基于智能制造的牙板模工藝設計

劉波　劉銳　李濤

摘? ?要：本研究以圓弧尖尾牙板模制造為例提出CAD/CAM協同整合制造系統。本架構應用目前中小型制造業導入較多的電腦輔助設計與電腦輔助制造軟件來完成，將SolidWorks與Master CAM兩種軟件結合、采用四軸半切削中心機對牙板模進行幾何實體模型設計與制造的方法;利用SolidWorks進行實體模型設計，依完整的實體模型配合Master CAM定義刀具參數、切削模擬、轉NC后處理程序，再經由Excel修正程序后直接傳輸制CNC切削中心機械完成實體制造。完成后牙板模進行螺絲滾壓實驗階段，再經由制造業者使用經驗數據修正。綜合上述過程，使快速而有效逼近理論曲線與曲面，將幫助制造業者快速研發、實驗，更有效改善制造流程及品質。本研究測試結果有助于牙板模制造業者縮短單一組生產總時間約50%～60%的效率。

關鍵詞：實體模型? CAD? CAM? 制造系統

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0080-02

螺絲工業雖然不是尖端科技工業，但其產品是機械、電子、電機、汽車、高科技航空業、土木建筑等;涵蓋所有產業不可或缺的基本零件，所以工業化程度愈高的國家對螺絲產品的需求量也愈大;螺絲產品在我們日常生活中也是不可或缺的工業必需品。因此螺絲在工業上負有重要任務，只要地球上有工業存在的一天，則螺絲的功能永遠重要。螺紋滾壓加工方法是一種優質、高效率、低成本的無屑加工制造方法，這種加工方法在螺紋加工中已應用了百余年，但對于如何在切削材料上完成精密螺紋的滾壓加工仍然為世界各先進工業國家研究的重要課題。精密螺紋滾壓加工除了改善及開發快速、精密的滾壓加工機器之外，于滾壓加工中所使用的牙板模具也是研發的重要課題。

本文提出CAD/CAM協同整合制造系統的方法，能使其模面快速而有效逼近理論曲線與曲面。將幫助牙板模制造業者快速研發、制造、實驗、修正，更有效改善牙板模制造流程及品質，因應日趨國際化與自由化的市場環境，提升整體競爭能力。

1? 螺紋滾壓加工及牙板模加工工藝

1.1 螺紋滾壓加工

1.1.1 螺紋滾壓成型過程

搓牙工藝又稱螺紋滾壓成型，其滾壓過程系以圓柱型的材料在常溫之下使用帶有牙紋之模板，強迫壓入并滾動使圓柱的外表在牙板模內型成螺紋，以下為螺紋滾壓成型過程及胚料金屬流向分成五個階段說明：

第一階段：圓柱型的螺紋胚料進入牙板模內，稱之為進料段。

第二階段：螺紋胚料在牙板模滾壓1～3圈時，牙板模必須迫使胚料能依序模面的牙紋滾動，通常牙板模模面。

須制造一系列數條平行于螺桿軸線的V凹槽，以幫助螺紋胚料順利在模面順著牙紋滾動，稱之為螺紋咬入段。

第三階段：螺紋胚料在牙板模滾壓3～5圈時，胚料在牙板模模面順利滾動并漸漸將螺紋成型，稱之為螺紋型成段。

第四階段：螺紋胚料滾壓至牙板模2/3處時，螺紋成型完成并切斷托料，稱之為螺紋成型完成段。

第五階段：螺紋胚料在牙板模滾壓最后1～3圈，將螺紋成型不完整部分精確整型以達到產品精度（IT5～4），最重要在此段必須進行圓弧尖尾的造型工程以及螺紋牙面擠壓，使其造成表面加工硬化（HRC30～40）及細緻化（Ra0.8～0.05μm），稱之為螺紋整型段。

1.1.2 螺紋滾壓優點

螺紋滾壓加工與螺紋切削加工相比，有以下明顯的優點：

（1）生產速度快、生產量高（200～400/min）。

（2）螺紋產品的尺寸分散率小、品質穩定，能維持高度的精確度（IT5～4）。

（3）螺紋產品具有優良的表面粗糙度。在螺紋的滾壓過程，胚料與牙板模間產生了相對滑動，螺紋零件在牙板模螺紋線表面上的不同點多次接觸，其滑動摩擦在螺紋零件表層產生輾平的作用，因此會使螺紋表面粗糙度佳（Ra0.8～0.05μm）。

