Calentamiento por inducción para la refabricación

La tecnología de calentamiento por inducción se ha comercializado durante más de 100 años, pero todavía se considera una "nueva tecnología" para quienes no están familiarizados con su aplicación. A pesar de ser una tecnología térmica probada y madura, todavía existe una cierta cantidad de "misterio o arte" en la aplicación de esta ciencia aplicada.

La inducción se utiliza con mayor frecuencia para aplicaciones de fusión, forjado y tratamiento térmico de precisión. Además, el calentamiento por inducción se usa ampliamente para diversas técnicas de unión de metales, como soldadura fuerte, soldadura blanda, ajuste por contracción y unión adhesiva. La mayoría de los sistemas de calentamiento por inducción se venden a fabricantes OEM de motores todoterreno y de automóviles con el fin de fabricar y prolongar la vida útil de nuevos componentes de motores y transmisiones.

En la última década, el calentamiento por inducción ha sido consistentemente una tecnología beneficiosa para las operaciones de remanufactura de transmisión y continúa ganando popularidad dentro de esta industria a escala mundial. Las ventas y la demanda continúan aumentando la necesidad de usar sistemas de calentamiento por inducción para llevar a cabo una variedad de aplicaciones de remanufactura de transmisión. Estos componentes consisten, entre otros, en: culatas, bielas, transmisiones, diferenciales, engranajes, cojinetes, poleas, coronas dentadas, volantes y más.

La información proporcionada en este documento pretende ilustrar una mejor comprensión de la tecnología de calentamiento por inducción, las ventajas que crea a través de sus infinitas capacidades y versatilidad, junto con su historial comprobado de producir un alto retorno de la inversión. Algunos de estos beneficios incluyen una mayor retención de núcleos, reducción de desechos, mayor producción, menor contenido de mano de obra, menor consumo de energía, disminución de consumibles, mayor seguridad para los empleados y ergonomía.

La teoría de las corrientes eléctricas inducidas a través de la inducción electromagnética fue probada por Michael Faraday en 1831. La tecnología fue comercializada por primera vez para aplicaciones de calefacción industrial por el Dr. Edwin Finch Northrup en 1918.

El calentamiento por inducción es un proceso térmico en el que un material eléctricamente conductor se coloca dentro de un campo magnético variable y se calienta mediante histéresis (solo materiales magnéticos) y/o corriente eléctrica inducida (todos los materiales conductores). El campo magnético cambiante es generado por una corriente alterna (CA) de alta frecuencia que pasa a través de un devanado eléctrico (bobina/inductor). El calentamiento por inducción es un método de calentamiento sin contacto que es extremadamente rápido y eficiente en comparación con otras tecnologías de calentamiento para la refabricación. La eficiencia de conversión de energía puede llegar al 90%. Los tiempos de calentamiento se miden en segundos sin combustión o contacto físico con la pieza que se está calentando.

Es importante que un usuario interesado consulte a un proveedor calificado de calentamiento por inducción para obtener asistencia en la especificación de un sistema de calentamiento por inducción. Hay muchas variables al elegir un sistema de calentamiento por inducción, como la potencia (kW), la frecuencia de operación (kHz), el diseño del inductor de calentamiento y el método de control del proceso.

Los múltiples parámetros del sistema de calentamiento por inducción están influenciados por las numerosas variables del proceso de fabricación, como la aleación de los componentes, las dimensiones de los componentes, el tiempo de calentamiento permitido, la temperatura objetivo, la temperatura máxima y las restricciones de manejo de materiales. Se recomienda que un ingeniero de procesos revise una aplicación potencial para el calentamiento por inducción a fin de garantizar un proceso exitoso, confiable y repetible.

Un inductor de calentamiento (bobina) es un devanado eléctrico por el que pasa una corriente alterna que genera un campo electromagnético con un patrón específico para calentar un objeto eléctricamente conductor.

Muchos imaginan un inductor de calentamiento como un simple devanado helicoidal hecho de tubería de cobre que rodearía la parte a calentar. Aunque este sería uno

forma de un inductor, hay muchos más a considerar. Los inductores de calefacción se pueden fabricar con tubos de cobre huecos, varillas sólidas, cables flexibles, palanquilla mecanizada e incluso impresos en 3D con aleaciones de cobre en polvo. El diseño del inductor está determinado por los requisitos del proceso, el presupuesto y la capacidad del usuario para construir inductores. El cobre es el material elegido para fabricar inductores debido a su alta conductividad (bajas pérdidas de potencia), alta conductividad térmica (se enfría fácilmente con agua) y costo relativamente bajo. La mayoría de los inductores se enfrían con agua debido al calor reflejado de la pieza y la corriente extremadamente alta que fluye dentro del inductor (los miles de amperios son típicos).

