-(2000)。
    26.劉偉均,”超精密加工之回顧與現狀,”中國機械工程學會會刊,Vol. 163, pp. 45-59,1988。

    下載圖示 校內:2005-07-30公開
    校外:2005-07-30公開
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