شفت نورد فورج شده: فرآیند تولید، مواد و راهنمای انتخاب

a چیست شفت نورد فورج ?

A شفت نورد آهنگری یک جزء استوانه ای چرخان یا انتقال دهنده بار است که از طریق فرآیند آهنگری تولید می شود - که در آن شمش فولادی گرم شده تحت نیروی فشاری بالا شکل می گیرد - به جای ریخته گری یا ماشین کاری از استوک میله به تنهایی. ترکیب روش آهنگری با مراحل ماشین‌کاری دقیق و عملیات حرارتی بعدی، شفتی با یکپارچگی مکانیکی برتر در مقایسه با نمونه‌های ریخته‌شده یا ساده تبدیل می‌کند و شفت‌های آهنگری را به مشخصات استاندارد در کاربردهای نورد پر بار و چرخه بالا مانند تجهیزات آسیاب نورد، سیستم‌های درایو نوار نقاله، ماشین‌آلات پرس سنگین و پیشرانه‌های انتقال قدرت تبدیل می‌کند.

مشخصه تعیین کننده شفت آهنگری آن است ساختار دانه های تصفیه شده . در حین آهنگری، کار فشاری فولاد داغ ساختار دانه دندریتیک درشت ذاتی بیلت‌های ریخته‌گری را می‌شکند و خطوط جریان دانه را در امتداد خط قطعه تغییر جهت می‌دهد. این منجر به یک ریزساختار همگن و ریزدانه با خواص مکانیکی ثابت در سرتاسر سطح مقطع می‌شود - یک مزیت حیاتی برای شفت‌هایی که باید میلیون‌ها چرخه بار را در تماس غلتشی یا محیط‌های خستگی پیچشی بدون شروع یا انتشار ترک حفظ کنند.

در کارخانه‌های نورد و زمینه‌های صنعتی سنگین، اصطلاح "شفت نورد" شامل چندین جزء مرتبط می‌شود - شفت‌های رول کار، شفت‌های رول پشتیبان، شفت‌های پینیون، و محورهای محرک نوار نقاله - که همگی نیاز به مقاومت در برابر خستگی بالا، دقت ابعادی در ژورنال‌های بلبرینگ و رابط‌های کوپلینگ، و قابل اعتماد بودن، عملکرد رادیویی را تحت پوشش شعاعی دارند.

روش های آهنگری مورد استفاده در تولید شفت نورد

چندین فرآیند آهنگری برای تولید شفت‌های نورد استفاده می‌شود که هر کدام برای محدوده‌های اندازه، حجم تولید و الزامات خصوصیات مکانیکی مناسب هستند. انتخاب روش آهنگری مستقیماً بر کیفیت جریان دانه، دقت ابعادی قطعه فورج شده و میزان ماشینکاری بعدی مورد نیاز تأثیر می گذارد.

آهنگری باز قالب ( آهنگری رایگان )

آهنگری قالب باز فرآیند غالب برای محورهای نورد بزرگ - به ویژه آنهایی که بیش از 500 میلی متر قطر یا چند متر طول دارند - است که در آن ابزار قالب بسته به دلیل مقیاس و وزن درگیر غیرعملی است. یک شمش یا شمش گرم شده به تدریج بین قالب های مسطح یا پروفیل ساده روی یک پرس هیدرولیک یا چکش آهنگری کار می شود و اپراتور قطعه کار را بین هر ضربه پرس می چرخاند و تغییر موقعیت می دهد تا به شکل و مقطع هدف دست یابد.

پارامتر فرآیند کلیدی در آهنگری محور باز قالب است نسبت آهنگری - نسبت سطح مقطع اولیه شمش به سطح مقطع نهایی شفت آهنگری. حداقل نسبت آهنگری از 3:1 تا 4:1 عموماً برای شکستن کامل ساختار شمش ریخته‌گری، بستن تخلخل داخلی و ایجاد ساختار دانه‌ای تصفیه‌شده که به شفت‌های آهنگری مزیت مکانیکی آنها را نسبت به ریخته‌گری می‌دهد، نیاز است. برای کاربردهای حیاتی مانند شفت های رول پشتیبان آسیاب نورد، نسبت آهنگری 5:1 یا بالاتر برای اطمینان از عمیق ترین پالایش دانه در سطح مقطع کامل مشخص شده است.

