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Induktives Härten in der Zahnradproduktion

Die Zahlen der OICA (Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles zu deutsch: Internationale Automobilherstellervereinigung) sprechen eine deutliche Sprache: Seit dem Krisenjahr 2009 sind die Produktionszahlen der Automobilhersteller deutlich gestiegen. Wurden 2009 gerade einmal 61,7 Mio. Fahrzeuge produziert, stieg die Zahl in 2013 auf 87,2 Mio. Aufgrund der verbesserten Konjunkturdaten ist eine Fortsetzung dieses Trends auch für 2014 zu erwarten. Es ist daher wenig verwunderlich, dass korrelierend mit der wachsenden Nachfrage, die Forderung der Industrie nach effizienteren und schnelleren Produktionssystemen wächst. Vor allem bei der Produktion von Zahnrädern und Wellen, als zentrale Bauteile von Antrieb, Getriebe und Motor, sind kürzeste Taktzeiten gefordert und werden von den Fertigungsmaschinen der neuesten Generation auch erreicht. Doch wie lassen sich die Anforderungen im Härteprozess umsetzen? Die Antwort: Induktives Härten.

Die klassische Form des Härtens ist das Einsatzhärten, bei dem das komplette Werkstück über Stunden erwärmt werden muss um die Härtung zu erreichen. Gerade für die industrielle Fertigung von Zahnrädern, hat diese Form des Härtens viele Nachteile, wie z.B. der hohe Energie- und Zeitaufwand, so dass sich in den letzten Jahren vor allem das induktive Härten als  technologische Alternative entwickelt hat. Beim induktiven Randschichthärten geschieht die Wärmeeinbringung mittels Induktion von Wirbelströmen in das Werkstück. Der besondere Clou ist dabei, dass nur die Bereiche erwärmt werden, die tatsächlich gehärtet werden müssen, der Rest des Bauteils  bleibt von der Wärme unbeeinflusst. Dies geschieht aufgrund von 2 wichtigen Mechanismen: Durch die exakte Steuerung der Frequenz mit der die Wirbelströme eingebracht werden, wird nur ein kleiner Randbereich von wenigen Millimetern Tiefe erhitzt. Das wiederum führt dazu, dass der gesamte Erwärmungsprozess weniger als 0,5 Sekunden betragen kann, viel zu kurz um eine thermische Beeinflussung des gesamten Werkstücks zu ermöglichen.

Für die besondere Anforderung des Härtens von Zahnrädern, hat eldec Schwenk Induction GmbH aus Dornstetten das SDF (Simultaneous Dual Frequency) Verfahren entwickelt. Das konturentreue Härten erfordert eine gleichmäßige Erhitzung von Zahnfuß und Zahnkopf. Da der Zahnfuß jedoch deutlich weiter vom Induktor entfernt ist, als der Zahnkopf, entsteht beim Induktionsverfahren mit nur einer Frequenz ein ungleichmäßiges Wärmebild. Hier setzt das SDF Verfahren an, das für Zahnkopf, wie für Zahnfuß, separate Frequenzen verwendet. Das Besondere an der SDF-Methode ist also, dass zwei unterschiedliche Frequenz-/Leistungsanteile simultan auf das gesamte zu erwärmende Werkstück wirken. Mit den „simultanen Zweifrequenz-Generatoren", die eldec anbietet, lässt sich die Leistung dieser MF- und HF-Anteile so variieren, dass Zahnkopf und -grund in gleichmäßiger Tiefe und Temperaturhöhe aufgeheizt werden.

„Die Induktion mit nur einer Frequenz hat aber nach wie vor ihre Daseinsberechtigung.“ Betont Dr. Christian Krause, Leiter des Produktteams Härte- und Erwärmungssysteme bei eldec. „Gerade bei Härteaufgaben gibt es keine Lösung von der Stange, jedes Werkstück ist anders und erfordert eine individuelle Betrachtung. Bei Zahnrädern bis Modul 1 ist die Induktion mit nur einer Frequenz in der Regel absolut ausreichend, während bei einer Größe von Modul 2 – 5, die SDF-Methode angewendet werden kann, aber nicht muss. Es hängt ganz vom gewünschten Härtebild ab, welchen Generator oder welchen Induktor wir einsetzen, jeweils maßgeschneidert und hergestellt für DAS eine Produkt. Das Bereitstellen von individuellen Lösungen für das perfekte Härteergebnis ist die große Stärke von eldec und das schon seit Jahren.“

Härten im industriellen Umfeld – Die MIND Maschinen
Für die besonderen Herausforderungen der industriellen Fertigung in Großserie, hat eldec die MIND Härteanlagen entwickelt. „Das MIND System ist als Baukastensystem entworfen worden. Je nach Anforderung, wird jede Maschine individuell zusammengestellt. Dabei sind vor allem 3 Komponenten wichtig, der Maschinenkörper selbst mit Arbeitsraum und Induktor, der Generator und das Kühlsystem.“ Erklärt Dr. Krause. „Wir bei eldec sind besonders stolz darauf, dass wirklich jedes Teil, von Energiequelle bis Induktor, bei uns im Haus gefertigt wird. Jeder Induktor, jeder Generator, jedes Kühlsystem, kurz gesagt jedes MIND System ist eine Maßanfertigung das nicht nur beste und konstante Härteergebnisse liefert, sondern zu dem für höchste Prozesssicherheit steht.“
Durch die geringe Standfläche der Maschine und die Anpassungsmöglichkeit auf den Einsatz von unterschiedlichsten Automationen, ist das MIND System ideal auf den Einsatz in Fertigungslinien vorbereiten. Je nach Anforderungen, sind Taktzeiten von 5 – 15 Sekunden realisierbar.
Mit dem MIND Härtesystem erfüllt eldec die eingangs erwähnten Forderungen der Industrie in Gänze. Der komplette Härteprozess wird durch das Maschinensystem voll automatisierbar und lässt sich problemlos integrieren. Der logistische Vorteil gegenüber dem klassischen Härteverfahren erklärt sich von selbst. „Wir haben das Induktionshärten konsequent weiterentwickelt und können heute mit Fug und Recht behaupten, mit dem MIND System eines der besten und flexibelsten Härtesysteme für die industrielle Fertigung anbieten zu können.“ Betont Dr. Krause. „Die Kombination aus optimaler Beratung und maßgeschneiderter Technik ist unser Ansporn bei eldec und wir sind glücklich sagen zu können, dass wir dieser Herausforderung bisher immer gerecht werden konnten.“

Infokasten: eldec Härtesysteme

  • Präzises und konturentreues Härten von Zahnrädern und Schnecken
  • Baukastensystem für individuelle Lösungen
  • In bestehende Fertigungslinien problemlos integrierbar
  • Taktzeiten von 5 – 15 Sekunden
  • Höchste Produktivität durch geringen Energieverbrauch und kleine Standfläche
  • Höchste Bauteilgüte und Prozesssicherheit