A evolução de idéias e transições para métodos mais inovadores e eficientes de tratamento térmico são temas comuns neste mundo em constante mudança. Explore a integração do tratamento térmico com células de usinagem em linha e os benefícios e eficiências
experimentados.
Introdução
O tratamento térmico na indústria automotiva evoluiu tremendamente nos últimos 20 anos. Desde os dinossáuricos fornos contínuos tipo pusher de ontem até a cementação a baixa pressão (LPC – Low Pressure Carburizing) e a têmpera a gás sob alta pressão de hoje,
atualmente estamos embarcando em novos conceitos, não apenas com processamento em linha, mas também com carregamento automatizado de peças únicas e a granel em pequenos lotes. Agora, o equipamento moderno de tratamento térmico está sendo dimensionado para caber em linhas de fluxo de peça única com pequenos lotes e alinhado com os centros de pré e pós-usinagem. Este artigo examinará a integração do tratamento térmico para células de usinagem em linha e as influências para o cliente em fornecer um sistema de qualidade geral. Esses detalhes serão comparados ao tratamento térmico em lotes ou em lotes contínuos, como é comumente conhecido na indústria automotiva.
Nos últimos 20 anos, a cementação a vácuo de baixa pressão (LPC) foi comprovada como a opção para a cementação de peças de alta produção em uma variedade de mercados em todo o mundo. É o processo de escolha para muita alta fadiga e baixa distorção de peças, portanto, pode ser usado em conjunto com resfriamento em óleo sob vácuo (VOQ – Vacuum Oil Quenching) e, na maioria dos casos, com o resfriamento sob alta pressão a gás (HPGQ – High Pressure Gas Quenching). As vantagens desse processo incluem o fato de que o equipamento é mais fácil de manter, é flexível e independente da intervenção do operador do que a cementação em atmosfera tradicional. Além disso, a redução de efluentes do processo é significativamente reduzida. Um benefício vantajoso desse processo é que o forno é usado mais ao longo das linhas de células de usinagem que comumente foi reservada para o tratamento térmico por indução no passado. Com os benefícios adicionais do LPC, a importância da resistência e da fadiga aumentou além dos recursos anteriores do processo; por isso o processamento em linha de LPC foi considerado com mais frequência.
O rápido desligamento / resfriamento (5-6 horas) de um sistema de vácuo é uma vantagem significativa em comparação com a complicada demora de dias de resfriamento de um sistema com atmosfera. Simplesmente desligar um dia por semana devido à manutenção programada, sem a necessidade de supervisão ou uso de utilitários adicionais necessários para a ociosidade
durante o tempo de inatividade, também é altamente desejável. Outras facetas do equipamento e do processo permitiram que o forno a vácuo fosse mais propício à fabricação de alta produção. Isso inclui a facilidade da receita, a repetibilidade do processo e a
flexibilidade de processamento de carga a carga em um ambiente de fluxo contínuo. Esses benefícios adicionais permitem o uso de “receitas” específicas para peças, permitindo alta produção através do sistema e assegurando requisitos metalúrgicos individuais.
A têmpera a gás de alta pressão (HPGQ) usada como uma célula de têmpera dedicada é frequentemente vinculada ao LPC por vários motivos. Algumas das razões mais importantes são:
• Proporcionar um ambiente mais limpo na planta
• Remover os tanques de têmpera de óleo e a necessidade de óleo no piso da fábrica
• Eliminar a necessidade de fossas no chão ou gerenciar a contenção de óleo
• Obter um ambiente mais seguro e ergonômico através da eliminação de chamas abertas e superfícies quentes
• Para obter um controle de distorção mais preciso de peças dimensionalmente críticas
• Reduzir ou eliminar as necessidades de usinagem pós-tratamento térmico
• Para eliminar o jateamento pós-tratamento térmico (para limpeza)
• Para eliminar a lavagem pós-tratamento térmico (para remoção do óleo de têmpera)
• Para eliminar a remoção de efluentes (lamas) da lavagem pós-tratamento térmico
A ECM Technologies fabrica sistemas LPC e HPGQ há mais de 25 anos e projetou um sistema inovador em linha, chamado NANO. O nome NANO é apropriado em termos de design de equipamento, pois o tamanho da carga é menor que as cargas tradicionais e o equipamento físico é mais compacto do que os fornos mais usados atualmente. O sistema também foi projetado tendo em mente a manutenção e capacidade de expansão. A premissa do projeto é poder processar cargas tão rapidamente quanto 7,5 minutos por carga. O sistema é modular em capacidade de produção, com crescimento de 3 para 6 células de aquecimento, que podem
ser fornecidas. O sistema está pronto para um baixo número de cargas, com necessidades flexíveis para diferentes requisitos de peças ou pode ser maximizado para fornecer rendimento para as necessidades modernas de produção de alta demanda. O NANO consiste
em quatro módulos básicos, o módulo de aquecimento (normalmente 2), o módulo de transferência e o módulo de têmpera a gás de alta pressão. O módulo de têmpera a gás usa um sistema de resfriamento a gás de 20 bar. Com um tamanho de câmara menor e a capacidade de resfriar a 20 bar, os materiais que não podiam ser resfriados com gás agora são aplicáveis à resfriamento de gás. Essa possibilidade de têmpera a gás abrirá essa tecnologia para mais aplicações que eram limitadas no passado por requisitos de dureza de núcleo e superfície.
