O comando de válvulas controla o tempo e a velocidade de abertura e fechamento das válvulas de entrada e saída do motor. Ele é composto por diversos conjuntos de cames e mancais (Fig.1). A quantidade de cames, os seus tamanhos, perfis, posicionamento e orientação dependem do tipo de comando de válvula e especificações do motor. A Fig.2 exibe exemplos de diversos formatos de cames. Os comandos de válvulas são normalmente fabricados com ferros fundidos cinzento e nodular, bem como com aços de médio carbono[1].

Durante a sua operação, o came poderá girar milhões de ciclos, os quais provocarão stress de contato e desgaste consideráveis. Uma boa combinação de força e resistência ao desgaste é essencial para os cames que precisam de uma têmpera por indução das superfícies de trabalho. No entanto, além da força e resistência ao desgaste, os comandos de válvulas também precisam ser reforçados para oferecer uma performance sem vibração e silenciosa.

Tratamento Térmico por Indução dos Comandos de Válvulas

Conforme os requerimentos de produção e geometria do comando de válvulas, os eixos poderão receber tratamento térmico por indução usando:

– Scan para têmpera de pontos isolados do came, ou;

– Têmpera estática ou de um ponto isolado de um único came ou diversos deles.

Os projetos de têmpera por indução vertical e horizontal são usados por diferentes fabricantes. O tempo de aquecimento é de aproximadamente 3-8 segundos, variando conforme o tipo de material, geometria e microestrutura prévia. Os tempos de aquecimento mais curtos são necessários para microestruturas que se encontram em estado revenido, temperado e normalizado. As frequências de 3 kHz a 40 kHz são normalmente utilizadas conforme a geometria do comando de válvulas e profundidade da peça.

Scan de Têmpera

O scan de têmpera é normalmente utilizado em quantidades de produção relativamente baixas e cames um pouco grandes. Os cames poderão ser girados durante o tratamento térmico, dependendo das especificações do processo. Quando os cames forem endurecidos por scan sem rotação, a face de aquecimento do indutor poderá ser usinada para acomodar melhor a geometria do came e compensar adequadamente os efeitos da proximidade eletromagnética. Neste caso, serão necessárias algumas providências para fornecer uma orientação apropriada do came em relação ao indutor.

A excelente flexibilidade dos indutores do scan permite a têmpera de cames de diversos comprimentos/larguras com pouco consumo de energia, pois apenas uma pequena parte do came será aquecida por um indutor com uma face de cobre relativamente estreita. Este processo também é frequentemente utilizado para endurecer grandes cames (exemplo, cames de embarcações e trens). Um algoritmo complexo controla a “taxa de consumo de energia versus scan”, e o uso de um indutor de posicionamento compensará os efeitos finais.

As principais limitações de aplicação da têmpera por scan em comandos de válvulas na indústria automobilística estão relacionadas às baixas capacidades de produção decorrentes do processamento individual de cada came e algumas dificuldades na obtenção dos padrões de dureza desejados para os cames posicionados mais próximos, devido à possibilidade de efeito de retorno de têmpera localizado indesejável ou até mesmo o retêmpera de cantos de cames já endurecidos. Além disso, há geralmente uma probabilidade de aparecimento de um respingo de têmpera e a formação de estruturas diversas, as quais podem compreender uma mistura de martensita e produtos de transformação superiores (por exemplo, estruturas de bainita e perlita).

Têmpera de Pontos Isolados

Ao contrário da têmpera por scan, o procedimento de aquecimento de pontos isolados de diversos cames é normalmente utilizado em comandos de válvulas com superfície de têmpera de tamanho médio e pequeno, com cames de tamanho e formato similares, e também com a mesma ou muito próxima folga axial entre eles [1,2].

Os comandos de válvulas são girados durante a têmpera por indução. Para aumentar a produtividade, diversos cames recebem tratamento térmico simultaneamente. Um número proporcional de indutores de uma única volta é conectado eletricamente em série para fornecer o aquecimento necessário dos diversos cames (exemplo, dois ou quatro cames, Fig. 3). Um fio de cobre é normalmente enrolado na direção axial para que seja possível obter a distribuição desejada da densidade da energia, considerando a interação eletromagnética dos giros próximos, o que permite o controle adequado dos efeitos finais e aplicação correta das especificações da geometria dos cames. O projeto do indutor pode receber uma têmpera ou ela pode ser feita fora do local após o término do ciclo de aquecimento.

A têmpera de um ponto isolado com a rotação do comando de válvula está normalmente relacionada com a maior profundidade conhecida do invólucro no nariz em relação à área circular base (o heel), pois o nariz do lóbulo do came tem acoplamento eletromagnético mais próximo do diâmetro interno do cobre da bobina.

A têmpera de um único ponto normalmente exige uma potência maior do conversor em comparação à têmpera por scan, pois naquele caso é necessário austenitizar toda a superfície dos diversos cames a uma profundidade apropriada para, então, obter o padrão de têmpera desejado para a posterior têmpera.

Têmpera por Indução Estática (sem rotação)

Com a têmpera estática, tanto o indutor quanto o comando de válvula permanecem imóveis durante o aquecimento e estágios de têmpera. Diversos projetos de indutor foram utilizados nos últimos anos para endurecer estaticamente os lóbulos da came, no entanto, muitos destes projetos eram similares aos projetos utilizados para têmpera de virabrequins.

Indutores Estáticos Convencionais de um Volta

As bobinas convencionais de uma volta foram um dos primeiros indutores para têmpera da superfície dos lóbulos das cames. O nariz do lóbulo da came era normalmente posicionado na área do indutor, onde os barramentos de cobre que transmitem corrente elétrica a partir de uma fonte de potência eram conectados à bobina de indução. Nesta região, forma-se um campo magnético pela entrada e saída de correntes elétricas orientadas em direções opostas, o que provoca um efeito de espraiamento (“flux-fringing”). Foram feitas tentativas para aplicar este efeito na redução do excesso de calor gerado na área do nariz do lóbulo em decorrência do efeito da proximidade eletromagnética. Além disso, foram aplicados concentradores de fluxo de calor na área do círculo base do lóbulo como uma tentativa também de compensar o déficit das fontes de calor que apareceram devido à “folga” ou abertura maior da “bobina para o lóbulo”. Infelizmente, este projeto de bobina ocasionou um controle ruim do padrão de dureza, baixa eficiência de aquecimento, alta distorção e o seu uso é extremamente raro.

Indutores de Fase Dividida ou Clamshell

Os indutores especialmente projetados de fase dividida ou clamshell são também utilizados para a têmpera de comandos de válvulas. Neste caso, não é necessária nenhuma rotação do comando de válvula. O cobre da bobina é enrolado para se ajustar ao formato do lóbulo da came.

Os indutores clamshell são assim chamados porque eles são normalmente dobrados em um dos lados para que o comando de válvula possa ser instalado na posição de aquecimento correta, mantendo assim uma abertura de ar uniforme entre a face de aquecimento e a superfície do lóbulo. Este procedimento ajuda a minimizar a distorção do lóbulo, exige um tempo de aquecimento curto e produz um padrão de têmpera tipo “contorno”. Infelizmente, a curta vida útil da bobina, a pouca confiabilidade e dificuldade de manutenção, bem como a baixa taxa de produção e problemas de contatos elétricos são algumas das principais desvantagens relacionadas ao uso destes tipos de indutores [1].