آهنگری قالب باز شفت هایی با ظرفیت های ماشینکاری سخاوتمندانه تولید می کند - معمولاً 20 تا 50 میلی متر در هر سطح در قطعات بزرگ - که سپس با چرخش خشن و نهایی، سنگ زنی و ماشینکاری دقیق صندلی های یاتاقان، راه های کلید و خطوط اتصال تا تلورانس های ابعادی نهایی حذف می شوند.

فورج قالب بسته

برای شفت‌های نورد کوچک‌تر تولید شده در حجم‌های بالاتر - مانند شفت‌های ورودی گیربکس، شفت‌های پینیون در جعبه‌دنده‌ها، و محورهای محرک در سیستم‌های نوار نقاله خودکار - فورج قالب بسته سازگاری ابعادی عالی و خروجی تقریباً خالص را ارائه می‌دهد. شمش در داخل نیمه های قالب منطبق فشرده می شود که حاوی مشخصات منفی کامل شفت، از جمله قطرهای پلکانی، فلنج ها و ویژگی های یکپارچه است. این فرآیند نیازمند سرمایه‌گذاری قابل توجهی در ابزارآلات اولیه است، اما زمان ماشینکاری هر قطعه و ضایعات مواد را در مقایسه با آهنگری با قالب باز به شدت کاهش می‌دهد.

فورج مدرن قالب بسته شفت ها اغلب در چند مرحله پیش رونده انجام می شود - پیش فرم، مسدود کننده و تکمیل کننده - برای توزیع تدریجی جریان فلز و جلوگیری از عیوب مانند لپ، بسته شدن سرد، یا پر شدن ناقص در بخش های نازک.

فورج دوار و فورج شعاعی

آهنگری شعاعی - که در آن چندین قالب که به صورت شعاعی در اطراف قطعه کار قرار گرفته اند، همزمان با چرخش و پیشروی شمش به صورت محوری برخورد می کنند - به ویژه برای تولید شفت طولانی مناسب است. این فرآیند تغییر شکل یکنواختی را در اطراف محیط کامل در هر موقعیت محوری ایجاد می‌کند و ساختار دانه‌ای ثابت و دقت ابعادی را در طول کل شفت ایجاد می‌کند. آهنگری شعاعی به طور فزاینده ای برای شفت های رول کاری آسیاب نورد با دقت بالا و برای شفت های روتور تولید برق بزرگ که در آن خواص مکانیکی متقارن در تمام جهات شعاعی حیاتی است، مشخص می شود.

انتخاب مواد برای شفت های نورد آهنگری

درجه فولاد انتخاب شده برای یک محور نورد آهنگری باید خواسته های ترکیبی کاربرد را برآورده کند: استحکام هسته و چقرمگی کافی برای مقاومت در برابر خمش و خستگی پیچشی، سختی سطح کافی پس از عملیات حرارتی برای مقاومت در برابر سایش در ژورنال های یاتاقان و مناطق تماس، و آهنگری خوب برای امکان پالایش کامل دانه در طول عملیات آهنگری. گریدهای زیر نمایانگر بیشترین مواد مشخص شده در صنعت است.

تمیزی مواد و کنترل گنجاندن

برای محورهای نورد بزرگ یا با فشار زیاد، تمیزی فولاد - به ویژه اندازه، توزیع و نوع اجزای غیر فلزی - به اندازه ترکیب آلیاژ مهم است. آخال ها به عنوان مکان های تمرکز تنش عمل می کنند که باعث ایجاد ترک های خستگی تحت بارگذاری چرخه ای می شوند. فولادهای شفت ممتاز از طریق گاز زدایی خلاء (VD) یا ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) فرآیندهایی که به طور چشمگیری محتوای اکسیژن و گوگرد را کاهش می‌دهند و شمارش را به حداقل می‌رسانند. تست اولتراسونیک از شفت های فرفورژه به SEP 1921 کلاس C/c یا بهتر استاندارد برای کاربردهای کارخانه نورد بحرانی و شفت تولید برق است، و اطمینان می دهد که قبل از سرمایه گذاری ماشینکاری، هیچ آخال قابل توجهی در حفره های پرتنش و مناطق ژورنال وجود ندارد.