Usando o NANO como base do equipamento de tratamento térmico, a automação completa o sistema geral de fluxo de peça única para fornecer um verdadeiro tratamento térmico em linha. As peças podem ser apresentadas ao sistema a granel ou em bandejas de peça única. Essas peças podem ser carregadas e virtualmente rastreadas usando sistemas de visão.
O equipamento acomoda um tamanho de carga de trabalho de 600 mm de largura x 500 mm de profundidade x 250 mm de altura (24”x 20” x 10”). As peças da carga de trabalho podem ser processadas em dispositivos metálicos de carga típicos do setor ou, mais preferencialmente, em dispositivos de CFC. O objetivo de projetar o sistema, além de melhor acessibilidade à manutenção e aumento gradual da produção, é baixa distorção e fluxo de produção em linha.
Ao processar cargas com menos peças de trabalho, a uniformidade e a distorção das peças são idênticas de peça para peça, pois os elementos de aquecimento “3D” ou de 3 lados aquecem as peças de maneira uniforme e homogênea. Esses elementos foram projetados para não ceder sobre às peças e fornecer folga adequada para a carregadeira automatizada realizar
transferências precisas dentro do sistema.
Automação e Integração
O sistema NANO foi projetado para carregamento manual ou automatizado. O carregamento manual pode ser tão simples quanto o carregamento manual de dispositivos ou cestas básicas e o carregamento manual através do NANO e processos subsequentes. O carregamento automatizado pode ser de uma plataforma simples de robô que carrega peça a peça de um único fluxo de peças em um pequeno dispositivo de carga até o manuseio de muitas peças em uma carga a granel. O robô pode lidar com todas as funções da instalação, desde o carregamento de peças únicas no equipamento até a colocação das cargas no forno e, em seguida, tratamento criogênico, revenimento e, eventualmente, o retorno a um fluxo de peça única. O sistema também é capaz de verificar a dureza da superfície e registrar os dados a serem mantidos no relatório de carga. Essa integração total pode permitir uma pegada menor
e menos mão de obra na área de tratamento térmico.
Além disso, a automação pode lidar com pequenas peças típicas carregadas a granel. Algumas dessas peças são tradicionalmente processadas usando fornos esteira, mas agora podem ser processadas pelo sistema em linha do forno a vácuo NANO. As cargas a granel são carregadas em bandejas de CFC tipo cesto e podem ser pesadas e processadas conforme necessário para garantir a qualidade de cada carga.
O tratamento térmico em linha não é apenas para produtos cementados, pode ser para endurecimento, brasagem, recozimento e integrado a pós-tratamentos, como operações criogênicas e de revenimento complexas. Isso permite que o NANO se encaixe em vários mercados para muitos tipos diferentes de tratamentos térmicos, não apenas peças de aço, mas também para processos especiais de tratamento térmico.
Os layouts de equipamentos são normalmente desenvolvidos para acomodar aplicações específicas. Eles podem ser tão simples quanto uma estação de carregamento manual para um robô carregando peças de fluxo de peça única em dispositivos de carga menores ou carregando peças a granel em cestas para processamento.
