以钛合金为材料的人工牙根由于形状复杂且具有多样不同的尺寸，故制程上包括多道的车削、铣削、冲孔及车牙等加工步骤。我们此次针对走心式车铣复合机(Swiss-type Lathe) (以下简称车铣复合机)应用于钛合金人工牙根的相关加工技术进行研究与开发。主要执行项目为(一)车铣复合机之操作技术，(二)刀具的设计与开发，尤其是旋风切削的刀具，(三)CAD/CAM 技术的导入。本研究完成两套旋风车削刀具之设计及制作，利用CAD/CAM软件完成钛合金人工牙根刀具路径的安排并成功产生NC码，最后搭配Star SR-20R车铣复合机进行人工牙根的实际加工。
一、前言
钛或钛合金由于具有生物兼容性，因此在牙科、骨科及整型外科植入材料的选用上有其优点。但钛或钛合金也具高化学反应性、低热传导性、高温下高强度、及低弹性模数等特性，因此加工性很差。如何选用最有效的钛合金加工技术是医疗组件制造的一项挑战。
以钛合金为材料的人工牙根由于形状复杂且具有多样不同的尺寸，故制程上包括多道的车削、铣削、冲孔及车牙等加工步骤，为了加工定位的准确方便及制程工时的节省，加工设备以车铣复合机最为适合。
旋风车削的技术在相关论文皆未涉及细节。目前国内只有极少数厂家使用旋风切削，其刀具亦由欧美进口，由刀具订购到交货往往需时3周以上，在成本及时效上均极不利，故有必要发展刀具设计制造的自主能力。
CAM被用于3D铣削加工已然十分成熟。但在车削领域中，由于刀具路径并不复杂，工业界仍停留于手工编辑刀具路径程序的阶段，对CAM的引进并不积极，因而熟悉CAM的人才并不多。当进入车铣复合加工阶段，国内CAM的人才更是几乎绝无仅有。而复杂工件(如前颚齿人工牙根)的加工往往需要很多时间手工编辑刀具路径程序。能将CAM导入车铣复合加工，将对业界发挥极大帮助。
二、研究方法
以下先阐述旋风切削螺牙时，在刀具设计上，尤其是刀刃尺寸设计上所做之分析，并设计出刀刃尺寸。之后则说明以车铣复合机进行人工牙根加工之流程及CAD/CAM技术的导入。
2.1 旋风车削几何分析与刀刃设计
以旋风刀具切削螺牙的方式可以由图1做说明。工件以慢速旋转(数十RPM)，并配合每转一个螺牙距的进给率。切削的进行乃依靠装在高速旋转的旋风车刀头(whirling ring)上的刀刃。由于一次走刀即可完成螺牙的切削，生产率可比普通车削或传统车削螺牙提高数倍。且导套与旋风车刀头的相对位置是固定的，故而切削点与工件的被支撑点(工件被导套支撑住)之间的距离恒为一相对小的定值，使得工件刚性佳，加工尺寸及质量容易维持且不受螺牙长或短的影响，更适合切削长螺牙。
图1 以车铣复合机进行旋风切削螺牙
图2 旋风切削螺牙时每一切刃所负责切削掉工件面积之示意图
图2中的深色区为旋风车刀切削时每一切刃所负责切削区域的示意图，图中所示为工件每转一圈被14刃切削过之情形。工件每转实际切削次数，可由下例得知。钛合金之切削速度大约在30-60m/min，取45m/min，若牙根螺牙外径Do为3.5mm，则旋风车刀头之转速T应为：
ω=45*1,000/(πDo)=4,092rpm nextpage
但因测试机台Star SR-20R最高转速限制，取旋风车刀头转速3,000rpm。刀头上有6刃，使用工件转速50 rpm，则实际上工件每一旋转将被N次刀刃经过：
N=3,000*6/50=360(tooth/rev)
由于N值颇大，使得每一刀刃所受之切削力相对变小，故可延长刀具的寿命。
旋风切削刀头与工件并非同轴，而是具一倾斜角度(螺牙的导角，如图1)，
N=3,000*6/50=360(tooth/rev)
图3 IM07人工牙根
以本研究使用之编号IM07人工牙根(图3)为例，其螺牙之导程P = 0.8mm。若D以螺牙之外径Do= 3.3 mm代入，则：
N=3,000*6/50=360(tooth/rev)
若D以螺牙之根径Dr=2.5mm代入，则
N=3,000*6/50=360(tooth/rev)
若D以螺牙之平均径Davg=2.9mm代入，则
A=tan-1(0.8/(π* 2.9))=5.0°
图4说明旋风切削螺牙时刀刃外形与螺牙断面之关系，图中a为刀刃之宽度=0.65mm(以IM07人工牙根之切削为例)，b为刀刃之深度=0.4mm，d为螺牙断面之宽度，e为螺牙断面之深度，A为螺牙的导角，亦即旋风车刀头之倾斜角，Do为螺牙之外径，c为工件外缘到螺牙顶部之距离。
图4 旋风切削螺牙时刀刃轮廓与螺牙断面的关系图
表1说明以不同方式解释螺牙部直径可以分别得到4.4°、5.0°、5.8°的旋风车刀头倾斜角。第三栏为切削后螺牙断面的宽度：d。第四栏为切削后螺牙断面的深度：e。比较d值与刀刃之宽度a值可知其差异皆小于1%或0.004mm，同时e值与刀刃之深度b值之差异亦小于1%。此差异在工程上是可以忽略的。
由上述分析可得以下结论：
1. 旋风切削时，螺牙部直径取螺牙外径或取根径其影响皆在1%之内，但一般取外径与根径之平均值。
2. 当调整旋风车刀头倾斜角时，若发生±0.5°的误差，仍不会影响加工精度。
3. 由于刀刃轮廓与螺牙断面差异极小，在设计刀刃时螺牙断面将直接用来作为刀刃轮廓，而不需要经过校正。当然此状况仅适用于低倾斜角时，当倾斜角较大时，刀刃的轮廓并非牙根设计图之螺牙断面，两者之间需经一转换步骤，方能切削出正确的螺纹外形。
