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齒輪螺桿加工有待引進專業能量
協助終端客戶內外強化競爭力

【作者: 陳念舜】   2021年10月05日 星期二

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即使多年來台灣齒輪及螺桿加工業者陸續透過自製機台、刀具,甚至於PC-based控制器,逐步建立開發能量,進而透過內外併購來提升競爭力。但至今該體系仍相當封閉,並非傳統綜合加工機、CAD/CAM軟體商可涉入,而相當倚重製造加工業者多年累積的數學式資料庫、專用機種,但在應用工法不斷推陳出新及瑞士控制器大廠介入下,可望出現轉機。


回顧自2006~2008年以來,每逢全球出現原物料飆漲的景氣循環熱潮,往往迎來的就是當下製造業對於資本設備支出、關鍵零組件等庫存備料大增,促成新一波軍(設)備競賽,也是台灣機械設備產業的商機所在,除了自家增資擴產,對內外併購投入新市場亦時有所聞。


如齒輪、滾珠螺桿等關鍵傳動零組件的應用範疇極為廣泛,涵括汽車、工具機、基礎工業、能源、礦業、農業設備以及風力發電等,近幾年來更因為新能源車興起、自動化與風力電機等產業急速擴大,造成齒輪製造業生產相當活絡,驅使大模數、高強度及高精度齒輪之需求量逐年增加。


但早期台灣廠商加工齒輪所使用的刀具和機器設備皆須仰賴進口,且齒輪設計能力落後先進國家許多,全憑經驗探索技術。1990年起政府也推動一連串輔導計畫,陸續向歐、美採購引進CNC工具機設備,讓齒輪產量和精度因此大幅提升,促進了齒輪業的蓬勃發展。最成功的例子,便是由工研院機械所執行的開發計畫「齒輪電腦輔助設計軟體」,共有大同齒輪、久大、新恆等14家廠商參與,透過軟體提升了台灣廠商在圓柱齒輪的設計和製造能力。


另外是引進義大利Samputensili滾齒刀及刮齒刀的設計和生產技術,交由全宏、僑星和台灣工機、久大等6家廠商在1994年合資成立「陸聯精密公司」,由於刀具供應自主性高,交期短和價格低,而大幅提升台灣齒輪製造的競爭力。



圖1 : 齒輪、滾珠螺桿等關鍵傳動零組件的應用範疇極為廣泛,涵括汽車、工具機、基礎工業、能源、礦業、農業設備以及風力發電等。(source:inegi.pt)
圖1 : 齒輪、滾珠螺桿等關鍵傳動零組件的應用範疇極為廣泛,涵括汽車、工具機、基礎工業、能源、礦業、農業設備以及風力發電等。(source:inegi.pt)

掌握精密螺桿自主能量 內外併購強化競爭力

滾珠螺桿則屬於技術與資本密集產品,除了所需鋼珠的數量不多、規格不一,均採外購;還須仰賴螺桿及螺帽精密加工設備。加上因為生產過程複雜、工時冗長,必需具備嫻熟工藝的技術人員,所以產地主要集中於歐美日等工業先進國家,應用上也從傳統NC/CNC工具機為主,至今已逐漸擴散至半導體與產業機器人領域的比重逐漸升高,未來仍極具潛力。


台灣雖身為工具機暨零組件生產大國,在內銷市場上,向來以日本為主要競爭對手;外銷市場則有日本和中國大陸。但直到1982年台灣首家滾珠螺桿專業製造廠何豐精密才正式成立,自英國引進世界一流的生產技術開工量產,當時在台灣市占率從1983年33.3%、1984年36.3%逐年遞增,在1985年達到50%。


卻因為當時投資金額過為龐大,市場規模又不足以支持何豐擴大產能,降低單位成本,導致於1987年由時任交通銀行主任秘書卓永財接手重整,接著另行成立上銀科技公司。旋即於1992年成為全球滾珠螺桿廠商中,首家通過ISO國際品保認證工廠,台灣滾珠螺桿品質才逐漸獲得國內外廠商肯定,正式由進口替代的內需市場占有率僅約5%增至85%,進而反攻國際市場,外銷30餘國。


如近年來再被上銀併購的英國百年螺?磨床大廠邁萃斯精密公司(Matrix)早期便與日本三井精機挾成本優勢,共同掌握全球導螺桿加工設備產能,當時在何豐廠內清一色採用Matrix加工及檢驗設備,並由上銀接手取得。但在大陸、印度等新興市場崛起後,造成Matrix設備取得不易,也形成被上銀併購的契機。


2015年上銀再為了取得日本不願出售的專用齒輪刀具,以加工機器人所需諧波減速機(Harmonic drive),而決定併購陸聯精密,並改名Matrix行銷全球,但當時陸聯其實已具備可加工短行程導螺桿能力,正逐漸朝向長行程及自主開發刀具升級之路,如今則交由第二代卓文恆接任董事長,期待早日轉虧為盈。



