齒輪產業的現況與發展趨勢
2014-11-10 發佈 | 作者:[2014自動化總覽] 台灣機械業二代聯誼會(G2)創會長 黃呈豐

<齒輪產業的現況與發展趨勢>

 

、<全球齒輪產業及主要應用>                            

                                                                    

「齒輪」是兩三千年前在古希臘就已記載被使用的傳動零件,甚至在中國黃帝時代其指南車上就有類似齒輪的零件在轉動,它具有高傳輸效率、高性價比、高可靠度及長壽命…等特性,一般所知的應用包括汽機車、工具機、產業機械及飛機…等,近年來更出現新的齒輪應用領域,包括風力發電、電動車、追日系統、機器手臂…等,為齒輪產業發展注入新的泉源。

 

根據Freedonia研究調查,全球的齒輪及齒輪箱市場估計有一千七百億美金(附圖一),尤其隨著汽車市場包含電動車的成長以及風力發電及太陽能系統的使用,每年將持續約4.7%的成長,若以區域別來看,美國加歐洲的市場佔全球56%,仍然是最重要的齒輪市場,但是中國估計每年會以10%的速度成長,甚至可能在2018年取代美國成為最大的齒輪市場。此外估計亞洲、東歐、非洲及中南美洲的產值將會超越美國、歐洲及日本的產值。在齒輪的應用方面,車輛齒輪佔70%;工業用齒輪佔18%;其他佔12% (附圖二),其中具代表性的世界大廠包含:GM, ZF, VW, Ford…等。

 

 

 

 

附圖一(From: Oerlikon Drive Systems)

附圖二(From: Freedonia Global Gear Market Study)

 

至於臺灣的齒輪產業,大致可以歸類為精密機械齒輪、車輛用齒輪、減速機齒輪、精細小齒輪與大型齒輪等五大類。其代表性廠商包含和大、六星、台灣精銳、大同、僑星、台穩、尚和…等廠商,各有所長且也多是較有歷史的家族性企業,然近幾年來已有部分齒輪廠引用更多專業經理人而與世界接軌,發展出更大的企業規模並持續擴充產能,例如六星機械剛於台中精密機械科技創新園區擴建完成新廠。

 

、<重大發展趨勢>

 

一、品質檢驗及品質系統:

    隨著齒輪精密度及品質可靠度的要求日益提升,齒輪產業需不斷提升齒輪量測以及品質系統,才能提供給客戶更穩定的製程及品質。目前國內業者也不斷提昇在齒輪量測方面的設備,像六星機械引進Klingelnberg P100的高階齒輪量測設備,不但可以量測一般圓柱體齒輪,還可以量測傘齒輪、蝸輪蝸桿、非漸開線齒輪甚至加工用的刀具,這些都是齒輪業界在檢驗上的突破;近幾年來甚至在傘齒輪方面,德國廠商更提出了「Close Loop」的概念,讓加工及量測較為困難的螺旋傘齒輪可以同時整合設計、生產、量測及刀具修整的製程,提高傘齒輪的精度及可靠度。

    同時齒輪量測的方式也越來越多元,例如在加工設備上搭配線上量測(on-line measurement)進而在加工前後都能掌握齒輪的精度,以及針對大型齒輪發展出可攜式齒輪量測設備,另外部分CMM業者現在也發展出齒輪量測軟體,都是一大突破。

 

另外在品質系統方面,除了一般為人熟知的ISO認證外,國內業者為了讓國際客戶對於生產體系及品質更有信心,也不斷提昇自我的品質系統,例如今年八月份六星機械剛通過高標準的航空認證AS9100,為台灣齒輪邁向國際市場尤其航空市場又邁進了一大步。

 

二、精密齒輪的製造技術: 

 

    精密齒輪的生產製程早已進入到齒輪研磨,包括國際大廠Reishauer、Kapp…等研磨設備都不斷推成出新,持續提出更多降低齒輪噪音及提高精度的加工方法 。一般而言,齒輪研磨包含創成(generation grinding)及成型研磨(form grinding),前者適合量產型而後者則適合少量多樣生產,近幾年已經有兼具創成磨及成型磨的齒研設備上市,使得齒輪廠商可以同時滿足量產型及少量多樣的客戶,是齒輪製造技術上的一大精進。

    同時隨著CBN砂輪的生產技術提升,現階段已有「可修整CBN砂輪研磨」的技術應用,讓齒輪研磨可以更快速卻同時具有彈性,甚至不久的將來會有更多齒輪直接由研磨方式創成齒形,而不需要再經由滾齒…等前製程,齒輪的生產方式一直在日新月異。

 

此外為了提升加工效率、克服一些不易加工的齒輪或者改善噪音,也有不少新型態的加工方式出現或開始被應用,例如衍齒(Honing),適合用來精加工內齒輪或者多階齒輪…等,過去這些齒輪不易進行精加工,透過衍齒不但可以加工還可以改善噪音;另外還有像power-skiving 、power-honing、scudding…等方式出現,都有助於讓熱處理後的齒輪得到精度上的提升。

 

