Fallstudie: Optimierung der Lagermontage und -demontage mit Hilfe der Induktionserwärmungstechnik
Zusammenfassung
In dieser Fallstudie wird untersucht, wie die Produktionsstätte von Volvo Construction Equipment in Eskilstuna, Schweden, ein Induktionserwärmungssystem einführte, um die Montage- und Demontageprozesse ihrer Lager zu optimieren. Der Übergang von traditionellen Flammenerwärmungsmethoden zur Präzisionsinduktionstechnologie führte zu einer Reduzierung der Montagezeit um 68%, zu Energieeinsparungen von 42% und zur weitgehenden Vermeidung von Lagerschäden während der Montage. Das Projekt hat sich in 9,3 Monaten amortisiert und die Qualitätskennzahlen der Produktion deutlich verbessert.
Hintergrund
Firmenprofil
Volvo Construction Equipment (Volvo CE) stellt Schwermaschinenkomponenten her, die für optimale Leistung und Langlebigkeit präzise Lagerpassungen erfordern. Das Werk in Eskilstuna ist auf Getriebebaugruppen für Radlader und knickgelenkte Dumper spezialisiert.
Herausforderung
Vor der Einführung verwendete Volvo CE die folgenden Lagereinbaumethoden:
- Gasflammenheizung für große Lager
- Ölbäder für mittlere Lager
- Mechanisches Pressen für kleinere Bauteile
Diese Methoden brachten mehrere Herausforderungen mit sich:
- Ungleichmäßige Erwärmung führt zu Maßabweichungen
- Gefährdung der Sicherheit am Arbeitsplatz durch offene Flammen und heißes Öl
- Umweltprobleme bei der Ölentsorgung
- Häufige Lagerschäden beim Einbau
- Lange Heizzyklen, die den Produktionsfluss beeinträchtigen
Einführung des Induktionsheizsystems
Systemauswahl und Spezifikationen
Nach der Bewertung mehrerer Anbieter entschied sich Volvo CE für ein EFD Induction MINAC 18/25 System mit den folgenden Spezifikationen:
Tabelle 1: Spezifikationen des Induktionserwärmungssystems
| Parameter | Spezifikation | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Modell | MINAC 18/25 | Mobiler Induktionsheizer |
| Leistung | 18 kW | Variable Frequenz |
| Eingangsspannung | 400V, 3-phasig | Kompatibel mit Werksversorgung |
| Frequenzbereich | 10-40 kHz | Automatisch optimiert |
| Einschaltdauer | 100% @ 18 kW | Fähigkeit zum kontinuierlichen Betrieb |
| Kühlsystem | Wassergekühlt | Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf |
| Steuerschnittstelle | PLC mit Touchscreen | Temperatur- und Zeitsteuerung |
| Temperaturbereich | 20-350°C | Präzisionskontrolle ±3°C |
| Heizschlangen | 5 austauschbare | Größe für Lagerbereich |
| Überwachung der Temperatur | Infrarot-Pyrometer | Berührungslose Messung |
Prozess-Implementierung
Die Umsetzung konzentrierte sich auf Lager, die in Getriebebaugruppen mit den folgenden Merkmalen verwendet werden:
Tabelle 2: Lagerspezifikationen in der Anwendung
| Lager Typ | Innendurchmesser (mm) | Äußerer Durchmesser (mm) | Gewicht (kg) | Interferenz Anpassung (μm) | Erforderliche Ausdehnung (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Zylindrische Rolle | 110 | 170 | 4.2 | 40-60 | 0.12-0.18 |
| Kugelförmige Rolle | 150 | 225 | 8.7 | 50-75 | 0.15-0.23 |
| Winkelförmiger Kontakt | 85 | 130 | 2.1 | 30-45 | 0.09-0.14 |
| Kegelige Rolle | 120 | 180 | 5.3 | 45-65 | 0.14-0.20 |
| Rillenkugel | 95 | 145 | 2.8 | 25-40 | 0.08-0.12 |
Datenerhebung und -analyse
Analyse des Heizprofils
Die Ingenieure entwickelten optimierte Anwärmprofile für jeden Lagertyp:
Tabelle 3: Optimierte Heizprofile
| Lager Typ | Zieltemperatur (°C) | Rampengeschwindigkeit (°C/s) | Haltezeit (s) | Gesamtzyklus (s) | Leistungseinstellung (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Zylindrische Rolle | 120 | 4.0 | 15 | 45 | 65 |
| Kugelförmige Rolle | 130 | 3.5 | 25 | 62 | 80 |
| Winkelförmiger Kontakt | 110 | 4.5 | 10 | 35 | 55 |
| Kegelige Rolle | 125 | 3.8 | 20 | 53 | 70 |
| Rillenkugel | 105 | 5.0 | 8 | 29 | 50 |
Vergleichende Prozessanalyse
Es wurde ein direkter Vergleich zwischen traditionellen Methoden und Induktionserwärmung:
Tabelle 4: Ergebnisse des Prozessvergleichs
| Metrisch | Flammenheizung | Ölbad | Induktionserwärmung | Verbesserung vs. Flamme | Verbesserung vs. Ölbad |
|---|---|---|---|---|---|
| Durchschnittliche Heizzeit (min) | 12.5 | 18.2 | 4.0 | 68% | 78% |
| Temperaturschwankung (°C) | ±15 | ±8 | ±3 | 80% | 63% |
| Energieverbrauch (kWh/Lager) | 3.8 | 5.2 | 2.2 | 42% | 58% |
| Lagerschadensrate (%) | 4.2% | 2.1% | 0.3% | 93% | 86% |
| Arbeitsstunden (pro 100 Lager) | 25 | 30 | 12 | 52% | 60% |