圖2 : 滾珠螺桿因為生產過程複雜、工時冗長,必需具備嫻熟工藝的技術人員,應用上也從傳統NC/CNC工具機為主,至今已逐漸擴散至半導體與產業機器人領域。(source:balancesystems.com)
圖2 : 滾珠螺桿因為生產過程複雜、工時冗長,必需具備嫻熟工藝的技術人員,應用上也從傳統NC/CNC工具機為主,至今已逐漸擴散至半導體與產業機器人領域。(source:balancesystems.com)

開創齒輪加工專用不易 台廠走來篳路藍縷

目前對於齒輪製造約可概分為3大領域:圓柱齒輪、蝸桿/蝸輪及傘齒輪,但因為切削齒輪時,對於齒形精度的要求較一般機械零件嚴格,必須使用特殊刀具及工具機才能加工,其機台結構複雜且剛性要強,再搭配專用齒輪設計製造軟體,所以鮮少有台灣廠商能介入,全球齒輪工具機的製造商主要分佈在日本、德國、瑞士和美國,生產機台產量約佔全球總數70%以上。


其中,圓柱齒輪粗加工的工具機大都使用滾齒機和插齒機。在粗加工後,尚未淬火前的齒形精加工則利用刮齒機,並大量用於機車產業;至於淬火後的精加工,大都施以磨齒(Grinding)和珩齒(Honing)。目前為克服內齒輪加工問題,最新推出的技術為?力刮齒(Power skiving)和滾插(Scudding),其刀具採用類似插齒刀設計,切齒動作則類似滾齒,加工效率宣稱比插齒加工快了5~6倍。


然而,因為圓柱齒輪生產的技術門檻不高,難與大陸及新興國家做價格競爭,在台灣齒輪產業力求轉型之下,漸漸朝向齒輪箱次系統利基領域發展。如自動化領域的行星齒輪減速機,代表性廠商有台灣精銳、利茗、成大、台灣工機和晃益;工具機方面有大同、錫昌、僑星和六星等。汽機車領域中的齒輪箱和傳動軸系統,代表性廠商有和大、倉佑、中華台亞、介隆興和華鏞;基礎重工業設備使用的大型精密減速機,代表性廠商有上和、台朔重工、久大和聰穎機械廠;橡塑膠機械齒輪箱領域,代表性廠商為三隆齒輪、台穩精密和永大精機。


且考量在各種齒輪中,傘齒輪的技術門檻最高,故較具競爭力,台灣的代表性廠商有僑星齒輪、亞格齒輪和旻成齒輪。傘齒輪常用的切製法有兩大類,早期以美國Gleason傳統搖台式切齒和磨齒設備為主,以面銑法(Face-milling)來加工傘齒輪。製造者可從Gleason提供的齒輪計算表來計算刀具和齒胚參數,以及機械設定和修正量,針對個別需求實施特定的加工方法;後製程還須經過表面硬化熱處理,最後再施以研磨來提高齒輪精度,由於刀具設計簡單且取得容易,非常適合小量乃至大量的製造方式。


另外一類是德國Klingelnberg傘齒輪加工機為代表,以面滾法(Face-hobbing)來加工傘齒輪的生產速度比較快。但因為由多根條狀刀棒所組成刀具,使之刀刃設定較為複雜,需要額外刀具校正設備;且藉此加工的傘齒輪無法施以研磨,故在台灣較少有廠商採用,卻非常適合為汽車產業生產大量傘齒輪,對於齒輪精度要求不高,還能在熱處理後以研齒製程(Lapping process)來調降噪音,代表性廠商為中華台亞。


至於台灣齒輪刀具製造商首推陸聯精密,研發自製的工具機包含滾齒刀鏟齒車床、刮齒刀插槽機及CNC滾齒刀鏟磨機和磨銳機等。且在建立齒輪機專門技術後轉而開發CNC蝸桿磨床、CNC成形磨齒機和CNC蝸桿砂輪形磨齒機,其工具機品質已獲得國際認可,銷售遍及台、日、美、大陸和土耳其等國家。近年來和大工業挾其多年齒輪生產實務經驗,自行設計製造齒輪工具機,並成功開發出CNC刮齒機和滾齒機行銷全球。


倘若引導得當,台灣機械廠商將能建立起對於齒輪、齒輪箱及傳動系統最適化的設計能力,開發附加價值高的產品;與齒輪製造業者也提高生產力、更新老舊設備,爭取車輛傳動方面市場,必使台灣與齒輪相關的機械工業在世界市場上占有一席之地,並帶動整體機械業發展。


