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齒輪王 齒輪夢 專訪國立中正大學 馮展華 校長

摘要"

被台灣齒輪產業譽為「齒輪王」的中正大學校長馮展華先生,不僅在學術與教育屢屢獲得國家級獎項外,在齒輪領域鑽研了超過30年,所開發的齒輪、齒輪加工刀具、齒輪加工程序、齒輪機械、齒輪設計與模擬軟體,對台灣齒輪產業有莫大的貢獻,每年為齒輪製造業創造數十億的產值。在台灣疫情趨緩的秋日,《機械新刊》採訪團隊來到了中正大學校長室,有幸與傳奇的馮校長面對面,談笑間把他畢生追求的學問,盡付於文字中。

馮校長說:「只要機械在嚙合的過程中有相對的運動,它就是我研究的範疇。」

 

Q:馮校長所開發的「齒輪設計與模擬軟體」已廣泛被台灣齒輪業者所使用,並每年創造數十億的產值。請校長談談過去開發齒輪軟體的心路歷程,以及這套軟體的成功對於台灣齒輪產業的意義。

A:

早期齒輪領域的前輩們在學校或研究單位開發軟體,幾乎都是用理論值為基礎來設計,這樣的作法容易與實務面脫勾。在軟體上畫出理想的齒面,但如沒有考慮到刀具與機台的限制,往往設計完成上機台實際切削時,加工瓶頸才顯現出來。我當初在開發齒輪設計軟體時,就考慮到加工用的刀具設計以及加工機台的條件,讓虛擬的圖面與實物的生產得以順利接軌。

研究過程中,與當時在陸聯精密服務的陳士端總經理長期合作。從刮齒刀、滾齒刀的開發,一直到加工機台的設計,每個細節我都深入參與。因此我了解了刀具與機台的特性在哪裡,之後才有機會把這些Know How融入我寫的軟體,也得以使軟體在齒輪產業裡被大量活用。

我的軟體在應用面,有一個重要的成功案例,是冷媒壓縮機的螺旋轉子設計。過去,業界所生產的冷媒壓縮機,轉子線型都是延用德國或日本的設計,十幾年也不敢改,因為沒有原始的設計參數。後來經過我的軟體將參數解析出來後,廠商便可以重新設計,有效提升壓縮機的性能。冷媒壓縮機的螺旋轉子對我來說就是「螺旋齒輪」,只是齒形長得和一般齒輪不同而已。只要機械在嚙合的過程中有相對的運動,它就是我研究的範疇。利用我的軟體,設計者除了能設計出新的轉子線型以外,生產這轉子用的加工刀具的幾何該如何設計?如何製造?上了機台該如何調整?切削路徑要怎麼規劃?這些製造技術的眉眉角角也都能有所

依循。

接下來我想談談在齒輪加工裡重要的「閉迴路」觀念。在齒輪的世界裡,加工精度要求很高,常常是以微米(Micro Meter)等級在做標準。然而我們都知道,大多數工具機的加工精度都是算「條」的,也就是十微米(10 Micro Meter)的等級。因此如何在精度沒有那麼高的加工設備上,做出精度更高的零組件?這就是我研究多年的重要技術,所謂「閉迴路」的加工方式。簡單說,把第一個依照設計圖面試製的成品拿到三次元量測儀器做尺寸丈量,知道加工誤差後,我寫好程式讓它回機台上做修正補償。如此,即使機器不夠精準,但加工出來的零組件可以是精準的。有這種能力,產業才能和世界競爭啊。這個閉迴路的製造系統,多年來也普遍獲得業界的認同。我軟體開發的歷程,也就是在這樣與業界的實務互動經驗中,逐步的調整優化,才有今天的成果。

在有我這套軟體之前,台灣齒輪業者就只能向美國或德國的齒輪機械廠商採購設計模擬軟體及加工硬體設備,從軟體、磨刀機、量測儀、滾齒機、磨齒機等一整系列買下來一定是破億的投資。今天,我的團隊有辦法為台灣的齒輪加工廠商做各種客製化。我們的齒輪模擬軟體可以與美系及德系的加工機做連結,也就是說在我們軟體裡設計的東西可以無縫接軌地輸入進口機台做生產製造,而進口機台所產生的資料也能順利被我們的軟體讀取與利用。

其實除了軟體以外,中正大學的團隊對於齒輪加工機硬體的開發也早已有所成果。這幾年來和業界互動緊密,提供了許多齒輪加工專用機的設計服務。畢竟,在這龐大資本投入的產業,要在國際上有競爭力,業者不能單靠著買高級機台做軍備競賽,靈活運用台灣學術界及法人的資源,強化自身的軟實力也非常重要。

 

 

 

Q:目前台灣業者用來生產齒輪的高端機械設備,如齒輪創成磨床、滾齒機等,常見以歐美日進口設備為主。請問台灣齒輪製造機械發展現況?

