案例研究：使用感應加熱技術優化軸承的組裝和拆卸
執行摘要
本案例研究探討了 Volvo Construction Equipment 位於瑞典 Eskilstuna 的製造廠如何實施感應加熱系統，以優化其軸承組裝和拆卸流程。從傳統火焰加熱方法轉換到精密感應技術後，裝配時間縮短了 68%，節能 42%，並幾乎消除了安裝過程中的軸承損傷。該專案在 9.3 個月內實現了 ROI，並顯著改善了生產品質指標。
背景資料
公司簡介
Volvo Construction Equipment (Volvo CE) 生產需要精密軸承配合以達到最佳性能和耐用性的重型機械零件。其 Eskilstuna 工廠專門生產輪式裝載機和鉸接式牽引車的變速箱組件。
挑戰
在實施之前，Volvo CE 使用下列軸承安裝方法：
- 用於大型軸承的瓦斯火焰加熱
- 中型軸承油浴
- 較小零件的機械沖壓
這些方法帶來了幾項挑戰：
- 加熱不一致導致尺寸變化
- 明火和熱油造成的工作場所安全危害
- 石油處置引起的環境問題
- 安裝時經常損壞軸承
- 冗長的加熱週期影響生產流程
實現感應加熱系統
系統選擇與規格
在評估多家供應商之後，Volvo CE 選擇了 EFD Induction MINAC 18/25 系統，其規格如下：
表 1：感應加熱系統規格
| 參數 | 規格 | 注意事項 |
|---|---|---|
| 型號 | MINAC 18/25 | 移動式感應加熱器 |
| 功率輸出 | 18 千瓦 | 變頻 |
| 輸入電壓 | 400V、3 相 | 與工廠供應相容 |
| 頻率範圍 | 10-40 kHz | 自動最佳化 |
| 工作週期 | 100% @ 18 kW | 連續作業能力 |
| 冷卻系統 | 水冷式 | 閉環冷水機 |
| 控制介面 | 配備觸控螢幕的 PLC | 溫度與時間控制 |
| 溫度範圍 | 20-350°C | 精確控制 ±3°C |
| 加熱線圈 | 5 個互換式 | 軸承範圍的尺寸 |
| 溫度監控 | 紅外測溫計 | 非接觸式量測 |
流程實施
實施的重點是具有下列特性的變速箱組件中使用的軸承：
表 2：應用中的軸承規格
| 軸承類型 | 內徑 (mm) | 外徑 (mm) | 重量（公斤） | 干擾擬合 (μm) | 所需膨脹 (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| 圓柱滾子 | 110 | 170 | 4.2 | 40-60 | 0.12-0.18 |
| 球面滾子 | 150 | 225 | 8.7 | 50-75 | 0.15-0.23 |
| 角接觸 | 85 | 130 | 2.1 | 30-45 | 0.09-0.14 |
| 圓錐滾子 | 120 | 180 | 5.3 | 45-65 | 0.14-0.20 |
| 深溝球 | 95 | 145 | 2.8 | 25-40 | 0.08-0.12 |
資料收集與分析
加熱剖面分析
工程師為每種軸承類型開發了最佳化的加熱剖面：
表 3：最佳化加熱剖面圖
| 軸承類型 | 目標溫度 (°C) | 斜率 (°C/s) | 保持時間 (s) | 總週期 (s) | 功率設定 (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 圓柱滾子 | 120 | 4.0 | 15 | 45 | 65 |
| 球面滾子 | 130 | 3.5 | 25 | 62 | 80 |
| 角接觸 | 110 | 4.5 | 10 | 35 | 55 |
| 圓錐滾子 | 125 | 3.8 | 20 | 53 | 70 |
| 深溝球 | 105 | 5.0 | 8 | 29 | 50 |
比較流程分析
傳統方法與 感應加熱:
表 4：製程比較結果
| 公制 | 火焰加熱 | 油浴 | 感應加熱 | 改進與火焰 | 改善與油浴 |
|---|---|---|---|---|---|
| 平均加熱時間 (分鐘) | 12.5 | 18.2 | 4.0 | 68% | 78% |
| 溫度變化 (°C) | ±15 | ±8 | ±3 | 80% | 63% |
| 能源消耗 (kWh/bearing) | 3.8 | 5.2 | 2.2 | 42% | 58% |
| 軸承損壞率 (%) | 4.2% | 2.1% | 0.3% | 93% | 86% |
