El enfriamiento a presión es un tipo de proceso de enfriamiento especialmente utilizado para reducir la deformación de una pieza de trabajo de forma compleja durante el tratamiento térmico. La deformación en las operaciones de tratamiento térmico industrial es causada por una serie de factores independientes. Algunos de estos factores incluyen la calidad de los materiales utilizados para fabricar la pieza de trabajo y su historial de procesamiento previo; Distribución de tensiones residuales e historial de tratamientos térmicos previos; El estrés térmico de no equilibrio y el estrés de transición de fase causado por el propio enfriamiento. Como resultado de estos factores, las piezas de trabajo de alta precisión (como los anillos de cojinetes industriales y los engranajes cónicos helicoidales de automóviles) a menudo presentan una deformación impredecible durante el enfriamiento en aceite libre o sin restricciones.
El enfriamiento a presión se realiza de manera cuidadosamente controlada, utilizando herramientas especializadas para crear una fuerza concentrada que restringe el movimiento de la pieza de trabajo y ayuda a minimizar la deformación de la pieza de trabajo. Si se maneja adecuadamente, este método de enfriamiento generalmente puede lograr los requisitos dimensionales relativamente estrictos especificados en las especificaciones de fabricación industrial. Se usa comúnmente en una variedad de piezas de trabajo complejas hechas de aleaciones ferrosas y no ferrosas. Las aleaciones de acero comunes que usan enfriamiento a presión generalmente incluyen acero templado con alta penetración de carbono (como AISI52100 y acero para herramientas A2) y aceros con bajo contenido de carbono (como AISI, 8620 y 9310).
El acero al carbono carburizado en particular se beneficia del proceso de endurecimiento a presión debido a sus propiedades de mecanizado y su popularidad en la industria automotriz, así como en transmisiones por engranajes para productos industriales y de consumo. Idealmente, durante el templado, la temperatura de transición de la pieza de trabajo es uniforme en toda la sección transversal, de modo que la transición pueda ocurrir uniformemente. Sin embargo, en la pieza de trabajo cementada, la temperatura de transición de martensita no es constante en toda la sección transversal. En el proceso de cementación, el carbono difundido a la superficie de las piezas produce un gradiente de composición, lo que da como resultado una distribución de gradiente de la temperatura de transición cerca de la superficie. Durante el templado, este gradiente promoverá o empeorará el problema de deformación de tal pieza de trabajo. Este tipo de deformación también es causado por la falta de uniformidad de la microestructura del material de la matriz (p. ej., material severamente segregado). problemas de deformación que piezas gruesas y pesadas con geometría compacta. Aunque el enfriamiento rápido por presión no elimina estos efectos, su uso ayuda a minimizar tales problemas de deformación.
La gravedad de la deformación durante el proceso de tratamiento térmico depende en gran medida de la naturaleza del proceso de tratamiento térmico utilizado en la pieza de trabajo. Para minimizar la deformación durante el templado, la disipación de calor de las piezas debe ser lo más uniforme posible. En el caso de cambios bruscos de geometría, esto es difícil de lograr. Por ejemplo, en la misma parte, la sección delgada es adyacente a la sección gruesa. Un buen ejemplo es un diente en un engranaje grande o pequeño. En comparación con los engranajes y piñones grandes, la relación entre el área superficial y el volumen de los dientes es mayor y tienen tendencia a deformarse a través del "desarrollo" durante el enfriamiento. Aunque tales piezas pueden producir una deformación inesperada durante el enfriamiento rápido o el enfriamiento rápido sin restricciones, este movimiento característico de los dientes del engranaje es altamente repetible en las operaciones de enfriamiento rápido a presión y se puede tener en cuenta en el diseño de engranajes para minimizar la cantidad de rectificado después del enfriamiento rápido. A medida que la pieza de trabajo se sumerge en el medio de enfriamiento, los dientes del engranaje se enfriarán y se contraerán más rápidamente que las partes adyacentes más gruesas. Como resultado de esta diferencia en las velocidades de enfriamiento, las partes más delgadas y livianas de la pieza de trabajo tienden a endurecerse y contraerse rápidamente mientras que el resto de la pieza de trabajo permanece inflado. Debido a que las partes más gruesas se enfrían y se contraen a un ritmo relativamente lento, donde se unen las partes más gruesas, se obstaculiza su movimiento relativo. El resultado es una sección delgada sobre una sección gruesa
Se desarrolla más rápidamente, lo que da lugar a gradientes de temperatura y tensiones tisulares desiguales. Durante el enfriamiento rápido a presión, este problema se resuelve dirigiendo selectivamente el refrigerante de enfriamiento rápido hacia la parte más gruesa y alejándolo de la parte más delgada para promover un enfriamiento rápido más uniforme. Esto se ha logrado principalmente mediante el uso de herramientas especializadas. Adoptando esta importante medida, se puede minimizar la deformación provocada por la transformación.
