Forja por inducción

La forja por inducción se refiere al uso de un calentador de inducción para precalentar los metales antes de la deformación mediante una prensa o un martillo. Normalmente, los metales se calientan a entre 1100 y 1200 °C (2010 y 2190 °F) para aumentar su maleabilidad y facilitar el flujo en la matriz de forja. ^[1]

El calentamiento por inducción es un proceso sin contacto que utiliza el principio de inducción electromagnética para producir calor en una pieza de trabajo. Al colocar un material conductor en un campo magnético alterno fuerte , se hace que fluya una corriente eléctrica en el material, lo que provoca un calentamiento Joule . En los materiales magnéticos, se genera más calor por debajo del punto de Curie debido a las pérdidas por histéresis . La corriente generada se encuentra predominantemente en la capa superficial, y la profundidad de esta capa está determinada por la frecuencia del campo alterno y la permeabilidad del material. ^[2]

Las fuentes de alimentación para la forja por inducción tienen una potencia que va desde unos pocos kilovatios hasta muchos megavatios y, según la geometría del componente, su frecuencia puede variar de 50 Hz a 200 kHz. La mayoría de las aplicaciones utilizan el rango entre 1 kHz y 100 kHz. ^[3]

Para seleccionar la potencia correcta, es necesario calcular primero la energía térmica necesaria para elevar el material a la temperatura requerida en el tiempo asignado. Esto se puede hacer utilizando el contenido de calor del material, que normalmente se expresa en KW horas por tonelada, el peso del metal que se procesará y el ciclo de tiempo. Una vez que se ha establecido esto, se deben tener en cuenta otros factores como las pérdidas radiadas del componente, las pérdidas de la bobina y otras pérdidas del sistema. Tradicionalmente, este proceso implicaba cálculos largos y complejos junto con una mezcla de experiencia práctica y fórmula empírica . Las técnicas modernas utilizan el análisis de elementos finitos ^[4] y otras técnicas de modelado asistidas por computadora; sin embargo, como con todos los métodos de este tipo, aún se requiere un conocimiento práctico completo del proceso de calentamiento por inducción.

El segundo parámetro importante a tener en cuenta es la frecuencia de salida de la fuente de alimentación. Como el calor se genera predominantemente en la superficie del componente, es importante seleccionar una frecuencia que ofrezca la mayor profundidad de penetración práctica en el material sin correr el riesgo de cancelación de corriente. ^[5] Se apreciará que, como solo se calienta la piel, se requerirá tiempo para que el calor penetre hasta el centro del componente y que si se aplica demasiada energía demasiado rápido, es posible fundir la superficie del componente mientras se deja enfriar el núcleo. Utilizando datos de conductividad térmica para el material ^{[6] y los requisitos de} homogeneidad (física) especificados por el cliente con respecto a la ∆T de la sección transversal, es posible calcular o crear un modelo para establecer el tiempo de calentamiento necesario. En muchos casos, el tiempo para lograr una ∆T aceptable superará lo que se puede lograr calentando los componentes uno a la vez. Se utiliza una gama de soluciones de manipulación que incluyen transportadores, alimentadores en línea, sistemas de empuje y alimentadores de viga móvil para facilitar el calentamiento de múltiples componentes mientras se entregan componentes individuales al operador en el ciclo de tiempo requerido.

• Control del proceso: a diferencia de un horno de gas tradicional , el sistema de inducción no requiere un ciclo de precalentamiento ni un apagado controlado. El calor está disponible según demanda. Además de los beneficios de una rápida disponibilidad en caso de una interrupción posterior de la producción, se puede apagar la alimentación, ahorrando así energía y reduciendo la formación de incrustaciones en los componentes.
• Eficiencia energética: debido al calor que se genera dentro del componente, la transferencia de energía es extremadamente eficiente. El calentador de inducción calienta solo la pieza, no la atmósfera que la rodea.
• Aumento rápido de la temperatura: las altas densidades de potencia garantizan que el componente alcance la temperatura con extrema rapidez. Se reducen las incrustaciones, así como los defectos superficiales y los efectos no deseados en la metalurgia de la superficie .
• Consistencia del proceso: el proceso de calentamiento por inducción produce un calor extremadamente uniforme y constante. Esto mejora la precisión de la forja y, en casos extremos, puede reducir las tolerancias de mecanizado posteriores a la forja y tener un efecto positivo en la vida útil de la matriz. ^[7]
• Sin subproductos nocivos: el calentamiento por inducción no genera ningún residuo ambiental y es un proceso limpio a diferencia de los métodos de calentamiento más tradicionales que generan humo y emisiones tóxicas. ^[8]

El calentamiento de los extremos de la barra se utiliza normalmente cuando solo se va a forjar una parte de la barra. Las aplicaciones típicas del calentamiento de los extremos de la barra son:

• Cabezal de pernos en caliente
• Barras estabilizadoras
• Herramientas de minería

Dependiendo del rendimiento requerido, los sistemas de manipulación pueden variar desde simples sistemas de empuje neumáticos de dos o tres estaciones hasta vigas móviles y transportadores .

En el calentador de inducción de palanquillas, se calienta toda la palanquilla o el trozo de barra. Normalmente, para palanquillas o trozos de barra cortos, se utiliza una tolva o un recipiente para presentar automáticamente las palanquillas en línea a rodillos de presión, unidades tractoras accionadas por cadena o, en algunos casos, empujadores neumáticos. A continuación, las palanquillas se conducen a través de la bobina una detrás de otra sobre rieles refrigerados por agua o se utilizan revestimientos cerámicos a través del orificio de la bobina que reducen la fricción y evitan el desgaste. La longitud de la bobina es una función del tiempo de remojo necesario, el tiempo de ciclo por componente y la longitud de la palanquilla. En trabajos de gran volumen y gran sección transversal, no es inusual tener 4 o 5 bobinas en serie para obtener 5 m (16 pies) de bobina o más. ^[10]

Piezas típicas procesadas mediante calentamiento de palanquilla en línea: ^[11]

• Cigüeñales pequeños
• Árboles de levas
• Conexiones neumáticas e hidráulicas
• Cabezas de martillo
• Válvulas del motor

Para palanquillas largas, se puede utilizar el calentamiento de un solo disparo. Este proceso utiliza sistemas similares al calentamiento de los extremos de la barra, excepto que todo el tocho se introduce en bobinas individuales. Al igual que con el calentamiento de los extremos de la barra, la cantidad de bobinas se rige por la ∆T requerida y las propiedades térmicas del material que se calienta.

Piezas típicas procesadas mediante calentamiento de palanquilla de un solo disparo: ^[12]

• Ejes de camiones
• Árboles de levas marinos

• Forja
• Endurecimiento por inducción
• Ajuste por contracción por inducción
• Calentador de inducción

• Davies, John; Simpson, Peter (1979), Manual de calentamiento por inducción, McGraw-Hill, ISBN 0-07-084515-8.
• Lozinskii, Mikhail Grigorevich (1969), Aplicaciones industriales del calentamiento por inducción, Pergamon Press, ISBN 0-08-011586-1.
• Rapoport, Edgar; Pleshivtseva, Yulia (2006), Control óptimo de procesos de calentamiento por inducción, CRC Press, ISBN 0-8493-3754-2.
• Rudnev, Valery; Loveless, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Manual de calentamiento por inducción, CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.

• ¿Qué es el calentamiento por inducción? Ventajas del calentamiento por inducción.