BR102016024974A2

BR102016024974A2 - Equipamento automático de aquecimento elétrico controlado para produção de peças de alta resistência

Info

Publication number: BR102016024974A2
Application number: BR102016024974-0A
Authority: BR
Inventors: Sportelli Pietro
Original assignee: Aethra Sistemas Automotivos S/A
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-05-15
Also published as: CA2957337A1; AU2017200666A1; EP3316661B1; EP3316661A1; JP2018073799A; US20180116013A1; AR107568A1; MX2017002243A; UY37095A

Abstract

"equipamento automático de aquecimento elétrico controlado para produção de peças de alta resistência" compreende a presente patente de invenção a um equipamento (1) automático de aquecimento elétrico controlado para produção de peças estampadas, através do endurecimento em ferramenta a partir da estampagem a quente do material com matéria prima específica, concedendo maior dureza e resistência mecânica à peça (p), o que permite a criação de produtos finais mais leves e com suporte para maiores cargas e impactos, constituído basicamente das seguintes partes: sistema controlador de aquecimento (2), sistema controlador de potência (3), transformador de potência (4), sistema de aquisição de dados (5), dispositivo mecânico de fixação (6) da chapa (p) e realização do contato elétrico e sistema de compensação de dilatação (7).

Description

"EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA" 001- Refere-se a presente patente de invenção, que diz respeito à indústria metalúrgica, particularmente à que se refere ao ramo de autopeças, a um equipamento automático de aquecimento elétrico para produção de peças estampadas de alta resistência através do endurecimento em ferramenta a partir da estampagem a quente do material com matéria prima específica, concedendo maior dureza e resistência mecânica à peça, o que permite a criação de produtos finais mais leves e com suporte para maiores cargas e impactos. 002- A Produção de peças estampadas de alta dureza a partir de processo de conformação em altas temperaturas consiste no aquecimento de uma chapa metálica (material especifico) e o endurecimento desse material, através da transformação da microestrutura do material metálico para condições de maior dureza pelo resfriamento rápido da chapa já conformada em sua forma final no interior da ferramenta. Para isso é necessário que seja realizado o aquecimento da chapa da temperatura ambiente até a temperatura denominada de temperatura de austenitização do material, estado no qual a sua microestrutura se encontra transformada em austenita. 003- No atual estado da técnica o aquecimento desta chapa consiste na utilização de equipamentos específicos para esse fim, podendo ser realizado das seguintes maneiras: por aquecimento, através de radiação; pela queima de combustível (comumente natural ou GLP); por aquecimento elétrico (resistências); ou por aquecimento através de indução elétrica. 004- Nos equipamentos que utilizam aquecimento por combustível, elétrico ou misto (elétrico + combustível) as opções de fornalhas (fornos) contínuas, nas quais a peça atravessa um longo caminho dentro da fornalha (acima de 10 metros de comprimento), a peça recebe durante o trajeto o calor gerado pela queima do combustível, ou pelo aquecimento das resistências elétricas, progressivamente para elevar sua temperatura até atingir a temperatura desejada na saída do forno. Normalmente essas fornalhas (fornos) possuem zonas com temperaturas diferentes e crescentes, nas quais a chapa é exposta ao longo do trajeto igualando sua temperatura com a temperatura de cada zona. Fornos estacionários podem também ser utilizados. Nestes casos o material é depositado em uma câmara com alta temperatura e a peça permanece em seu interior por um determinado tempo até atingir a temperatura desejada e após esse tempo a peça é retirada. 005- No aquecimento por indução, o calor é gerado na peça através de uma corrente elétrica induzida por uma bobina, na qual circula uma determinada corrente elétrica, colocada ao redor da peça para gerar uma corrente elétrica no interior da mesma e consequentemente o seu aquecimento devido a essa corrente interna. Estes fornos podem também ser contínuos ou estacionários, sendo que no contínuo a peça é conduzida por uma esteira próxima à bobina para o aquecimento, entrando de um lado a 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 do seu interior. 006- 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 a ser percorrido para que se possa elevar a temperatura do produto. O aproveitamento do espaço físico dentro de um galpão é de grande valia para as empresas, uma vez que podem ser acomodados outros processos produtivos, assim como armazenamento, melhorias logísticas, etc. 007- Outro ponto observado nestes equipamentos diz respeito à taxa de aquecimento, que afeta o tempo necessário para o aquecimento e tem grande impacto na produtividade de um processo. No caso do aquecimento 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. 008- 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%. 009- A presente patente, neste sentido, apresenta um equipamento para aquecimento no qual o aquecimento acontece pelo processo de condução (aquecimento por efeito Joule), que não ocupa uma área muito maior que a peça a ser aquecida obtendo um maior aproveitamento da área utilizada pela linha produtiva. Podendo, com esse tipo de aquecimento, atingir taxas de aquecimento de até 400°C/seg, sendo até 02 vezes mais rápido que o aquecimento por indução e 61 vezes mais rápido que o aquecimento por radiação. Assim, com relação à 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. 010- O aquecimento por condução no qual o equipamento se baseia elimina alguns problemas encontrados nos processos conhecidos e utilizados para esse fim no atual estado da técnica, promovendo um melhor aproveitamento de espaço utilizado na sua instalação, tendo em vista às dimensões do equipamento necessária ante as dimensões da chapa metálica a ser aquecida, bem como também promove a possibilidade de um aquecimento mais rápido tendo em vista a taxa de aquecimento a ser obtida com a aplicação dessa tecnologia. Outro ponto que promove grande ganho na utilização dessa técnica é sua eficiência energética, visto que a maior porcentagem da energia gasta durante o aquecimento se transforma em ganho real de temperatura do produto, melhorando com isso os custos produtivos e diminuindo desperdício energético. 