Nova Tecnologia

A tecnologia patenteada sem rotação (Tecnologia SHarP-CTM), que foi desenvolvida para virabrequins [3-5], foi recentemente expandida, de forma eficaz, para a produção de uma têmpera de contorno de grãos dos comandos de válvulas. O indutor é composto por um indutor superior (passivo) e outro inferior (ativo) (Fig.3). O indutor inferior (estando ativo e conectado a uma fonte de alimentação) é estacionário, enquanto o superior (passivo) pode ser aberto e fechado durante a carga e descarga do comando de válvulas. Cada indutor possui áreas enroladas onde os lóbulos do came, que receberão tratamento térmico, serão posicionados enquanto o indutor superior estiver na posição “aberta”. Devido à proximidade dos indutores “ativo/passivo” não existirão problemas de contato elétrico relacionados com as bobinas de clamshell.

Com a aplicação de carga no comando de válvulas na posição de aquecimento, o indutor superior irá girar na posição “fechada” e, então a alimentação, vinda de uma fonte de alimentação, será aplicada no indutor inferior (ativo). A corrente elétrica que passar pela bobina inferior irá instantaneamente induzir as correntes parasitas a iniciar o fluxo de corrente para o indutor superior, isso graças ao conjunto laminado que serve como uma ligação de fluxo magnético, tornando as seções inferior e superior eletromagneticamente “acopladas”, como num transformador. Portanto, os lóbulos do came “enxergam” o indutor sem rotação como um sistema de indução altamente eficiente eletricamente e de “envolvimento” clássico, com uma folga radial uniforme do “lóbulo para o indutor”. Ainda que o conjunto laminado seja posicionado longe da peça de trabalho, sua performance não será afetada pelo calor emitido pela superfície do eixo do comando de válvulas.

Conforme esperado, a superfície de aquecimento destes indutores poderá ser facilmente perfilada para a obtenção do padrão de dureza desejado. São utilizadas fendas de têmpera especialmente projetadas para a execução do processo de têmpera e resfriamento do cobre da bobina.

A tecnologia de têmpera por indução sem rotação fornece diversos benefícios, tais como: custo de manutenção drasticamente reduzido, operação simples, maior vida útil de ferramentais, melhoria da qualidade da peça e eventual eliminação do processo posterior de endireitamento. Os indutores SHarP-CTM são robustos, rígidos e sequencial, sendo usinado por CNC a partir de um bloco de cobre sólido. Os indutores não possuem componentes soldados ou acoplados. Isto reduz bastante a distorção do indutor durante a sua fabricação e elimina a variação do padrão de dureza associada com a distorção do indutor.

Por exemplo, a Fig.3 mostra a máquina de têmpera do comando de válvulas CamProTM da Inductoheat que utiliza a tecnologia patenteada SHarP-CTM. Este processo exclusivo se autoalimenta para a têmpera de vários cames. Portanto, é possível obter uma grande produtividade com o tratamento térmico simultâneo de múltiplos cames.

Redução Expressiva na Distorção do Comando de Válvulas

Uma vantagem significativa obtida pelas recentes plantas que instalaram esta tecnologia exclusiva foi o aumento de suas capacidades de têmpera de comandos de válvulas com muito pouca distorção ou distorção quase indetectável ou, ainda, em alguns casos, a eliminação da necessidade de operação posterior para endireitamento dos comandos de válvulas.

Há diversos fatores que afetam a distorção do comando de válvula, como tipo do material, sua microestrutura prévia, geometria, perfil de têmpera, etc. Os comandos de válvulas possuem uma geometria relativamente complexa devido a sua pouca simetria. Um dos fatores críticos que afeta a distorção é a quantidade de produção de calor. Quanto maior a quantidade de metal aquecida maior será a expansão do metal, o que, por sua vez, provoca uma maior distorção.

Uma das características mais atrativas desta tecnologia é a sua capacidade de gerar calor e distribuí-lo uniformemente conforme as necessidades (padrões) de têmpera (Fig.4), independentemente do fato dos comandos de válvulas possuírem diversos componentes de formatos geométricos irregulares. Se necessário, a zona de aquecimento afetada (HAZ) poderá ser reduzida, sendo complementada com a expansão do metal aquecido e, com isto, minimizando a distorção do formato pela aplicação de uma quantidade de calor adequada no comando de válvulas. O núcleo permanecerá relativamente frio durante todo o ciclo de aquecimento, agindo como um estabilizador do formato da peça de trabalho. Os padrões de aquecimento serão “mantidos”, ainda que o comando de válvulas ou os indutores sejam movimentados durante o aquecimento. O mesmo padrão poderá ser obtido em diversos outros ciclos.

Não existe a aplicação de nenhuma força lateral durante o tratamento térmico, pois o comando de válvulas é apenas mantido sobre blocos no formato-V, ao contrário de processos alternativos onde é exercida uma pressão lateral para girar o comando de válvulas.

O uso de um projeto de pallet de “troca rápida” e o formato preciso da bobina CNC garantem que as bobinas sejam automaticamente alinhadas em relação ao comando de válvulas após a reposição do indutor. Para manutenção, basta desconectar as duas mangueiras e soltar alguns prendedores, e então o pallet fora de operação poderá ser facilmente removido da máquina. Para colocar a pallet em operação, basta colocá-lo de volta na sua posição (esse processo leva apenas alguns minutos). A construção unificada (montada de fábrica) permite uma instalação e partida rápidas, bem como livre de erros, o que reduz bastante o tempo de parada em comparação aos processos alternativos. Esta configuração permite ainda a conversão da máquina para o processamento de uma grande variedade de peças diferentes.

Operações de Tratamento Térmico Posteriores

O tratamento térmico dos comandos de válvulas é seguido por um estágio de esmirilhamento/polimento. O esmirilhamento final das superfícies de trabalho dos comandos de válvulas é necessário para minimizar a rugosidade delas e garantir uma precisão das dimensões dos lóbulos e journals. Durante o esmirilhamento das superfícies dos comandos de válvulas temos a aplicação de processos químicos e termomecânicos complexos e inter-relacionados. O processo de esmirilhamento pode ser realizado aplicando diversas condições lixamento: suave, normal ou severo.

O calor excessivo gerado em decorrência de um esmirilhamento inadequado poderá ocasionar um calor excessivo que, por sua vez, poderá afetar negativamente o desempenho do comando de válvulas e a resistência ao desgaste das superfícies dos mancais devido à alteração da microestrutura do material, redução do stress residual benéfico da superfície comprimida e até mesmo pela distribuição reversa do stress residual desejável.

Conforme esperado, a quantidade necessária de esmirilhamento corresponde à quantidade de sobra ou excedente existente na peça e a distorção do componente. Portanto, a obtenção de padrão de têmpera com pouca distorção do formato da peça permitirá uma redução substancial da necessidade de esmirilhamento desta peça e, consequentemente, uma produção de comandos de válvulas melhores. Ainda, deve ser considerado que o esmirilhamento para endireitamento da peça irá afetar diretamente a vida útil da ferramenta de corte e, portanto, haverá perda de toda a robustez do processo e sua efetividade operacional.

Deve ser considerado ainda que o endireitamento de peças normalmente provoca rachaduras, o que exige constantes testes de END (Ensaios Não Destrutivos) para a verificação destas condições. Além disso, o endireitamento reduz o stress benéfico da superfície comprimida, o que exige uma operação adicional, que, por sua vez, gera gastos extras (exemplo: aumento do custo da peça e despesas adicionais para monitoramento e manutenção de maquinário). A eliminação do endireitamento das peças já endurecidas tem, portanto, vários efeitos significativos e importantes.