另外一個趨勢就是複合式齒輪加工機的出現, 此類機台一種是在單一機台上可以實現多製程加工,例如同時可以研磨齒輪、平面及內孔、同時可以進行齒輪加工及去毛邊、同一機台可以研磨內外齒輪;或者是將不同機台整合在一起完成一顆齒輪加工,例如整合滾齒及刮齒製程,這類複合式的機台大多要搭配自動化設備,目前由於單價尚高,還不是非常普及但仍是齒輪產業的一個趨勢。

 

台灣方面目前主要以陸聯公司為開發齒輪加工設備的主力,包含齒輪研磨機、蝸桿磨床、刀具磨床甚至正在開發傘齒輪的加工設備…等,有助於台灣的齒輪產業升級。

 

三、齒輪設計:

    齒輪精度提升跟齒輪設計有密切關聯,若能輔助齒輪設計軟體,更能夠在齒輪製造前找到最佳參數及模擬分析,目前像Kisssoft, Kimos…等國外齒輪專業設計軟體不斷推成出新,甚至已進階到齒輪箱的整體設計,但由於設計理論較為深奧且價格較高 ,在國內真正導入的業者不多,甚至台灣只有少數幾家齒輪廠商擁有設計團隊,多數廠商或是沿用幾十年前工研院所開發的設計軟體或不具有設計能力,因此本身能力無法提升。不過近年來中正大學馮展華教授持續研發齒輪幾何分析及設計的軟體,包含與陸聯公司及業界開發其他齒輪軟體,已進一步協助台灣齒輪廠商降低設計軟體的學習曲線,若能持續開發更完整的齒輪設計軟體,相信對於台灣齒輪的精度提升會更有幫助。       

 

四、自動化產線:

隨著人工成本提升以及少子化現象,再者齒輪的技術人員培養不易,導入自動化系統是越來越普遍的作法,尤其自動化可以同時減少機台架設以及上下料時間,有助於提升效率。其實自動化的概念早已開始應用到齒輪的生產設備中,包含自動對齒、自動修砂、自動校正及線上量測…等,都是精密齒輪設備存在的功能,根據美國AGMA研究,跟過去相比這些應用至少提升機器生產效率2- 4倍。而一般所談的自動化主要是指上下料的設備,最主要包含龍門式、機器手臂以及轉盤或輸送帶式,這幾類的自動化設計各有其優缺點,須依據生產現況來選擇。

不過以台灣齒輪業者少量多樣的生產型態,要如何同時結合自動化但仍保有彈性的特質,在這方面會是一個挑戰。

 

五、特殊齒輪及非漸開線齒輪發展:

齒輪的設計仍然以漸開線齒輪為主,但近幾年來由於齒輪設計的突破、設計軟體的輔助以及加工設備的精進,讓一些特殊的齒輪得以實現,例如在機器手臂裡使用的Harmonic齒輪或者擺線齒輪已經普遍被應用,國內廠商像六星機械已可以生產精密的擺線齒輪…等,這類齒輪具有小空間、高減速比及高傳輸效率的特性,還有在工具機或齒輪泵…等領域,也出現圓形齒輪或者球形齒輪的設計及應用,這類齒輪也具有提高運轉效率、低噪音及節省空間的效用,是齒輪發展的另一個趨勢。

 

其它齒輪發展趨勢,例如隨著鍛造技術及粉末冶金技術的提升,傳統的齒輪加工方式也面臨部分挑戰,高精度的鍛造齒輪可以替代一般滾齒加工的量產型齒輪;較高強度的粉末齒輪也取代一些較小型的滾切齒製程,以上兩者尤其在傘齒輪部分有較明顯變化,另外也有部分廠商開發出用CNC銑床、車銑複合機、立式磨床、線切割甚至雷射3D列印技術…等方式進行圓柱體齒輪或者傘齒輪的加工,以上趨勢也值得注意。

 

、<結語及展望>

 

齒輪的發展雖然因為伺服馬達的進步,而在部分的應用被取代,但是隨著全球對於節能及綠能的重視,而讓齒輪再度受到重視,藉由高精度的齒輪來減小馬達的規格進而達到節能的目的,在電動車、機器手臂…等都是顯而立見的例子。

 

未來齒輪的發展將繼續朝向高轉速、高減速比、低噪音及組件化的方向,也會需要更多精密齒輪的傳動產品,例如伺服變速器、無段變速器、高精度分度盤、高速比齒輪箱、節能齒輪泵…等。台灣的齒輪產業除面對自我升級與世界接軌的挑戰外,還要面對中國大陸未來將成為最大齒輪產地、東南亞製造能力提升甚至美國呼籲製造業回流的挑戰;此外國內過去重視理論教育而忽視技職教育的政策,造成技職體系人員的斷層,對於台灣想要學習德國「隱形冠軍」的文化及競爭策略,缺乏了很重要的基石,因此政府、學界還有企業界如何孕育並吸引技術人才是當務之急。目前台灣總體的齒輪出口值仍小於進口值,顯然還有很大的成長空間,唯有透過繼續培育人才、持續投資更先進的齒輪製程並且提昇在齒輪設計方面的能力,台灣的齒輪產業才能擴大在全球的佔有率並真正佔有一席之地。