011- O equipamento automático de aquecimento elétrico controlado, para produção de peças de alta resistência, 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. 012- A figura 1 é uma ilustração, em vista de perspectiva do equipamento. 013- A figura 2 é uma ilustração, em vista de perspectiva do equipamento, mostrando em destaque o sistema de compensação de dilatação térmica. 014- A figura 3 é uma ilustração, em vista lateral do equipamento, mostrando a disposição dos eletrodos e sua estrutura mecânica. 015- A figura 4 é uma ilustração, em vista de perspectiva do eletrodo, mostrando o seu duto interno de resfriamento. 016- A figura 5 é um esquema elétrico em bloco do equipamento. 017- A figura 6 é um fluxograma da atividade do equipamento. 018- De acordo com estas figuras e suas referências numéricas o objeto desta patente refere-se a um equipamento (1) automático de aquecimento elétrico controlado, para produção de peças de alta resistência constituído basicamente das seguintes partes: sistema controlador de aquecimento (2), sistema controlador de potência (3), transformador de potência (4), sistema de aquisição de dados (5), dispositivo mecânico de fixação (6) da chapa e realização do contato elétrico e sistema de compensação de dilatação (7). 019- Neste equipamento (1) o sistema controlador de aquecimento (2) realiza o controle em malha fechada do aquecimento da peça, recebendo sinais do sensor de temperatura (St) (termopar, câmera térmica, etc) atuando sobre o controlador de potência (3) a fim de fornecer a potência elétrica (tensão e corrente) necessária para se realizar um aquecimento homogêneo, conforme os parâmetros especificados. 020- O sistema controlador de potência (3), alimentado pela rede de energia elétrica do (R) local de instalação e a partir do comando do sistema controlador de aquecimento (2), fornece ao transformador de potência (4) a energia necessária durante o aquecimento, sendo responsável pelo fornecimento de toda a demanda energética de aquecimento. 021- O transformador de potência (4) converte os valores de tensão e corrente fornecidos pelo sistema controlador de potência (3) para os níveis aplicados diretamente na chapa a partir de uma relação de transformação definida. 022- O sistema de aquisição de dados (5) realiza o fechamento da malha de controle, realizando medições de temperatura da peça, alimentando essas informações ao sistema controlador de aquecimento (2), para que o controle possa ser feito. Este sistema de controle de aquecimento (2) promove o controle e o acompanhamento preciso e eficiente da temperatura. 023- O dispositivo mecânico (6) de fixação da chapa (P) e realização de contato elétrico fixa mecanicamente a chapa a ser aquecida promovendo o contato elétrico dos eletrodos com a chapa (P). Este dispositivo (6) contem as seguintes partes moveis para fixação da chapa: estrutura de sustentação (6.1), conjunto compensador de dilatação térmica (6.2), cilindros de fixação (6.3), eletrodos de cobre (6.4) com canais de refrigeração (6.4.1), dispositivo mecânico (7) de fixação e fechamento dos eletrodos (6.5), que são ligados ao conjunto elétrico de potência formado pelo sistema controlador de potência (3) e transformador de potência (4). Sendo todos os equipamentos de potência (3 e 4), inclusive os eletrodos (6.4), refrigerados para evitar aquecimentos que possam promover perda de eficiência, não desejada no equipamento. 024- Os eletrodos (6.4) utilizados no equipamento (1) automático de aquecimento são compostos de material (cobre) de alta condutividade elétrica e boa resistência mecânica a fim de conduzir a corrente elétrica utilizada no aquecimento de maneira eficiente para diminuir as perdas do sistema, possuindo canais internos de refrigeração (6.4.1) para manutenção de baixa temperatura para aumentar a eficiência da transferência de energia. 025- Na prática ao ser depositada uma chapa ou peça (P) no equipamento (1), a mesma fica em contato com os eletrodos (6.4) e os cilindros de fixação (6.3) se fecham para promover o melhor contato dos eletrodos (6.4) com a chapa (P). Com a chapa (P) em posição, o sistema de controle de aquecimento (2) inicia a operação, enviando ao sistema controlador de potência (3) uma referência para liberação de energia elétrica para o transformador de potência (4). 026- O sistema controlador de potência (3) ao receber na sua alimentação a energia a ser utilizada (rede elétrica da instalação) realiza o tratamento da mesma, através de retificação/modulação, e libera o sistema controlador de aquecimento (2) para o inicio do aquecimento aplicando sobre o transformador de potência (4) uma tensão especifica para aquele momento do aquecimento. O transformador de potência (4) realiza a transformação dessa tensão recebida e aplica o valor transformado sobre os eletrodos (6.4), nos quais a chapa (P) esta posicionada. A aplicação desta tensão sobre a chapa (P) promove o aparecimento de uma alta corrente elétrica no interior da mesma, gerando o aquecimento. 027- Dado início ao aquecimento, o sistema de aquisição de dados (5) realiza medições de temperaturas e as envia ao sistema controlador de aquecimento (2), que por sua vez trata as informações e envia comandos para o sistema controlador de potência (3) ajustar os valores de tensão/corrente aplicados no transformador e consequentemente na chapa (P) que está sendo aquecida. 028- Durante o aquecimento a chapa sofre dilatação térmica devido ao aquecimento promovido, sendo assim o sistema de compensação de dilatação (7) movimenta os eletrodos (6.4) para evitar o empenamento da chapa (P) durante o processo, garantindo que a mesma esteja sempre plana.

