ในโลกของ Induction Hardening ความถี่ไม่ใช่แค่ "ตัวเลขบน Generator" — มันคือ ตัวกำหนด Physics ทั้งหมด ของกระบวนการ ตั้งแต่ Skin Depth, Heat Distribution, Case Depth Profile จนถึง Distortion ที่เกิดขึ้นหลังชุบแข็ง บทความนี้วิเคราะห์จากสมการพื้นฐานไปจนถึง Application จริง — เพื่อให้ Heat Treatment Engineer เลือกได้ถูกต้องระหว่าง LF (1-10 kHz), Single MF (10-50 kHz), Single HF (100-400 kHz) และ SDF® (MF+HF Simultaneous) ของ eldec Germany

Physics Foundation — Skin Depth

The Fundamental Equation Behind Every Frequency Decision

ทุกครั้งที่กระแสไฟฟ้าสลับ (AC) ไหลผ่าน Induction Coil สนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำ Eddy Current ใน Workpiece แต่กระแสนี้ ไม่ได้กระจายสม่ำเสมอ — มันกระจุกตัวอยู่ที่ผิว (Surface) ตามปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Skin Effect ความลึกที่กระแสแทรกซึมเข้าไป (ที่กระแสลดเหลือ 37% ของค่าที่ผิว) เรียกว่า Skin Depth (δ)

Skin Depth Equation — Electromagnetic Foundation
δ = 503 × ρ / μᵣ · f
δ
Skin Depth
mm
ρ
Resistivity
Ω·m
f
Frequency
Hz
μᵣ
Relative Permeability
dimensionless

Key Insight สำหรับ Engineer: ที่อุณหภูมิห้อง เหล็กกล้า Carbon Steel มี μᵣ สูง (~100-200) ทำให้ Skin Depth ตื้นมาก แต่เมื่ออุณหภูมิผ่าน Curie Point (~760°C) วัสดุกลายเป็น Non-Magnetic (μᵣ ≈ 1) และ Skin Depth กระโดดขึ้นทันที — นี่คือเหตุผลที่ Induction Hardening ต้องควบคุมทั้งความถี่และพลังงานอย่างแม่นยำ

Skin Depth ที่ความถี่ต่างๆ ใน Carbon Steel (ที่อุณหภูมิห้อง)

LF 1-10 kHz
3 – 10 mm
Deep Penetration · Through Hardening · Billet Heating
MF 10-50 kHz
1 – 3 mm
Medium Case · Shaft Journal · Medium Gear
HF 100-400 kHz
0.1 – 0.8 mm
Thin Surface · Small Gear · Spline · Thin-wall
SDF® MF+HF
0.1 – 3 mm (Contour)
Simultaneous MF+HF · Tooth Tip (HF) + Root (MF) ใน Pulse เดียว · Contour Following

หมายเหตุ: ค่า Skin Depth ข้างต้นเป็นค่าประมาณจากการคำนวณด้วยสมการ δ = 503√(ρ/μᵣ·f) สำหรับ Carbon Steel (ρ ≈ 1.7×10⁻⁷ Ω·m, μᵣ ≈ 100) ที่อุณหภูมิห้อง — ค่าจริงขึ้นกับ Alloy Composition, Temperature และ Relative Permeability (μᵣ) ของวัสดุแต่ละชนิด

ทำไม Skin Depth ถึงสำคัญกว่าที่คิด: 87% ของพลังงานความร้อนที่เกิดจาก Eddy Current กระจุกอยู่ในชั้น 1δ (Skin Depth แรก) และ 98% อยู่ในชั้น 2δ — ดังนั้นการเลือกความถี่ผิด = ให้ความร้อนผิดตำแหน่ง = Hardness Profile ที่ไม่ตรง Spec ตั้งแต่แรก

Comparison — ทุกมิติที่ต้องรู้

Head-to-Head: LF vs MF vs HF vs SDF®
Parameter LF (1-10 kHz) Single MF (10-50 kHz) Single HF (100-400 kHz) SDF® (MF+HF)
Skin Depth 3-10 mm 1-3 mm 0.1-0.8 mm 0.1-3 mm (Contour)
Case Depth Control Uniform deep Uniform medium Uniform thin Contour-following
Gear Tooth Hardening ไม่เหมาะ (over-heat tip) Root อาจไม่ลึกพอ Tip only, root soft Tip + Root + Flank ครบ
Distortion Level สูง (deep HAZ) ปานกลาง ปานกลาง-ต่ำ ต่ำสุด (single pulse)
Cycle Time 5-30 sec 3-15 sec 1-8 sec 3-8 sec (เทียบเท่า single)
Equipment Cost ต่ำสุด ต่ำ-ปานกลาง ปานกลาง สูง (Patent inverter)
Coil Complexity ต่ำ ต่ำ-ปานกลาง ปานกลาง สูง (dual-freq design)
Post-Grind Reduction Baseline 10-20% 20-30% สูงสุด 80%
Best Application Large shaft, billet, bearing race Shaft journal, pin, medium gear Small gear, spline, thin-wall Gear contour, EV reducer, precision
eldec Machine ECO LINE / CUSTOM LINE MIND-S 250/1000 MIND-S 250/1000 MIND-L 1000 / MIND-XL
LF
Low Frequency 1-10 kHz
ต้นทุนต่ำ เจาะลึก เหมาะงานใหญ่ที่ไม่ต้องการ Precision Profile
Best for: Deep + Large
MF/HF
Single MF or HF
Workhorse ของอุตสาหกรรม ครอบคลุมงาน 70% ด้วยต้นทุนที่เหมาะสม
Best for: General Purpose
SDF®
Simultaneous Dual Freq
Contour-following เดียวในตลาด ลด Distortion + Grinding สูงสุด สำหรับ Gear Precision
Best for: Gear Contour · EV · Precision