A:

台灣的工具機產業發展的很好,在全球金屬加工的領域佔有一席之地。

一般來說,工具機的精度都是以「條」來計算,也就是十微米(10 Micro Meter)等級的程度。然而在齒輪製造的產業裡,人們要求的精度是以微米(1 Micro Meter)的程度來計算,公差都是在2~3微米以內。因此,台灣的金屬加工機械製造要如何從已經有雄厚基礎的工具機,進一步跨入門檻更高的齒輪加工機,這個中間就牽扯到好幾個重要的關鍵技術。

首先是機台「剛性」的問題。一般而言,齒輪加工機對主軸剛性的要求是我們常用工具機的三倍以上。像我們中正大學前瞻製造中心最近開發的齒輪加工機台,它的主軸扭力是500牛頓米(Nm)。一般龍門型的工具機,主軸扭力大概就是100~200牛頓米的程度。因此,機台的剛性要求就完全不一樣。「剛性」,是在機台設計時就要設計進去的!以前在台灣我們沒有經驗,過去幾十年我們利用專案的機會,慢慢累積出了一些基礎。

一般工具機的主軸,都是專業主軸製造商做好後,再整組組裝到機台上面。這種作法在齒輪加工機是行不通的。把做好的主軸鎖到結構上,就是用一排螺栓做鎖固,所以它的剛性就是靠那一排螺栓,在做重切削的時候,這樣的結構難以避免有晃動的發生。齒輪機械的設計,整個機台結構就支撐它的主軸。軸承就安裝在那結構上面,利用整個機台結構來支撐重切削的力量。假設為了提高生產力進入齒輪乾切削的加工情形,所產生的切削力更大,機台的剛性要求就更嚴苛了。台灣的工具機設計常以降成本為優先考量,但是在齒輪加工機的設計上觀念一定要顛倒過來,性能要求絕對是第一,不能省的就是不能省啊。許多齒輪機械為了剛性,甚至採用了價格不斐的花崗岩底座。

第二,我要談談「熱膨脹」這件事。我們都知道工具機會因為加工時機台溫度升高造成熱膨脹的發生,也就造成了切削的相對位置變化。在歐美的齒輪加工機上,你會發覺人家的設計都會有一個基準點,所以設計者清楚知道當熱膨脹發生時,機械的位置偏差會往哪個方向走,因此在做補償時就能夠很精準。他們在一開始設計時,就把這些設計進去。

在台灣的工具機產業,我偶有看到較粗糙的設計。譬如說在滾珠導螺桿的安裝上,大部分在固定時都是在兩端用螺帽鎖固做預拉。這樣的設計在熱膨脹發生時,因為兩端都是「過度拘束」,設計者其實不知道機台膨脹的變位是往哪個方向,因此在做熱補償時就變得非常複雜。而歐美機台在這上面的設計,我看到他們會在一端打PIN固定,另一端用盤形彈簧做預拉,熱膨脹的收縮就會往彈簧那一端跑。設計常常就是差那麼一點點,機台精度就天差地別。

第三點是「組裝」的技術。以滾珠導螺桿的安裝為例,一般台灣工具機業界在機台安裝後,量測抖動約3~5微米,大概就覺得已經裝好了。這種局部的抖動是後面無法補償的,非常要命。這件事要克服,就是在設計當初對於如何利用「軸承座」把3~5微米的抖動吸收掉,才是關鍵。

第四點是「共振抑制」的技術。機器運轉難免一定會發生共振現象,但是如何在機台運轉的頻率區間裡徹底的把共振避免掉是非常重要的。常見歐美齒輪加工機,設計者會在主軸後方加裝一個吸震器,把重切削時所發生的共振頻率吸收掉。在台灣很少人去研究這件事。另外,為了省成本,台灣有些廠商甚至會去做結構挖空設計,省鑄件費用。我想提醒,省成本、輕量化不是不好,但在齒輪機械上,任何因節省成本而導致的性能損失,都是划不來的。