1 .Equipo
A principios de la década de 1930, las máquinas de enfriamiento comenzaron a usarse ampliamente en la producción industrial de los Estados Unidos, principalmente para el procesamiento de coronas dentadas en automóviles (incluidos automóviles y camiones) (Figura 1).
▲ figura. 1 máquina herramienta de enfriamiento automático de 64 cm (25 pulg.)
Nota: Fabricado a principios de la década de 1930 en la planta de Gleason en Rochester, Nueva York. El operador está apagando un acabado.
El engranaje cónico en espiral grande en funcionamiento se retira del conjunto del troquel inferior.
Estas máquinas pueden ser impulsadas por sistemas hidráulicos o neumáticos (dependiendo del diseño) y pueden usar una variedad de medios de enfriamiento y enfriamiento, más comúnmente aceite. Si bien el diseño geométrico y las características opcionales de estas máquinas han cambiado significativamente a lo largo de las décadas desde su invención inicial, sus funciones básicas siguen siendo las mismas. En la Figura 2 se muestra una forma representativa de una máquina herramienta de enfriamiento rápido moderna.
▲ figura 2 Máquina de enfriamiento Gleason529 en forma moderna
El diseño general consta de una serie de componentes básicos, que incluyen una sección de máquina herramienta vertical, un panel de control, una mesa de matriz inferior, herramientas y una base. Los dispositivos de enfriamiento se usan para mantener la temperatura del medio de enfriamiento de enfriamiento rápido dentro de un rango estrecho específico, que puede ser parte de un sistema mecánico separado o puede usarse en un recipiente central capaz de conectar varias máquinas de enfriamiento rápido simultáneamente. La parte vertical de la máquina incluye la varilla superior del troquel superior, la caja de válvulas de derivación del sistema hidráulico, la tubería hidráulica, la válvula solenoide y la válvula, la caja de control del panel eléctrico. El panel de control muestra los diversos parámetros de rendimiento que pueden necesitar ajustarse durante el ciclo de extinción, como se muestra en la Figura 3.
▲ figura. El panel de control 3 muestra el ciclo de enfriamiento típico
Los diversos parámetros que deben ajustarse durante el proceso de bucle.
La base se puede usar como tanque de almacenamiento de aceite para un medio de enfriamiento de enfriamiento rápido y también puede soportar el ensamblaje del troquel inferior. Su diagrama esquemático se muestra en la FIG. 4.
▲ figura. 4 El flujo de aceite de la piscina de aceite a la unidad de refrigeración y luego de vuelta a la máquina de enfriamiento
El cuerpo vertical se monta desde la parte delantera de la base de la máquina y permite el acceso total a la pieza de trabajo en el troquel inferior, incluida la colocación de la pieza de trabajo en la herramienta que se va a templar y la extracción de la pieza de trabajo cuando la máquina está en el estado de "buscar" después del templado. .
Durante la operación, la pieza de trabajo templada se retira manual o automáticamente de un horno separado (generalmente un horno de caja, un horno rotatorio continuo o un horno de varilla de empuje) y se coloca en el utillaje del conjunto de troquel inferior. La imagen completa del ensamblaje del troquel inferior se muestra en la Figura 5.
▲ figura. 5 El conjunto de troquel inferior de la máquina de enfriamiento bajo la condición de "sacar"
Nota: Cono expansor central presurizado por resorte y anillo ranurado independiente
Cabe señalar que la eficiencia del equipo de transporte desde el horno de calentamiento hasta la máquina de enfriamiento suele ser un parámetro clave en el enfriamiento a presión. El tiempo de transferencia debe mantenerse al mínimo para minimizar la pérdida de calor. Si este paso lleva demasiado tiempo, el resultado del enfriamiento lento puede dar lugar a problemas relacionados con la dureza y productos de transición no deseados. Una vez que la pieza de trabajo se coloca con éxito en el ensamblaje del troquel inferior, la máquina comienza a funcionar y la pieza se retrae a la posición central debajo del ensamblaje del eyector hidráulico superior. La protección exterior de la máquina herramienta disminuye a medida que desciende el conjunto, y los aleros centrales impulsan uno (o más) expansores internos para hacer contacto con el diámetro interior de la pieza de trabajo en puntos de presión específicos para mantener la redondez en estas posiciones (figura 6).