ทำไม Single Frequency ทำ Gear ได้ไม่สมบูรณ์

The Physics Problem That Only SDF® Solves

ฟันเฟือง (Gear Tooth) มี Geometry ที่ไม่สมมาตรทาง Thermal — Tooth Tip (ปลายฟัน) เป็นส่วนบาง มวลน้อย ส่วน Tooth Root (รากฟัน) เป็นส่วนหนา มวลมาก เมื่อใช้ความถี่เดียว สิ่งที่เกิดขึ้นคือ:

SDF® แก้ปัญหาระดับ Physics

SDF® ส่ง MF + HF พร้อมกันผ่าน Coil เดียว — สนามแม่เหล็กผสมทำให้:

  • Tooth Tip ดูดซับ HF component (Skin Depth ตื้น) → ร้อนเฉพาะผิว ไม่ทะลุ
  • Tooth Root ดูดซับ MF component (Skin Depth ลึก) → ร้อนลึกถึงรากซึ่งมีมวลมาก
  • ผลลัพธ์: Hardness Profile ตาม Contour ของฟันเฟือง — Tip, Flank, Root ชุบแข็งครบใน Pulse เดียว

ลด Distortion 60-70% เทียบ Carburizing เพราะให้ความร้อนครั้งเดียว (ไม่มี Thermal Cycle ซ้ำเหมือน Sequential) · ลด Grinding 80% เพราะ Profile แม่นยำตั้งแต่ Quench · Cycle Time เทียบเท่า Single Frequency เพราะ Pulse เดียว ไม่ต้องรอสลับความถี่

อ้างอิง: eldec Technical Documentation · ค่า Distortion/Grinding Reduction จากผลทดสอบ Mass Production Tier 1 Automotive

6 Application Cases — เลือกความถี่ให้ตรงงาน

Real-World Frequency Selection by Application
01
Automotive Transmission Gear
Spur/Helical Gear Module 2-6 · ต้องการ Contour Hardening ตาม Tooth Profile · Distortion ต่ำสำหรับ Mass Production 50,000+ ชิ้น/เดือน · Post-grind ลด 80%
→ SDF® (MIND-L 1000)
02
EV Motor Shaft — Spline + Journal
E-Motor Shaft ที่มี Spline Zone (ต้องการ HF) + Bearing Journal (ต้องการ MF) ในเพลาเดียว · Surface HRC 58-62 · Case Depth 0.8-1.5 mm ตาม Zone
→ SDF® (MIND-L 1000)
03
Crankshaft Pin & Main Journal
ชุบแข็ง Journal Ø40-80 mm · Case Depth 2-4 mm · ไม่ต้องการ Contour Following (Journal เป็นทรงกลม) · Fillet Radius ต้อง Transition Zone สม่ำเสมอ
→ Single MF 10-30 kHz (MIND-S/M)
04
Large Bearing Race Ø200+ mm
Raceway Hardening · Case Depth 3-6 mm ลึก · Workpiece หนัก 50-200 kg · Scanning หรือ Single-shot · ไม่ต้องการ Contour — เป็น Uniform Ring Pattern
→ LF 3-10 kHz (ECO LINE / CUSTOM LINE)
05
Small Precision Spline Ø10-30 mm
Spline Shaft สำหรับ Hydraulic Pump · Surface Only HRC 58+ · Case Depth 0.3-0.6 mm · ชิ้นงานเล็ก ผิวบาง ห้าม Through-heat
→ Single HF 200-400 kHz (MIND-S)
06
Steel Billet Heating Ø50-300 mm
ให้ความร้อนทั้งหน้าตัดสำหรับ Forging 1,100-1,250°C · Uniform Temperature ± 15°C · ไม่ใช่ Hardening แต่เป็น Bulk Heating สำหรับขึ้นรูป
→ LF 1-3 kHz (Interpower Billet Heater)

หลักการง่ายๆ: ถ้าชิ้นงานมี Complex Geometry (เฟือง, Spline+Journal ผสม) → SDF® · ถ้าเป็น Uniform Geometry (Shaft, Pin, Ring) → Single MF/HF ตาม Case Depth ที่ต้องการ · ถ้าต้องการ Deep Penetration หรือ Bulk Heating → LF

