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齿轮螺杆加工有待引进专业能量
协助终端客户内外强化竞争力

【作者: 陳念舜】2021年10月05日 星期二

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即使多年来台湾齿轮及螺杆加工业者陆续透过自制机台、刀具,甚至於PC-based控制器,逐步建立开发能量,进而透过内外并购来提升竞争力。但至今该体系仍相当封闭,并非传统综合加工机、CAD/CAM软体商可涉入,而相当倚重制造加工业者多年累积的数学式资料库、专用机种,但在应用工法不断推陈出新及瑞士控制器大厂介入下,可??出现转机。


回顾自2006~2008年以来,每逢全球出现原物料??涨的景气循环热潮,往往迎来的就是当下制造业对於资本设备支出、关键零组件等库存备料大增,促成新一波军(设)备竞赛,也是台湾机械设备产业的商机所在,除了自家增资扩产,对内外并购投入新市场亦时有所闻。


如齿轮、滚珠螺杆等关键传动零组件的应用范畴极为广泛,涵括汽车、工具机、基础工业、能源、矿业、农业设备以及风力发电等,近几年来更因为新能源车兴起、自动化与风力电机等产业急速扩大,造成齿轮制造业生产相当活络,驱使大模数、高强度及高精度齿轮之需求量逐年增加。


但早期台湾厂商加工齿轮所使用的刀具和机器设备皆须仰赖进囗,且齿轮设计能力落後先进国家许多,全凭经验探索技术。1990年起政府也推动一连串辅导计画,陆续向欧、美采购引进CNC工具机设备,让齿轮产量和精度因此大幅提升,促进了齿轮业的蓬勃发展。最成功的例子,便是由工研院机械所执行的开发计画「齿轮电脑辅助设计软体」,共有大同齿轮、久大、新恒等14家厂商叁与,透过软体提升了台湾厂商在圆柱齿轮的设计和制造能力。


另外是引进义大利Samputensili滚齿刀及刮齿刀的设计和生产技术,交由全宏、侨星和台湾工机、久大等6家厂商在1994年合资成立「陆联精密公司」,由於刀具供应自主性高,交期短和价格低,而大幅提升台湾齿轮制造的竞争力。



图1 : 齿轮、滚珠螺杆等关键传动零组件的应用范畴极为广泛,涵括汽车、工具机、基础工业、能源、矿业、农业设备以及风力发电等。(source:inegi.pt)
图1 : 齿轮、滚珠螺杆等关键传动零组件的应用范畴极为广泛,涵括汽车、工具机、基础工业、能源、矿业、农业设备以及风力发电等。(source:inegi.pt)

掌握精密螺杆自主能量 内外并购强化竞争力

滚珠螺杆则属於技术与资本密集产品,除了所需钢珠的数量不多、规格不一,均采外购;还须仰赖螺杆及螺帽精密加工设备。加上因为生产过程复杂、工时冗长,必需具备娴熟工艺的技术人员,所以产地主要集中於欧美日等工业先进国家,应用上也从传统NC/CNC工具机为主,至今已逐渐扩散至半导体与产业机器人领域的比重逐渐升高,未来仍极具潜力。


台湾虽身为工具机暨零组件生产大国,在内销市场上,向来以日本为主要竞争对手;外销市场则有日本和中国大陆。但直到1982年台湾首家滚珠螺杆专业制造厂何丰精密才正式成立,自英国引进世界一流的生产技术开工量产,当时在台湾市占率从1983年33.3%、1984年36.3%逐年递增,在1985年达到50%。


却因为当时投资金额过为庞大,市场规模又不足以支持何丰扩大产能,降低单位成本,导致於1987年由时任交通银行主任秘书卓永财接手重整,接着另行成立上银科技公司。旋即於1992年成为全球滚珠螺杆厂商中,首家通过ISO国际品保认证工厂,台湾滚珠螺杆品质才逐渐获得国内外厂商肯定,正式由进囗替代的内需市场占有率仅约5%增至85%,进而反攻国际市场,外销30馀国。


如近年来再被上银并购的英国百年螺?磨床大厂迈萃斯精密公司(Matrix)早期便与日本三井精机挟成本优势,共同掌握全球导螺杆加工设备产能,当时在何丰厂内清一色采用Matrix加工及检验设备,并由上银接手取得。但在大陆、印度等新兴市场崛起後,造成Matrix设备取得不易,也形成被上银并购的契机。


2015年上银再为了取得日本不愿出售的专用齿轮刀具,以加工机器人所需谐波减速机(Harmonic drive),而决定并购陆联精密,并改名Matrix行销全球,但当时陆联其实已具备可加工短行程导螺杆能力,正逐渐朝向长行程及自主开发刀具升级之路,如今则交由第二代卓文恒接任董事长,期待早日转亏为盈。