Conclusão

Esta avançada tecnologia melhora substancialmente o processo de têmpera por indução convencional dos comandos de válvulas. Os principais benefícios desta tecnologia patenteada são[1-5]:

1. Nenhuma peça e nenhum indutor se move durante o tratamento térmico, evitando assim riscos de desalinhamento, desgaste ou curto-circuito

2. Melhoria da qualidade metalúrgica dos lóbulos com tratamento térmico, os quais passam a ter estruturas mastensitas excelentes e aumento do stress da superfície residual comprimida;

3. Ausência de junções soldadas no projeto do indutor. O indutor possui usinagem CNC, o que garante repetibilidade da fabricação e precisão dimensional. O indutor possui uma vida útil bem maior em relação aos processos alternativos;

4. O uso da Tecnologia SHarP-CTM em recentes plantas tem resultado em comandos de válvulas superiores, sem distorções relevantes, além de excelentes características de têmpera na linha de produção;

5. Graças aos espaços uniformes para circulação do ar entre o indutor e o came, este equipamento pode ser usado para: têmpera e têmpera de journals e cames de comandos de válvulas, com processamento “peça a peça” do comando de válvula, tudo com monitoramento avançado e ambiente de operação de fácil uso.

Para mais informações: Contate Dr. Valery Rudnev, Inductoheat, Inc., An Inductotherm Group Company, EUA; tel: +1 248-629-5055; e-mail: rudnev@inductoheat.com; web: www.inductoheat.com. Tradução gentilmente realizada por Inductotherm do Brasil, (19) 3885-6800, www.inductotherm.com.br.

[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””] [/our_team]

[1] G.Doyon, V.Rudnev, J.Maher, Induction hardening of crankshafts and camshafts, ASM Handbook, Vol.4C: Induction Heating and Heat Treating, 2014, p.172-186;

[2] G.Doyon, V.Rudnev, J.Maher, R.Minnick, G.Desmier, New technology straightens out camshaft distortion, Industrial Heating, December, 2014;

[3] US Patent # 6,274,857;

[4] US Patent # 6,859,125;

[5] US Patent # 8,222,576

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Em uma economia global acelerada, a capacidade dos fabricantes que utilizam o aquecimento por indução de minimizar o tempo entre o pedido de um cliente para um orçamento e um orçamento elaborado com base em um modelamento computacional eficiente é fundamental para o sucesso de uma empresa. Um ambiente industrial competitivo não oferece o luxo de vários dias de espera para se obter os resultados de um modelamento computacional. Em vez disso, são necessários resultados de modelamento confiáveis dentro de algumas horas.

Reconhecendo a importância do modelamento computacional e o que deve ser feito para melhorar a eficácia do processo para determinar as sequênicas de processo mais adequadas, a ASM International (American Society for Metals, ou Sociedade Americana de Metais, uma organização profissional composta por cientistas e engenheiros de materiais) publicou recentemente dois volumes completos sobre modelamento, os quais são aplicados à simulação computacional de diferentes tecnologias de processamento dos metais. As informações contidas nestes livros foram apresentadas por especialistas de universidades de ponta, laboratórios de pesquisas nacionais e corporações industriais de 13 países. Esta compilação está agora disponível em um novo conjunto de dois volumes publicados como parte da série ASM Handbook. A primeira parte, Volume 22A, Fundamentals of Modeling for Metals Processing (Fundamentos de Modelagem para o Processamento de Metais), foi publicada em 2009. A segunda parte, Volume 22B, Metals Process Simulation (Simulação dos Processos Metalúrgicos), o seguiu um ano depois.

Os volumes cobrem uma gama de assuntos relacionados com o modelamento dos processos metálicos, incluindo conformações a quente e a morno, laminação, fundição, forjamento, revestimentos, usinagem e muitos outros. Entre outras informações úteis, o Volume 22B contém dois artigos que são exclusivamente dedicados ao modelamento computacional de tecnologias térmicas de indução: “Simulation of Induction Heating Prior to Hot Working” (Simulação do Aquecimento por Indução Antes do Trabalho a Quente) e “Coating and Simulation of Induction Heat Treating” (Revestimentos e Simulação dos Tratamentos Térmicos por Indução).

Aquecimento por Indução de Extremidades de Barras

Muitas barras, tarugos ou varas produzidos hoje são submetidos a processos em que peças inteiras são aquecidas e alimentadas em um laminador ou outro equipamento de conformação. Em alguns casos, entretanto, somente é necessário conformar a quente uma parte da peça de trabalho (a sua extremidade, por exemplo). Alguns exemplos desses tipos de peças são hastes de bombeio para produtos OCTG (Oil Country Tubular Goods – Produtos tubulares e acessórios para a indústria petrolífera) ou ligações estruturais em que detalhes devem ser adicionados a uma ou ambas as extremidades da barra.

O aquecimento da extremidade da barra consiste em colocá-la dentro de um indutor e aquecê-la por um período de tempo especificado. Várias extremidades de barras podem ser aquecidas em bobinas individuais, ovais (Fig.1) ou em bobinas do tipo canal (Fig.2). Ao deixar a bobina, as extremidades da barra estão na temperatura desejada e a barra é movida para a operação de forjamento. Para altas taxas de produção (1.800 peças por hora ou mais), tanto os indutores ovais como os de canal são as opções mais adequadas e são frequentemente utilizados com uma manipulação totalmente automatizada ou semiautomatizada.

Modelagem Computacional do Aquecimento da Extremidade

Um processo no qual a barra é inserida parcialmente na bobina de aquecimento não se presta facilmente à maioria dos métodos de análise computacional. Isto acontece porque estes métodos baseiam-se nas hipóteses de uma bobina infinitamente longa e de uma peça de trabalho simetricamente localizada. A maioria dos pacotes de software comerciais utilizados para a modelagem de processos de aquecimento por indução são programas desenvolvidos para todos os fins e que foram desenvolvidos para outras aplicações e, mais tarde, adaptados para o aquecimento por indução. Eles apresentam dificuldades em considerar certas características do aquecimento por indução de extremidades de barras. Entre essas características estão:

• Várias peças movendo-se progressivamente lado a lado dentro do indutor;

• A presença de refratários térmicos e a necessidade de se considerar fatores da radiação;

• A distribuição de temperatura inicial pode não ser uniforme;

• Presença de extremidades de placas, perfilados, guias, fixadores, forros, etc.

É importante estar ciente de que algumas características críticas do aquecimento de extremidades de barras podem ser fatores limitantes para a aplicação de software para todos os fins, o que pode afetar a capacidade de se obter resultados adequados e com precisão. Embora o software comercial possa ser utilizado para uma checagem, nós também utilizamos vários programas de nossa propriedade orientados para as aplicações que nos permitem selecionar a técnica de modelamento mais adequada, levando em consideração as especificidades e sutilezas importantes do processo.

Como um exemplo, a Fig.3 mostra uma simulação computacional da dinâmica sequencial de aquecimento de extremidades de barras de aço carbono, utilizando uma bobina de forma oval. O diâmetro externo da barra é de 50 mm e o comprimento de aquecimento necessário é de 130 mm, com um volume de 112 barras por hora. Cinco barras foram aquecidas progressivamente lado a lado em um indutor oval, com uma frequência de 3 kHz. É mostrada a variação da temperatura em quatro pontos críticos. A Fig.4 mostra a variação da potência da bobina durante o arranque a frio e os estágios do processamento em estado estacionário e de retirada da barra da bobina, assumindo uma bobina com corrente constante. Para evitar a alta demanda de energia durante a fase de arranque a frio, a bobina é normalmente carregada parcialmente com as barras.