El inductor es el componente más importante de un sistema de calentamiento por inducción. Los inductores se pueden diseñar en muchas configuraciones diferentes, como solenoide, horquilla, panqueque, transversal, ID, canal, concha y perfil mecanizado/impreso en 3D. Solo el inductor del solenoide rodea la pieza (Figura 1). Es un error común pensar que el inductor debe rodear completamente la pieza. El hecho es que un inductor puede calentar desde el exterior, el interior, un lado, dos lados o incluso 3 lados. Los inductores generalmente se perfilan según la forma de la pieza y/o el área de la pieza a calentar. El estilo del inductor influye en la eficiencia. Por ejemplo, un inductor de calentamiento interno requiere aproximadamente dos veces más energía que un inductor de solenoide.

El espacio entre la parte calentada y el inductor, conocido como espacio de acoplamiento, también influye en la eficiencia. A medida que aumenta el espacio de acoplamiento, la eficiencia disminuye. Es importante que se consulte a un experto en diseño de inductores durante la fase de desarrollo del proceso de su aplicación para tener la mayor probabilidad de éxito en el proceso.

Un inductor ineficiente usará energía excesiva, tendrá poca repetibilidad, requerirá un trabajo posterior de las piezas o puede que no funcione en absoluto. El proceso de calentamiento por inducción es tan bueno como el inductor que se utiliza para el proceso.

Los atributos clave de diseño de un inductor de calidad son los siguientes:

Por ejemplo, un inductor de calentamiento del asiento de una válvula de inducción está diseñado y construido con tolerancias muy estrictas de la máquina herramienta para proporcionar una alineación precisa y señalar las zonas de calentamiento. Por lo tanto, limitando el calor solo al área del asiento de la válvula (Figura 2a), evitando daños por calor en el orificio principal del bolsillo del asiento de la válvula. Como ocurre con la mayoría de los inductores, estos están refrigerados por agua y equipados con características específicas de alineación y espaciado para eliminar las conjeturas del proceso y simplificar el procedimiento para los operadores.

Este estilo de inductor (Figura 2b) está equipado con una función de cambio rápido que admite diferentes geometrías de inductor y se puede cambiar en segundos según la marca y el modelo del cabezal que se está procesando. La durabilidad de este diseño, junto con los materiales resistentes al calor, permiten calentar miles de asientos con un solo inductor de calefacción de asiento de válvula de inducción.

Los controles de hoy en día se pueden integrar en todo el proceso de calentamiento por inducción para controlar de manera precisa y consistente el proceso de calentamiento. Los sistemas de calentamiento por inducción modernos emplean numerosos microprocesadores y pueden proporcionar datos sobre las características de rendimiento de un proceso.

El calentamiento por inducción no solo es muy controlable y repetible, sino que también es muy predecible.

Mediante el uso de software de análisis elemental finito (FEA) y paquetes de software de simulación patentados, los OEM de inducción pueden predecir con precisión los patrones de calor, los aumentos de temperatura, la distribución de temperatura, la tensión, la deformación e incluso los cambios metalúrgicos en las piezas antes de que una sola pieza se caliente físicamente (Figura 3).

Es fácil ver que el calentamiento por inducción ofrece muchos atributos superiores a otros métodos de calentamiento, como precisión, velocidad, control y eficiencia energética. Sin embargo, la inducción es solo una parte del proceso de calentamiento. A pesar del control de calor superior que ofrece la inducción electromagnética, solo será tan preciso y repetible como la capacidad de controlar las otras variables de cada proceso, como la tolerancia de la pieza, la ubicación de la pieza, la limpieza de la pieza, el material de la pieza, la consistencia del proceso y varios otros factores. .

Los OEM de calentamiento por inducción como Ajax TOCCO Magnethermic Corporation brindan a los clientes pruebas de laboratorio en sus piezas de producción reales. Los clientes pueden enviar piezas para todo tipo de aplicaciones de calentamiento por inducción y experimentar de primera mano los resultados comprobados del proceso de calentamiento por inducción.

Algunas de las distintas ventajas de usar nuestro equipo de calentamiento por inducción son: Repetibilidad, Confiabilidad, Calidad, Seguridad y Velocidad.

Además, los usuarios de remanufacturados han obtenido un ROI favorable y la mayoría ha podido justificar los costos debido a ahorros en mano de obra, seguridad, eficiencia e incluso reducciones en los costos de seguros médicos.

¿Por qué elegir el calentamiento por inducción para sus aplicaciones REMAN?

El calentamiento por inducción no quema combustibles fósiles tradicionales. Es un proceso limpio y no contaminante, sin embargo, parece que el hecho de que la inducción sea ecológica ha sido el pequeño secreto más grande de los últimos 100 años. La inducción siempre ha sido una "tecnología verde".

Los sistemas de calentamiento por inducción son ecológicos y mejoran las condiciones de trabajo de los empleados al eliminar el humo, el calor residual, las emisiones nocivas y los ruidos fuertes.

