Indução
Têmpera para
Peças de Alta
Performance
Jochen C. Huljus e Dirk M. Schibisch SMS Elotherm GmbH, Remscheid, Alemanha
Adaptado por J. Machado Jr SMS Elotherm, Brasil
A indústria automobilística continuamente produz mais, ao mesmo tempo
que encurta os intervalos de lançamento de modelos. Enquanto isso, as
vendas de automóveis em todo o mundo estão crescendo, principalmente
com a demanda emergente do mercado automotivo
P
assar por cima de buracos e estradas difíceis a uma
velocidade razoável, não causar danos e ainda dar
ao motorista uma sensação de estrada lisa parecem
ser objetivos mutuamente excludentes. Componentes
de "powertrain" e suspensão exigem resistência para
lidar com o pior da condução cotidiana e características mecânicas de
alta precisão para transmitir corretamente as condições da estrada e
dinâmica de condução ao motorista. Este paradoxo pode ser resolvido
com modernos componentes automotivos produzidos por têmpera por
indução. A fabricação destes componentes de alto desempenho é realizada por um sofisticado equipamento de têmpera por indução com a
flexibilidade de se temperar uma grande variedade de peças.
Introdução
Os equipamentos de têmpera por indução da atualidade lidam
com um espectro dinâmico de produtos e em constante crescimento, estabelecendo novos recordes de redução de tempos de ciclo e
obtenção de maiores resultados. É fundamental que a mudança de
um produto para outro ocorra de forma rápida, confiável e reprodutível e, especialmente, com os tamanhos reduzidos dos lotes e
prazos flexíveis de agendamento de hoje em dia. Entre os requisitos
essenciais de desempenho da máquina pode-se citar:
• Uma boa relação preço / desempenho;
• Instalação rápida e confiável;
• Períodos curtos de entrega de máquinas;
• Instalação e comissionamento simples e rápidos no chão de
fábrica;
• Soluções adequadas e ideais para cada aplicação.
Projeto Modular do Equipamento
Equipamentos de têmpera por indução atendem a esses variados
requisitos através da incorporação de diversos projetos de sistemas
ou componentes modulares, onde um sistema base pode ser configurado com vários módulos de adaptação rápida e fácil a uma va-
Fig. 1. Máquinas de indução para carregamento manual de duas estações de
trabalho duplas (EloFlex ™)
riedade de trabalhos de têmpera. As interfaces padrão de hardware
e software (análogas à programação orientada a objetos) facilitam
uma abordagem "plug-and-play" para o processo de configuração
da máquina, agilizando a engenharia, fabricação, instalação e comissionamento das mesmas.
Variantes Básicas dos Equipamentos
Dependendo das necessidades, as máquinas estão disponíveis tanto com carga e descarga manuais ou automáticas, com uma ou
mais estações de trabalho para têmpera e revenido. Estas máquinas
apresentam um design elegante e moderno, que atende a todos os requisitos relativos à visibilidade do processo e acesso para manutenção.
Exemplos de configurações selecionadas são descritos abaixo.
A Fig. 1 mostra uma máquina para carregamento manual com
duas estações de trabalho duplas para a têmpera de eixos de transmissão (Fig. 2) com um comprimento de 1.000 mm. Em cada estação, dois eixos são tratados simultaneamente, enquanto a outra
estação é descarregada e recarregada. Ambas as estações são alimentadas por uma única fonte de energia. Assim, o tempo de carga e
Fig. 2. Exemplos de alguns eixos de transmissão com design e
superfície sólidos
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Indução
Fig. 3. Representação das profundidades de têmpera em uma
secção transversal longitudinal de eixos de transmissão endurecidos por indução
Fig. 4. Representação da profundidade de têmpera em um cubo de
esferas (direita) e em uma peça de junção (à esquerda)
descarga não aumenta o tempo do ciclo. Dependendo dos requisitos
do cliente, profundidades de têmpera em um intervalo de 3-8 mm
podem ser atingidas através do ajuste de parâmetros relevantes, tais
como tensão, velocidade de alimentação e frequência (Fig. 3).