Decision Framework — 4 คำถามที่ต้องตอบ

Engineering Decision Tree for Frequency Selection

ก่อนเลือกเครื่อง ก่อนขอใบเสนอราคา ให้ตอบ 4 คำถามนี้ตามลำดับ:

1
Workpiece Geometry เป็นแบบไหน?
Complex Profile — Gear Tooth, Cam Lobe, Spline+Journal ผสม ที่ต้องการ Hardness ตาม Contour→ SDF® เท่านั้น
Uniform/Symmetric — Shaft, Pin, Ring, Bar, Tube ที่ต้องการ Uniform Case Depth→ Single Frequency (ไปข้อ 2)
2
Case Depth ที่ต้องการเท่าไหร่?
< 1 mm — Surface Hardening only · Thin-wall · Small diameter→ HF 100-400 kHz
1-4 mm — Standard Case Depth · Journal · Medium Gear→ MF 10-50 kHz
> 4 mm — Deep Case · Large Component · Bearing Race→ LF 1-10 kHz
Full Section — Billet/Bar Heating · Forging Temp→ LF 1-3 kHz (Billet Heater)
3
Production Volume เท่าไหร่?
> 10,000 ชิ้น/เดือน — Mass Production · ROI คุ้มสำหรับ SDF® (ถ้า Geometry ต้องการ) · Automation + eQC Traceability สำคัญ→ MIND-L/XL + SDF® หรือ MIND-S/M automated
< 5,000 ชิ้น/เดือน — Low-Medium Volume · อาจไม่คุ้ม SDF® Investment · พิจารณา Single Frequency + Outsource Grinding→ MIND-S/M single freq
4
Distortion Tolerance เท่าไหร่?
< 15 µm (Tight) — NVH-Critical EV Gear · Precision Aerospace · ยอม Distortion ไม่ได้→ SDF® (ลด Distortion 60-70%)
> 30 µm (Standard) — General Automotive · Industrial Gear · Shaft · สามารถ Grind ชดเชยได้→ Single Frequency เพียงพอ

ตัวเลขที่ต้องจำ

Key Numbers for Engineering Decisions
Grinding Reduction (SDF®)
80%
vs Carburizing ดั้งเดิม
Distortion Reduction
60-70%
SDF® vs Carburize
Energy Efficiency
90-95%
vs Gas Furnace 30-45%
ROI Payback*
18-30mo
ประมาณการ · Volume >10K pcs/mo · ขึ้นกับ Current Process Cost + Part Complexity

TCO ไม่ใช่แค่ราคาเครื่อง

SDF® (MIND-L/XL) มี Equipment Cost สูงกว่า Single Frequency (MIND-S/M) ประมาณ 40-80%* แต่สำหรับ Gear Mass Production (>10,000 ชิ้น/เดือน) TCO ถูกกว่าเพราะ:

  • ลด CNC Grinding Machine 4-5 เครื่อง — ประหยัด Grinding Wheel + Coolant + Maintenance หลายล้านบาท/ปี
  • ลด Cycle Time 30-50% เทียบ Sequential Dual Frequency
  • ลดพลังงาน 60-70% เทียบ Gas Carburizing Furnace
  • ลด CO₂ Emission — เปลี่ยน Scope 1 (Gas) เป็น Scope 2 (Electric) ตาม ESG/Carbon Reduction Target

*ค่าประมาณ Equipment Cost 40-80% อ้างอิงจากโครงสร้างต้นทุน Patent Inverter + Custom Coil Design — ราคาจริงขึ้นกับ Configuration, Power Rating และ Automation Option · ติดต่อ SHINRAI สำหรับใบเสนอราคาจริง

eldec Machine — ความถี่ที่รองรับ

Which Machine for Which Frequency
รุ่น Frequency Type Power Range Workpiece Application
MIND-S 250/1000 Single MF หรือ HF 15-250 kW L ≤ 750 mm · Ø ≤ 300 mm Chuck parts, shaft, pin, small gear
MIND-M 800 MF + HF + DFG (Sequential) 250 MF + 150 HF + DFG 125/75 kW ≤ 35 kg · Ø ≤ 300 mm Mainstream gear (DFG ≠ SDF®)
MIND-L 1000 SDF® Simultaneous up to 1,000 kW 10 kg/spindle · Ø ≤ 160/200 mm Precision gear contour, EV reducer
MIND-XL 750/1500 SDF® Simultaneous up to 2,000 kW ≤ 200 kg · Ø ≤ 600 mm Heavy gear, truck, wind turbine
ECO LINE / CUSTOM LINE Single LF / MF / HF 3-400 kW Flexible Generator + heating system (OEM)

SDF® = Patent eldec เท่านั้น: ผู้ผลิต Induction อื่น (Inductoheat, EFD, GH, EMA) ใช้ Sequential Dual Frequency หรือ Single Frequency — ไม่มี Simultaneous · SDF® มีเฉพาะ MIND-L 1000 และ MIND-XL 750/1500 · รุ่น MIND-S ใช้ single freq · MIND-M ใช้ DFG (switched sequential ไม่ใช่ simultaneous)