基于智能制造的牙板模工藝設(shè)計(jì)

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(xié)同整合制造系統(tǒng)。本架構(gòu)應(yīng)用目前中小型制造業(yè)導(dǎo)入較多的電腦輔助設(shè)計(jì)與電腦輔助制造軟件來完成，將SolidWorks與Master CAM兩種軟件結(jié)合、采用四軸半切削中心機(jī)對牙板模進(jìn)行幾何實(shí)體模型設(shè)計(jì)與制造的方法;利用SolidWorks進(jìn)行實(shí)體模型設(shè)計(jì)，依完整的實(shí)體模型配合Master CAM定義刀具參數(shù)、切削模擬、轉(zhuǎn)NC后處理程序，再經(jīng)由Excel修正程序后直接傳輸制CNC切削中心機(jī)械完成實(shí)體制造。完成后牙板模進(jìn)行螺絲滾壓實(shí)驗(yàn)階段，再經(jīng)由制造業(yè)者使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yè)者快速研發(fā)、實(shí)驗(yàn)，更有效改善制造流程及品質(zhì)。本研究測試結(jié)果有助于牙板模制造業(yè)者縮短單一組生產(chǎn)總時(shí)間約50%～60%的效率。

關(guān)鍵詞：實(shí)體模型? CAD? CAM? 制造系統(tǒng)

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

螺絲工業(yè)雖然不是尖端科技工業(yè)，但其產(chǎn)品是機(jī)械、電子、電機(jī)、汽車、高科技航空業(yè)、土木建筑等;涵蓋所有產(chǎn)業(yè)不可或缺的基本零件，所以工業(yè)化程度愈高的國家對螺絲產(chǎn)品的需求量也愈大;螺絲產(chǎn)品在我們?nèi)粘Ｉ钪幸彩遣豢苫蛉钡墓I(yè)必需品。因此螺絲在工業(yè)上負(fù)有重要任務(wù)，只要地球上有工業(yè)存在的一天，則螺絲的功能永遠(yuǎn)重要。螺紋滾壓加工方法是一種優(yōu)質(zhì)、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(yīng)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(jìn)工業(yè)國家研究的重要課題。精密螺紋滾壓加工除了改善及開發(fā)快速、精密的滾壓加工機(jī)器之外，于滾壓加工中所使用的牙板模具也是研發(fā)的重要課題。

本文提出CAD/CAM協(xié)同整合制造系統(tǒng)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(yè)者快速研發(fā)、制造、實(shí)驗(yàn)、修正，更有效改善牙板模制造流程及品質(zhì)，因應(yīng)日趨國際化與自由化的市場環(huán)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(qiáng)迫壓入并滾動使圓柱的外表在牙板模內(nèi)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(gè)階段說明：

第一階段：圓柱型的螺紋胚料進(jìn)入牙板模內(nèi)，稱之為進(jìn)料段。

第二階段：螺紋胚料在牙板模滾壓1～3圈時(shí)，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(shù)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(shí)，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(shí)，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(dá)到產(chǎn)品精度（IT5～4），最重要在此段必須進(jìn)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(xì)緻化（Ra0.8～0.05μm），稱之為螺紋整型段。

1.1.2 螺紋滾壓優(yōu)點(diǎn)

螺紋滾壓加工與螺紋切削加工相比，有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）生產(chǎn)速度快、生產(chǎn)量高（200～400/min）。

（2）螺紋產(chǎn)品的尺寸分散率小、品質(zhì)穩(wěn)定，能維持高度的精確度（IT5～4）。

（3）螺紋產(chǎn)品具有優(yōu)良的表面粗糙度。在螺紋的滾壓過程，胚料與牙板模間產(chǎn)生了相對滑動，螺紋零件在牙板模螺紋線表面上的不同點(diǎn)多次接觸，其滑動摩擦在螺紋零件表層產(chǎn)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(jìn)材料抗拉、抗剪及疲勞強(qiáng)度，因此螺紋制品具有很高的機(jī)械強(qiáng)度。由于金屬表層的加工硬化（HRC30～40），使得螺紋零件的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度比切削螺紋者高18%～23%。在承受交變負(fù)載時(shí)，切削螺紋因切口底部牙根處會產(chǎn)生拉應(yīng)力集中而疲勞破壞，但對滾壓螺紋，因牙根底部產(chǎn)生了冷作硬化而存在殘留的壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度比切削螺紋者提高了40%～100%。對于淬火、回火后溫態(tài)滾壓的螺栓其機(jī)械強(qiáng)度（包括抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)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(jié)省材料。同時(shí)，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(tǒng)工具機(jī)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(jìn)行牙板模創(chuàng)成牙紋的工藝，經(jīng)本研究針對后段牙紋創(chuàng)成的工藝方式訪視、調(diào)查得知，目前業(yè)者所采用的方法大致有三種方式;有部分業(yè)者是以臥式銑床附加仿削附件靠模法或引進(jìn)深槽研磨機(jī)械制造牙板牙紋，也有部分業(yè)者導(dǎo)入臥式CNC銑床作經(jīng)由程序控制銑制牙板中的牙紋。