▲ figura. 6 Proceso de enfriamiento a presión
A) Se coloca un engranaje caliente en el conjunto del troquel inferior para apagar la presión.
B) La varilla eyectora central y el troquel interior y exterior superior para caer y hacer contacto con las piezas.
C) Inicie el ciclo de sincronización y el flujo de aceite comienza a ingresar a la cámara de enfriamiento y alrededor de las piezas.
Cada componente del conjunto de varillas (expansor central, troquel interior y exterior) está controlado por tres válvulas proporcionales separadas, todas monitoreadas y controladas por sensores de presión. El expansor suele mantener el nivel de presión preestablecido durante todo el ciclo de enfriamiento y, en algunas máquinas herramienta con funciones de programación, este nivel de presión puede cambiar durante el transcurso del ciclo de enfriamiento. En el proceso de templado, el troquel interior y exterior se pueden bajar para que entren en contacto con la superficie superior de la pieza de trabajo templada para controlar la posición, el abocinamiento y la planeidad de la pieza. El flujo de aceite de enfriamiento puede preestablecerse y editarse previamente y luego activarse cuando se enfría la pieza de trabajo.
La Figura 7 muestra un ejemplo de ciclo de aceite de extinción establecido en una cámara de extinción.
▲ figura. 7 Expansor central y proceso de enfriamiento
Diagrama esquemático del contacto entre el troquel interior y exterior y las piezas
1- Dispositivo de protección mecánica montado en el conjunto del troquel superior
2- Matriz superior exterior 3- Matriz superior interior 4- Piezas templadas
5- Conjunto de troquel inferior 6- Cono expansor central
Línea de flecha: trayectoria del flujo de aceite en el enfriamiento
El aceite de enfriamiento se bombea a la cámara de enfriamiento a través de una abertura alrededor del diámetro exterior del troquel inferior. A medida que se llenan las cámaras alrededor de la pieza de trabajo, el aceite de enfriamiento sale por la parte superior. Si el herramental está diseñado correctamente, se puede obtener el mejor efecto general ajustando la dirección de la pieza de trabajo de enfriamiento rápido del derrame de aceite. La apertura extendida en la salida se puede ajustar para restringir el flujo de aceite de templado, o se puede abrir completamente para obtener el máximo flujo, según los requisitos de la pieza. El troquel inferior está compuesto por varios anillos concéntricos ranurados diferentes.
El caudal máximo se puede obtener por rotación, o la dirección del flujo se puede restringir al aceite de temple en la parte inferior de la pieza. Durante el enfriamiento, el ajuste preciso de estas características ayuda a minimizar la distorsión debida a la disipación de calor desigual. En el ciclo de enfriamiento, también es posible cambiar el caudal y la duración del aceite de enfriamiento mediante segmentos de tiempo, a fin de establecer un proceso de enfriamiento bien definido para piezas específicas.
La mesa de matriz inferior generalmente se monta en la sección transversal de la varilla y se acciona mediante pistones hidráulicos o neumáticos. Hay una CAM en el conjunto del troquel inferior para ajustar el anillo independiente. Al accionar la CAM, estos anillos individuales se cóncavarán o estrecharán para adaptarse mejor a la geometría de la pieza requerida (consulte la Figura 8). Para establecer un contacto adecuado con la pieza de trabajo templada, se requiere una junta debajo de cada anillo. Otra ventaja de esta estructura es que la junta se puede cortar e instalar de una manera relativamente rápida y sencilla. El soporte adecuado de las piezas es un aspecto clave del templado a presión, en el que el diseño del troquel juega un papel fundamental.
▲ figura. 8:
a) Diagrama esquemático del mecanismo utilizado para controlar el plato.
Este mecanismo permite elevar el anillo interior del troquel inferior
O bajar (apretar) para compensar el error de plato
b) Montaje de matriz real
Muestra cómo controlar el aumento de este mecanismo.
O mesa giratoria independiente inferior con anillo ranurado
El proceso de temple en aceite consta de tres etapas básicas:
1) En la etapa inicial de película de vapor, el aceite se vaporiza tan pronto como toca la pieza, formando una barrera de vapor alrededor de la pieza que ACTÚA como una capa aislante efectiva.