REIVINDICAÇÃO

Claims

1) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA" caracterizado por ser constituído basicamente das seguintes partes: sistema controlador de aquecimento (2), sistema controlador de potência (3), transformador de potência (4), sistema de aquisição de dados (5), dispositivo mecânico de fixação (6) da chapa ou peça (P) e realização do contato elétrico e sistema de compensação de dilatação (7).

2) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sistema controlador de aquecimento (2) realizar o controle, em malha fechada do aquecimento da peça (P), recebendo sinais do sensor de temperatura (St) (termopar, câmera térmica, etc) e atuando sobre o controlador de potência (3).

3) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sistema controlador de potência (3), fornecer ao transformador de potência (4) a energia necessária durante o aquecimento.

4) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o transformador de potência (4) converter os valores de tensão e corrente fornecidos pelo sistema controlador de potência (3), para os níveis aplicados diretamente na chapa (P), a partir de uma relação de transformação definida.

5) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sistema de aquisição de dados (5) realizar o fechamento da malha de controle realizando medições de temperatura da chapa (P) e alimentando essas informações ao sistema controlador de aquecimento, (2) para que o controle possa ser feito.

6) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo mecânico (6) de fixação da chapa e realização de contato elétrico fixar mecanicamente a chapa (P) a ser aquecida promovendo o contato elétrico dos eletrodos com a mesma.

7) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo mecânico (6) de fixação da chapa e realização de contato elétrico conter as seguintes partes moveis para fixação da chapa: estrutura de sustentação (6.1); conjunto compensador de dilatação térmica (6.2); cilindros de fixação (6.3); eletrodos de cobre (6.4) com canais de refrigeração (6.4.1); e dispositivo mecânico (7) de fixação e fechamento dos eletrodos (6.5); sendo todos ligados ao conjunto elétrico de potência formado pelo sistema controlador de potência (3) e transformador de potência (4).

8) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com as reivindicações 1 e 7, caracterizado por ser todos os equipamentos de potência (3 e 4), inclusive os eletrodos (6.4), refrigerados através de canais internos de refrigeração (6.4.1).

9) "EQUIPAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECIMENTO ELÉTRICO CONTROLADO PARA PRODUÇÃO DE PEÇAS DE ALTA RESISTÊNCIA", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, durante o aquecimento da chapa (P), o sistema de compensação de dilatação (7) movimentar os eletrodos (6.4) para evitar o empenamento da chapa (P).