Étude de cas : Optimisation de l'assemblage et du démontage des roulements à l'aide de la technologie du chauffage par induction
Résumé
Cette étude de cas examine comment l'usine de fabrication de Volvo Construction Equipment à Eskilstuna, en Suède, a mis en place un système de chauffage par induction pour optimiser ses processus d'assemblage et de désassemblage des roulements. Le passage des méthodes traditionnelles de chauffage à la flamme à la technologie de précision par induction a permis de réduire le temps d'assemblage de 68%, de réaliser des économies d'énergie de 42% et d'éliminer pratiquement tous les dommages causés aux roulements pendant l'installation. Le projet a atteint un retour sur investissement en 9,3 mois et a permis d'améliorer considérablement les paramètres de qualité de la production.
Contexte
Profil de l'entreprise
Volvo Construction Equipment (Volvo CE) produit des composants de machines lourdes qui nécessitent un ajustement précis des roulements pour des performances et une durabilité optimales. L'usine d'Eskilstuna est spécialisée dans les assemblages de transmission pour les chargeurs sur roues et les transporteurs articulés.
Défi
Avant la mise en œuvre, Volvo CE utilisait les méthodes d'installation de roulements suivantes :
- Chauffage à la flamme pour les grands roulements
- Bains d'huile pour roulements moyens
- Pressage mécanique pour les petites pièces
Ces méthodes présentent plusieurs difficultés :
- Chauffage irrégulier entraînant des variations dimensionnelles
- Risques liés aux flammes nues et à l'huile chaude sur le lieu de travail
- Préoccupations environnementales liées à l'élimination des hydrocarbures
- Dommages fréquents aux roulements lors de l'installation
- Cycles de chauffage longs ayant un impact sur le flux de production
Mise en place d'un système de chauffage par induction
Sélection du système et spécifications
Après avoir évalué plusieurs fournisseurs, Volvo CE a choisi un système EFD Induction MINAC 18/25 avec les spécifications suivantes :
Tableau 1 : Spécifications du système de chauffage par induction
| Paramètres | Spécifications | Notes |
|---|---|---|
| Modèle | MINAC 18/25 | Chauffage mobile à induction |
| Puissance de sortie | 18 kW | Fréquence variable |
| Tension d'entrée | 400V, triphasé | Compatible avec l'approvisionnement de l'usine |
| Gamme de fréquences | 10-40 kHz | Optimisation automatique |
| Cycle de travail | 100% @ 18 kW | Capacité de fonctionnement continu |
| Système de refroidissement | Refroidissement par eau | Refroidisseur en circuit fermé |
| Interface de contrôle | PLC avec écran tactile | Contrôle de la température et de la durée |
| Plage de température | 20-350°C | Contrôle de précision ±3°C |
| Serpentins de chauffage | 5 interchangeables | Dimensionné pour la gamme de roulements |
| Contrôle de la température | Pyromètre à infrarouge | Mesure sans contact |
Mise en œuvre du processus
La mise en œuvre s'est concentrée sur les roulements utilisés dans les boîtes de vitesses présentant les caractéristiques suivantes :
Tableau 2 : Spécifications des roulements dans l'application
| Type de palier | Diamètre intérieur (mm) | Diamètre extérieur (mm) | Poids (kg) | Ajustement de l'interférence (μm) | Expansion requise (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rouleau cylindrique | 110 | 170 | 4.2 | 40-60 | 0.12-0.18 |
| Rouleau sphérique | 150 | 225 | 8.7 | 50-75 | 0.15-0.23 |
| Contact angulaire | 85 | 130 | 2.1 | 30-45 | 0.09-0.14 |
| Rouleau conique | 120 | 180 | 5.3 | 45-65 | 0.14-0.20 |
| Boule à gorge profonde | 95 | 145 | 2.8 | 25-40 | 0.08-0.12 |
Collecte et analyse des données
Analyse du profil de chauffage
Les ingénieurs ont mis au point des profils de chauffage optimisés pour chaque type de roulement :
Tableau 3 : Profils de chauffage optimisés
| Type de palier | Température cible (°C) | Taux de rampe (°C/s) | Temps de maintien (s) | Cycle total (s) | Réglage de la puissance (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rouleau cylindrique | 120 | 4.0 | 15 | 45 | 65 |
| Rouleau sphérique | 130 | 3.5 | 25 | 62 | 80 |
| Contact angulaire | 110 | 4.5 | 10 | 35 | 55 |
| Rouleau conique | 125 | 3.8 | 20 | 53 | 70 |
| Boule à gorge profonde | 105 | 5.0 | 8 | 29 | 50 |
Analyse comparative des processus
Une comparaison directe a été effectuée entre les méthodes traditionnelles et les méthodes chauffage par induction:
Tableau 4 : Résultats de la comparaison des processus
| Métrique | Chauffage à flamme | Bain d'huile | Chauffage par induction | Amélioration ou flamme | Amélioration ou bain d'huile |
|---|---|---|---|---|---|
| Temps de chauffage moyen (min) | 12.5 | 18.2 | 4.0 | 68% | 78% |
| Variation de la température (°C) | ±15 | ±8 | ±3 | 80% | 63% |
| Consommation d'énergie (kWh/palier) | 3.8 | 5.2 | 2.2 | 42% | 58% |
| Taux d'endommagement des roulements (%) | 4.2% | 2.1% | 0.3% | 93% | 86% |
