BR102016023753A2 - Processo para produção de peças estampadas de alta resistência mecânica, através de aquecimento elétrico controlado - Google Patents

Processo para produção de peças estampadas de alta resistência mecânica, através de aquecimento elétrico controlado Download PDF

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Abstract

"processo para produção de peças estampadas de alta resistência mecânica, através de aquecimento elétrico controlado" compreende a presente patente de invenção a um processo para produção de peças estampadas realizado a partir de fardos de chapas (1), um primeiro robô de movimentação (2), um equipamento de aquecimento (3) com unidade de resfriamento líquido (4), um segundo robô de movimentação (4), uma prensa hidráulica (5) com ferramenta específica de moldagem, um terceiro robô de movimentação (6) e uma esteira de transporte (8), comandos por uma unidade de controle eletrônico. dita ferramenta específica de estampagem provida de canais para refrigeração, por troca de calor, via circulação de água, onde a taxa de resfriamento é controlada, através do controle da vazão e temperatura de líquido.

Description

(54) Título: PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS ESTAMPADAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, ATRAVÉS DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO (51) Int. Cl.: B21C 47/00; B21D 22/02; B23Q 3/18; B25J 9/00; H05B 3/00; (...) (73) Titular(es): AETHRA SISTEMAS AUTOMOTIVOS S/A (72) Inventor(es): PIETRO SPORTELLI (74) Procurador(es): SOARES ASSESSORIA EMPRESARIAL S/C LTDA.
(57) Resumo: PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS ESTAMPADAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, ATRAVÉS DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO Compreende a presente patente de invenção a um processo para produção de peças estampadas realizado a partir de fardos de chapas (1), um primeiro robô de movimentação (2), um equipamento de aquecimento (3) com unidade de resfriamento líquido (4), um segundo robô de movimentação (4), uma prensa hidráulica (5) com ferramenta específica de moldagem, um terceiro robô de movimentação (6) e uma esteira de transporte (8), comandos por uma unidade de controle eletrônico. Dita ferramenta específica de estampagem provida de canais para refrigeração, por troca de calor, via circulação de água, onde a taxa de resfriamento é controlada, através do controle da vazão e temperatura de líquido.
Figure BR102016023753A2_D0001
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PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS ESTAMPADAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, ATRAVÉS DE AQUECIMENTO
ELÉTRICO CONTROLADO
001- Refere-se a presente patente de invenção, que diz respeito à indústria metalúrgica, particularmente à que se refere ao ramo de auto peças, a um processo de produção de peças estampadas, que conta com uma significativa melhoria na eficiência, a partir do aquecimento elétrico controlado.
002- A Produção de peças estampadas de alta dureza, a partir do processo de conformação em altas temperaturas, consiste no aquecimento de uma chapa metálica (material especifico) e posteriormente no seu endurecimento, através da transformação da microestrutura do material metálico para condições de maior dureza pelo resfriamento rápido realizado no interior da ferramenta durante sua conformação em forma final. Para isso é necessário que seja realizado o aquecimento da chapa a partir da temperatura ambiente até a temperatura denominada “temperatura de austenitização do material”, estado no qual a sua microestrutura se encontra transformada em austenita.
003- Neste processo, após o aquecimento, a peça é transportada de forma automatizada para um molde de estampagem localizado no interior de uma prensa. O molde ou a ferramenta, como é denominado na técnica, contém no seu interior canais onde circula um liquido refrigerante para realizar a troca de calor com o conjunto (ferramenta + chapa) e promover o rápido resfriamento do mesmo. Com o resfriamento concluído, a peça estampada possuindo uma dureza elevada é então retirada por um sistema automatizado e disponibilizada para a próxima operação, operação de limpeza superficial ou operação
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2/7 de corte laser.
004, No atual estado desta técnica são utilizados diversos tipos de equipamentos específicos para obter o aquecimento, entre eles equipamentos que fazem o aquecimento por radiação, a queima de combustível (comumente natural ou GLP), o aquecimento elétrico (resistências) e o aquecimento por indução elétrica.
005- Para os equipamentos que utilizam aquecimento por combustível, elétrico ou misto (elétrico + combustível) existem as opções de fornalhas continuas, na qual a peça atravessa um longo caminho (acima de 10 metros de comprimento), onde a peça vai recebendo o calor gerado pela queima do combustível ou pelo aquecimento das resistências elétricas, elevando dessa maneira sua temperatura até que ao sair na outra extremidade do forno a mesma se encontra na temperatura desejada. Normalmente esses fornos possuem zonas com temperaturas diferentes e crescentes, as quais a peça é exposta ao longo do trajeto, igualando sua temperatura com a temperatura de cada zona.
006- Fornos estacionários também são utilizados, nos quais a peça é depositada, através de uma porta, no interior de uma câmara aquecida em alta temperatura permanecendo neste local por um determinado tempo até atingir a temperatura desejada, após esse tempo a porta é aberta e a peça retirada do interior da câmara.
007- No aquecimento por indução elétrica, o calor é gerado na peça através da indução de uma corrente elétrica na chapa por uma bobina (na qual circula uma determinada corrente elétrica) colocada ao redor da peça sendo então gerada uma corrente elétrica no interior da mesma gerando o seu aquecimento. Este forno também pode ser contínuo ou estacionário, sendo que no contínuo a peça é conduzida por uma
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3/7 esteira próxima à bobina para promover o aquecimento, entrando de um lado à temperatura ambiente e saindo do outro na temperatura desejada. No estacionário a peça é depositada em uma câmara onde as bobinas estão localizadas e ao atingir a temperatura necessária a peça é retirada.
008- Analisando os equipamentos existentes, notou-se que no caso de fornos contínuos a combustível e elétrico, bem como nos fornos de indução contínuos tem-se um grande consumo de espaço devido ao comprimento do percurso, necessário para que a temperatura do produto possa se elevar durante o trajeto. Assim, o espaço físico ocupado dentro de um galpão é grande e prejudica a acomodação de outros processos produtivos, armazenamento, possibilidades de melhorias logísticas, etc..