Máquinas ligadas automaticamente em linha com uma estação de
trabalho são utilizadas para têmpera de cubos de esferas, peças articuladas (Fig. 4) ou peças semelhantes com uma zona de têmpera. A têmpera
pode ser realizada em um único processo ou, alternativamente, no processo de escaneamento. As peças de trabalho entram na máquina por
meio de um transportador com um dispositivo de separação. A partir
daí, as peças são transportadas para a estação de têmpera e (se necessário) para resfriamento e / ou estações de sopro antes de serem colocadas
novamente em um transportador na saída do equipamento.
A Fig. 5 mostra uma máquina ligada automaticamente em linha
com duas estações de trabalho para têmpera de peças com duas zonas
de têmpera (por exemplo, munhões ou hastes, Figs. 6 e 7). Para estas
peças, geralmente um eixo e as pistas dos rolamentos (superfícies de
contato) são endurecidos no sino e / ou na tulipa. Estas áreas podem ser
endurecidas ou temperadas em um processo único ou por um processo
de escaneamento. Como alternativa, as duas estações podem ser utilizadas para o têmpera e revenido subsequentes. Aqui também, as posições
intermediárias estão disponíveis para o arrefecimento e sopro ou ducha.
Estrutura Modular
O sistema de têmpera é modular, o que significa que o hardware apropriado para os requisitos especiais do cliente pode ser selecionado para
cada módulo individual do equipamento. Com interfaces padronizadas, módulos plug-and-play podem ser selecionados para fazer múltiplas
configurações. Isto também se aplica para as estações de trabalho individuais. Assim, por exemplo, durante a têmpera de munhões ou hastes,
a sequência de têmpera para o eixo e o sino / tulipa pode ser livremente
escolhida. Além disso, sinos / tulipas podem ser endurecidos por baixo
ou a partir de cima (com a rotação da peça de trabalho) no processo
único ou de escaneamento. A direção do transporte das peças de trabalho através do equipamento de têmpera pode ser em qualquer sentido.
Diferentes opções de sistemas de transporte dentro da máquina
oferecem soluções para peças curtas ou longas. Com opções para dois
diferentes sistemas de controles e diferentes tamanhos de conversores múltiplos, a máquina base é rapidamente adaptada a uma dada
aplicação. A Fig. 8 mostra os módulos individuais no equipamento,
enfatizados em cor, que podem ser expandidos com outros módulos e
diferentes pacotes opcionais.
Fig. 5. Equipamentos ligados automaticamente em cadeia com
duas estações de trabalho (EloFlex ™ Inline)
Fig. 6 (Esquerda). Vários tamanhos e designs de munhões
Fig. 7 (Direita). Micrografia de um munhão
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Indução
Know-How do Processo e Eficiência Energética
As sinergias são realizadas por meio de uma abordagem de engenharia
de sistemas para o desenvolvimento da máquina e do processo. Isso
inicia com a tecnologia do conversor para ótimo e eficiente aquecimento em termos energéticos de peças de trabalho, a aplicação seletiva da corrente exatamente no ponto na peça de trabalho a ser
aquecido por indutores precisamente ajustados e por ajuste exato dos
parâmetros para todo o processo.
A atual geração dos conversores de frequência controlados digitalmente (alimentação) tem como características:
• Algoritmos de controle para o conversor patenteados para uma
adaptação automática do conversor a várias cargas, e para reduzir as
perdas no conversor [1];
• Rápidos tempos de reação para tempos de aquecimento extremamente curtos <1 segundo;
• Capacidade de rodar continuamente a 100% da potência nominal;
• Uma gama de frequência flexível;
• Equipamentos resistentes a curto-circuito devido à proteção
integrada a sobrecorrente e sobretensões;
• Monitoramento robusto e diagnóstico de capacidades.
A eficiência energética foi melhorada através da otimização
do equipamento de média-frequência (melhor posicionamento dos
componentes individuais, melhores ligações de barramentos e cabos aos capacitores e mais precisa adequação entre o transforma-
dor e o indutor). Indutores otimizados são essenciais para um processo de têmpera reprodutível e eficiente em termos energéticos.