图2 : 滚珠螺杆因为生产过程复杂、工时冗长,必需具备娴熟工艺的技术人员,应用上也从传统NC/CNC工具机为主,至今已逐渐扩散至半导体与产业机器人领域。(source:balancesystems.com)
图2 : 滚珠螺杆因为生产过程复杂、工时冗长,必需具备娴熟工艺的技术人员,应用上也从传统NC/CNC工具机为主,至今已逐渐扩散至半导体与产业机器人领域。(source:balancesystems.com)

开创齿轮加工专用不易 台厂走来??路蓝缕

目前对於齿轮制造约可概分为3大领域:圆柱齿轮、蜗杆/蜗轮及伞齿轮,但因为切削齿轮时,对於齿形精度的要求较一般机械零件严格,必须使用特殊刀具及工具机才能加工,其机台结构复杂且刚性要强,再搭配专用齿轮设计制造软体,所以鲜少有台湾厂商能介入,全球齿轮工具机的制造商主要分布在日本、德国、瑞士和美国,生产机台产量约占全球总数70%以上。


其中,圆柱齿轮粗加工的工具机大都使用滚齿机和??齿机。在粗加工後,尚未淬火前的齿形精加工则利用刮齿机,并大量用於机车产业;至於淬火後的精加工,大都施以磨齿(Grinding)和??齿(Honing)。目前为克服内齿轮加工问题,最新推出的技术为?力刮齿(Power skiving)和滚??(Scudding),其刀具采用类似??齿刀设计,切齿动作则类似滚齿,加工效率宣称比??齿加工快了5~6倍。


然而,因为圆柱齿轮生产的技术门槛不高,难与大陆及新兴国家做价格竞争,在台湾齿轮产业力求转型之下,渐渐朝向齿轮箱次系统利基领域发展。如自动化领域的行星齿轮减速机,代表性厂商有台湾精锐、利茗、成大、台湾工机和晃益;工具机方面有大同、锡昌、侨星和六星等。汽机车领域中的齿轮箱和传动轴系统,代表性厂商有和大、仓佑、中华台亚、介隆兴和华??;基础重工业设备使用的大型精密减速机,代表性厂商有上和、台??重工、久大和聪颖机械厂;橡塑胶机械齿轮箱领域,代表性厂商为三隆齿轮、台稳精密和永大精机。


且考量在各种齿轮中,伞齿轮的技术门槛最高,故较具竞争力,台湾的代表性厂商有侨星齿轮、亚格齿轮和毖成齿轮。伞齿轮常用的切制法有两大类,早期以美国Gleason传统摇台式切齿和磨齿设备为主,以面铣法(Face-milling)来加工伞齿轮。制造者可从Gleason提供的齿轮计算表来计算刀具和齿胚叁数,以及机械设定和修正量,针对个别需求实施特定的加工方法;後制程还须经过表面硬化热处理,最後再施以研磨来提高齿轮精度,由於刀具设计简单且取得容易,非常适合小量乃至大量的制造方式。


另外一类是德国Klingelnberg伞齿轮加工机为代表,以面滚法(Face-hobbing)来加工伞齿轮的生产速度比较快。但因为由多根条状刀棒所组成刀具,使之刀刃设定较为复杂,需要额外刀具校正设备;且藉此加工的伞齿轮无法施以研磨,故在台湾较少有厂商采用,却非常适合为汽车产业生产大量伞齿轮,对於齿轮精度要求不高,还能在热处理後以研齿制程(Lapping process)来调降噪音,代表性厂商为中华台亚。


至於台湾齿轮刀具制造商首推陆联精密,研发自制的工具机包含滚齿刀铲齿车床、刮齿刀??槽机及CNC滚齿刀铲磨机和磨锐机等。且在建立齿轮机专门技术後转而开发CNC蜗杆磨床、CNC成形磨齿机和CNC蜗杆砂轮形磨齿机,其工具机品质已获得国际认可,销售遍及台、日、美、大陆和土耳其等国家。近年来和大工业挟其多年齿轮生产实务经验,自行设计制造齿轮工具机,并成功开发出CNC刮齿机和滚齿机行销全球。


倘若引导得当,台湾机械厂商将能建立起对於齿轮、齿轮箱及传动系统最适化的设计能力,开发附加价值高的产品;与齿轮制造业者也提高生产力、更新老旧设备,争取车辆传动方面市场,必使台湾与齿轮相关的机械工业在世界市场上占有一席之地,并带动整体机械业发展。


