高精度內螺紋攻牙製程監控與成品品質檢測技術
摘要：本文介紹一種具有即時監控功能的攻牙過程，並結合螺帽螺紋動力品質檢測系統，以改進攻牙的效率和品質，並符合高精度JIS I 級螺紋分類的要求。透過固定式高剛性螺帽攻牙機的設計，可以提高攻牙的精度和穩定性。同時，設計自動螺紋線上檢測機，蒐集檢測過程中的鎖附扭矩與鎖入位移，透過以動力量測的方式量測幾何的問題，實現自動化檢測和螺紋品質數位化。實驗結果顯示，此兩機台能夠在製造過程中有效地監測螺紋的質量，提高螺帽品質的穩定性，並且能將螺紋品質進行數位化，達成降低製造成本和螺帽不良品率。
Abstract：This article introduces a real-time monitoring enabled tapping process, combined with a nut thread powerquality inspection system, to enhance the efficiency and quality of the tapping process, meeting the requirements of high-precision JIS Class I thread classification. Through the design of a Fixed Nut Tapping Machine, the accuracy and stability of the tapping process can be improved. Simultaneously, an automatic online thread inspection machine is designed to collect the locking torque and locking displacement during the inspection process. By measuring geometric issues through power measurements, automation and digitization of thread quality inspection can be achieved. Experimental results demonstrate that these two systems can effectively monitor the quality of threads during the manufacturing process, improve the stability of nut quality, and digitize thread quality to reduce manufacturing costs and defective nut rates.
關鍵詞：即時攻牙監控、螺紋品質檢測系統、高精度內螺紋
Keywords：Real-time monitoring of tapping process, Thread quality inspection system, High-precision grade
internal thread
前言
在汽車裝配廠中，需要大量鎖定扣件，常常因扭力不均勻造成異常鎖附，進而導致結構損壞問題[1]。現有汽車裝配廠多利用機械手臂自動鎖附螺帽，故螺紋同心度不佳或不穩定品質常導致機械手臂識別螺帽和螺絲的鎖入點不易，在組裝過程會浪費更多時間。因此，螺紋品質應保持一致，使機械手臂能順利進行自動鎖入。在高精密螺帽的製造過程中，須針對螺帽初胚的幾何公差進行篩選 [2]，如孔的真圓度和圓柱度，以及六角形狀的平行度、平整度和同心度。例如，如果螺帽的同心度不好，則每個側面的中心線形成的三角形將變得過大。此外，如果孔的中心不在六邊形之對邊中垂線所構三角形內，可能會產生螺紋不對齊[3]。然而，國內螺帽產業者未對螺帽初胚進行檢測，故螺帽外型品質無法掌控，再攻牙後，時常發生螺紋精度不佳、未與螺帽孔對心等問題，進而使製造品質無法一致性，故本研究將改善這些問題，並將螺紋品質數位化，使螺紋品質達到高精度、高穩定度製造之目標。
攻牙是一個連續的螺紋切割過程，為一螺帽初胚被一牙攻( 刀具) 連續切割。經過單次完整的攻牙過程，即可得完整的螺紋。由於在單個攻牙過程中可以連續進行粗切和精切，故牙攻的直徑和節距是固定的，因此必須精準控制螺帽初胚和牙攻之間的相對線性和旋轉運動，以獲得良好的攻牙效果。由於攻牙速度和攻牙扭矩會受到牙攻的類型，牙攻前端的螺紋數、牙攻溝數、牙攻表面塗層材料、螺帽的類型和材料、螺帽孔的尺寸、切削油或切屑等因素影響，故在改善攻牙製程中，這些攻牙參數是必須被考慮。
目前攻牙製程還存在其他問題，例如加工過程中缺乏即時監控機制，難以即時發現加工中的異常狀況並即時修正、加工過程中的材料去除率與攻牙扭矩難以精準預測或螺紋品質皆人工抽檢等。因此，本研究提出一種具有即時監控功牙過程的方法。首先，利用固定式高剛性螺帽攻牙機，通過固定夾持牙攻之設計進行攻牙與建構即時監測系統，提高攻牙的精度和穩定性，並進行數位化之即時監控。其次，建立無因次化切削移除率曲線用於合成攻牙扭矩之監控曲線，在利用螺帽孔徑公差建立JIS 三等級之上下界限( 品質監控帶狀)，並通過對不同螺帽材料進行預測，實現攻牙過程的螺紋品質監控。
螺紋外型檢測是指對螺紋加工過程中的螺紋形狀、尺寸以及表面特性等進行全面檢測和評估的過程。這是螺紋加工過程後檢測的關鍵步驟之一，其目的是確保螺紋的尺寸符合規範，並且能夠滿足精度要求。然而，目前檢測螺紋之方法皆為人工利用螺紋塞規進行抽檢，無法將螺紋品質數值化表示。為解決上述問題，螺紋動力檢測機透過結合線性與扭矩感測器、自動化控制和數據分析等方式，可以實現螺紋品質量測數位化，該機台的重要性在於可以螺紋品質數位化和提高檢測的效率，同時減少人為因素對檢測結果的影響。
最終，本研究的成果為通過提高剛性機台設計與即時監控，可以提高攻牙過程的穩定性和品質一致性；同時，螺紋動力檢測機將螺紋幾何品質以扭矩進行數位化。有助於提升整體生產流程的監測與可靠性，推動傳統螺帽製造業往智能自動化方向邁進。
即時監控系統與螺紋品質檢測系統設計
1. 螺帽等級歸類
根據JIS 對於螺帽檢測的規範，螺帽品質主要分為三級，JIS I 級為精度最佳、品質最好，反觀JIS II 級次之，JIS III 級螺帽則是品質較差。而在三個等級中，一級螺帽的有效徑最大界限公差最小，表示其容許寬度越窄，具有較高的精度，以M8-1.25 為例，如表1 所示，分別為JIS 螺帽檢測規範的界定尺寸與尺度標註。由上述螺帽的幾何規範，可以得知所有等級的螺紋，其下限尺寸皆相同，但品質越好，其允許之幾何公差就越小，故使用錐形牙規進行量測時，在固定扭矩條件下，JIS II 級螺帽，可以旋入的圈數越多；反之，JIS I級螺帽旋入圈數較少，距離牙規起始點也較為淺，如圖1所示。
表 1 JIS 螺帽檢測尺度界定 [4]
圖 1 螺帽旋入錐形牙規 (a)二級品 (b) 一級品
2. 固定式高剛性螺帽攻牙機之設計
傳統浮動式攻牙機應用於高速生產，其結構特點是套筒帶動牙攻連續旋轉，而螺帽的旋轉會受夾治具限制。故螺帽在受攻牙的旋轉切削而前進移動，實現連續攻牙。但因攻牙柄上的一系列成品螺帽支撐攻牙旋轉，會使攻牙柄和螺帽之間存在間隙，如圖 2(a) 所示，這可能導致牙紋擴大及螺紋的偏移和尺寸誤差。此外，當牙攻旋轉時，攻牙柄過長會使其剛性不足，在螺帽進入牙攻螺紋時，攻牙柄將搖晃並影響攻牙精度。另有往復式攻牙機，牙攻來回對螺帽進行攻牙再退牙，需高精度控制旋轉與移動。在攻牙時，牙攻常會完全穿過螺帽，造成在退牙時，容易造成二次攻牙的現象，使得螺紋受損。此外，在來回進退牙的過程中，如果牙攻給進速度與自轉速度不一致時會產生階段螺紋。往復式攻牙機適合少量大規格之螺紋，精度高但生產較慢。
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