Dicas Cruciais que os Executivos Devem Saber

Dica 1: É importante lembrar que qualquer análise computacional pode, no máximo produzir resultados que são derivados do modelo teórico definido. Portanto, antes de contratar alguém para fazer simulações computacionais, assegure-se de que o analista tenha um entendimento claro das especificidades do processo, além de uma educação adequada na área para a qual ele está sendo contratado. Quando você viaja de avião, precisa de um piloto; quando está doente, precisa de um médico. Aplique este mesmo princípio quando estiver escolhendo uma empresa para fazer simulações computacionais. Do contrário, você pode ter gráficos bonitos, mas com resultados errados e inadequados aos quais se seguirão desculpas a respeito de porque a análise não coincide com os dados práticos. A devida diligência é necessária no momento de decidir qual modelo aplicar e quem deve aplicá-lo;

Dica 2: Assegure-se de que as propriedades físicas dos materiais a serem aquecidos estão definidas adequadamente. A experiência demonstra que propriedades do material mal definidas são responsáveis por uma proporção significativa de erros de simulação;

Dica 3: A fim de minimizar o risco, faz todo o sentido trabalhar com empresas que são responsáveis por todas as etapas de P&D (incluindo o modelamento computacional), projeto, fabricação, teste, start-up de equipamento e suporte pós-venda (Fig.5, direita), em vez de lidar com uma série de empresas com vagas responsabilidades sobre o processo global (Fig.5, esquerda);

Dica 4: É importante entender que o uso de métodos de modelamento com softwares numéricos modernos (incluindo elementos finitos, elementos de contorno, diferenças finitas, elementos de borda, etc) não garante por si só a geração de resultados de simulação perfeitamente corretas. Em vez disso, essas técnicas devem ser utilizadas em conjunto com experiência em cálculos numéricos e a formação adequada e experiência daqueles que interpretarão os resultados analíticos. Isso é especialmente verdade porque, mesmo em programas de software comercial, independentemente da quantidade de testes e verificações, eles nunca podem ter todos os seus possíveis erros detectados. Consequentemente, o analista deve se proteger contra vários tipos de possíveis erros. Quanto mais poderoso o software, mais complexo ele é, aumentando o potencial para erros. Esteja ciente de que imagens atraentes geradas por computador podem ser enganosas se forem obtidas por um novato no processo. É senso comum que a engenharia do “pressentimento” e a formação avançada na área de modelamento são sempre os assistentes úteis do analista.

Revisão de tradução gentilmente realizada por Inductotherm Group Brasil, (19) 3885-6800, www.inductothermgroup.com.br

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O modelamento computacional ajuda a minimizar erros e a diminuir o tempo de desenvolvimento ao se projetar novos sistemas. Entre as décadas de 1960 e 1990 era comum estimar os parâmetros de processos baseados em regras empíricas. Apesar do fato de que estas técnicas eram fáceis de serem empregadas, sempre havia um perigo de se obter resultados alterados e inadequados a partir destas técnicas.

Modelamento Computacional Numérico

Os especialistas em aquecimento por indução modernos, ao invés de utilizarem técnicas de modelamento com uma única fórmula com regras empíricas, voltaram-se para métodos de simulação numérica, tais como diferenças finitas, elementos finitos, elementos de arestas, volumes finitos, elementos de contornos e outros. Cada uma destas técnicas tem certas vantagens e desvantagens e têm sido utilizadas sozinhas ou em combinação com outras.

Para cada tipo de aplicação de aquecimento por indução há certos métodos numéricos ou softwares. Não há um método computacional universal único que se encaixe de forma otimizada para todos os tipos de aplicações. Nos últimos anos, o Método dos Elementos Finitos (MEF) tornou-se a ferramenta de simulação numérica dominante para uma variedade de aplicações de engenharia. Embora o MEF seja uma técnica de modelamento muito eficaz, não é a ferramenta computacional final para todas as aplicações de aquecimento por indução. Em alguns casos, uma combinação de diferentes métodos é mais eficaz..

Vamos ver um exemplo simples, qualquer uma das técnicas requer uma malha da área de modelamento, a qual inclui a(s) bobina(s) de indução, a peça aquecida e outros corpos condutores elétricos que estejam próximos à bobina de indução. As especificações na geração da malha podem afetar a precisão da simulação, o tempo necessário para o pré e o pós-processamento e o tempo real para executar as simulações. A Figura 1, por exemplo, mostra as malhas para as três técnicas de modelamento mais populares.

Até mesmo um olhar superficial sobre as malhas revela que a escolha de uma técnica sobre a outra depende das especificidades de cada aplicação por indução. É fácil, por exemplo, aplicar o Método das Diferenças Finitas (MDF) quando a área de modelamento tem geometrias simples, como cilíndrica ou retangular. A malha ortogonal divide a área de simulação num número finito de nós (Figura 1, esquerda). Devido à rede ortogonal, o algoritmo de modelamento é simples. Este método é bastante universal devido à sua relativa simplicidade de aplicação.

O MEF é um outro grupo de técnicas numéricas dedicadas à obtenção de uma solução aproximada para diferentes problemas técnicos, incluindo aqueles encontrados no aquecimento por indução. Enquanto o MDF fornece uma boa aproximação de pontos, o MEF proporciona uma boa aproximação de elementos das equações que regem. De acordo com o MEF, a área de trabalho é dividida em elementos finitos da malha, como mostrado na Figura 1 – centro. O MDF, em geral, não é tão adequado quanto o MEF para a simulação de sistemas de aquecimento por indução com configurações de contorno complexas ou, no caso de uma mistura de materiais e formas. Neste caso, o MEF tem uma vantagem distinta sobre o MDF. A necessidade de sempre se proceder um cálculo do campo eletromagnético no ar, no entanto, é uma desvantagem tanto das análises pelo MDF quanto pelo MEF.

Com o método dos elementos de contorno (MEC) são considerados apenas os contornos dos componentes eletricamente condutores do sistema de indução (Figura 1, direita). Isto simplifica substancialmente uma das partes mais demoradas da preparação do modelo numérico em relação ao MDF e aos MEF e reduz drasticamente o tempo computacional.

Duas tecnologias populares utilizadas para aquecer barras e tarugos de tamanhos pequeno e médio são as técnicas multiestágio de aquecimento horizontal contínua e progressiva. Duas ou mais peças aquecidas (ou seja, tarugos, blanks, barras) são movidas (via empurrador, mecanismo de indexação, vigas rolantes, cilindros, etc) para dentro de uma única bobina ou multibobina de aquecimento por indução. Os componentes são sequencialmente aquecidos até certos estágios de aquecimento predeterminados. A Figura 2, por exemplo, mostra um sistema de indução que consiste de uma linha de indutores com sete bobinas.

Muitas vezes, o comprimento de sistemas multiestágios é superior a 4,5 m e, em alguns casos, pode chegar a 21,5 m. Em sistemas longos, devido ao fato do MDF e do MEF requererem a geração de malha, não só do interior da peça de trabalho e da bobina de indução, mas também do ar em torno deles, devido à propagação de campo eletromagnético exterior das bobinas de indução, o tempo de processamento pode ser excessivamente longo. Um outro desafio do modelamento de tal sistema resulta do fato de que o perfil da temperatura da superfície da peça até o núcleo continua a mudar à medida que a barra passa pela linha de bobinas de indução. Nesses casos, o software de modelamento de propriedade da Inductoheat, chamado ADVANCE, permite a modelamento eficaz e precisa do sistema.

Limitações do Software de Modelamento Generalizado

Muitos dos códigos comerciais utilizados para o modelamento computacional de processos de aquecimento por indução são programas padrões, desenvolvidos principalmente para o modelamento de processos eletrotérmicos que ocorrem em máquinas elétricas, motores e outros dispositivos. Estes programas foram posteriormente adaptados para aplicações de aquecimento por indução. A necessidade de vender seus produtos para tantos clientes quanto possível, força os desenvolvedores de software a produzirem ferramentas de simulação universais que podem ser utilizadas dentro de uma ampla base industrial.