| 工時（每 100 個軸承） | 25 | 30 | 12 | 52% | 60% |
| 設定/變更時間 (分鐘) | 35 | 45 | 8 | 77% | 82% |
品質影響分析
實施後，組裝品質指標顯著改善：
表 5：實施前後的品質指標
| 品質指標 | 實施前 | 實施後 | 改進 |
|---|---|---|---|
| 尺寸精度偏差 (μm) | 22 | 7 | 68% |
| 軸承跳動 (μm) | 18 | 6 | 67% |
| 早期軸承故障（每 1000 件） | 5.8 | 1.2 | 79% |
| 組裝返修率 (%) | 3.2% | 0.7% | 78% |
| 一次通過產量 (%) | 94.3% | 99.1% | 5.1% |
投資報酬率分析
表 6：財務影響分析
| 成本/效益因素 | 年度價值 (美元) |
|---|---|
| 設備投資 | $87,500 (一次性) |
| 安裝與訓練 | $12,300 (一次性) |
| 降低能源成本 | $18,400 |
| 勞工成本節省 | $42,600 |
| 減少廢料/返工 | $31,200 |
| 維護成本 | $4,800 |
| 淨年度效益 | $87,400 |
| 回本期 | 9.3 個月 |
| 5 年投資報酬率 | 432% |
技術實施細節
線圈設計最佳化
針對不同的軸承系列設計客製化線圈：
表 7：線圈設計規格
| 線圈類型 | 內徑 (mm) | 長度 (mm) | 轉彎 | 線規 (mm) | 目標軸承範圍 (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| A 型 | 180 | 50 | 6 | 8 | 140-190 外徑 |
| 類型 B | 230 | 60 | 8 | 10 | 190-240 外徑 |
| 類型 C | 140 | 40 | 5 | 6 | 110-150 外徑 |
| 類型 D | 290 | 75 | 10 | 12 | 240-300 外徑 |
| 通用（可調整） | 180-320 | 60 | 8 | 10 | 急診/專科 |
溫度控制參數
該系統採用了先進的溫度控制算法：
表 8：溫度控制參數
| 控制參數 | 設定 | 功能 |
|---|---|---|
| PID 比例帶 | 12% | 反應靈敏度 |
| PID 整數時間 | 0.8s | 錯誤修正率 |
| PID 微分時間 | 0.15s | 對變更率的回應 |
| 功率限制 | 85% | 防止過熱 |
| 溫度取樣率 | 10 Hz | 測量頻率 |
| 測溫距離 | 150 公釐 | 最佳測量位置 |
| 放射率設定 | 0.82 | 針對軸承鋼校正 |
| 溫度警報閾值 | +15°C | 過溫保護 |
| 控制精度 | ±3°C | 在操作範圍內 |
拆解流程最佳化
在這些參數下，該系統也用於軸承移除：
表 9：拆解過程參數
| 軸承類型 | 目標溫度 (°C) | 週期時間 (s) | 功率設定 (%) | 需要特殊工具 |
|---|---|---|---|---|
| 圓柱滾子 | 130 | 50 | 75 | 萃取板 |
| 球面滾子 | 140 | 70 | 85 | 液壓拉拔器 |
| 角接觸 | 120 | 40 | 65 | 標準拉拔器 |
| 圓錐滾子 | 135 | 60 | 80 | 錐形轉接頭 |
| 深溝球 | 115 | 35 | 60 | 標準拉拔器 |
經驗與最佳做法
- 溫度監控:事實證明，非接觸式紅外線測量比接觸式熱電偶更可靠。
- 線圈設計:與通用設計相比，軸承專用線圈提高了效率。
- 操作員培訓:全面的訓練減少了 67% 的製程變異。
- 材料處理:定制的夾具減少了軸承的處理，提高了安全性。
- 製程文件:詳細的工作指示與視覺指南提高了一致性。
總結
實施 感應加熱技術 在 Volvo CE 的 Eskilstuna 工廠，他們的軸承組裝和拆卸流程發生了翻天覆地的變化。精確的溫度控制、縮短的週期時間和改善的安全性，使品質大幅提升並節省成本。此技術隨後被部署到全球多個 Volvo CE 工廠，並取得類似的正面成果。
這些數據清楚地表明，與傳統方法相比，感應加熱技術在軸承安裝和拆卸方面具有卓越的性能，在製程控制、能源效率和產品質量方面都有可量化的改進。