朋吉實業股份有限公司 內文 轉化升級!站上齒輪加工的浪頭-朋吉實業
進入電動車的時代,沒有了引擎,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,車輛裡的引擎越來越少,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,不是所有滾齒加工後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。
惱人的Ghost Frequency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,以前加工後的允收標準,就是在十字形網格上抓出幾個固定點位的尺寸,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,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。」經過滾齒製程加工的齒輪,在齒面都留有滾齒加工的痕跡,也就是專業領域裡說的Ripple。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0.4 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,心臟還要夠強!」鄭總瞪大著眼強調著。
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,要有30m/s的切削速度,主軸轉速往往需高達30,000rpm。即使如此,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系列具備主立柱達1,000mm的軸向行程,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。
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!哈哈!」
LIEBHERR的齒輪創程與成型研磨談到LIEBHERR與車廠的互動,鄭總提起了LIEBHERR在電動車電池組裝自動化生產線的成就。她表示:「LIEBHERR活用其公司長年在吊掛、起重、搬運等領域的經驗,近年為德國車廠設計了自動化電池組裝生產線。充分利用模組化設計,達成快速又安全的搬運800kg電池組的目標。」LIEBHERR在工廠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的微型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Rotor Vector」與「諧波減速機Harmonic Drive」是現今業界的首選。LIEBHERR專為擺線減速機用齒輪的製接下來,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Rotor Vector」與「諧波減速機Harmonic Drive」是現今業界的首選。LIEBHERR專為擺線減速機用齒輪的製造研發了專用機台,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(0.1M - 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決方案。
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銅。間 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!」
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!」