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轉化升級! 站上齒輪加工的浪頭-朋吉實業

摘要"

你有沒有常常被從你身後靜靜滑過的電動車給嚇到?與傳統汽柴油車比起來,電動車真的是「安靜」許多。傳統油車因為是利用燃料瞬間在汽缸內被引燃爆炸來產生動力,所以不免因爆炸現象產生了一定的引擎噪音。其實車輛行駛時,除了引擎噪音以外,其傳動機構內齒輪嚙合等機械作動,也必然產生噪音,只是其相較於引擎噪音是小之又小,因此在過去比較沒有受到大家的注意。

進入電動車的時代,沒有了傳統內燃機構,傳動機構的噪音開始被聽得很清楚,汽車廠也必須開始對傳動機構的各種噪音做前所未有的嚴格檢討與分析,利用各種技術盡可能把機械噪音降到最低,讓車主有個安靜舒適的駕馭環境。「齒輪研磨」便是這降噪要求的一項關鍵技術。

齒輪刀具和齒輪設備的專家-朋吉實業鄭裔芯總經理應《機械新刊》之邀,在2021年初接受了專訪,向我們透露了過去這兩年來台灣齒輪加工產業的變化。她表示:「這幾年並不是大家都好,不過台灣部分齒輪加工業者的確在全球電動車齒輪的領域裡搶到了一席之地。」伴隨著汽油車的勢微以及電動車的大幅起飛,所需的齒輪數量也大幅降低,因此這幾年許多齒輪加工業者受到了不小的衝擊。然而,電動車內的齒輪數量比起油車雖然減少了,但是由於「安靜」的需求,對於齒輪加工精度的要求卻大幅提高。這對產業而言,就是齒輪加工的「門檻」大幅提高。在過去,不是所有的齒輪產品都需要再做進一步的齒輪研磨,但如今要做電動車動力系統的齒輪,研磨的工序與專業技術已變成必備項目,加工廠對於齒輪研磨設備的投資,也儼然成了現實的軍備競賽。

 

朋吉實業 鄭裔芯 總經理

 

 

LIEBHERR 齒輪加工機

 

惱人的Nature Twist
鄭總經理拿起一張白紙,隨手畫出了車廠對精度要求的秘密。她說:「像這樣的一個有弧度的齒面,以前加工後的齒型精度允收標準,僅檢驗齒面十字的固定點,只要在公差內就OK。而現在的電動車廠,除了大幅提高了十字形網格的密度,這是第一個齒輪研磨立即需克服齒輪加工先天上的Nature twist,嚴格的檢驗更是在點位與點位之間的曲面上,嚴格要求加工波痕(Ripple)的幅度大小。」齒面上的Ripple在工作時容易產生一種接近嚙合頻率的特殊頻率噪音,被稱為鬼影頻率(Ghost Frequency),這噪音是車廠不樂見的。電動車廠為了降低運行噪音,對於齒輪齒面上的Ripple提出了高規格的要求。「要求Ripple必須壓在0.1 Micrometer以下,你知道對於加工廠來說是多麼大的挑戰嗎?而且這些新興的電動車廠為了保住領先地位,規格往往變化快速,要作為他們的供應商,機台必須跟的上不斷的即刻變化」鄭總瞪大著眼強調著,我們必須走在前面。
總部位於台中的朋吉實業是德國利勃海爾LIEBHERR齒輪加工設備的台灣總代理,在疫情嚴重衝擊台灣工具機產業的2020年,朋吉實業齒輪加工設備的銷售卻是大幅成長。鄭總笑著說:「我們德國LIEBHERR原廠的齒輪設備工程師已經在台灣待大半年了。2020年新機安裝的業務一件接一件,他根本回不去!況且在疫情肆虐下台灣又是最安全的地方,我就說服他好好留下!」

 

LIEBHERR 具備靈活的齒輪研磨加工技術

 