| Einrichtungs-/Umschaltzeit (min) | 35 | 45 | 8 | 77% | 82% |
Analyse der Auswirkungen auf die Qualität
Durch die Implementierung wurden die Qualitätskennzahlen für die Montage erheblich verbessert:
Tabelle 5: Qualitätsmetriken vor und nach der Implementierung
| Qualitätsmetrik | Vor der Umsetzung | Nach der Umsetzung | Verbesserung |
|---|---|---|---|
| Maßgenauigkeit Abweichung (μm) | 22 | 7 | 68% |
| Rundlauf des Lagers (μm) | 18 | 6 | 67% |
| Frühe Lagerausfälle (pro 1000) | 5.8 | 1.2 | 79% |
| Nachbearbeitungsrate bei der Montage (%) | 3.2% | 0.7% | 78% |
| Ausbeute im ersten Durchgang (%) | 94.3% | 99.1% | 5.1% |
ROI-Analyse
Tabelle 6: Analyse der finanziellen Auswirkungen
| Kosten-Nutzen-Faktor | Jährlicher Wert (USD) |
|---|---|
| Investitionen in Ausrüstung | $87.500 (einmalig) |
| Installation und Schulung | $12.300 (einmalig) |
| Senkung der Energiekosten | $18,400 |
| Einsparungen bei den Arbeitskosten | $42,600 |
| Reduzierter Ausschuss/Nacharbeit | $31,200 |
| Instandhaltungskosten | $4,800 |
| Jährlicher Nettonutzen | $87,400 |
| Amortisationszeit | 9,3 Monate |
| 5-Jahres-ROI | 432% |
Details zur technischen Umsetzung
Optimierung des Spulendesigns
Kundenspezifische Spulen wurden für verschiedene Lagerfamilien entwickelt:
Tabelle 7: Spezifikationen der Spulenausführung
| Spule Typ | Innendurchmesser (mm) | Länge (mm) | Schaltet | Drahtstärke (mm) | Zielpeilbereich (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Typ A | 180 | 50 | 6 | 8 | 140-190 OD |
| Typ B | 230 | 60 | 8 | 10 | 190-240 OD |
| Typ C | 140 | 40 | 5 | 6 | 110-150 OD |
| Typ D | 290 | 75 | 10 | 12 | 240-300 OD |
| Universal (einstellbar) | 180-320 | 60 | 8 | 10 | Notfall/Spezialität |
Parameter der Temperaturregelung
Das System nutzte fortschrittliche Algorithmen zur Temperaturkontrolle:
Tabelle 8: Parameter der Temperaturregelung
| Steuerung Parameter | Einstellung | Funktion |
|---|---|---|
| PID Proportionalband | 12% | Empfindlichkeit der Reaktion |
| PID Nachstellzeit | 0.8s | Fehlerkorrekturrate |
| PID-Ableitungszeit | 0.15s | Reaktion auf die Änderungsrate |
| Leistungsbegrenzung | 85% | Verhindert Überhitzung |
| Temperatur Abtastrate | 10 Hz | Frequenz der Messung |
| Pyrometer Abstand | 150mm | Optimale Messposition |
| Emissivität Einstellung | 0.82 | Kalibriert für Lagerstahl |
| Temperatur-Alarmschwelle | +15°C | Schutz vor Überhitzung |
| Kontrolle Genauigkeit | ±3°C | Innerhalb des Betriebsbereichs |
Optimierung des Demontageprozesses
Mit diesen Parametern wurde das System auch für den Lagerabbau eingesetzt:
Tabelle 9: Parameter des Demontageprozesses
| Lager Typ | Zieltemperatur (°C) | Zykluszeit (s) | Leistungseinstellung (%) | Spezielle Werkzeuge erforderlich |
|---|---|---|---|---|
| Zylindrische Rolle | 130 | 50 | 75 | Extraktionsplatte |
| Kugelförmige Rolle | 140 | 70 | 85 | Hydraulischer Abzieher |
| Winkelförmiger Kontakt | 120 | 40 | 65 | Standard-Abzieher |
| Kegelige Rolle | 135 | 60 | 80 | Kegelförmige Adapter |
| Rillenkugel | 115 | 35 | 60 | Standard-Abzieher |
Gelernte Lektionen und bewährte Praktiken
- Überwachung der Temperatur: Die berührungslose Infrarotmessung erwies sich als zuverlässiger als Kontaktthermoelemente.
- Spulen-Design: Lagerspezifische Spulen verbessern die Effizienz im Vergleich zu universellen Designs.
- Bedienerschulung: Umfassende Schulungen reduzierten die Prozessabweichungen um 67%.
- Materialhandhabung: Kundenspezifische Vorrichtungen reduzieren die Handhabung der Lager und verbessern die Sicherheit.
- Prozess-Dokumentation: Detaillierte Arbeitsanweisungen mit visuellen Anleitungen verbessern die Konsistenz.
Schlussfolgerung
Die Umsetzung der Induktionserwärmungstechnologie im Werk von Volvo CE in Eskilstuna die Montage- und Demontageprozesse für Lager um. Die präzise Temperatursteuerung, die kürzeren Zykluszeiten und die verbesserte Sicherheit führten zu erheblichen Qualitätsverbesserungen und Kosteneinsparungen. Die Technologie wurde seither in mehreren Werken von Volvo CE weltweit eingesetzt, mit ähnlich positiven Ergebnissen.
Die Daten belegen eindeutig, dass die Induktionserwärmungstechnologie im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine überlegene Leistung beim Ein- und Ausbau von Lagern bietet, mit quantifizierbaren Verbesserungen bei der Prozesssteuerung, der Energieeffizienz und der Produktqualität.