（4）工藝中增進材料抗拉、抗剪及疲勞強度，因此螺紋制品具有很高的機械強度。由于金屬表層的加工硬化（HRC30～40），使得螺紋零件的抗拉強度（980MPa）極限比切削螺紋增加了10%～20%。在螺紋的滾壓過程中，螺紋的金屬表層獲得了纖維組織，齒根的纖維密集地沿著螺紋截形的外廓彎曲。因此使螺紋的抗剪強度和壓縮強度比切削螺紋者高18%～23%。在承受交變負載時，切削螺紋因切口底部牙根處會產生拉應力集中而疲勞破壞，但對滾壓螺紋，因牙根底部產生了冷作硬化而存在殘留的壓應力，使疲勞強度比切削螺紋者提高了40%～100%。對于淬火、回火后溫態滾壓的螺栓其機械強度（包括抗拉強度和疲勞強度）將會更高。

（5）滾壓螺紋的齒廓外緣具有較高的顯微硬度。螺紋滾壓后牙形的齒廓外緣具有較高的顯微硬度，同切削螺紋相比，它們的磨損抗力大約可增加30%。

（6）滾壓加工是一種無屑加工制造，因此比切削加工節省材料。同時，滾壓工具磨損比起別的切削加工工具來說要小得多，所以，滾壓加工模具之使用壽命相對也較長。

1.2 牙板模制造

目前大部分牙板模工藝以傳統工具機為主，前段工藝先以銑床銑削后再以磨床研磨牙板模胚體的外型。后段則是以成型的角度銑刀為牙紋切削工具，進行牙板模創成牙紋的工藝，經本研究針對后段牙紋創成的工藝方式訪視、調查得知，目前業者所采用的方法大致有三種方式;有部分業者是以臥式銑床附加仿削附件靠模法或引進深槽研磨機械制造牙板牙紋，也有部分業者導入臥式CNC銑床作經由程序控制銑制牙板中的牙紋。

2? 牙板模CAD/CAM協統整合系統分析

隨著科技的進步，消費者對產品的要求越來越多樣化，使產品的生命周期越來越短，因此產品的設計與制造的自動化是必然的趨勢，而電腦輔助設計（CAD）與電腦輔助制造（CAM）的電腦整合制造已經成為一般產業界不可或缺的工具，但使用大型的CAD/CAM軟件將使企業花更多購置設備成本、系統維護成本、花更長的訓練時間完成人力養成，卻是中小企業面臨莫大的挑戰。為讓中小企業成功轉型因應日趨國際化與自由化的市場環境，提升整體競爭能力。為解決中小企業面臨上述問題，本研究提出CAD/CAM協同整合研制系統，將幫助牙板模制造業者快速研發、實驗，有效改善制造流程及品質。

2.1 協統整合制造流程分析

本文所提協統整合制造系統僅對圓弧尖尾螺絲采用靠模仿削工藝的牙板模制造業者進行制造流程改善，依據牙板模原始工藝擬定本研究制造流程，其工藝系以牙板模胚體完成研磨六面體為材料，進行CNC切削中心機械實體制造，提出制造流程分析。

2.2 CAD/CAM協統整合制造系統架構

本架構應用目前中小型制造業導入較多的電腦輔助設計與電腦輔助制造軟件來完成，將SolidWorks與Master CAM兩種軟件結合、采用四軸半的切削中心機對牙板模進行幾何實體模型設計與制造的方法，CAD/CAM協同整合制造系統架構。依據產品制造特性利用SolidWorks進行實體模型設計，依完整的實體模型配合MasterCAM定義刀具參數、切削模擬、轉NC后處理程序，再經由Excel修正程序后直接傳輸至CNC切削中心機械完成實體制造。完成后牙板模進行螺絲滾壓實驗階段，再經由牙板模制造業者使用經驗數據修正;綜合上述過程達成既定目標。