Consequentemente, certas sutilezas do processo relacionadas com o aquecimento por indução foram ignoradas ou substancialmente simplificadas pelos desenvolvedores de softwares. O resultado é que muitos programas generalizados não podem lidar com certas características específicas de aplicações do aquecimento por indução. Algumas das dificuldades incluem:

• A presença de um refratário térmico e a necessidade de considerar fatores de radiação térmica;

• Uma peça de trabalho aquecida que simultaneamente se desloca, rotaciona ou oscila em relação à bobina de indução;

• Operações que combinam processos com estágios de aquecimento e de resfriamento da peça;

• A existência de distribuições de temperatura iniciais não uniformes;

• A presença de placas finais, guias, fixadores, revestimentos, etc.

Imagine, por exemplo, que você comprou um software para simular estágios de aquecimento por indução de tarugos antes de forjar para dois processos polares (um com início a frio e outro a quente). O início a frio representa uma condição de processo em que o forno por indução foi desligado por um período suficientemente longo e o seu refratário térmico foi resfriado até a temperatura ambiente. Em contraste, o início a quente designa uma condição em que houve uma interrupção do ciclo relativamente curta.

Suponha que você saiba as propriedades físicas do material do refratário, a espessura, a geometria, etc, e, por isso, espera ser capaz de prever o efeito de um início a frio ou a quente nas condições térmicas do tarugo. De repente, você pode perceber que o seu pacote de software não permite a introdução de detalhes do projeto do refratário. O manual sugere que o usuário quantifique com uma condição de contorno o efeito da temperatura do refratário no tarugo. Inesperadamente, essa característica de projeto comum para qualquer aquecedor por indução em uma forjaria torna-se um obstáculo ao utilizar um software de modelamento generalizada.

A nossa experiência mostra que não há um método computacional único e universal que se encaixe de forma otimizada para todas as aplicações de indução. Como resultado, os nossos projetistas de software utilizam e integram as técnicas de modelamento computacional comerciais e próprias. Isto lhes permite selecionar a técnica que é mais adequada para uma determinada aplicação e para um sistema de aquecimento por indução particular.

[info_box title=”” image=”” animate=””] Estudo de Caso: Tecnologia FluxManager para Alívio de Tensões nas Extremidades dos Tubos

O alívio de tensões nas extremidades dos tubos de aço, geralmente, é feito antes da usinagem da rosca. Para isso, a extremidade do tubo é colocada numa bobina de indução com várias espiras e aquecida durante o tempo e parâmetros de processo especificados, os quais incluem a temperatura final da peça, o comprimento necessário da extremidade do tubo a ser aquecida e outros.

Algumas aplicações requerem uma zona de transição de calor longitudinal aguda, enquanto outras exigem certos perfis de temperatura transientes. Os diâmetros dos tubos variam, tipicamente, entre 10 e 500 mm, com espessuras de parede entre 4 e 30 mm. O comprimento da extremidade do tubo aquecida varia de 50 a 450 mm, dependendo das especificidades de aplicação. Em muitos casos, a uniformidade de temperatura axial e radial é um fator determinante para um produto de qualidade. O aquecimento das extremidades dos tubos tem sido muito bem-sucedido. As tendências recentes para aumentar a espessura da parede dos tubos para tubulações de petróleo (Figura 3), combinadas com requisitos mais rigorosos para a uniformidade de aquecimento, ilustraram várias desvantagens do uso de frequências mais altas em relação ao uso da frequência de rede quando é feito o aquecimento até as temperaturas de alívio de tensões de paredes grossas de tubos de aços magnéticos. Estes incluem:

• No aquecimento de tubos de grande espessura, o efeito de pele ou “skin effect” (mesmo com a frequência de rede) é muito pronunciado e a relação “espessura da parede/profundidade de penetração da corrente de Foucault” é bastante grande. Frequências mais altas tendem a aumentar essa relação. Por conseguinte, existe o perigo de um superaquecimento localizado na superfície externa dos tubos de parede grossa magnéticos, o que pode resultar numa estrutura heterogênea indesejável após o alívio de tensões.

• As frequências mais altas são visivelmente mais sensíveis ao posicionamento do tubo no interior da bobina de indução. Isto significa que mesmo pequenas variações na distância entre a bobina e o tubo, devido a um posicionamento não-simétrico, pode conduzir a uma variação de temperatura na extremidade do tubo. Isso diminui a repetibilidade do processo e afeta negativamente o controle do processo, geralmente resultando no aparecimento de pontos “quentes” e “frios”.

• As altas frequências requerem o uso de conversores de estado sólido que, em alguns casos, pode aumentar significativamente o custo do maquinário.

A simulação computacional é uma ferramenta ideal para determinar o projeto da bobina e a sequência de aquecimentos apropriados para esta aplicação. A Figura 4 mostra um exemplo de aplicação do MEF para o aquecimento por indução da temperatura ambiente até 600°C, de uma porção da extremidade de um tubo de aço-carbono com 300 mm de comprimento, 370 mm de diâmetro e com uma espessura de parede de 16 mm. A uniformidade de temperatura requerida de ± 2,2°C, em qualquer ponto dentro da região da extremidade do tubo, é conseguida utilizando a tecnologia FluxManager (frequência = 60 Hz).

A bobina de indução é composta por cinco grupos de espiras (8 + 4 + 4 + 4 + 12 espiras). Placas laminadas colocadas do lado de fora da bobina de indução aumentam a eficiência de calor e a repetibilidade. A Figura 5 mostra a distribuição de temperatura axial (longitudinal) do diâmetro externo e do diâmetro interno [/info_box]

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Pela combinação de software avançado com conhecimentos sofisticados de engenharia, os profissionais da área de aquecimento por indução possuem habilidades exclusivas para analisar, em poucas horas, problemas tecnológicos complexos que poderiam levar dias ou até mesmo semanas para serem resolvidos através de testes experimentais ou através do modelamento físico utilizando modelos-piloto.

A simulação permite prever o quão diferente, fatores inter-relacionados e não lineares podem impactar nas condições térmicas transitórias e finais. A simulação também ajuda a determinar o que deve ser realizado para melhorar a efetividade do processo, escolher a receita do processo mais apropriado e servir de fator de segurança quando projetar sistemas novos.

Em 2007, ASM International (Sociedade Americana de Metais) iniciou um ambicioso empreendimento para compilar num novo formato, recursos compreensivos em modelamento e como aplicá-los à simulação por computador de tecnologias de processamento de diferentes metais. Experts mundialmente reconhecidos de universidades renomadas, laboratórios de pesquisa e corporações industriais de treze países foram cuidadosamente escolhidos para testar materiais. Como resultado, dois volumes novos em folha foram publicados como parte do manual da ASM (Fig. 1). A primeira parte, “Volume 22A, Fundamentos do Modelamento para Processamento de Metais” surgiu em 2009. A segunda parte “Volume 22B, Simulação de Processos de Metais” foi publicado em 2010. Esses dois volumes abrangem uma extensa gama de assuntos incluindo diagramas de fases e transformações, aquecimento e tratamento térmico, fundição e solidificação, conformação, ligas, usinagem, metalurgia do pó, modelamento integrado e simulação para definição de equipamentos.

Dentre outras informações úteis, o Volume 22B contém dois artigos (indicados nas referencias) destinados exclusivamente a simulação por computador para aquecimento por indução e tecnologias de tratamento térmico.

