SCREWKING
頭部成型極限：為什麼小螺絲的頭反而更難做
結論先講：冷鍛一次能鍛粗多少，有實務上限。 一般鋼材單道的 upset ratio 常見指引約 2.25–2.3，兩道約 4.5——這是設計指引不是標準規定， 會隨模具支撐、自由長度、材料狀態、摩擦與預成形幾何而變。 而且這是宏觀尺寸的數字。 微成形研究指出，同一材料的可達 upset ratio 會從宏觀約 2.3 降到微尺度約 1.6—— 尺寸縮小，成型極限跟著變嚴，不是等比例縮小而已。
Upset ratio 是什麼
冷鍛做頭，是把線材伸出模具的一段擠短、擠粗。 伸出來那一段的長度除以線徑，就是 upset ratio。
upset ratio ＝ 被鍛粗的長度 ÷ 原始線徑
超過上限會怎樣？兩種：伸出去太長會挫曲（buckling）， 歪掉之後鍛出來的頭是偏的；或是材料被擠得太急， 在頭部與桿部交界處折疊（folding）或裂開。
所以頭大的螺絲要多道成型。頭徑相對桿徑大很多的螺絲，多半要先預成形再成形（實際需要幾道，還要看頭高、頭型、槽穴體積與支撐，不是單看直徑比就能定）——這就是為什麼同樣一顆螺絲， 改個頭型可能是換一副模，也可能是整條製程重排。
為什麼小尺寸的極限更嚴
直覺上，成型是幾何問題，等比例縮小應該一樣。實際不是。 微成形領域把這叫做尺寸效應（size effect）： 當零件尺寸接近材料的晶粒尺寸時，材料的行為會改變。
- 晶粒數量變少。宏觀件的斷面裡有成千上萬個晶粒， 統計上很均勻；微型件的斷面可能只有幾十個。 單一晶粒的方向與強度，開始影響整體結果。
- 表面晶粒占比升高。表面的晶粒受到的拘束比內部少， 流動行為不同。零件越小，這些「不受拘束」的晶粒占比越高。
- 結果是離散變大。同一批線材、同一副模， 微型件的成型結果比宏觀件更不一致。
所以把宏觀的 2.3 當成 M1.4 的可用值，是危險的。 有微成形研究報告可達值降到約 1.6。 但 1.6 同樣不是 M1.4 的通用上限——它是該研究在其材料與條件下的結果。 真正該記住的是方向：尺寸縮小，餘裕變少，而且離散變大。 實際能做到多少，要用你的線材與幾何打樣確認。
裂紋預測：模擬有用，但不要當成保證
業界會用 Cockroft-Latham 延性破壞準則搭配有限元模擬， 在開模前預測裂紋。有一份針對 M2.6×5 TORX 螺絲 （SUS304）的研究顯示，把第一道預成形上模的頂部突出形狀改掉之後， 裂紋關注點的破壞值從 0.594 降到 0.392，約 34%。
但那篇研究的作者自己講得很清楚：C-L 值只供相對比較。 他們沒有用實驗取得臨界值，不能單憑這個數字判定會不會裂。
而且在微尺度上還有另一層問題：傳統延性破壞準則沒有納入 晶粒尺寸與表面晶粒效應，未經校正就外推到微型件並不可靠。
實務上的意義：模擬可以用來比較「A 方案和 B 方案哪個好」， 不能用來宣稱「這個設計不會裂」。 會不會裂，還是要打樣打出來看。
模具不是被訂單消耗掉的
談到客製，最常見的顧慮是「模具費會不會很貴」。 這個問題要看的不是模具本身多少錢，而是它能做多少支。
| 工具 | 壽命 |
|---|---|
| 平模（搓牙板） | 平均超過 200 萬支 |
| 直桿件標準模 | 約 20 萬支 |
| 碳化鎢沖頭 | 150 萬 – 300 萬模次 |
| 高速鋼沖頭（同規格） | 約 15 萬支 |
依上表，一萬支的訂單約用掉模具壽命的 0.3% 到 6.7%。
也就是說模具通常不是被單筆訂單消耗掉的。 但「回單要不要再收模具費」是合約條款，不是技術結論—— 模具的所有權、保管、維修與報廢由誰負擔，各家做法不同。 所以該問的不是「模具多少錢」，而是 「一次性收還是攤進單價、回單還收不收、模具保留多久、壞了誰負擔」。
⚠️ 上表為業界一般量級，並非適用所有工具、材料與零件幾何的通用值； 碳化鎢與高速鋼的數字來自 M6 DIN 912／SCM435 的個案。 實際壽命請以供應商的實測資料為準。
問供應商什麼
- 這個頭型在這個尺寸要幾道成型？道數直接影響模具數量與交期
- 你們的 upset ratio 上限抓多少？用宏觀值還是有針對小尺寸調整
- 有沒有做成型模擬？如果有，是用來比較方案還是當保證
- 沖頭是碳化鎢還是高速鋼？壽命差 10–20 倍，成本結構完全不同
- 模具是定期換還是壞了才換？有在追模次嗎？ 磨耗是慢慢壞可以預排，疲勞破裂是突然壞會停線
參考資料
- Padfield & Bhupatiraju, “Cold Heading,” ASM Handbook, Vol. 14A, 2005
- Talangkun, “Design of the semi-closed die for shaping thick coin-like carbon steel parts in a single operation,” SN Applied Sciences 5, 176 (2023)
- Seo et al., “Design of Cold Heading Process of a Screw for Storage Parts,” Transactions of Materials Processing 20(1), 2011
- Ran, Fu, Chan & Kwan, “The influence of size effect on the ductile fracture in micro-scaled plastic deformation,” International Journal of Plasticity 41 (2013)
- Nickel Institute — Cold Forming Stainless Steel Bar and Wire
部分文獻需付費取得全文。本文引用的數值為各研究在其條件下的結果， 不是通用設計值；實際製程參數請以打樣與供應商確認為準。
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