例如機器人的關鍵零組件中以減速機構為最關鍵,為能滿足小空間單階大減速比的需求,一般皆採用諧波式減速機或擺線減速機(Cycloid reducer)。除了前者關鍵在於撓性齒輪的材料選用和齒形設計,試量產製造出來的減速機壽命猶待國際驗證;後者的技術門檻在擺線齒輪齒形設計和製造精度,已有台灣廠商逐漸克服其中困難,並持續改善品質。其他應用在鋼鐵、石化等重工業或基礎工業的大型減速機,則重點訴求安靜、高強度和高效率,以及風力電機所需的增減速箱,為其關鍵零組件。



圖3 : 機器人的關鍵零組件中以減速機構為最關鍵,為能滿足小空間單階大減速比的需求,一般皆採用諧波式減速機或擺線減速機。(source:cdn.neugart.com)
圖3 : 機器人的關鍵零組件中以減速機構為最關鍵,為能滿足小空間單階大減速比的需求,一般皆採用諧波式減速機或擺線減速機。(source:cdn.neugart.com)

導入瑞士齒輪加工整體方案 產業可望軟硬體同步升級

值得一提的是,目前也有瑞士齒輪加工專用機控制器大廠NUM已在台灣成立子公司–台灣力盟公司,總公司早在1961年就已開發出首款CNC控制器,比起現今CNC/NC控制系統的普及使用早了10年之久。該公司現除了可提供NUMgear控制器,以協助台灣傳統綜合型工具機、OEM設備製造廠商開發新款成形齒輪磨床、滾齒機、插齒機、創成磨齒機等專用加工機,並搭配人機介面軟體Flexium CAM,跨足新創應用領域;同時也著重舊機改新市場,與工研院、天益齒輪、三隆齒輪等合作,改裝已使用數十年的LIEBHERR、Gleason滾齒機。


台灣力盟公司業務經理吳松憲表示,該公司不僅在2014年即曾與陸聯合作開發創成磨齒機,近年來還與建暐精密科技公司合作開發成形磨床案例,後者係基於現今機器人系統通常使用配備漸開線齒輪的行星齒輪箱,或是減少外擺線轉子和定子組合的擺線驅動,但要製造擺線齒輪的難度大且成本高。


因此建暐於2015年決定自行開發磨床,生產自家齒輪箱以便掌控質量、縮短交貨時間並降低成本,甚至能向其他齒輪製造商銷售機器。最初也曾採用傳統Fanuc數控系統、CAD/CAM軟體及自家三次元量床(CMM),卻很快發現擺線齒輪的輪廓複雜程度,CMM得到數據不足以控制整體製程,且不希望客戶採購機器還須要投資引進昂貴的CAD/CAM系統和增加人員。


所以決定引進一套能從齒輪設計理論開始,就完全支援齒輪磨削的CNC數控系統,讓客戶只須輸入其設定的齒輪參數,該系統就能即時補足機器修整和磨削過程的各個層面,NUM則願意提供在齒輪磨削應用的專業知識,並共同開發CNC數控系統,包含特定應用的人機介面(HMI)軟體和各種專用控制功能,並搭配NUM新一代Flexium+ 68 CNC平台,實現了在同一部機台上製造擺線齒輪和漸開線齒輪的能力和靈活性。



圖4 : 建暐精密科技公司與NUM合作開發成形磨床,並搭配NUM新一代Flexium+ 68 CNC平台,實現了在同一部機台上製造擺線齒輪和漸開線齒輪的能力和靈活性。(source:num.com)
圖4 : 建暐精密科技公司與NUM合作開發成形磨床,並搭配NUM新一代Flexium+ 68 CNC平台,實現了在同一部機台上製造擺線齒輪和漸開線齒輪的能力和靈活性。(source:num.com)

台灣力盟公司亞洲區銷售總監Adrian Kiener指出:「這次成功案例凸顯了NUM分散支持戰略的重要性,客戶只須要直接通過NUM在台灣及世界上許多其他國家的CNC專家和開發措施,就能得到非常快速的反應服務,以協助其顯著縮短上市時間。同時結合了NUM瑞士總公司齒輪產品團隊的專業知識和經驗所形成的完整解決方案,包含:人機介面軟體、加工技術和數學公式,以及所有NC循環。」


吳松憲也認為:「NUM的開放式架構平台,加上願意與機器製造商合作開發特定應用解決方案的意願,是客戶選擇CNC系統供應商時的關鍵差異化因素。」在協助建暐從無到有,開發成形齒輪磨床的過程中,NUM還特別量身打造所需人機介面,並由雙方共同討論產生漸開線/擺線的數學公式,這也是在台灣子公司的優勢之一,還為此培養了人機介面工程師,能即時就近解決問題,不讓強調靈活應變的台灣中小企業,再耗費已吃緊的人力、時間編程,今年還將在台灣衝刺開發客製化加工非圓工件的圓筒磨床市場。


**刊頭圖(source:sampspa.com)


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