عملیات حرارتی شفت های نورد آهنگری

آهنگری به تنهایی خواص مکانیکی نهایی مورد نیاز برای سرویس را به دست نمی آورد. یک توالی عملیات حرارتی با دقت کنترل شده پس از آهنگری برای ایجاد ترکیب هدف از استحکام هسته، سختی سطح و حالت تنش پسماند ضروری است.

عادی سازی یا بازپخت شدن پس از آهنگری

بلافاصله پس از آهنگری، شفت های بزرگ یا نرمال می شوند (با هوا از دمای آستنیته شدن خنک می شوند) یا نرم آنیل می شوند تا تنش های آهنگری کاهش یابد، ریزساختار همگن شود و سختی به سطحی مناسب برای ماشینکاری خشن کاهش یابد. خنک‌سازی آهسته کنترل‌شده در کوره‌ها برای شفت‌های فولادی آلیاژی بالاتر از قطر تقریباً 150 میلی‌متر برای جلوگیری از ترک‌خوردگی ناشی از گرادیان‌های حرارتی در طول فاز خنک‌کاری آهنگری الزامی است.

خاموش کردن و اعتدال

خاموش کردن و طبع (Q&T) درمان اولیه تقویت کننده برای شفت های نورد فولاد آلیاژی و کربن متوسط است. شفت در دمای 820 تا 900 درجه سانتیگراد (بسته به درجه) آستنیته می شود، سپس در روغن، آب یا محیط کوئنچ پلیمری کوئنچ می شود تا آستنیت در سراسر مقطع به مارتنزیت تبدیل شود. عمق تبدیل کامل مارتنزیت - که توسط سختی پذیری فولاد و قطر شفت تعیین می شود - بر سختی و استحکام هسته قابل دستیابی حاکم است. تمپر کردن بلافاصله در دمای 550 تا 680 درجه سانتیگراد انجام می شود تا مارتنزیت شکننده به عنوان مارتنزیت تبدیل به مارتنزیت سکوریت شود و به ترکیب مقاومت کششی و چقرمگی ضربه ای که برای کاربرد مشخص شده است، دست یابد.

برای قطرهای بزرگ شفت، سخت شدن از طریق به طور فزاینده ای با افزایش قطر دشوار می شود، زیرا سرعت خاموش شدن در هسته به طور اجتناب ناپذیر کاهش می یابد. 34CrNiMo6 (4340) و نمرات نیکل-کروم-مولیبدن با سختی بالا دقیقاً مشخص شده اند زیرا سختی پذیری آنها امکان تبدیل کامل مارتنزیت را در مقاطع تا قطر 200 تا 300 میلی متر فراهم می کند و خواص ثابت را از سطح به هسته حفظ می کند.

سخت شدن سطح در ژورنال های بلبرینگ

شفت‌های نورد معمولاً به سطح سخت‌تری در قطر ژورنال یاتاقان و هر ناحیه تماس غلتشی نیاز دارند که هسته خاموش و تمپر شده به تنهایی می‌تواند فراهم کند. سخت شدن القایی روش غالب سخت شدن سطح است - یک سیم پیچ القایی با فرکانس بالا فقط لایه سطحی ژورنال را تا دمای آستنیته در چند ثانیه گرم می کند، که سپس بلافاصله خاموش می شود تا یک مورد مارتنزیتی سخت ایجاد شود. 55-62 HRC روی یک هسته سخت و با سختی کمتر عمق کیس 3 تا 10 میلی متر برای ژورنال های محور نورد معمولی است، با عمق کنترل شده توسط فرکانس القایی، چگالی توان و مدت زمان گرمایش. تنش های پسماند فشاری وارد شده توسط انبساط سطحی در طول خاموش کردن نیز به طور مفیدی به عمر خستگی تماس غلتشی کمک می کند.