Para a redução adicional do consumo de energia, se não houver
peças na posição de carregamento, as máquinas automaticamente
entram em modo de espera, no qual todas as bombas e equipamentos auxiliares são desligados.
Acessibilidade e Manutenção Amigável
As grandes portas de vidro em sua frente permitem uma boa observação do processo e também um bom acesso para manutenção. A reduzida profundidade do espaço de trabalho melhora o acesso aos componentes. Outra porta de segurança permite o acesso pela parte posterior.
Ocupação Reduzida de Espaço
O equipamento completo - controle, conversor, transformador de
rede e gabinete do capacitor - é configurado em uma estrutura
de aço em base comum. A área portanto por ele é reduzida e, se
completos, equipamentos totalmente montados podem ser transportados completos para a planta ou dentro da planta do cliente.
Qualidade
O monitoramento patenteado da energia da peça realiza controle de
qualidade 100% on-line do processo de têmpera nestas máquinas [2].
A energia gerada pela fonte de alimentação IGBT é necessariamente
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sujeita a perdas de calor no conversor, barramentos, transformadores, capacitores e, finalmente, no indutor. A energia de aquecimento
aplicada à peça de trabalho é menor do que a energia de saída da
fonte de alimentação. Sistemas de monitoramento de energia convencionais controlam apenas a saída de potência pelo conversor e,
portanto, não levam em consideração as perdas do sistema.
A patente da SMS Elotherm descreve um método com o qual as
perdas dependentes da frequência são medidas e consideradas. Por último, a potência efetivamente aplicada à peça de trabalho é integrada
sobre o tempo de aquecimento completo (energia), registrada como
uma curva e monitorizada em tempo real. Neste caso, a energia aplicada à peça de trabalho é uma medição absolutamente confiável para
a verificação da qualidade do aquecimento. As menores alterações na
distância do acoplamento entre o indutor e a peça de trabalho levam
a mudanças claramente mensuráveis nos valores de energia, e limites
de tolerância são ajustáveis pelo usuário. As alterações da distância de
acoplamento podem, por um lado, ser devidas a deformações do indutor, por outro lado, estas alterações podem ser causadas por desvios de
tolerância ou fissuras na superfície da peça. Além do aquecimento (austenitização), o processo de têmpera é constituído por têmpera com um
meio de arrefecimento. Durante a têmpera, outra função importante é
a questão de se buscar a curva ideal e rápida de arrefecimento usando o
fornecimento de meio de arrefecimento adequado, o que leva à microestrutura de têmpera desejada no material (microestrutura martensítica).
O processo de têmpera é monitorado pela medição da quantidade exata
de fluxo da ducha e um controle apropriado da temperatura para o meio
de têmpera. Juntamente o monitor de energia líquida da peça de trabalho, o processo completo de têmpera é, por conseguinte, observado e
registado para todas as peças.
Resumo
Os sistemas modulares de indução para têmpera de componentes
automotivos estão definindo os atuais e futuros requisitos dos produ-
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Fig. 8. Módulos do EloFlexTM Inline
tos dos fabricantes. Isto é verdade tanto para componentes complexos, como também para componentes simples, com alta reprodutibilidade e controle de processos utilizando tecnologias patenteadas.
Soluções de sistemas modulares são concebidas para usuários que
têm mudanças frequentes nas tarefas de têmpera e têmpera e revenimento, projetadas em custo-benefício de acordo com isso. Usando a medição
da energia líquida da peça de trabalho e outros sistemas de controle da
qualidade, peças fora do padrão são reconhecidas e rejeitadas automaticamente, garantindo uma operação contínua, sem interrupção. IH
Referências
1. Patente SMS Elotherm DE 101 15 326 B4, Método para acionar um conversor e controlador de circuito ressonante
2. Patente SMS Elotherm EP 0 427 879 B1, Dispositivo e método para
aquecimento indutivo de peças de trabalho
Para mais informações, contate: J. Machado Jr, gerente geral da SMS
Elotherm Brasil, tel: 11-4191-8181; e-mail: [email protected].
br . Jochen C. Huljus é gerente de projetos e marketing e Dirk M. Schibisch
é vice presidente de vendas / marketing para a SMS Elotherm GmbH.