Como Isso Era Feito no Passado

Uma estimativa dos parâmetros de processo baseado na “regra do polegar” assim como o uso de métodos analíticos e esquemas de bobinas equivalentes foram muito utilizados entre as décadas de 60 e 90. Apesar dessas técnicas serem simples de se aplicar, elas eram muitos subjetivas e com restrições consideráveis e inerentes limitando seu uso para estimativas rápidas de parâmetros simples de sistemas de indução. Havia um perigo de se obter resultados equivocados e inadequados com essas estimativas demasiadamente simplificadas.

Recentes avanços nos computadores de alta performance tem melhorado o custo benefício do desenvolvimento, diminuindo a curva de aprendizagem e reduzindo o tempo de desenvolvimento, e os computadores tem restringido significativamente o uso de fórmulas simplificadas.

Ao invés de utilizar técnicas computacionais com muitas restrições e discutível precisão, especialistas no moderno aquecimento por indução passaram a utilizar métodos de simulação numérica efetiva como diferenças finitas, análise de elementos finitos (FEA), elementos extremos, elementos limite e outros. Cada uma dessas técnicas de simulação possui certos pontos favoráveis e outros nem tanto e têm sido utilizadas sozinhas ou em combinação com outras técnicas.

Nos últimos anos, FEA (Análise de Elementos Finitos) tornou-se uma ferramenta dominante de simulação numérica para uma variedade de aplicações na engenharia. Apesar da FEA ser uma técnica de modelamento muito efetiva, ela não pode ser considerada como a ferramenta fundamental para todas as aplicações de aquecimento por indução. Em alguns casos, a combinação de diferentes métodos numéricos é mais eficaz, enquanto FEA é a opção preferida para outros.

Estudo de Caso: Têmpera Progressiva

Simulações numéricas por computador permitem que fabricantes de equipamentos de indução determinem detalhes do processo que poderiam ser difíceis, se não impossíveis de se determinar experimentalmente. Como exemplo, a Fig. 2 mostra os resultados do modelamento por computador do sequenciamento dinâmico da têmpera progressiva por indução do eixo vazado utilizando um indutor de 2 espiras MIQ (usinado com ducha integrada) com concentrador de campo em forma de “L” (frequência = 9kHz).

No início (Fig. 2, A e B), é aplicada potência durante 2.6s para aquecer adequadamente uma faixa específica do eixo. Durante essa etapa, o aquecimento é estático, e o resfriamento não é aplicado. Uma vez completada a primeira etapa, a faixa específica do eixo está suficientemente pré-aquecida e o escaneamento tem inicio. A velocidade de avanço e a potência são alteradas durante o escaneamento para permitir a acomodação adequada das modificações na geometria do eixo. O modelamento por computador revela alguns detalhes importantes do processo:

– Durante o escaneamento, o aquecimento efetivo do eixo tem início a uma distância considerável da espira superior do indutor, criando um efeito de pré-aquecimento. Fatores responsáveis pelo pré-aquecimento são o fluxo na direção axial devido à condução térmica e a propagação do campo magnético externo, que gera o aquecimento;
– A presença de um campo magnético externo fora da bobina de indução é também responsável pelo aquecimento posterior de áreas do eixo localizadas imediatamente abaixo da espira inferior e em alguns casos até em regiões onde o resfriamento subsequente atinge a superfície do eixo;
– O atraso no resfriamento pode reduzir dramaticamente a eficiência do resfriamento e potencialmente criar condições para cruzar a ponta da curva de CCT. O resultado poderia ser a formação de estruturas mistas com a presença de produtos de transformação superior (bainitica, perlitica ou “sombras”. Essas microestruturas são notáveis por se apresentarem dispersas e com valores de dureza mais baixos.

Efeito cauda de cometa

Deve-se levar em consideração o efeito “cauda de cometa” quando desenvolver a receita de processos de têmpera progressiva. A Fig. 3 um padrão de temperatura ampliada de uma etapa intermediaria do processo (Fig. 2, F), o efeito “cauda de cometa” se manifesta com o acúmulo de calor em regiões internas do eixo abaixo do indutor. Este efeito é maior nas áreas de mudança de diâmetro.

Sobre o resfriamento, a temperatura da superfície do eixo pode ser suficientemente abaixo da temperatura Ms. Ao mesmo tempo o calor residual no interior do eixo pode ser suficiente para o alívio de tensões e poderia potencialmente resultar no aparecimento de pontos frágeis. O resfriamento externo é essencial para prevenir esse fenômeno indesejado.

Problemas críticos com modelamento por computador para têmpera progressiva

Uma limitação da grande maioria dos softwares comercialmente disponíveis é que eles não são capazes de considerar o efeito cauda de cometa quando tentam fazer o modelamento da têmpera progressiva por indução. Além disso, alguns softwares não podem trabalhar de maneira apropriada com efeitos pré e pós-aquecimento como resultado da propagação do campo magnético externo e fluxo de aquecimento axial devido à condução térmica. Certifique-se que o software utilizado é livre dessas restrições e está adequado ao modelamento de todos os importantes fenômenos físicos.

Quando projetamos indutores e desenvolvemos receitas de processos otimizados, é imprescindível não apenas o modelamento do aquecimento como também as etapas de resfriamento. Por outro lado, aspectos cruciais do processo podem ser esquecidos, tendo um impacto negativo na precisão do modelamento e na sua utilização.

Antes de Você Contratar Alguém para Fazer a Simulação por Computador

Primeiro passo

É importante lembrar que qualquer análise computacional pode, no melhor caso, produzir apenas resultados derivados do modelo teórico corretamente definido, calculando equações e condições limites. Por essa razão, antes de contratar alguém para executar a simulação por computador, certifique-se que o profissional possui o claro entendimento das particularidades do processo e também o conhecimento apropriado na área onde você necessitando de ajuda.

Segundo passo

Certifique-se que as propriedades físicas do material aquecido estão corretamente definidas.

Terceiro passo

É importante reconhecer que a utilização de modernos softwares numéricos (incluindo elementos finitos, elementos limite, etc.) não garantem a obtenção de resultados computacionais corretos. Isso deve ser usado em conjunto com a experiência em computação numérica e conhecimentos de engenharia para atingir a precisão requerida na simulação matemática. Esse aspecto pode ocorrer até mesmo em modernos softwares comerciais, que apesar da grande quantidade de testes e verificações pelos quais passam, podem ainda não ter detectadas todas as suas possibilidades de erro. O engenheiro deve consequentemente, estar preparado para encarar vários tipos de possibilidades de erros. O software mais poderoso, o mais complexo, é também o maior gerador de propabilidade de erros.

Problemas de Propriedades Físicas

Propriedades eletromagnéticas de materiais aquecidos abrangem uma variedade de características. Enquanto reconhecemos a importância de todas as propriedades eletromagnéticas, duas delas – condutividade elétrica (e sua recíproca resistividade elétrica) e permeabilidade magnética relativa – tem o mais forte efeito nos processo de aquecimento por indução. Tenha em mente que essas duas propriedades não lineares variam com a temperatura, composição química, microestrutura, tamanho de grão, etc.

Permeabilidade magnética relativa, µr`, não é apenas uma função complexa da estrutura do grão, composição química, microestrutura e temperatura, mas também frequência e intensidade do campo magnético.

O mesmo tipo de aço carbono na mesma temperatura e frequência pode ter valores substancialmente diferentes de µr` devido a diferenças na intensidade do campo magnético. A Fig. 4 ilustra o complexo relacionamento entre µr`, temperatura e intensidade do campo magnético para aço carbono.

Três das mais críticas propriedades térmicas do material aquecido abrangem condutividade térmica, calor específico e perda de calor superficial devido à radiação e convecção. Todas essas propriedades térmicas são também funções não lineares de temperatura.

