Nova tecnologia de têmpera do comando de válvulas por indução com distorção quase indetectável

O tratamento térmico por indução é um método utilizado para endurecer diversas peças automotivas, entre elas o comando de válvulas, que faz parte do grupo de peças críticas do motor/transmissão. Agora, uma nova tecnologia torna possível essa têmpera por indução do comando de válvulas com distorção quase indetectável[1, 2]

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.

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[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;