基于智能制造的牙板模工艺设计

刘波　刘锐　李涛

摘   要：本研究以圆弧尖尾牙板模制造为例提出CAD/CAM协同整合制造系统。本架构应用目前中小型制造业导入较多的电脑辅助设计与电脑辅助制造软件来完成，将SolidWorks与Master CAM两种软件结合、采用四轴半切削中心机对牙板模进行几何实体模型设计与制造的方法;利用SolidWorks进行实体模型设计，依完整的实体模型配合Master CAM定义刀具参数、切削模拟、转NC后处理程序，再经由Excel修正程序后直接传输制CNC切削中心机械完成实体制造。完成后牙板模进行螺丝滚压实验阶段，再经由制造业者使用经验数据修正。综合上述过程，使快速而有效逼近理论曲线与曲面，将帮助制造业者快速研发、实验，更有效改善制造流程及品质。本研究测试结果有助于牙板模制造业者缩短单一组生产总时间约50%～60%的效率。

关键词：实体模型  CAD  CAM  制造系统

中图分类号：TG659                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0080-02

螺丝工业虽然不是尖端科技工业，但其产品是机械、电子、电机、汽车、高科技航空业、土木建筑等;涵盖所有产业不可或缺的基本零件，所以工业化程度愈高的国家对螺丝产品的需求量也愈大;螺丝产品在我们日常生活中也是不可或缺的工业必需品。因此螺丝在工业上负有重要任务，只要地球上有工业存在的一天，则螺丝的功能永远重要。螺纹滚压加工方法是一种优质、高效率、低成本的无屑加工制造方法，这种加工方法在螺纹加工中已应用了百余年，但对于如何在切削材料上完成精密螺纹的滚压加工仍然为世界各先进工业国家研究的重要课题。精密螺纹滚压加工除了改善及开发快速、精密的滚压加工机器之外，于滚压加工中所使用的牙板模具也是研发的重要课题。

本文提出CAD/CAM协同整合制造系统的方法，能使其模面快速而有效逼近理论曲线与曲面。将帮助牙板模制造业者快速研发、制造、实验、修正，更有效改善牙板模制造流程及品质，因应日趋国际化与自由化的市场环境，提升整體竞争能力。

1  螺纹滚压加工及牙板模加工工艺

1.1 螺纹滚压加工

1.1.1 螺纹滚压成型过程

搓牙工艺又称螺纹滚压成型，其滚压过程系以圆柱型的材料在常温之下使用带有牙纹之模板，强迫压入并滚动使圆柱的外表在牙板模内型成螺纹，以下为螺纹滚压成型过程及胚料金属流向分成五个阶段说明：

第一阶段：圆柱型的螺纹胚料进入牙板模内，称之为进料段。

第二阶段：螺纹胚料在牙板模滚压1～3圈时，牙板模必须迫使胚料能依序模面的牙纹滚动，通常牙板模模面。

须制造一系列数条平行于螺杆轴线的V凹槽，以帮助螺纹胚料顺利在模面顺著牙纹滚动，称之为螺纹咬入段。

第三阶段：螺纹胚料在牙板模滚压3～5圈时，胚料在牙板模模面顺利滚动并渐渐将螺纹成型，称之为螺纹型成段。

第四阶段：螺纹胚料滚压至牙板模2/3处时，螺纹成型完成并切断托料，称之为螺纹成型完成段。

第五阶段：螺纹胚料在牙板模滚压最后1～3圈，将螺纹成型不完整部分精确整型以达到产品精度（IT5～4），最重要在此段必须进行圆弧尖尾的造型工程以及螺纹牙面挤压，使其造成表面加工硬化（HRC30～40）及细緻化（Ra0.8～0.05μm），称之为螺纹整型段。

1.1.2 螺纹滚压优点

螺纹滚压加工与螺纹切削加工相比，有以下明显的优点：

（1）生产速度快、生产量高（200～400/min）。

（2）螺纹产品的尺寸分散率小、品质稳定，能维持高度的精确度（IT5～4）。

（3）螺纹产品具有优良的表面粗糙度。在螺纹的滚压过程，胚料与牙板模间产生了相对滑动，螺纹零件在牙板模螺纹线表面上的不同点多次接触，其滑动摩擦在螺纹零件表层产生辗平的作用，因此会使螺纹表面粗糙度佳（Ra0.8～0.05μm）。

（4）工艺中增进材料抗拉、抗剪及疲劳强度，因此螺纹制品具有很高的机械强度。由于金属表层的加工硬化（HRC30～40），使得螺纹零件的抗拉强度（980MPa）极限比切削螺纹增加了10%～20%。在螺纹的滚压过程中，螺纹的金属表层获得了纤维组织，齿根的纤维密集地沿著螺纹截形的外廓弯曲。因此使螺纹的抗剪强度和压缩强度比切削螺纹者高18%～23%。在承受交变负载时，切削螺纹因切口底部牙根处会产生拉应力集中而疲劳破坏，但对滚压螺纹，因牙根底部产生了冷作硬化而存在残留的压应力，使疲劳强度比切削螺纹者提高了40%～100%。对于淬火、回火后温态滚压的螺栓其机械强度（包括抗拉强度和疲劳强度）将会更高。

（5）滚压螺纹的齿廓外缘具有较高的显微硬度。螺纹滚压后牙形的齿廓外缘具有较高的显微硬度，同切削螺纹相比，它们的磨损抗力大约可增加30%。

（6）滚压加工是一种无屑加工制造，因此比切削加工节省材料。同时，滚压工具磨损比起别的切削加工工具来说要小得多，所以，滚压加工模具之使用寿命相对也较长。

1.2 牙板模制造

目前大部分牙板模工艺以传统工具机为主，前段工艺先以铣床铣削后再以磨床研磨牙板模胚体的外型。后段则是以成型的角度铣刀为牙纹切削工具，进行牙板模创成牙纹的工艺，经本研究针对后段牙纹创成的工艺方式访视、调查得知，目前业者所采用的方法大致有三种方式;有部分业者是以卧式铣床附加仿削附件靠模法或引进深槽研磨机械制造牙板牙纹，也有部分业者导入卧式CNC铣床作经由程序控制铣制牙板中的牙纹。