A natureza não linear das propriedades materiais impõe a necessidade de desenvolver algorítimos computacionais especiais que combinem fenômenos eletromagnéticos e térmicos.

Há várias maneiras de agrupar eletromagnetismo e transferência de calor quando se faz o modelamento de aquecimento por indução, incluindo a aproximação em duas etapas, agrupamento indireto e agrupamento direto. Mesmo uma visão superficial no comportamento das propriedades materiais revelam o perigo em utilizar apenas algum desses agrupamentos em certas aplicações de aquecimento por indução. Uma revisão crítica da aplicabilidade dessas técnicas de agrupamento é fornecida na referência 2.

Limitação de Alguns Códigos Comerciais

Uma grande maioria dos códigos comerciais usados para modelamento por computador para processos de aquecimento por indução são programas para todos os usos. Apesar de bem reconhecidos e com capacidades impressionantes das ferramentas de simulação comercial modernas, alguns programas generalizados apresentam dificuldades levando em consideração certos acessórios para uma aplicação particular de aquecimento por indução. Isso abrange, mas não limita o que segue: a presença de refratário térmico, peça aquecida pode simultaneamente mover, girar ou oscilar conforme a bobina de indução, operação de escaneamento que combina aquecimento e resfriamento, uso simultâneo de duas frequências para contorno de região temperada, distribuição não uniforme da temperatura inicial, etc.

Por essa razão, esteja ciente que alguns acessórios críticos de uma aplicação particular de aquecimento por indução poderiam ser um fator limitador, gerando consideráveis desafios para a maioria dos softwares comerciais disponíveis, afetando a precisão das simulações.

Esse assunto foi discutido em detalhe na referência 2.

Conclusão

Numa economia mundial acelerada, a habilidade dos fabricantes de sistemas de aquecimento por indução para minimizar o tempo entre o pedido de cotação do cliente e a cotação através de um modelamento por computador eficiente é um ponto crítico para o sucesso da companhia. Além disso, o dinamismo da indústria geralmente não permite esperar vários dias para se obter os resultados do modelamento.

A indústria exige resultados confiáveis da simulação por computador dentro de poucas horas. Medidas podem ser tomadas para assegurar que o analista com o conhecimento adequado, usando o software de simulação apropriado conduz ao modelamento por computador.

Referências

1. V. Rudnev, “Simulation of Induction Heating Prior to Hot Workingand Coating,” ASM Handbook, Vol. 22B, Metals Process Simulation, D. U.Furrer and S. L. Semiatin, editors, ASM, 2010, pages 475-500;
2. V. Rudnev, “Simulation of Induction Heat Treating,” ASM Handbook,Vol. 22B, Metals Process Simulation, D. U. Furrer and S. L. Semiatin, editors, ASM, 2010, pages 501-546.

Para mais informações: Contate Dr. Valery Rudnev, Inductoheat, Inc., , Madison Heights, MI 48071; tel: +1 248-629-5055; rudnev@inductoheat.com; web: www.inductoheat.com. Revisão de tradução gentilmente cedida por Leandro Pasti; leandropasti@inductothermgroup.com.br; e Rafael Herrero; rafaelherrero@inductothermgroup.com.br; Inductotherm Brasil; (19) 3885-6800.

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Um ambiente industrial competitivo não oferece o luxo de alguns meses, semanas ou mesmo dias de espera, a fim de provar a viabilidade de certos processos por meio de tentativa e erro. As demandas do mercado pela obtenção de resultados rápidos e confiáveis sobre os parâmetros críticos de projeto são, agora, uma ocorrência diária e normal.

A simulação computacional permite aos especialistas de aquecimento por indução determinar os detalhes de um processo que pode ser demorado, de alto custo e, em alguns casos, difícil ou impossível de resolver experimentalmente. Ela fornece a capacidade de prever como diferentes fatores interrelacionados e não-lineares podem afetar as condições térmicas transitórias e finais do componente tratado.

A simulação ajuda a determinar o que deve ser feito para melhorar a eficácia do processo, a fim de estabelecer as mais adequadas receitas de processo. Os resultados do modelamento por computador servem como um fator de conforto ao se projetar novos sistemas, evitando surpresas desagradáveis, diminuindo a curva de aprendizado e reduzindo o tempo de desenvolvimento. O modelamento computacional não é mais apenas uma ferramenta útil e que auxilia na melhoria do desempenho do sistema. Ele se tornou uma necessidade vital [1-3].

Têmpera Progressiva por Indução

As principais vantagens da Têmpera Progressiva por Indução em comparação à Têmpera Estacionária estão associadas com uma maior flexibilidade no processo de têmpera para peças de diferentes diâmetros e comprimentos. Os indutores de Têmpera Progressiva podem ser constituídos por uma ou mais espiras, e o cobre pode ser manipulado para melhor acomodar as irregularidades geométricas.

Para ilustrar, a Fig. 1 mostra os resultados do modelamento computacional na fase inicial da Têmpera Progressiva por Indução de um eixo de aço médio carbono, com diâmetro externo de 64 mm e interno de 25 mm, utilizando um indutor com duas espiras. A frequência é de 1 kHz.

O indutor se move ao longo do eixo durante o processo. A potência e a velocidade de processo são ajustadas de acordo com a geometria do eixo (incluindo a flange, as alterações de diâmetro, espessura da parede etc). Para temperar o raio do eixo conforme o especificado, aplica-se um pequeno encharque no começo do processo. A ducha não é acionada durante o pré-aquecimento.

Obter uma profundidade de camada com a dureza mínima exigida no eixo sem exceder a camada máxima especificada pode ser um desafio, o qual pode estar associado a diversos fenômenos [1, 2].

Do ponto de vista eletromagnético, é um desafio induzir energia suficiente (densidade de potência) no raio sem criar temperaturas excessivas nas regiões próximas ao flange. Em regiões com raios menores, é ainda mais difícil devido à proximidade eletromagnética e ao efeito de acoplamento inferior à espira.

De uma perspectiva da transferência de calor, a presença de várias áreas frias adjacentes ao flange durante o aquecimento cria um efeito de resfriamento irregular (efeito de dissipação térmica) na região do flange em comparação com outras áreas do eixo. Consequentemente, durante o aquecimento por indução, mais calor é removido da área do raio devido à condução térmica, sendo removido por outras zonas do eixo. Isto requer um indutor concebido para gerar mais calor no raio para compensar o efeito intensivo de dissipação de calor.

Do ponto de vista do projeto, a geometria do eixo precisa ter certas características (por exemplo, bordas, cantos vivos, cortes, paredes finas etc) localizadas próximas ao flange e que não podem ser reaustenitizadas ou totalmente temperadas durante o ciclo de Têmpera do Raio.

A Fig. 1 mostra o padrão de temperatura e a distribuição do campo magnético no final do tempo de encharque do pré-aquecimento do raio. Por solicitação do cliente, uma bobina de duas voltas não revestida deveria ser utilizada nesta aplicação.

Com o propósito de aumentar a densidade de potência na região do raio, a espira inferior foi deformada, proporcionando uma condição favorável para o pré-aquecimento seletivo do raio. A espira inferior está mais acoplada ao flange comparada ao corpo do eixo, complementa o perfil do tubo de cobre, como foco no efeito de aquecimento. Após a conclusão da fase de encharque, o raio do eixo está pré-aquecido suficientemente e começa então a Têmpera Progressiva. Algumas vezes, quando a bobina e/ou o eixo começa a mover-se, é utilizada uma maior velocidade a fim de indexar rapidamente na posição e resfriar a área aquecida.