（1）原始數據。

牙板模制造業者提供產品各分層加工制造流程原始數據，包括材料材質、材料尺寸、分層加工工作圖、完成工作圖，以便建立完整加工制造流程。

（2）樣本曲線。

靠模仿削模具原型數據，視為后段成型銑刀銑制牙板模中牙紋的工藝技術重點。

（3）建立實體模型與設計。

3D參數式輔助設計具有立即修改的特點與使用操作容易特性。本單元依據以上關鍵數據資料與分層加工工作圖等，利用SolidWorks輔助設計軟件分別進行實體模型建構設計。前段銑削及研磨加工依據的實體模型，其加工順序根據角度銑削、圓弧銑削及圓弧研磨。

（4）實體轉換。

SolidWorks與MasterCAM等兩系統廠商提供多種數據交換的格式，本研究采用ParasolidX_T交換格式作為兩系統互通的平臺，將SolidWorks所完成各分層加工實體模型皆以ParasolidX_T格式存檔，以作為MasterCAM讀取的原始文件數據。

（5）生成NC加工后處理程序。

經由MasterCAM讀取轉換ParasolidX_T文件，為各分層加工曲面架構進行曲面編輯，開始制作刀具路徑設置，定義刀具參數完成切削模擬的NCI文件，最后轉NC后處理程序。

后段牙板的牙紋須先將切削線投影致曲面，型成牙紋實際切削曲線路徑，根據曲線路徑設置切削面為Y、Z平面。

（6）修正NC加工程序。

本步驟為牙板模牙紋創成工藝視為本研究加工最重要部分，修正NC加工程序是為牙板模牙紋創成工藝中是以盤型銑刀來銑削而設計，因本工藝加工為Y、Z平面，進刀與退刀必須使用X軸方向;但上步驟由MasterCAM生成的NC程序，其刀具路徑設置退刀皆為Z軸方向，因此必須將刀具路徑有效、準確互調轉換修正才能完全符合切削路徑。本文運用Excel程序中函數獲取X、Y、Z軸數據加以數據判斷，然后正確互調轉換，將上步驟的NC程序修正完成輸出正確的切削路徑程序。

（7）CNC機械實體制造。

使用四軸半切削中心機將角度成型銑削、圓弧銑削、砂輪成型、研磨、滾制牙板牙紋等，多刀多工藝將可再同機一次完工。也解決機械待機及重覆校正、定位的問題，提升精度、高度彈性、省時省力、縮減制造成本。

（8）螺絲滾壓實驗。

完成的牙板模由經由廠內滾壓實驗，印證并記錄調整數據，再經螺絲制造業者滾壓螺絲使用于生產線，記錄生產總數量、牙板模磨損狀況，以作為原型曲線、曲面之分析及其改善依據。

（9）制造業者經驗修正。

技術人員與專家依據上步驟實驗所得的數據，進行經驗分析研判改進缺失。提供快速修正牙板模二次實體模型原型圖，變更后重覆執行上述制造流程，以下經修正后生產的牙板模。

3? 結語

本研究能使其快速而有效逼近理論曲線與曲面，將幫助牙板模制造業者快速研發、實驗修正高度彈性、高度整合性。可整合所有工藝，更有效改善制造流程及品質，因應日趨國際化與自由化的市場環境，提升整體競爭能力。實例測試顯示產品加工穩定性高，生產的螺絲真圓度比各家業者佳，經逐次改良過的三組牙板模的壽命測試結果顯示，本研究提出的方法對牙板模的壽命測試中前后提升兩倍以上，有效改善產品品質。

參考文獻

[1] 楊春立.我國智能工廠發展趨勢分析[J].中國工業評論，2016（1）：56-63.

[2] 劉云柏.互聯網思維下的智能制造構成和應用與意義[J].電子產品可靠性與環境試驗，2015，33（3）：1-6.

[3] 吳暐.智能加工技術在模具制造中的應用[J].科技資訊，2016，14（30）：61-62.

[4] 南長峰.模具設計與制造技術的發展趨勢[J].航空制造技術，2015（9）.

[5] 羅禎，王維濤，李曉耘.模具的發展與智能制造的實現[J].金屬加工（冷加工），2015（2）：24-25.