乾牆螺釘搓牙模具設計與製作之改善研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

乾牆螺釘搓牙模具設計與製作之改善研究

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2622-E-151-005-CC3 執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計畫主持人： 鄭新有 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢 中 華 民 國 94 年 7 月 19 日

國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告

學門領域：E1 計畫名稱：乾牆螺釘成形模具設計與製作之改善研究 計畫編號：NSC 93－2622－E－151－005－CC3 執行期間：民國 93 年 5 月 1 日起 至 民國 94 年 4 月 30 日 執行單位：國立高雄應用科技大學 模具工程系 主 持 人：鄭新有 參與學生： 姓 名 年 級 (大學部、碩士 班、博士班) 已發表論文或已申請之 專利(含大學部專題研究 論文、碩博士論文) 工作內容 碩 士 生 兼 任 助理一名 碩士班 無 協助文書處理、資料整 理、行政工作、加工及 測試實驗、報告撰寫 臨時工一名 大學部 無 協助加工及實驗、電腦 繪圖 合作企業簡介 合作企業名稱：豐鵬工業股份有限公司 計畫聯絡人：張三田 資本額：12,000 萬元 產品簡介：螺絲製造銷售 網址：無 電話：(07)6170526 分機 72

研究摘要： 搓牙製程雖然已經有數十年之歷史，但複合鑽孔、攻牙功能設計之螺釘卻 近幾年的發展，乾牆螺釘的功能要具備異質材料之鑽孔、攻牙及鎖緊功能，因 此螺釘的功能結構設計複雜且因其牽涉到售價的高低，所以要求嚴格，成形時 必須在模具中一次搓製完成，因此搓牙模具設計的好壞就關係著產品的品質與 量產的穩定性，也是生產的關鍵性技術。 目前台灣為全世界螺絲釘主要供應國，但並無生產高級的螺釘，因此其售 價大約日本的 50%，美國的 30-40%，且產品雷同競爭劇烈，已無太多利潤， 但若往高價位產品發展將還有許多擴展空間。 豐鵬公司創業 18 年，專業生產螺絲，產品全部外銷至歐、美、日等地， 因鑑於擺脫低價產品的削價競爭，遂設置模具部門進行新產品開發，唯因模具 牽涉技術廣泛且不易由外界模具廠或國外引入技術，因此本計畫以塑性成形原 理配合廠商的經驗，建立一套搓牙模具設計與製造的法則，並針對螺釘製造業 所需之相關專業課程作教育訓練，以提升公司技術水準。 本計畫擬由螺釘產品之 3D 幾何之建立，再計算胚料尺寸及估算成形量， 之後作預成形量分配而建立預成形部分的模具設計，最後完成精成形與整體之 模具設計，並接著進行模具製作設計，計畫如能順利完成，預估將可提昇產品 售價 15-20%，市佔率可提昇 20%，成本可降低 10%。

人才培育成果說明： 本計畫之成形的問題並不只有模具不良才會產生，塑性及製程牽涉到起使 之材料冶金、材料的成分、物理性質、可成形性、前製程、前處理、機器特性、 作業環境、潤滑摩擦…等許多問題，因此對參與之工作人員之人才培育方面是 相當多元化的，培育成果主要有以下幾個層面來看： 自主面： 1.與廠商進行接洽或討論，培養獨立自主之能力。 2.開授相關軟體教學課程。 技術面： 1.了解螺絲加工之技術及牙板建構技術。 2.具備自動化 CAD 牙板幾何建構之能力，並能應用於其它相關領域。 3.學習 CAE 模擬軟體之使用及具備搓牙加工製程模擬之技術。 4.獲得塑性加工模具設計之邏輯。 5.獲得 CAD/CAM 之實體驗證與訓練。 6.可獲得處理塑性成形問題的處理方法 整體面： 1.了解整體研發流程，以及 CAD/CAE 系統整合之概念。 2.熟悉螺絲製造產業現況及技術，未來將可進入該相關產業進行研發。 3.可獲得塑性加工之整體觀念。 4.可獲得製程與設計整合之訓練。

技術研發成果說明： 本計畫主要有兩方面之研發成果，一部分為完成自動化牙板建構系統，另 一部分為利用 CAE 軟體成功模擬出尖尾螺釘成型過程，分別詳述如下： 本計畫為了自動化牙板建構系統後續能方便導入廠商，故使用 Solidworks 軟體進行自動化牙板建構系統之研究，目前已匯整出整個牙板繪製流程及相關 參數(如圖 1 所示)，並成功地利用 Solidworks 內部之設計表格功能，快速、自 動的建構出所需之牙板幾何，圖 2 為輸入所需參數後，自動建構牙板之情形。 建立模具外型 定義切入口參考面 切入口部分除料 定義構槽方向導引線 定義垂直於構槽方向的參考平面 定義預成形區結束的平面 繪製預成形區構槽起始斷面 繪製精成形區構槽斷面 定義預成形區構槽導引線 精成形區構槽除料 預成形區構槽除料 構槽特徵陣列 定義橫齒的參考平面 牙板裁切 尖尾切口斷面 螺旋角 構槽方向線 預成形區長度 預成形區構槽銑刀角度 預成形區構槽深度 精成形區構槽銑刀角度 _{精成形區構槽深度} 預成形構槽深度 精成形構槽深度 預成形構槽起始斷面 預成形區構槽導引線 精成形區構槽斷面 構槽特徵 螺牙間距 牙板尺寸 橫齒起始斷面 橫齒溝槽除料 橫齒溝槽深度 圖 1. 尖尾螺釘 CAD 模型建構流程及相關參數