009- Outro ponto observado diz respeito à taxa de aquecimento, que afeta o tempo necessário para o aquecimento e é de grande impacto na produtividade do processo. No caso dos aquecimentos por radiação, pode se atingir taxas de aquecimento de aproximadamente 6,5°C/seg e para os casos de aquecimento por indução pode-se atingir taxas de 200°C/seg.
010- Assim, como as deficiências levantadas anteriormente, o consumo energético proveniente de ineficiências no processo de aquecimento pode gerar um custo elevado de produção para a empresa, sendo sempre necessários processo mais eficiente para que se possam ter custos reduzidos. No caso do aquecimento por radiação, a eficiência de um forno contínuo é de aproximadamente 26% e para aquecimento por indução esse valor está entre 40 e 60%.
011- A presente patente de invenção, no sentido de melhorar estas taxas e tornar mais eficiente o aquecimento, reduzindo o espaço de
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4/7 ocupação dos equipamentos envolvidos, apresenta um processo de aquecimento por condução (aquecimento por efeito Joule) que utiliza um dispositivo de aquecimento de pequeno porte, ocupando um espaço menor e desta forma dispondo um melhor aproveitamento da área utilizada pela linha produtiva, alem de permitir o aquecimento de até 400oC/seg, sendo até duas vezes mais rápido que o aquecimento por indução e 61 vezes mais rápido que o aquecimento por radiação. Com relação a eficiência do processo, ou seja, a eficiência do aproveitamento da energia utilizada para realizar o aquecimento da chapa, o aquecimento por condução pode atingir 87%, promovendo uma grande economia nos custos de transformação da chapa.
012- Posteriormente ao aquecimento na operação de estampagem propriamente dita, normalmente se utiliza uma prensa hidráulica com força equivalente ao requerido pelo respectivo processo de estampagem, peça e ferramenta. O resfriamento se da pela circulação de liquido, comumente água, resfriado a aproximadamente 8°C por um equipamento de resfriamento de alta capacidade térmica. Para algumas situações a temperatura do líquido pode ser mais baixa podendo assim necessitar que seja misturado algum aditivo à água para que a mesma não congele na temperatura de trabalho do equipamento.
013- As movimentações das peças tanto quentes como frias, pode ser realizada tanto por braços robóticos como por sistemas de movimentação dedicada “transfer” projetados especificamente para as aplicações e no caso da movimentação da peça quente os mesmos são construído em material que suporta a temperatura e radiação proveniente da chapa sem se danificarem.
014- O método de aquecimento utilizado no processo em questão possui maior aproveitamento energético que os outros meios de
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5/7 aquecimento normalmente utilizados para elevar a temperatura da peça a ser endurecida em ferramenta, possuindo assim um melhor custo no que diz respeito aos custos operacionais do equipamento. Também por promover o aquecimento rápido das peças, é possível diminuir a quantidades de peças em processo e o espaço ocupado devido as características dos equipamentos e do processo aplicado.
015- O aquecimento de chapas por efeito joule, utilizado no produto em questão, possui alta eficiência energética, em torno de 80 a 90%. Em conjunto com os sistemas de controle e movimentação de peças promove uma linha produtiva mais eficiente em termos energéticos, de aproveitamento de espaço e com menor tempo de ciclo.
016- O processo para produção de peças estampadas de alta resistência mecânica, através de aquecimento elétrico controlado, objeto desta patente pode ser melhor compreendido reportando-se as figuras anexas, que integram este relatório descritivo e contém referências numéricas em conjunto com a descrição de suas particularidades técnicas. Figuras estas, que não restringe sua configuração quanto às suas dimensões, proporções e eventuais tipos de acabamentos inseridos e nem o alcance de sua aplicação prática.
017- A figura 1 é uma ilustração de vista superior dos equipamentos envolvidos no processo.
018- A figura 2 é um fluxograma do processo, mostrando suas fases operacionais.
019- De acordo com estas figuras e suas referências numéricas o objeto desta patente refere-se a um processo de produção de peças estampadas de alta resistência mecânica, utilizando procedimento de endurecimento em ferramenta (molde e prensa). Dito processo realizado a partir de fardos de chapas (1) de alimentação, um primeiro robô de
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6/7 movimentação (2), um dispositivo de aquecimento (3), um segundo robô de movimentação (4), ferramenta específica de moldagem (5) com unidade de resfriamento líquido (6), um terceiro robô de movimentação (7) , uma prensa hidráulica (8). Sendo todos os equipamentos comandos por uma unidade de controle eletrônico (9).
020- Na prática as peças, em forma de chapas com formatos diversos (com figuras definidas ou não), são alimentadas na linha de produção de maneira automática, através de fardos de chapas (1), sendo movimentadas pelo primeiro robô de manipulação (2), que retira uma chapa por vez e deposita no equipamento de aquecimento (3) elétrico. Equipamento de aquecimento (3) elétrico este, que emprega a teoria de aquecimento por efeito joule elevando a temperatura da chapa a valores próximos de 900°C, de maneira mais eficiente, com menor gasto de energia e de forma mais rápida. Em seguida a peça aquecida é transferida, via segundo robô de manipulação (4), para o interior de uma ferramenta de estampagem específica de estampagem (5) refrigerada por uma unidade de resfriamento (6) contida em uma prensa hidráulica (8) via terceiro robô de movimentação (7), sendo todos os equipamentos controlados por uma unidade de controle eletrônico (9).
021- Referida ferramenta específica de estampagem (5) provida de uma unidade de resfriamento líquido (5) contendo canais para refrigeração, por troca de calor, via circulação de água, que retira a energia térmica do produto estampado de maneira rápida para promover a mudança de fase de sua microestrutura e o consequente endurecimento do material.
022- O resfriamento é realizado em temperatura de aproximadamente 5°C nos canais, sendo a água gerada a partir de uma unidade de água gelada com alta capacidade nominal. A taxa de
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7/7 resfriamento da ferramenta de estampagem é controlada para promover a mudança de resistência necessária para cada produto, controlando-se a vazão e temperatura de líquido que circula na ferramenta.
023- Finalizada esta etapa, o produto acabado é retirado da ferramenta pelo terceiro robô de manipulação (7) e enviado para o próximo passo que pode ser o corte a laser da peça, considerando a geometria especificada ou para embalagem.
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Claims (3)