LIEBHERR的齒輪創程與成型研磨
負責齒輪最終精度的齒輪研磨機(Gear Grinding Machine)是朋吉近期銷售成長最快的設備。面對電動車產業對於齒輪齒面Ripple的嚴苛要求,LIEBHERR的齒輪創程與成型磨床(Gear Generating & Profile Grinding Machine)是加工廠最佳的解決方案。
LIEBHERR新一代的齒輪創程與成型磨床LGG系列,可對最大直徑500mm、重量100kg的內、外齒輪進行熱處理後的精加工。設備除了高剛性、高穩定性外,靈活的加工機能是一大特色。LIEBHERR在LGG系列上設計了可快速拆換的附加主軸,它的功能近似於內磨削臂一樣,使工件在外齒研磨後,得以在同一機台上立刻進行內齒的研磨。在使用微型砂輪做精密齒輪研磨時,透過自主生產的主軸與配套的CBN砂輪,在轉速到達30000rpm時,附加主軸依然在振動與溫升上能保持優越的特性。在航太產業的零件加工領域裡,LGG系列已被用於襟翼調整用行星齒輪的成型研磨。另外,LGG兩頭固定砂輪系列具備主立柱達1,000mm的軸向行程且可附掛小砂輪,因此可加工沙灘車等商用車輛中常見的長軸齒輪。
LIEBHERR之所以能支援齒輪加工廠來面對車廠的各種合理與不合理的要求,除了機台本身的硬體結構等技術外,數十年來的軟體開發更是功不可沒。1988年LIEBHERR就以「Twist Free Grinding」技術,在全球拿到了多項專利,2004年更發展到「Twist Free Dressing」技術。他們利用軟體的調整補償,克服傳統上砂輪研磨加工無法避免的齒面微扭曲現象(Distortion),使LIEBHERR機台所生產的齒輪產品品質能大幅升級。

LIEBHERR的電動車電池組裝系統
談到LIEBHERR對汽車業的貢獻,除了齒輪範疇外,鄭總也提起了電動車電池組裝自動化生產線的成功案例。她表示:「LIEBHERR活用其公司長年在吊掛、起重、搬運等領域的經驗,近年來深受德國車廠的信任,為電動車的電池組裝產線設計了靈活的自動控制裝置。」車廠在搬運電池組時,重量是一大挑戰,完全組裝好的電池組可重達800Kg。LIEBHERR的搬運系統完全能夠勝任這種挑戰。電池部件的有害物質、易燃性、電荷等相關特性則是另一項挑戰。在系統設計環節,LIEBHERR便已將嚴格的客戶要求和安全規定納入考慮範圍,充分利用在汽車業生產線領域積累的豐富經驗。
其次,LIEBHERR非常重視零件的模組化、可擴展性以及聯網性能,並為用戶提供整套模組化的產品體系。例如:專為重型運輸載荷而設計的搬運系統、可加快週期的線性桁架、用於複雜任務的工業機器人、存儲解決方案、內部物流和相應的控制系統等。LIEBHERR自動化系統開發負責人Thomas Mattern曾對媒體表示:「LIEBHERR在電動車電池模組化組裝上充分採用了『積木原理』。」他說:「就像在組一套樂高模型!LIEBHERR最大的成就是能簡單輕鬆的將所有零件組裝在一起。我們的系統配有通用型接口,就像樂高積木上的凸粒。利用這些接口,我們能根據客戶需求配置一個完整的系統。」無論是小批量半自動系統,還是大批量全自動生產線,都可以採用可擴充的方式進行設計。在接口、並行過程、可重複性、應急策略、零部件可用性和可追溯性等方面,LIEBHERR絕對是一位經驗豐富又可靠的合作夥伴。LIEBHERR設計的系統非常靈活,不僅佔地面積小,且自動化密度極高。LIEBHERR用於輕鬆搬運重物的緊湊型線性桁架可與工業機器人進行靈活匹配,完成複雜的搬運和加工任務。原來LIEBHERR在工廠客製自動化領域早已深耕多年,與車廠的互動也早已不只在齒輪的生產。