例如机器人的关键零组件中以减速机构为最关键,为能满足小空间单阶大减速比的需求,一般皆采用谐波式减速机或摆线减速机(Cycloid reducer)。除了前者关键在於挠性齿轮的材料选用和齿形设计,试量产制造出来的减速机寿命犹待国际验证;後者的技术门槛在摆线齿轮齿形设计和制造精度,已有台湾厂商逐渐克服其中困难,并持续改善品质。其他应用在钢铁、石化等重工业或基础工业的大型减速机,则重点诉求安静、高强度和高效率,以及风力电机所需的增减速箱,为其关键零组件。



图3 : 机器人的关键零组件中以减速机构为最关键,为能满足小空间单阶大减速比的需求,一般皆采用谐波式减速机或摆线减速机。(source:cdn.neugart.com)
图3 : 机器人的关键零组件中以减速机构为最关键,为能满足小空间单阶大减速比的需求,一般皆采用谐波式减速机或摆线减速机。(source:cdn.neugart.com)

导入瑞士齿轮加工整体方案 产业可??软硬体同步升级

值得一提的是,目前也有瑞士齿轮加工专用机控制器大厂NUM已在台湾成立子公司-台湾力盟公司,总公司早在1961年就已开发出首款CNC控制器,比起现今CNC/NC控制系统的普及使用早了10年之久。该公司现除了可提供NUMgear控制器,以协助台湾传统综合型工具机、OEM设备制造厂商开发新款成形齿轮磨床、滚齿机、??齿机、创成磨齿机等专用加工机,并搭配人机介面软体Flexium CAM,跨足新创应用领域;同时也着重旧机改新市场,与工研院、天益齿轮、三隆齿轮等合作,改装已使用数十年的LIEBHERR、Gleason滚齿机。


台湾力盟公司业务经理吴松宪表示,该公司不仅在2014年即曾与陆联合作开发创成磨齿机,近年来还与建??精密科技公司合作开发成形磨床案例,後者系基於现今机器人系统通常使用配备渐开线齿轮的行星齿轮箱,或是减少外摆线转子和定子组合的摆线驱动,但要制造摆线齿轮的难度大且成本高。


因此建??於2015年决定自行开发磨床,生产自家齿轮箱以便掌控质量、缩短交货时间并降低成本,甚至能向其他齿轮制造商销售机器。最初也曾采用传统Fanuc数控系统、CAD/CAM软体及自家三次元量床(CMM),却很快发现摆线齿轮的轮廓复杂程度,CMM得到数据不足以控制整体制程,且不希??客户采购机器还须要投资引进昂贵的CAD/CAM系统和增加人员。


所以决定引进一套能从齿轮设计理论开始,就完全支援齿轮磨削的CNC数控系统,让客户只须输入其设定的齿轮叁数,该系统就能即时补足机器修整和磨削过程的各个层面,NUM则愿意提供在齿轮磨削应用的专业知识,并共同开发CNC数控系统,包含特定应用的人机介面(HMI)软体和各种专用控制功能,并搭配NUM新一代Flexium+ 68 CNC平台,实现了在同一部机台上制造摆线齿轮和渐开线齿轮的能力和灵活性。



图4 : 建??精密科技公司与NUM合作开发成形磨床,并搭配NUM新一代Flexium+ 68 CNC平台,实现了在同一部机台上制造摆线齿轮和渐开线齿轮的能力和灵活性。(source:num.com)
图4 : 建??精密科技公司与NUM合作开发成形磨床,并搭配NUM新一代Flexium+ 68 CNC平台,实现了在同一部机台上制造摆线齿轮和渐开线齿轮的能力和灵活性。(source:num.com)

台湾力盟公司亚洲区销售总监Adrian Kiener指出:「这次成功案例凸显了NUM分散支持战略的重要性,客户只须要直接通过NUM在台湾及世界上许多其他国家的CNC专家和开发措施,就能得到非常快速的反应服务,以协助其显着缩短上市时间。同时结合了NUM瑞士总公司齿轮产品团队的专业知识和经验所形成的完整解决方案,包含:人机介面软体、加工技术和数学公式,以及所有NC循环。」


吴松宪也认为:「NUM的开放式架构平台,加上愿意与机器制造商合作开发特定应用解决方案的意愿,是客户选择CNC系统供应商时的关键差异化因素。」在协助建??从无到有,开发成形齿轮磨床的过程中,NUM还特别量身打造所需人机介面,并由双方共同讨论产生渐开线/摆线的数学公式,这也是在台湾子公司的优势之一,还为此培养了人机介面工程师,能即时就近解决问题,不让强调灵活应变的台湾中小企业,再耗费已吃紧的人力、时间编程,今年还将在台湾冲刺开发客制化加工非圆工件的圆筒磨床市场。


**刊头图(source:sampspa.com)


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