圖 2. SolidWorks 自動化建構牙板 而在尖尾搓製模擬方面，本計畫亦成功地在無邊界條件限制且自由滾動 下，模擬出尖尾螺釘搓製情況，而圖 3、4 為螺旋角 13.9°之預、精成型各部位 螺絲成型過程(41.5 - 175.8mm)，可由圖中得知尾部餘料切除約在精成形區開始 後不久之位置，並進行尖尾形狀之成形，得到最後完整的尾部螺牙形狀。而圖 5、6 分別為牙板從 74.5mm 移動至 144.2 mm 之應力應變色度圖，由圖可知最 大應力主要發生在預成形區之螺紋成形部位，另外最大應變則主要發生在尖尾 之部位。 圖 3. 預成形區各部位螺絲成形過程 圖 4. 精成形區各部位螺絲成形過程 設計表格

圖 5、74.5mm 時之應力應變色度圖 圖 6、144.2mm 時之應力應變色度圖 技術特點說明： 本計畫主要整合了 CAD/CAE 系統開發了一套完整且快速的開發流程，如 圖 7 所示，首先利用 Solidworks 軟體快速、自動建構出牙板幾何後，匯入至 DEFORM-3D 軟體進行模擬，若設計有問題再變更牙板幾何參數重新模擬，直 到找到最佳參數後，再進行量產，如此將能減低圖 7 紅色虛線內之流程，相當 多不必要的成本與開發時程。主要有以下幾個特點： (1)牙板 CAD 建構部分：本文已能利用 Solidworks 軟體內部之設計表格功 能，自動且快速建構複雜之尖尾牙板幾何，通常一組牙板的建構對不熟 悉建構方法的人可能要花幾個鐘頭，而對熟練人員也需要 30 分鐘以 上，但利用設計表格功能進行自動化建構只需不到 5 分鐘的時間，大大 省去利用人工繪製之時間與成本；當在進行有限元素模擬時，往往需要 相當多組不同參數的牙板進行模擬，因此自動化建構牙板之功能將是輔 助 CAE 模擬之一項利器。

開始 利用Solidworks之 自動化建構系統 產生STL 匯入至DEFORM-3D 進行模擬參數設定與模擬 探討應力、應 變、負荷等效應 製造模具、進行螺釘量產 是否變 更設計 完成 變更牙 板參數 YES NO 圖 7、牙板模具快速開發流程 (2)尖尾搓製模擬方面：由於螺旋角參數對於螺釘產品有著相當重要之影 響，但此參數卻無法正確得知，且會依照不同規格之螺釘而不同，傳統 製造業僅能利用試誤法來得知大約之螺旋角，目前本計畫利用 CAE 模 擬成功找出螺旋角角度與螺釘產品之間不確定之相互關係，並找出模具 易損壞及產品品質不佳之原因，在無邊界條件限制且自由滾動下，真實 地模擬出尖尾螺釘搓製情形，且比對模擬結果後，與模具的實際損壞情 形是相當吻合的，証實了本計畫以有限元素法模擬應用於搓牙製程領域 上之可行性與正確性。 (3)整合 CAD/CAE 系統：協助廠商開發出一套完整且快速的開發流程，快 速的牙板建構及電腦模擬的試誤法，大大降低整體牙板模具研發之成 本、人力與時程。

可利用之產業及可開發之產品： 原本利用檢查外觀之試誤法，並無法提高其螺絲之精密度及品質，但有了 該 CAD/CAE 之整合系統後，可由 CAE 模擬得到是否會發生內部缺陷之問題， 故可將螺絲、釘製造朝向更高精密，高品質或特殊材質之產業，如航太、汽車 或船舶等運輸工具之產業、生醫方面所需之特殊材質螺絲釘或不銹鋼等特殊材 質，藉由 CAE 模擬結果之回饋，有助於自行研發不同功能之模具，故廠商也 可朝向研發設計、製作牙板，拓展螺絲釘產業更上游之製造領域。 推廣及運用的價值： 本計畫完成後，其衍生的價值有以下幾點： (1)協助牙板模具開發成功，將產品等級、品質提升等級，其售價將可提 升 15-20%。 (2)成功開發牙板，使其生產品質穩定，則其市占率可提升約 20%。 (3)生產成本將可下降約 10%。 (4)增加 2-3 人之就業人數。