 

LIEBHERR 將微型齒輪加工發揮得淋漓盡致

 

LIEBHERR LC 3000 巨型齒輪加工設備

 

LIEBHERR的微型與超精密齒輪製造
接下來,鄭總談到了在衛星天線、醫藥工程、機器手臂裡不可或缺的精密齒輪減速機之製造。要在微小的空間裡實現高減速比與零間隙的精準傳動,「擺線減速機」與「諧波減速機」是現今業界的首選。LIEBHERR專為擺線減速機用齒輪可以直接使用LGG系列機台完成,可以在單一夾具或精確配對的成對夾具中,以創程研磨的方式加工擺線盤齒輪的外齒。由於LIEBHERR有效提升了蝸桿砂輪的研磨特性,使分度精度更高,尺寸精度更佳,整個擺線盤齒輪的輪廓形狀得以更加均勻。在內齒成型研磨方面,LIEBHERR利用電鍍黏結型免修整耐磨CBN砂輪,成功的發展出適合研磨圓弧的方案。
在諧波減速機用小模數(0.07M -0.3M)零組件加工的領域,LIEBHERR的滾齒、插齒技術在肉眼幾乎看不清楚的齒形加工上發揮得淋漓盡致,甚至也把量測帶入了整套的solution中。另外,在LK 180機台上,利用車齒的方式加工「內花鍵齒圈」,也是LIEBHERR針對特殊應用所開發的解方案。
接著,鄭總談到了LIEBHERR的Skiving3滾插齒技術。針對需批量生產的內齒輪以及具備干擾輪廓的外齒輪之生產,滾插齒的加工技術是一大殺手鐧。LIEBHERR針對軸交叉角、切削速度、進給量、碳化鎢刀特性和多項運動學參數組合有長年的研究,近期更為齒輪加工業者提供了原廠滾插齒加工專用刀具。她說:「在微型齒輪加工的領域,LIEBHERR的滾插齒技術已經相當成熟。許多朝向高速大批量生產規劃的齒輪加工廠都對Skiving3非常有興趣!」

直徑16M巨型齒輪加工
LIEBHERR具備全方位的齒輪加工技術,從極小的微型齒輪一直到極大的巨型齒輪都難不倒這位齒輪加工的翹楚。在歐洲的離岸風力發電機工程中,LIEBHERR破除萬難,成功達成了直徑16M的巨型齒輪生產製造,為能源產業完成了不可能的任務。台灣政府近年來也大力推動離岸風力發電的發展,從「示範風場」,「潛力場址」至「區塊開發」,計畫到2025年完成5.5GW,到2035年完成15.7GW的風力發電設備建置。談到台灣的風電,鄭總經理透露:「LIEBHERR的機台在台灣離岸風電產業也受到青睞。2020年朋吉實業在南台灣就銷售了數台可加工直徑3M齒輪的LIEBHERR LC3000滾齒機。」隨著台灣能源轉型政策的逐步落實,LIEBHERR也將持續提供最適合台灣的風力發電機齒輪加工解決方案,支援綠色能源在台灣蓬勃發展。

站上大趨勢的浪頭
訪談最後,鄭裔芯總經理談起了「自動化」與「環保」兩大趨勢對齒輪加工產業的影響。她說:「全世界的工廠都要做自動化,機器手臂的需求大爆炸,精密微型齒輪的需求也就跟著起飛。全世界都在談環保,電動車與風力發電機的需求也是跟著大爆炸,一併拉動了精密齒輪和巨型齒輪的需求。我只能說感謝老天,讓LIEBHERR,讓朋吉實業,在這兩大趨勢來臨前早已做好了準備,如今才得以隨著大潮流沖向更高更遠的地方!」她接著說:「台灣的齒輪加工業者其實都很有機會跟上潮流,只是一定要轉化,要升級。我期待能與更多齒輪製造業者一起努力!」

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