El ajuste retráctil por inducción se refiere al uso de tecnología de calentador por inducción para precalentar componentes metálicos entre 150 °C (302 °F) y 300 °C (572 °F), lo que hace que se expandan y permita la inserción o extracción de otro componente. . [1] Normalmente, el rango de temperatura más bajo se usa en metales como el aluminio y las temperaturas más altas se usan 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 encajar piezas unas sobre otras; por ejemplo, se puede montar un casquillo sobre un eje haciendo que su diámetro interior sea ligeramente más pequeño que el diámetro del eje y luego calentándolo hasta que encaje sobre el eje. y dejar que se enfríe después de haber sido empujado sobre el eje, logrando así un "ajuste por contracción". Al colocar un material conductor en un fuerte campo magnético alterno , se puede hacer que la corriente eléctrica fluya 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 dictada por la frecuencia del campo alterno y la permeabilidad del material. [3] Los calentadores de inducción para montaje por contracción se dividen en dos grandes categorías:
A menudo denominada calentador de rodamientos, la unidad de frecuencia de red emplea principios de transformador estándar para su funcionamiento. Un devanado interno está enrollado 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 la inducción, fluye una corriente en la pieza de trabajo y se genera calor. El núcleo normalmente tiene bisagras o abrazaderas de alguna manera para permitir la carga o descarga, que suele ser una operación manual. Para cubrir las variaciones en el diámetro de las piezas, la mayoría de las unidades tendrán núcleos de repuesto disponibles que ayudan a optimizar el rendimiento. Una vez calentada la pieza a la temperatura adecuada, el montaje se puede realizar ya sea a mano o en la correspondiente plantilla o máquina prensa . [4]
Los calentadores de rodamientos suelen oscilar entre 1 kVA y 25 kVA y se utilizan para calentar piezas de 1 a 650 kg (2,2 a 1433,0 lb), según la aplicación. La potencia requerida es función del peso, la temperatura objetivo y el tiempo del ciclo para ayudar en la selección, muchos fabricantes publican gráficos y tablas.
Debido a la necesidad de insertar un núcleo y también a que, para que sea eficaz, el núcleo tiene que estar relativamente cerca del orificio de la pieza a calentar, hay muchas aplicaciones en las que el enfoque del tipo calentador de cojinetes anterior no es factible.
En aquellos casos en los que las complejidades operativas impiden el uso de un enfoque de frecuencia de red eléctrica, se puede utilizar el calentador de inducción estándar de RF o MF. 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 a calentar, lo que simplifica la automatización del proceso. Una ventaja adicional es la capacidad no sólo de ajustar por encogimiento las piezas sino también de retirarlas.
Los calentadores RF y MF utilizados para el ajuste retráctil 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 de 1 kHz a 200 kHz, aunque la mayoría de las aplicaciones utilizan el rango entre 1kHz y 100kHz. [5]
En términos generales, es mejor utilizar la frecuencia práctica más baja y una densidad de potencia baja al realizar un ajuste por contracción, ya que esto generalmente proporcionará 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, suele ser mejor aplicar un choque eléctrico al componente con un calentamiento rápido; esto 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 hora por tonelada, el peso del metal a procesar y el tiempo del ciclo. [6] Una vez que esto se ha establecido, es necesario 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 combinación de experiencia práctica y fórmulas empíricas. Las técnicas modernas utilizan análisis de elementos finitos y otras técnicas de fabricación asistidas por ordenador ; sin embargo, como ocurre con todos estos métodos, todavía se requiere un conocimiento práctico exhaustivo 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 abordar 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 desmontaje por contracción por inducción utilizando calentadores de RF y MF de estado sólido. En la práctica, la metodología empleada puede variar desde un simple enfoque manual en el que un operador ensambla o desmonta las piezas hasta disposiciones de prensas neumáticas e hidráulicas completamente automáticas . [7]
Ventajas:
La principal desventaja de este proceso es que, en general, se limita a componentes que tienen forma cilíndrica. [4]