2  牙板模CAD/CAM协统整合系统分析

随着科技的进步，消费者对产品的要求越来越多样化，使产品的生命周期越来越短，因此产品的设计与制造的自动化是必然的趋势，而电脑辅助设计（CAD）与电脑辅助制造（CAM）的电脑整合制造已经成为一般产业界不可或缺的工具，但使用大型的CAD/CAM软件将使企业花更多购置设备成本、系统维护成本、花更长的训练时间完成人力养成，却是中小企业面临莫大的挑战。为让中小企业成功转型因应日趋国际化与自由化的市场环境，提升整体竞争能力。为解决中小企业面临上述问题，本研究提出CAD/CAM协同整合研制系统，将帮助牙板模制造业者快速研发、实验，有效改善制造流程及品质。

2.1 协统整合制造流程分析

本文所提协统整合制造系统仅对圆弧尖尾螺丝采用靠模仿削工艺的牙板模制造业者进行制造流程改善，依据牙板模原始工艺拟定本研究制造流程，其工艺系以牙板模胚体完成研磨六面体为材料，进行CNC切削中心机械实体制造，提出制造流程分析。

2.2 CAD/CAM协统整合制造系统架构

本架构应用目前中小型制造业导入较多的电脑辅助设计与电脑辅助制造软件来完成，将SolidWorks与Master CAM两种软件结合、采用四轴半的切削中心机对牙板模进行几何实体模型设计与制造的方法，CAD/CAM协同整合制造系统架构。依据产品制造特性利用SolidWorks进行实体模型设计，依完整的实体模型配合MasterCAM定义刀具参数、切削模拟、转NC后处理程序，再经由Excel修正程序后直接传输至CNC切削中心机械完成实体制造。完成后牙板模进行螺丝滚压实验阶段，再经由牙板模制造业者使用经验数据修正;综合上述过程达成既定目标。

（1）原始数据。

牙板模制造业者提供产品各分层加工制造流程原始数据，包括材料材质、材料尺寸、分层加工工作图、完成工作图，以便建立完整加工制造流程。

（2）样本曲线。

靠模仿削模具原型数据，视为后段成型铣刀铣制牙板模中牙纹的工艺技术重点。

（3）建立实体模型与设计。

3D参数式辅助设计具有立即修改的特点与使用操作容易特性。本单元依据以上关键数据资料与分层加工工作图等，利用SolidWorks辅助设计软件分别进行实体模型建构设计。前段铣削及研磨加工依据的实体模型，其加工顺序根据角度铣削、圆弧铣削及圆弧研磨。

（4）实体转换。

SolidWorks与MasterCAM等两系统厂商提供多种数据交换的格式，本研究采用ParasolidX_T交换格式作为两系统互通的平台，将SolidWorks所完成各分层加工实体模型皆以ParasolidX_T格式存档，以作为MasterCAM读取的原始文件数据。

（5）生成NC加工后处理程序。

经由MasterCAM读取转换ParasolidX_T文件，为各分层加工曲面架构进行曲面编辑，开始制作刀具路径设置，定义刀具参数完成切削模拟的NCI文件，最后转NC后处理程序。

后段牙板的牙纹须先将切削线投影致曲面，型成牙纹实际切削曲线路径，根据曲线路径设置切削面为Y、Z平面。

（6）修正NC加工程序。

本步骤为牙板模牙纹创成工艺视为本研究加工最重要部分，修正NC加工程序是為牙板模牙纹创成工艺中是以盘型铣刀来铣削而设计，因本工艺加工为Y、Z平面，进刀与退刀必须使用X轴方向;但上步骤由MasterCAM生成的NC程序，其刀具路径设置退刀皆为Z轴方向，因此必须将刀具路径有效、准确互调转换修正才能完全符合切削路径。本文运用Excel程序中函数获取X、Y、Z轴数据加以数据判断，然后正确互调转换，将上步骤的NC程序修正完成输出正确的切削路径程序。

（7）CNC机械实体制造。

使用四轴半切削中心机将角度成型铣削、圆弧铣削、砂轮成型、研磨、滚制牙板牙纹等，多刀多工艺将可再同机一次完工。也解决机械待机及重覆校正、定位的问题，提升精度、高度弹性、省时省力、缩减制造成本。

（8）螺丝滚压实验。

完成的牙板模由经由厂内滚压实验，印证并记录调整数据，再经螺丝制造业者滚压螺丝使用于生产线，记录生产总数量、牙板模磨损状况，以作为原型曲线、曲面之分析及其改善依据。

（9）制造业者经验修正。

技术人员与专家依据上步骤实验所得的数据，进行经验分析研判改进缺失。提供快速修正牙板模二次实体模型原型图，变更后重覆执行上述制造流程，以下经修正后生产的牙板模。

3  结语

本研究能使其快速而有效逼近理论曲线与曲面，将帮助牙板模制造业者快速研发、实验修正高度弹性、高度整合性。可整合所有工艺，更有效改善制造流程及品质，因应日趋国际化与自由化的市场环境，提升整体竞争能力。实例测试显示产品加工稳定性高，生产的螺丝真圆度比各家业者佳，经逐次改良过的三组牙板模的寿命测试结果显示，本研究提出的方法对牙板模的寿命测试中前后提升两倍以上，有效改善产品品质。

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