El ajuste por contracción por inducción se refiere al uso de la tecnología de calentadores de inducción para precalentar los componentes metálicos entre 150 °C (302 °F) y 300 °C (572 °F), lo que hace que se expandan y permitan la inserción o extracción de otro componente. [1] Normalmente, el rango de temperatura más bajo se utiliza en metales como el aluminio y las temperaturas más altas se utilizan en metales como los aceros de bajo/medio carbono . El proceso evita el cambio de propiedades mecánicas al tiempo que permite trabajar los componentes. Los metales normalmente se expanden en respuesta al calentamiento y se contraen al enfriarse; esta respuesta dimensional al cambio de temperatura se expresa como un coeficiente de expansión térmica . [2]
El calentamiento por inducción es un proceso de calentamiento sin contacto que utiliza el principio de inducción electromagnética para producir calor en una pieza de trabajo. En este caso, la expansión térmica se utiliza en una aplicación mecánica para ajustar piezas unas sobre otras, por ejemplo, se puede colocar un casquillo sobre un eje haciendo que su diámetro interior sea ligeramente menor que el diámetro del eje, calentándolo después hasta que encaje sobre el eje y dejándolo enfriar después de haberlo empujado sobre el eje, logrando así un "ajuste por contracción". Al colocar un material conductor en un campo magnético alterno fuerte , se puede hacer que fluya corriente eléctrica en el metal, creando así calor debido a las pérdidas de I 2 R en el material. La corriente generada fluye predominantemente en la capa superficial. La profundidad de esta capa está determinada por la frecuencia del campo alterno y la permeabilidad del material. [3] Los calentadores de inducción para ajuste por contracción se dividen en dos grandes categorías:
La unidad de frecuencia de red, a la que a menudo se denomina calentador de cojinetes, emplea principios de transformador estándar para su funcionamiento. Un devanado interno se enrolla alrededor de un núcleo laminado similar a un transformador de red estándar. Luego, el núcleo pasa a través de la pieza de trabajo y cuando se activa la bobina primaria, se crea un flujo magnético alrededor del núcleo. La pieza de trabajo actúa como un secundario de cortocircuito del transformador creado y, debido a las leyes de inducción, fluye una corriente en la pieza de trabajo y se genera calor. El núcleo normalmente está articulado o sujeto de alguna manera para permitir la carga o descarga, que suele ser una operación manual. Para cubrir las variaciones en el diámetro de la pieza, la mayoría de las unidades tendrán núcleos de repuesto disponibles que ayudan a optimizar el rendimiento. Una vez que la pieza se calienta a la temperatura correcta, el ensamblaje puede realizarse a mano o en la plantilla o prensa mecánica correspondiente . [4]
Los calentadores de cojinetes suelen tener una potencia que va de 1 kVA a 25 kVA y se utilizan para calentar piezas de entre 1 y 650 kg (2,2 y 1433,0 lb), según la aplicación. La potencia necesaria depende del peso, la temperatura objetivo y el tiempo de ciclo; para facilitar la selección, muchos fabricantes publican gráficos y diagramas.
Debido a la necesidad de insertar un núcleo y también a que, para ser efectivo, el núcleo debe estar relativamente cerca del orificio de la pieza a calentar, existen muchas aplicaciones en las que el enfoque del tipo de calentador de cojinetes mencionado anteriormente no es factible.
En aquellos casos en los que las complejidades operativas impiden el uso de un enfoque de frecuencia de red con núcleo, se puede utilizar el calentador de inducción RF o MF estándar. Este tipo de unidad utiliza vueltas de tubo de cobre enrolladas en una bobina electromagnética . [5] No se requieren núcleos, la bobina simplemente debe rodear o insertarse en la pieza que se va a calentar, lo que hace que la automatización del proceso sea sencilla. Otra ventaja es la capacidad no solo de ajustar las piezas por contracción, sino también de quitarlas.
Los calentadores de RF y MF utilizados para el ajuste por contracción por inducción varían en potencia desde unos pocos kilovatios hasta muchos megavatios y, dependiendo de la geometría/diámetro/sección transversal del componente, pueden variar en frecuencia desde 1 kHz a 200 kHz, aunque la mayoría de las aplicaciones utilizan el rango entre 1 kHz y 100 kHz. [5]
En términos generales, es mejor utilizar la frecuencia práctica más baja y una densidad de potencia baja al realizar el ajuste por contracción, ya que esto generalmente proporcionará un calor distribuido de manera más uniforme. La excepción a esta regla es cuando se utiliza calor para retirar piezas de los ejes. En estos casos, a menudo es mejor aplicar un calor rápido al componente, lo que también tiene la ventaja de acortar el ciclo de tiempo y evitar la acumulación de calor en el eje, lo que puede provocar problemas con la expansión de ambas piezas.
Para seleccionar la potencia correcta, es necesario calcular primero la energía térmica necesaria para elevar el material a la temperatura requerida en el tiempo asignado. Esto se puede hacer utilizando el contenido de calor del material, que normalmente se expresa en kW horas por tonelada, el peso del metal que se procesará y el ciclo de tiempo. [6] Una vez que se ha establecido esto, se deben tener en cuenta otros factores como las pérdidas radiadas del componente, las pérdidas de la bobina y otras pérdidas del sistema. Tradicionalmente, este proceso implicaba cálculos largos y complejos junto con una mezcla de experiencia práctica y fórmula empírica. Las técnicas modernas utilizan análisis de elementos finitos y otras técnicas de fabricación asistidas por computadora , sin embargo, como con todos estos métodos, aún se requiere un conocimiento práctico completo del proceso de calentamiento por inducción. Al decidir el enfoque correcto, a menudo es necesario considerar el tamaño general y la conductividad térmica de la pieza de trabajo y sus características de expansión para garantizar que se permita suficiente tiempo de remojo para crear un calor uniforme en todo el componente.
Como el ajuste por contracción requiere un calentamiento uniforme del componente que se va a expandir, es mejor intentar utilizar la frecuencia práctica más baja al realizar el calentamiento para el ajuste por contracción. Nuevamente, la excepción a esta regla puede ser al retirar piezas de los ejes.
Existe una gran cantidad de industrias y aplicaciones que se benefician del ajuste o la extracción por contracción por inducción mediante calentadores de RF y MF de estado sólido. En la práctica, la metodología empleada puede variar desde un enfoque manual simple donde un operador ensambla o desmonta las piezas hasta configuraciones de prensas neumáticas e hidráulicas completamente automáticas. [7]
Ventajas:
La principal desventaja de este proceso es que, en general, está limitado a componentes que tienen forma cilíndrica. [4]