Recursos de Manutenção
Processamento em linha, bem como o processamento em massa, juntamente com a automação para carregar e descarregar a produção de peças únicas, não são os únicos itens essenciais no design do NANO. A manutenção e a operação também estavam no alto da lista de critérios. Recursos de manutenção, como facilidade de acesso, são importantes no equipamento de produção, mas principalmente no tratamento térmico. Com tamanhos e equipamentos de carga menores, o resfriamento é significativamente mais rápido, resultante das zonas de aquecimento menores, resfriadas a água. Uma vez resfriado e liberado à pressão atmosférica, o sistema pode ser aberto através da porta de acesso de manutenção de abertura total para um fácil serviço interno. Isso é raro; porque todos os mecanismos que requerem controle e revisão rápida estão localizados no exterior do sistema e fora da câmara de vácuo.
Isso facilita o acesso a todos os principais componentes e reduz a necessidade de interromper ou parar a produção. Além disso, para o trabalho na zona quente, cada módulo de aquecimento pode ser deslocado para longe do módulo de transferência central para permitir fácil acesso a todas as zonas quentes desse módulo. Isso permite fácil acesso aberto sem o impedimento de espaços confinados.
Avaliação de Distorção
Usando como exemplo uma engrenagem diferencial, monitoramos duas características geralmente solicitadas para esse tipo de engrenagem e tabulamos os resultados. Essa avaliação foi feita usando uma carga diária atual que será ilustrada como um lote grande (FLEX) e os processados no NANO serão um lote pequeno (NANO). As duas características que mais influenciam: (1) Cilindricidade (circularidade) do diâmetro externo e a passagem entre o mesmo diâmetro (2) planicidade da “face posterior” dos dentes da
engrenagem.
A planicidade da face posterior mostra uma maior variação através do lote grande, com uma distância maior do nitrogênio usado na têmpera na faixa de 11,9 µm. Para os resultados de pequenos lotes, o intervalo de distorção do nivelamento da face posterior foi
limitado a apenas 1,2 µm. Esse resultado uniforme é diretamente conectado à têmpera uniforme na carga menor. Isso permite que as peças sejam processadas mais perto das dimensões reais usinadas (near net shape), além de serem manuseadas com base na produção em linha.
A análise de desvio mostra uma uniformidade para o lote pequeno com uma propagação de apenas 3,2 µm na carga. No lote grande, você verá uma faixa mais ampla de uniformidade de distorção usando a têmpera de nitrogênio de 10 bar com uma dispersão de 24 µm. Isso provavelmente ocorre devido às camadas inferiores estarem mais afastadas do fluxo descendente vertical de gás através da carga. Esses resultados são extraordinários para uma carga em tamanho normal.
Conclusões
O processamento em linha agora pode ser um objetivo comum no layout de instalações futuras. Na prática, é um aspecto crescente do mundo do tratamento térmico. Com o novo sistema de forno a vácuo NANO e opções de automação, é possível obter melhor qualidade de peça para peça, além de melhor controle dos parâmetros e resultados metalúrgicos. No geral, a racionalização do tratamento térmico nas células de produção em toda a instalação permite um melhor fluxo de peças e produtos de dimensionamento ideal para a obtenção de requisitos específicos de produtividade.
Referências
[1] Beauchesne, D., “FNA2016 – LPC with OIL & GAS Quenching” (2016)
[2] Esteve, V. & Lelong, V., “LPC – What Does it Mean to Metallurgy” (ASM-Mexico 2016)
[3] Welch, A. & Lelong, V., “How it’s done and Why: Transitioning Parts from Atmosphere Carburizing toLow Pressure Vacuum Carburizing” (HT 2015)
Autor: Dennis Beauchesne é o gerente geral da ECM USA e traz experiência de instalação de mais de 200 células de cementação a vácuo com resfriamento a gás e resfriamento a alta pressão. Ele trabalhou na indústria de equipamentos de transferência térmica por quase 30 anos, 18 dos quais estão na ECM USA. Email: dennisbeauchesne@ecm-usa.com
A ECM é representada no Brasil por Industrial Heating Equipamentos e Componentes Ltda www.industrialheating.com.br
Contato: Ralph ralph@industrialheating.com.br
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