2) En la etapa de transmisión de vapor, el aceite de enfriamiento pasa a través de la capa de vapor y la velocidad de transferencia de calor es más rápida.
3) En la etapa convectiva, la disipación de calor se logra principalmente a través de la transferencia de calor por convección.
Para garantizar una disipación de calor uniforme durante la etapa inicial de enfriamiento, el caudal del medio de enfriamiento debe ser suficiente para evitar la formación de una película de vapor. Si se forman burbujas en el área que rodea la superficie de la pieza de trabajo, la falta de homogeneidad de la disipación de calor dará como resultado cambios de dureza y deformaciones inaceptables. Cuando se elimina con éxito la etapa de extinción inicial, se puede reducir la velocidad de flujo del medio de enfriamiento de extinción. La distribución final de la velocidad del flujo del medio de enfriamiento rápido especificado para la pieza debe seleccionarse cuidadosamente para cumplir con los requisitos de dureza y geometría. Una velocidad de enfriamiento demasiado lenta dará lugar a un retraso en el enfriamiento, cambio de dureza y productos de transición no deseados. Si la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida, las piezas se deformarán y/o agrietarán. Por lo general, es necesario realizar pruebas repetidas para determinar la velocidad de flujo adecuada del medio de enfriamiento rápido y para seleccionar la ruta de flujo del medio de enfriamiento rápido alrededor de las piezas. El éxito del enfriamiento generalmente depende de la experiencia, el conocimiento y la habilidad del operador de la máquina.
La temperatura promedio del aceite de enfriamiento a presión es principalmente de 25~75 ℃ (75-165 °F), según la naturaleza de la operación de enfriamiento, el tipo de medio de enfriamiento de enfriamiento utilizado, los materiales de las piezas, los requisitos de rendimiento después del tratamiento térmico, etc. Una medida para evitar dañar el anillo de sellado de la máquina que contiene el medio de enfriamiento rápido es evitar, en general, que la temperatura promedio del medio de enfriamiento rápido sea demasiado alta.
60 ℃ (140 °F). El mantenimiento de rutina adecuado de los baños de aceite de templado es importante, pero esto a menudo se pasa por alto durante el templado a presión, lo que da como resultado cambios impredecibles en el endurecimiento de los materiales tratados en dichos sistemas. Con el uso continuo de un medio de enfriamiento de extinción, el aditivo de aceite se descompone gradualmente. Incluso si el medio de enfriamiento de extinción se filtra continuamente, las partículas finas aún se acumularán con la extensión del tiempo. Si no se detecta, esto dará como resultado una velocidad de enfriamiento acelerada, lo que pondrá en peligro la integridad del proceso de enfriamiento con aceite. La viscosidad, el punto de inflamación, el contenido de agua, el sedimento y el valor de precipitación del medio de extinción en el tanque de extinción deben controlarse periódicamente según el uso. La prueba del medio de enfriamiento apagado se realizará al menos una vez por trimestre.
2. Factores de control de deformación
En general, en el proceso de enfriamiento por presión, los factores clave básicos que afectan la deformación de la pieza de trabajo son los siguientes:
1) La calidad del material de la pieza de trabajo y el proceso de procesamiento anterior.
2) La distribución de la tensión residual de la pieza de trabajo y el proceso de tratamiento térmico preparatorio.
3) Estrés térmico desequilibrado y estrés de transición de fase causado por la operación de enfriamiento.
4) Tipo de acero utilizado y distribución de la temperatura de austenización.
5) Tiempo de transferencia entre el horno de austenización y la máquina de temple.
6) Tipo, calidad, condición y temperatura del medio de enfriamiento de enfriamiento utilizado.
7) La dirección y selectividad del medio de enfriamiento de enfriamiento que fluye a través de la pieza de trabajo.
8) Duración del enfriamiento a diferentes caudales.
9) Diseñar, instalar y mantener herramientas apropiadas para moldes de enfriamiento.
10) La posición del punto de presión en la pieza de trabajo.
11) La cantidad de presión aplicada para mantener la geometría de la pieza de trabajo.
12) Legumbres.