Este proceso excepcionalmente eficiente desde el punto de vista energético convierte hasta el 90 % de la energía expandida en calor útil, en comparación con los hornos discontinuos que, por lo general, solo tienen un 45 % de eficiencia energética. Dado que la inducción no requiere un ciclo de calentamiento o enfriamiento, las pérdidas de calor en modo de espera se reducen al mínimo. La repetibilidad y consistencia del proceso de inducción lo hacen altamente compatible con los sistemas automatizados energéticamente eficientes.

Una de las industrias más destacadas que ejemplifica lo verde es la Industria de Remanufactura. Parafraseando al RIC (Remanufacturing Industries Council), Reman toma un producto o componente vendido anteriormente, desgastado o que no funciona y lo devuelve a una condición "como nueva" o "mejor que nueva" y garantiza su nivel de rendimiento y calidad.

Muy similar a la comunidad de calentamiento por inducción, la industria de la remanufactura también comparte un grupo muy unido de organizaciones y asociaciones en todo el mundo.

También se asemejan a la tecnología de inducción, algunos de los principales beneficios de la refabricación, que incluyen la conservación de materiales, la reducción del consumo de energía durante la fabricación, la mitigación de los residuos y la obtención de un ROI más alto al tener un punto de precio más bajo para artículos de calidad equivalente.

La tecnología de calentamiento por inducción ya ha demostrado ser exitosa para muchas aplicaciones en la industria de la remanufactura. Una muestra de estas innovadoras aplicaciones de calefacción incluyen:

Calentamiento por inducción para extracción/desmontaje

Aplicaciones de ajuste por contracción

Una de las aplicaciones remanufacturadas más populares es el calentamiento por inducción para la extracción de asientos de válvulas. Ajax TOCCO Magnethermic ofrece soluciones de ingeniería para esta aplicación que se conoce internamente como Extracción del asiento de la válvula de inducción (IVSR). Los sistemas IVSR de ingeniería proporcionados por Ajax TOCCO Magnethermic han revolucionado la industria de remanufactura de motores de servicio pesado, específicamente la tarea de quitar asientos de válvulas presionados de las culatas de cilindros de motores. El proceso de Ajax TOCCO consiste en calentar rápidamente los asientos de válvula prensados ​​en cuestión de segundos. Una vez que los asientos se enfrían, se encogen y se pueden quitar fácilmente con algunas herramientas manuales simplemente modificadas (Figura 4). En algunos casos, los asientos se podían quitar usando solo una mano enguantada.

Se han proporcionado docenas de sistemas IVSR a los principales fabricantes de equipos originales junto con las principales empresas de reacondicionamiento de motores de todo el mundo.

Asientos de todos los tamaños (Figuras 5-7) en culatas de cilindros ferrosos y no ferrosos se han calentado, encogido y extraído con éxito mediante el proceso IVSR. Los sistemas IVSR son relativamente compactos, transportables (Figura 8) y adaptables, lo que permite que el proceso sea transportado convenientemente al punto de necesidad.

El calentamiento por inducción es un proceso muy controlable, repetible y escalable. Se pueden lograr aumentos de temperatura de unos pocos grados a varios miles de grados en cuestión de segundos o durante un período de tiempo específico, según los requisitos del proceso.

Las temperaturas que no se alcanzan fácilmente con sopletes, resistencias y/u hornos se pueden obtener con la tecnología de calentamiento por inducción. A diferencia de los métodos de calentamiento radiante o de combustión, el calentamiento por inducción no se ve afectado por cambios ambientales como el punto de rocío, las corrientes de aire, la temperatura ambiente o la presión.

La inducción puede ser muy selectiva, calentando solo una pequeña porción (unos pocos milímetros) de una pieza o puede calentar conjuntos completos en flujo de piezas de una sola pieza o producción de tipo transportador continuo.

La inducción es extremadamente adaptable para calentar una amplia variedad de geometrías de piezas.

La eficiencia energética de la inducción se puede alcanzar hasta en un 90%. El calor se enciende y apaga instantáneamente, por lo tanto, no se desperdicia energía durante el modo de espera o los retrasos en la producción.

Los beneficios de usar la tecnología de calentamiento por inducción en la industria de la remanufactura son ilimitados. Se alienta a las partes interesadas a buscar continuamente nuevas aplicaciones potenciales. Reemplace la "llave azul" (antorcha) con un sistema de calentamiento por inducción para mejorar sus resultados.

Los sistemas de calentamiento por inducción son móviles y adaptables para varios tipos de aplicaciones simplemente cambiando las herramientas en muy poco tiempo. El calentamiento por inducción ciertamente debe ser una consideración principal como fuente de calor deseada para sus operaciones de calentamiento Reman actuales o futuras.

Contacto:John Lormin, ingeniero de ventas de campo, productos de baja potencia, Ajax TOCCO Magnethermic: 248-691-2299 o [email protected]