  1. REIVINDICAÇÃO
    1) PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS ESTAMPADAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, ATRAVÉS DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO, caracterizado por a chapa (peça), a partir de fardos de chapas (1) de alimentação, ser transferida via um primeiro robô de movimentação (2) para um equipamento de aquecimento (3) elétrico e depois de aquecida, via um segundo robô de movimentação (4), transferida para uma ferramenta específica de moldagem (5) com unidade de resfriamento líquido (6), disposta em uma prensa hidráulica (8), e depois de conformada, via um terceiro robô de movimentação (7), ser retirada como produto acabado; sendo todos os equipamentos comandos por uma unidade de controle eletrônico (9).
  2. 2) PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS ESTAMPADAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, ATRAVÉS DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o equipamento de aquecimento (3) elétrico, que emprega a teoria de aquecimento por efeito joule para elevar a temperatura da chapa (peça) a valores próximos de 900oC de forma rápida.
  3. 3) PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS ESTAMPADAS DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, ATRAVÉS DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a ferramenta específica de estampagem (5) ser refrigerada por unidade de resfriamento líquido (5) contendo canais para refrigeração, por troca de calor via circulação de água, que promove a mudança de fase da microestrutura da chapa (peça) e o consequente endurecimento do material; sendo o resfriamento realizado
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    2/2 em temperatura de aproximadamente 5°C nos canais e a água gerada a partir de uma unidade de água gelada com alta capacidade nominal; sendo ainda a taxa de resfriamento da ferramenta de estampagem controlada para promover a mudança de resistência necessária para cada produto, bem como a vazão que circula na ferramenta de estampagem.
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