Thermische Überwachung des induktiven Härtungsprozesses einer Kurbelwelle

Präzises Infrarot-Temperaturfeedback in Induktionshärtungsprozessen

Ein Härtungsprozess verbessert die Verschleißfestigkeit, Oberflächenhärte und Ermüdungslebensdauer, indem er eine gehärtete Oberflächenschicht erzeugt, während die Mikrostruktur des Kerns unverändert bleibt. Die Induktionshärtung verbessert gezielt die mechanischen Eigenschaften von Eisenwerkstoffen an definierten Bereichen.

Bevorzugt für Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, verleiht die Induktionshärtung eine hohe Oberflächenhärte, die extremen Beanspruchungen standhält. Die Ermüdungsfestigkeit steigt durch die Bildung eines weichen Kerns, der von einer harten Außenschicht umgeben ist – eine Eigenschaft, die besonders für Teile wünschenswert ist, die Torsionsbelastungen und Stoßkräften ausgesetzt sind. Dieses Verfahren wird üblicherweise an einzelnen Werkstücken durchgeführt, um eine gleichmäßige Maßhaltigkeit über alle Teile hinweg sicherzustellen.

Typische Anwendungen der Induktionshärtung sind Zahnräder, Wellen, Achsen, Nocken, Stanzteile und Spindeln – insbesondere symmetrische Teile, die in Bereichen wie Antriebsstrang, Fahrwerk, Motorbauteilen und Stanztechnik eingesetzt werden. Behandelte Materialien umfassen Kohlenstoffstahl, legierten Stahl, Edelstahl, Sintermetall, Gusseisen, Grauguss, Sphäroguss und Temperguss.

Induktives Erwärmen ist ein berührungsloses Verfahren, das elektromagnetische Induktion nutzt, um Wärme in der Oberflächenschicht eines Werkstücks zu erzeugen. Wird ein leitfähiges Material in ein starkes, wechselndes Magnetfeld einer Kupferspule gebracht, fließen elektrische Ströme im Material, die aufgrund des Innenwiderstands Wärme erzeugen. In magnetischen Materialien entsteht unterhalb des Curie-Punktes zusätzliche Wärme durch Hystereseverluste. Der Stromfluss konzentriert sich hauptsächlich auf die Oberfläche, deren Eindringtiefe von der Frequenz des Wechselfeldes, der Oberflächenleistungsdichte, der Materialpermeabilität, der Heizzeit und der Materialdicke abhängt. Anschließend werden die Komponenten sofort abgeschreckt. Das Abschrecken dieser erhitzten Schicht in Wasser, Öl oder polymerbasierten Lösungen verändert die Oberflächenschicht, sodass eine härtere Struktur als das Grundmaterial entsteht.

Das Erreichen und Halten der gewünschten Temperatur ist in den meisten Induktionsprozessen entscheidend. Thermoelemente können eine zuverlässige und kosteneffiziente Option zur Temperaturmessung sein, müssen jedoch sorgfältig positioniert werden, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Präzise Kontrolle der Heiz- und Kühlphasen stellt sicher, dass das Metall die gewünschten Eigenschaften erhält – ohne zu spröde oder zu weich zu werden. Für dynamische Messungen, etwa an einer sich drehenden Kurbelwelle, ist präzises Oberflächentemperatur-Feedback unerlässlich, um den Prozess effektiv zu steuern.

In dieser Anwendung soll die Wärneverteilung einer Kurbelwelle gemessen und Hotspots lokalisiert werden. Diese Informationen dienen anschließend als Eingangsparameter für die Leistungsregelung des Induktionsheizsystems.

Geschlossene Regelung der Induktionshärtung mit kurzwelligen Infrarotkameras

Optris-Kurzwellensysteme sind speziell dafür ausgelegt, Temperaturen auch unter rauen Umgebungsbedingungen präzise zu messen. Diese Infrarotkameras sind vollständig vom Induktor entkoppelt und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Bediener erhalten kontinuierliche Temperaturinformationen aus einem oder mehreren Überwachungsbereichen oder ein vollständiges Wärmebild, das bei Bedarf zur Dokumentation gespeichert werden kann.

Obwohl Optris auch Ratio-Pyrometer anbietet, ist in diesem Fall eine Infrarotkamera die bessere Wahl, da sie ein vollständiges Bild liefert. Während Pyrometer nur einen kleinen Punkt messen, ermöglichen Infrarotkameras die Erfassung großflächiger Objekte und beweglicher Induktoren, da alle temperaturrelevanten Bereiche gleichzeitig überwacht werden. Dank ihres großen Sichtfelds können teilweise verdeckte Zonen durch Dampf oder Induktor durch die Erfassung des Hotspots kompensiert werden. Diese softwarebasierten Funktionen machen sie besonders geeignet für Anwendungen, bei denen ein hoher Distanz-zu-Messfleck-Durchmesser erforderlich ist.

In dieser Anwendung empfängt die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) kontinuierliche Temperaturdaten von der Infrarotkamera und ermöglicht so eine direkte Kopplung zur Leistungsregelung für einen optimierten Härtungsprozess. Neben dem Messgerät bietet Optris Zubehör für den Schutz und die Kühlung der Kamera an, um zuverlässige Leistung in Kombination mit Induktionshärtungssystemen sicherzustellen.