Processo em Duas Etapas

É importante lembrar que a têmpera por indução de componentes de aço é um processo em duas etapas que envolvem o aquecimento e o resfriamento. Ao realizar o “escaneamento” das superfícies externas (por exemplo, o diâmetro externo do eixo), o dispositivo de ducha é posicionado, em geral, junto à bobina, a fim de resfriar a área que foi aquecida. Em outros casos, pode ser utilizado um equipamento com ducha integrada (MIQ – machine integral-quench). Em qualquer dos casos, o dispositivo de ducha é constituído por uma câmara de resfriamento, com numerosos furos (orifícios) que permitem que a peça seja resfriada no ângulo e distância especificados.

Portanto, é indispensável ser capaz de simular não somente o aquecimento, mas também as etapas de resfriamento. Como um exemplo, a Fig. 2 mostra os resultados do modelamento computacional de aquecimento e resfriamento durante uma fase intermediária de uma superfície vertical do eixo utilizando um indutor MIQ com duas espiras com um anel concentrador de fluxo na forma de “L” (frequência de 9 kHz) [2].

Os fenômenos de pré-aquecimento e de aquecimento final causados pelos efeitos finais eletromagnéticos são visíveis claramente. Nota-se que o aquecimento do eixo começa em frente à espira superior da bobina, criando o efeito de pré-aquecimento. O efeito final eletromagnético de uma bobina de indução é o principal responsável por esse pré-aquecimento. É a propagação do campo magnético externo, que faz com que a geração de fontes de calor ocorra fora da bobina de indução.

A presença de um campo magnético externo depois da espira inferior é responsável pelo aquecimento final das áreas localizadas imediatamente abaixo do eixo da bobina. É muito importante levar em consideração os efeitos finais para projetar corretamente um dispositivo de resfriamento e determinar uma receita de processo adequada. A modelagem computacional ajuda a obter informações críticas a este respeito.

O efeito de cauda de cometa também é claramente visível e se manifesta como uma acumulação de calor nas regiões subsuperficiais do eixo, abaixo do indutor. Após a ducha, a temperatura da superficial do eixo pode ser suficientemente resfriada para temperaturas abaixo da temperatura de transformação. Ao mesmo tempo, o calor acumulado na subsuperfície do eixo poderia ser suficiente para revenir as regiões temperadas e poderia resultar em um potencial aparecimento de regiões mais moles dentro da profundidade de camada tratada. Um resfriamento eficiente é essencial para evitar esse fenômeno indesejável.

Aquecimento Localizado

Muitas aplicações (brasagem, solda, têmpera, revenimento, alívio de tensões, recozimento, montagem por interferência, conformação a morno e a quente e dobramento) requerem um aquecimento por indução apenas em áreas selecionadas da peça. Comparado com aplicações que requerem aquecimento de toda a peça, o aquecimento seletivo envolve várias características importantes de processos que afetam os parâmetros elétricos, a seleção de frequência e o projeto da bobina. Estas características incluem a existência de efeitos finais eletromagnéticos e o fenômeno de dissipação de calor, o que ocorre devido ao efeito do calor dissipado de regiões mais frias adjacentes à zona aquecida.

Simulação Computacional pelo MEF

Uma simulação computacional do aquecimento por indução pelo MEF (Método dos Elementos Finitos) de uma área selecionada de um trilho de aço a partir de temperatura ambiente até temperaturas de conformação a quente é mostrada na Fig. 3. Indutores na forma de borboleta, que são posicionados em ambos os lados do trilho de aço, proporcionam o aquecimento localizado. O fluxo de corrente das espiras centrais é na mesma direção, gerando o efeito de aquecimento principal. As espiras superior e inferior representam o chamado “anel de cancelamento de campo” com um fluxo de corrente no sentido oposto ao da corrente no centro das espiras. O efeito principal de aquecimento é fornecido pelo centro da espira, enquanto o calor gerado pelo “anel de cancelamento” ajuda a compensar o efeito de dissipação térmica nas regiões adjacentes, especialmente durante o transporte do trilho para a operação subsequente no processo de fabricação.

Os empilhamentos de chapas laminadas da forma de “U” posicionados ao redor das espiras centrais têm um impacto duplo sobre o desempenho dos indutores do tipo borboleta. Primeiro, eles servem como concentradores de fluxo magnético para aumentar a intensidade de aquecimento das espiras centrais. Em segundo lugar, eles fornecem uma dissociação eletromagnética das espiras da bobina com correntes fluindo em direções opostas, o que também aumenta a eficiência elétrica.

Algumas exigências do processo especificam não apenas a temperatura mínima exigida para a operação de conformação que irá ocorrer na sequência, mas também as temperaturas máximas das áreas adjacentes (por exemplo, o aquecimento seletivo de trilhos). O modelamento computacional reduz o tempo de desenvolvimento e ajuda a revelar importantes sutilezas do processo de aquecimento por indução localizada.

Em muitos casos, a simulação do processo de aquecimento por indução é efetiva, trazendo vantagem para a simetria rotacional do componente. Este é um caso frequente para o aquecimento por indução de componentes cilíndricos (eixos, Figs. 1 e 2).

Simulação 3D

Em alguns casos, no entanto, a geometria da peça não permite tal simplificação. Um software 3-D eletromagnético e térmico é utilizado nestes casos. A simulação 3-D permite que todas as características geométricas críticas do processo sejam levadas em consideração. É imprescindível lembrar que qualquer análise computacional por MEF só pode produzir resultados que são derivados da definição correta de um modelo teórico, das condições de contorno e de um modelamento correto. No final da simulação, um software moderno em 3D geralmente não fornece qualquer informação sobre a precisão dos resultados obtidos.

A experiência mostra que a escolha adequada do modelamento por elementos finitos é o fator mais importante para a precisão das simulações numéricas. Regiões de alta concentração de corrente e zonas onde o campo eletromagnético possui gradientes mensuráveis devem utilizar um modelamento adequado para se ter um número suficiente de elementos. Como um exemplo, a Fig. 4 mostra a geração de um modelamento 3D em que a têmpera de um componente de geometria complexa (vermelha) é feito por rádio-frequência utilizando um indutor de topo (amarelo) e um concentrador de fluxo magnético (preto). O efeito de borda da bobina de cobre, bem como o efeito pelicular, foram devidamente tratados. A utilização de frequências mais elevadas aumenta a importância da malha adequada.

Conclusão

Anos de experiência alavancados pelos avanços recentes em computadores de alto desempenho melhoraram a relação custoeficácia do estágio de desenvolvimento de equipamentos de aquecimento por indução, encurtando a curva de aprendizagem, reduzindo o tempo de desenvolvimento e permitindo estimativas de viabilidade rápidas e confiáveis de novos processos, tendo um papel cada vez mais crítico na otimização de desempenho de sistemas de indução.

É importante que o analista tenha uma clara compreensão das especificações do processo, bem como experiência prática de tratamento térmico, pois este é um tema complexo. A simulação computacional pode ser utilizada em conjunto com a experiência em computação numérica, instrução apropriada e o conhecimento de engenharia para alcançar a precisão requerida na simulação matemática. Quando as pessoas certas utilizam essas ferramentas, a solicitação do usuário final pode ser eficientemente alcançada com precisão e de forma rentável.

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[1] V. Rudnev, “Computer Modeling Helps Prevent Failures of Heat Treated Components,” Advanced Materials & Processes, October 2011, 6-11p.

[2] V. Rudnev, “Computer Modeling of Induction Heating: Things to be Aware of, Things to Avoid,” Industrial Heating, May 2011, 41-45p.

[3] G. Doyon, D. Brown, V. Rudnev, C. Van Tyne, “Ensuring the Quality of Inductively Heated Billets,” Forge, April 2010, 14-17p.

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