| Heures de travail (pour 100 roulements) | 25 | 30 | 12 | 52% | 60% |
| Temps de préparation/changement (min) | 35 | 45 | 8 | 77% | 82% |
Analyse de l'impact sur la qualité
La mise en œuvre a permis d'améliorer de manière significative les paramètres de qualité de l'assemblage :
Tableau 5 : Mesures de la qualité avant et après la mise en œuvre
| Mesure de la qualité | Avant la mise en œuvre | Après la mise en œuvre | Amélioration |
|---|---|---|---|
| Précision dimensionnelle Écart (μm) | 22 | 7 | 68% |
| Faux-rond du palier (μm) | 18 | 6 | 67% |
| Défaillances précoces des roulements (pour 1000) | 5.8 | 1.2 | 79% |
| Taux de reprise de l'assemblage (%) | 3.2% | 0.7% | 78% |
| Rendement au premier passage (%) | 94.3% | 99.1% | 5.1% |
Analyse du retour sur investissement
Tableau 6 : Analyse de l'impact financier
| Facteur coût/bénéfice | Valeur annuelle (USD) |
|---|---|
| Investissement en matériel | $87.500 (unique) |
| Installation et formation | $12.300 (unique) |
| Réduction des coûts énergétiques | $18,400 |
| Économies de coûts de main-d'œuvre | $42,600 |
| Réduction des rebuts/travaux | $31,200 |
| Coûts de maintenance | $4,800 |
| Prestation annuelle nette | $87,400 |
| Période de récupération | 9,3 mois |
| RCI à 5 ans | 432% |
Détails de la mise en œuvre technique
Optimisation de la conception des bobines
Des bobines sur mesure ont été conçues pour différentes familles de roulements :
Tableau 7 : Spécifications de conception des bobines
| Type de bobine | Diamètre intérieur (mm) | Longueur (mm) | Tournants | Calibre des fils (mm) | Portée de la cible (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Type A | 180 | 50 | 6 | 8 | 140-190 OD |
| Type B | 230 | 60 | 8 | 10 | 190-240 OD |
| Type C | 140 | 40 | 5 | 6 | 110-150 OD |
| Type D | 290 | 75 | 10 | 12 | 240-300 OD |
| Universel (réglable) | 180-320 | 60 | 8 | 10 | Urgences/spécialité |
Paramètres de contrôle de la température
Le système utilise des algorithmes avancés de contrôle de la température :
Tableau 8 : Paramètres de contrôle de la température
| Paramètre de contrôle | Paramètres | Fonction |
|---|---|---|
| PID Bande proportionnelle | 12% | Sensibilité de la réponse |
| Temps intégral PID | 0.8s | Taux de correction d'erreur |
| Temps de dérivation du PID | 0.15s | Réponse au taux de changement |
| Limitation de la puissance | 85% | Prévient la surchauffe |
| Taux d'échantillonnage de la température | 10 Hz | Fréquence de mesure |
| Distance du pyromètre | 150 mm | Position de mesure optimale |
| Réglage de l'émissivité | 0.82 | Calibré pour l'acier des roulements |
| Seuil d'alarme de température | +15°C | Protection contre la surchauffe |
| Précision du contrôle | ±3°C | Dans la plage opérationnelle |
Optimisation du processus de désassemblage
Le système a également été utilisé pour l'enlèvement de roulements avec ces paramètres :
Tableau 9 : Paramètres du processus de désassemblage
| Type de palier | Température cible (°C) | Durée du cycle (s) | Réglage de la puissance (%) | Outillage spécial nécessaire |
|---|---|---|---|---|
| Rouleau cylindrique | 130 | 50 | 75 | Plaque d'extraction |
| Rouleau sphérique | 140 | 70 | 85 | Extracteur hydraulique |
| Contact angulaire | 120 | 40 | 65 | Extracteur standard |
| Rouleau conique | 135 | 60 | 80 | Adaptateurs coniques |
| Boule à gorge profonde | 115 | 35 | 60 | Extracteur standard |
Enseignements et bonnes pratiques
- Contrôle de la température: Les mesures infrarouges sans contact se sont avérées plus fiables que les thermocouples à contact.
- Conception de la bobine: Les bobines spécifiques aux roulements améliorent l'efficacité par rapport aux conceptions universelles.
- Formation des opérateurs: Une formation complète a permis de réduire la variation du processus de 67%.
- Manutention: Les montages sur mesure réduisent la manipulation des roulements et améliorent la sécurité.
- Documentation du processus: Des instructions de travail détaillées avec des guides visuels améliorent la cohérence.
Conclusion
La mise en œuvre de la technologie de chauffage par induction à l'usine Volvo CE d'Eskilstuna a transformé les processus d'assemblage et de désassemblage des roulements. Le contrôle précis de la température, la réduction des temps de cycle et l'amélioration de la sécurité se sont traduits par des améliorations significatives de la qualité et des économies de coûts. La technologie a depuis été déployée dans plusieurs installations de Volvo CE dans le monde, avec des résultats positifs similaires.
Les données démontrent clairement que la technologie du chauffage par induction offre des performances supérieures à celles des méthodes traditionnelles pour l'installation et le retrait des roulements, avec des améliorations quantifiables en matière de contrôle des processus, d'efficacité énergétique et de qualité des produits.