2? 牙板模CAD/CAM協(xié)統(tǒng)整合系統(tǒng)分析

隨著科技的進(jìn)步，消費(fèi)者對產(chǎn)品的要求越來越多樣化，使產(chǎn)品的生命周期越來越短，因此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造的自動化是必然的趨勢，而電腦輔助設(shè)計(jì)（CAD）與電腦輔助制造（CAM）的電腦整合制造已經(jīng)成為一般產(chǎn)業(yè)界不可或缺的工具，但使用大型的CAD/CAM軟件將使企業(yè)花更多購置設(shè)備成本、系統(tǒng)維護(hù)成本、花更長的訓(xùn)練時(shí)間完成人力養(yǎng)成，卻是中小企業(yè)面臨莫大的挑戰(zhàn)。為讓中小企業(yè)成功轉(zhuǎn)型因應(yīng)日趨國際化與自由化的市場環(huán)境，提升整體競爭能力。為解決中小企業(yè)面臨上述問題，本研究提出CAD/CAM協(xié)同整合研制系統(tǒng)，將幫助牙板模制造業(yè)者快速研發(fā)、實(shí)驗(yàn)，有效改善制造流程及品質(zhì)。

2.1 協(xié)統(tǒng)整合制造流程分析

本文所提協(xié)統(tǒng)整合制造系統(tǒng)僅對圓弧尖尾螺絲采用靠模仿削工藝的牙板模制造業(yè)者進(jìn)行制造流程改善，依據(jù)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(jìn)行CNC切削中心機(jī)械實(shí)體制造，提出制造流程分析。

2.2 CAD/CAM協(xié)統(tǒng)整合制造系統(tǒng)架構(gòu)

本架構(gòu)應(yīng)用目前中小型制造業(yè)導(dǎo)入較多的電腦輔助設(shè)計(jì)與電腦輔助制造軟件來完成，將SolidWorks與Master CAM兩種軟件結(jié)合、采用四軸半的切削中心機(jī)對牙板模進(jìn)行幾何實(shí)體模型設(shè)計(jì)與制造的方法，CAD/CAM協(xié)同整合制造系統(tǒng)架構(gòu)。依據(jù)產(chǎn)品制造特性利用SolidWorks進(jìn)行實(shí)體模型設(shè)計(jì)，依完整的實(shí)體模型配合MasterCAM定義刀具參數(shù)、切削模擬、轉(zhuǎn)NC后處理程序，再經(jīng)由Excel修正程序后直接傳輸至CNC切削中心機(jī)械完成實(shí)體制造。完成后牙板模進(jìn)行螺絲滾壓實(shí)驗(yàn)階段，再經(jīng)由牙板模制造業(yè)者使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正;綜合上述過程達(dá)成既定目標(biāo)。

（1）原始數(shù)據(jù)。

牙板模制造業(yè)者提供產(chǎn)品各分層加工制造流程原始數(shù)據(jù)，包括材料材質(zhì)、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(shù)據(jù)，視為后段成型銑刀銑制牙板模中牙紋的工藝技術(shù)重點(diǎn)。

（3）建立實(shí)體模型與設(shè)計(jì)。

3D參數(shù)式輔助設(shè)計(jì)具有立即修改的特點(diǎn)與使用操作容易特性。本單元依據(jù)以上關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料與分層加工工作圖等，利用SolidWorks輔助設(shè)計(jì)軟件分別進(jìn)行實(shí)體模型建構(gòu)設(shè)計(jì)。前段銑削及研磨加工依據(jù)的實(shí)體模型，其加工順序根據(jù)角度銑削、圓弧銑削及圓弧研磨。

（4）實(shí)體轉(zhuǎn)換。

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

（5）生成NC加工后處理程序。

經(jīng)由MasterCAM讀取轉(zhuǎn)換ParasolidX_T文件，為各分層加工曲面架構(gòu)進(jìn)行曲面編輯，開始制作刀具路徑設(shè)置，定義刀具參數(shù)完成切削模擬的NCI文件，最后轉(zhuǎn)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(shí)際切削曲線路徑，根據(jù)曲線路徑設(shè)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(chuàng)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(chuàng)成工藝中是以盤型銑刀來銑削而設(shè)計(jì)，因本工藝加工為Y、Z平面，進(jìn)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(shè)置退刀皆為Z軸方向，因此必須將刀具路徑有效、準(zhǔn)確互調(diào)轉(zhuǎn)換修正才能完全符合切削路徑。本文運(yùn)用Excel程序中函數(shù)獲取X、Y、Z軸數(shù)據(jù)加以數(shù)據(jù)判斷，然后正確互調(diào)轉(zhuǎn)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(jī)械實(shí)體制造。

使用四軸半切削中心機(jī)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(jī)一次完工。也解決機(jī)械待機(jī)及重覆校正、定位的問題，提升精度、高度彈性、省時(shí)省力、縮減制造成本。

（8）螺絲滾壓實(shí)驗(yàn)。

完成的牙板模由經(jīng)由廠內(nèi)滾壓實(shí)驗(yàn)，印證并記錄調(diào)整數(shù)據(jù)，再經(jīng)螺絲制造業(yè)者滾壓螺絲使用于生產(chǎn)線，記錄生產(chǎn)總數(shù)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(jù)。

（9）制造業(yè)者經(jīng)驗(yàn)修正。

技術(shù)人員與專家依據(jù)上步驟實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析研判改進(jìn)缺失。提供快速修正牙板模二次實(shí)體模型原型圖，變更后重覆執(zhí)行上述制造流程，以下經(jīng)修正后生產(chǎn)的牙板模。

3? 結(jié)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(yè)者快速研發(fā)、實(shí)驗(yàn)修正高度彈性、高度整合性?？烧纤泄に嚕行Ц纳浦圃炝鞒碳捌焚|(zhì)，因應(yīng)日趨國際化與自由化的市場環(huán)境，提升整體競爭能力。實(shí)例測試顯示產(chǎn)品加工穩(wěn)定性高，生產(chǎn)的螺絲真圓度比各家業(yè)者佳，經(jīng)逐次改良過的三組牙板模的壽命測試結(jié)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(chǎn)品品質(zhì)。

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