La última de ellas es una propiedad exclusiva del enfriamiento por presión. Durante el templado, para minimizar la deformación, los troqueles interior y exterior suelen pulsarse para mantener la geometría de la pieza. La característica de pulso alivia periódicamente la presión ejercida por el troquel interior y exterior, lo que permite que el componente se contraiga normalmente a medida que se enfría manteniendo la geometría de la pieza requerida. Sin esta característica, el contacto por fricción entre los moldes creará tensión y los componentes no podrán contraerse mientras se enfrían. El modo de pulso puede reducir efectivamente el contacto por fricción y evitar la deformación causada por la excentricidad y la irregularidad. Cuando la técnica de pulso se aplica correctamente, la presión se libera mientras el molde está en contacto con la pieza durante todo el ciclo de enfriamiento y luego se aplica nuevamente a intervalos de aproximadamente 2 segundos. Aunque los modos interno y externo son cíclicos en este método, la presión del expansor generalmente no es pulsada. La mayoría de las máquinas herramienta de enfriamiento rápido que se utilizan en la industria hoy en día adoptan esta característica de diseño, sin embargo, no es el último desarrollo. Durante décadas, la tecnología de pulsos ha sido una parte integral de las máquinas-herramienta de enfriamiento a presión semiautomáticas diseñadas para una alta productividad. En la Figura 9 se muestra un ejemplo de una de estas máquinas herramienta semiautomáticas.
▲ figura. 9 UTILIZA el principio de pulso de presión semiautomática
Diagrama esquemático de cuatro posiciones de máquina herramienta de enfriamiento forzado
Se requiere que cada pieza de trabajo de enfriamiento rápido se corresponda con una estructura de diseño de herramientas de molde y configuraciones de máquina herramienta específicas. En los anillos y engranajes de los rodamientos, los tamaños de las aberturas y la redondez a menudo se mantienen mediante la expansión de los troqueles seccionales. Si la abertura de la pieza de trabajo es demasiado pequeña para soportar estos moldes de sección, se puede usar un tapón sólido para controlar el diámetro y la conicidad del orificio. El tapón se expulsará después del enfriamiento. Es importante que cuando haya diferentes superficies de posicionamiento en el conjunto de matriz actual, las dimensiones entre estas superficies de posicionamiento deben mantenerse con una pequeña tolerancia. El incumplimiento de esta regla puede resultar en resultados contradictorios y distorsiones indeseables. Además de expandir el molde, la contracción del molde también puede mantener de manera efectiva la tolerancia geométrica del diámetro exterior, que es un factor clave. Un buen ejemplo son los engranajes, cuyos radios delgados están conectados a dientes de engranaje, protuberancias y diámetros de rodamiento relativamente gruesos. Los engranajes utilizados en aplicaciones aeroespaciales a menudo contienen varias propiedades que pueden causar una contracción desigual en el enfriamiento. Esto se puede abordar de manera efectiva aplicando una carga de compresión en la superficie exterior del componente.
El error en el enfriamiento por presión puede ser grande. Φ, por ejemplo, un engranaje Φ de 230 mm (9) en la apertura en la condición de no apagar el error de redondez de 0.025 mm (0.001 in), la presión generalmente después del enfriamiento puede llegar a 0.064 mm (0.0025 pulgadas). No se permite que el mismo engranaje, cuando se coloca en la placa, tenga una holgura de galga de espesores de 0.05 mm (0.002 pulg.) en ninguna posición entre la placa y la superficie del engranaje. A Φ 460 mm (Φ 18) en el engranaje, el espacio debe ser inferior a 0.075 mm (0.003 in). Si los factores enumerados anteriormente se manejan correctamente (es decir, utilizando piezas forjadas de alta calidad, normalizando correctamente antes del mecanizado, utilizando herramientas afiladas, siguiendo buenas operaciones de maquinado, etc.), este requisito de error estricto generalmente se puede lograr mediante el enfriamiento a presión. Una extensión es el uso de control de endurecimiento por enfriamiento a presión de rodillos (40) de longitud y piezas cilíndricas de 1020 mm Φ 200 mm (Φ 8 in) de largo , eje, deformación del cigüeñal. Esta técnica UTILIZA rodillos para aplicar con cuidado una carga controlada en una pieza caliente a medida que gira alrededor de su eje y la cámara de enfriamiento rápido se llena con un medio de enfriamiento rápido que fluye. La Figura 10 muestra una imagen típica de esta máquina-herramienta de temple altamente especializada.
▲ Figura 10 Diagrama de tornillo sinfín de la máquina herramienta de enfriamiento de troquel de rodillo a presión