第五點要提到「電子齒輪」。齒輪加工機的「多軸同動控制」非常重要。控制器裡的電子齒輪應用技術是個關鍵技術,在台灣沒有幾個人能寫這個東西,要能了解其中參數的調整方式也需要長時間的經驗累積。

第六點就是「閉迴路(Closed Loop)」的加工誤差補正技術。把第一個依照設計圖面試製的齒輪成品拿到三次元量測儀器做尺寸丈量,知道加工誤差後,我寫好程式讓它回機台上做修正補償。如此,即使機器不夠精準,但加工出來的齒輪可以是精準的。這過程中,切削修正量的計算以及加工路徑的重新規劃都是

關鍵。

 

 

Q:馮校長曾表示將於民雄設置具備多項智慧化功能的「齒輪生產自動化示範線」,請問目前示範線的建置狀況?

A:

在中正大學前瞻製造中心現在有一個示範線,裡面有傘齒輪切齒機、磨齒機、五軸刀具磨床、齒輪量測儀。研究團隊就在這裡做前面談到的「閉迴路」齒輪加工技術。這個示範線的另一個重要使命,就是要驗證產線的智慧功能,包括「齒輪刀具壽命預測」以及「切削條件的自我調整」。

一條理想的齒輪生產線,原則上我們希望把刀子放上去後,一直到下班產線都能自動上下料及加工。這中間困難的地方在於刀具壽命要怎麼預測!如果切削條件是乾式切削的話,刀具的磨耗更是非常難做偵測。我現在在開發這個技術。我現在用高速紅外線攝影拍出切削時刀具的溫度,研發團隊可以試不同的轉速與不同的進給量,觀察刀具在每一個瞬間的溫度變化。齒輪刀具磨損最大的原因是「熱裂」,就是切削瞬間溫度迅速升高,切過去後又快速冷下來,這種熱波動會使刀具發生剝離現象。另外,我們也很想知道刀子到底是在哪一個地方崩裂,崩裂前又有什麼預兆。

在「齒輪刀具壽命預測」技術成熟後,加工中如果刀子壽命快到時,系統自己會預警,操作員就能提前去換刀子。未來的目標是連換刀都能全自動化。而「切削條件的自我調整」是經紅外線線上觀察刀具溫度,讓溫度保持在警戒點以下,如果溫度離警戒點還有一段距離,機台也可以自動加速,提升生產效率。

在上述研究階段性目標達成後,接下來我要開發又可以做傘齒輪,又可以做圓柱齒輪的「複合式齒輪加工機」,讓滾齒、切齒、Power Skiving、面銑等工序都能在一台機器上完成。如此除了能減少工件的搬運時間外,齒輪的同心度及精度都能夠再進一步提升。複合機的研究全世界都在起步階段,我也清楚國際大廠目前的研發成果,期待中正大學的研發團隊能與國際同步甚至超越,為台灣齒輪加工機械的未來盡一份心力。

 

 

Q:對於智慧製造時代的來臨,馮校長給予校園裡的同學們什麼樣的建議?

A:

因智慧製造時代的來臨,其實很多以前的研究方式要放棄啊!譬如說學校很多老師研究的時候習慣用市售的套裝軟體,在理工科常見Matlab、Mathematica等等。這些分析軟體固然方便,但是在機械系統開發的實務面上,我們還是應該回歸到自己要具備「寫軟體」的基本能力。總不能在Matlab上做好了系統設計,在機器要移轉給產業運用時,還要求加工廠老闆除了買機器,也要買一套Matlab在工廠裡用吧!所以我認為基礎程式開發的能力對現在的學生來說非常重要。

其次是「系統概念」要強。就像要做一個齒輪,你除了要了解齒輪本身的設計理論外,齒輪刀具、加工路徑、機台設定等每件事都是環環相連,整個系統都要了解才行。在智慧製造裡大家用了很多感測器抓數據,如果有了數據卻不能有效分析,或是即使分析了卻不懂得怎麼調整優化機器,那智慧製造就只做了一半!沒有完整的系統概念是不行的。現在的同學應該多多把握系統概念、系統整合的相關課程加以充實自己。再來就是「團隊合作」了。每個人的能力都有限,一個人做不來這麼多的事情,這個時代要做大事,就是要與不同領域的人分工合作。

最後,除了給同學的建議以外,對於台灣各類產業系統的技術發展,我認為台灣應該要有一個機制,讓同領域產、官、學、研的人都能夠坐下來,對於各種研究課題做有效的分工,使大家的研究成果最後能順利串起來變成能幫助到產業面的完整系統。

 

 

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