استانداردهای بازرسی و تست کیفیت

یک محور نورد آهنگری که برای یک کاربرد حیاتی در نظر گرفته شده است، قبل از ارسال، از یک توالی مشخص از بازرسی ها عبور می کند - هر کدام یک حالت خرابی خاص مربوط به بارگذاری سرویس شفت را هدف قرار می دهند.

تست اولتراسونیک (UT) برای شناسایی اجزای داخلی، لپ‌های آهنگری یا مناطق جداسازی که روی سطح نامرئی هستند، روی قسمت‌های ناهموار یا ماشینکاری شده انجام می‌شود. شفت های بزرگ معمولاً آزمایش می شوند EN 10228-3 یا EN 10228-4 (به ترتیب برای آهنگرهای فولادی فریتی و مارتنزیتی)، با معیارهای پذیرش که با کلاس نشانه و دامنه بازتاب نسبت به بازتابنده مرجع تعریف شده است. برای حیاتی ترین کاربردها - مانند شفت های نیروگاه هسته ای و شفت های اصلی توربین های بادی دریایی - 100٪ UT حجمی با سیستم های اسکن خودکار مشخص شده است.

بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) برای تشخیص ترک‌های سطحی و نزدیک به سطح، به‌ویژه در ویژگی‌های تمرکز تنش مانند شعاع فیله‌ها، راه‌های کلید و خروج نخ‌ها استفاده می‌شود. پس از سخت شدن القایی ژورنال های بلبرینگ، MPI در نواحی سخت شده تکرار می شود تا قبل از اینکه شفت شروع به سنگ زنی کند، ترک های خاموش کننده را تشخیص دهد.

تست مکانیکی - کشش، ضربه (شارپی V-notch) و سختی - بر روی کوپن‌های آزمایشی برش‌خورده از یک امتداد یکپارچه با آهنگری یا از یک قطعه آزمایش آهنگری جداگانه که به طور یکسان با قسمت تولید عمل می‌شود، انجام می‌شود. نتایج در گواهی آزمایش مواد مطابق با EN 10204 نوع 3.1 یا 3.2 بسته به اینکه آیا بازرسی توسط مشتری مورد نیاز است یا خیر. تراورس های سختی در سوراخ ژورنال عمق مورد و سختی هسته به دست آمده را پس از سخت شدن القایی تایید می کند.

بازرسی ابعادی با استفاده از ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات (CMM) یا اندازه‌گیری میز دقیق، قطر ژورنال را تا تلورانس‌های مشخص تأیید می‌کند (معمولاً h5 یا h6 برای تناسب یاتاقان)، ناهمواری سطح در ژورنال ها (Ra 0.4-0.8 میکرومتر برای صندلی های بلبرینگ المنت غلتشی)، خروجی (TIR معمولاً ≤0.02 میلی متر در ژورنال های شفت دقیق)، و صاف بودن در امتداد محور شفت. برای شفت هایی که مشمول الزامات بالانس دینامیکی هستند، عدم تعادل باقیمانده در یک ماشین متعادل کننده دینامیکی قبل از علامت گذاری نهایی بازرسی تأیید می شود.

شفت های نورد فورج شده در مقابل ریخته گری: چرا آهنگری استاندارد صنعت است

برتری شفت‌های نورد آهنگری نسبت به جایگزین‌های ریخته‌گری در کاربردهای با بار بالا یک موضوع ترجیحی نیست - این موضوع توسط داده‌های دارایی مکانیکی مستند شده در طول چندین دهه آزمایش صنعتی پشتیبانی می‌شود.

شفت های فولادی ریخته گری حاوی تخلخل انقباض انجماد، جداسازی دندریتی عناصر آلیاژی، و جهت گیری تصادفی دانه هستند - که همگی باعث کاهش استحکام خستگی و چقرمگی ضربه نسبت به همان آلیاژ اسمی در فرم آهنگری می شوند. داده های مقایسه ای منتشر شده برای فولادهای آلیاژی کربن متوسط به طور مداوم نشان می دهد که اجزای آهنگری به دست می آورند 20 تا 35 درصد محدودیت های تحمل خستگی بالاتر و 40 تا 60 درصد مقادیر ضربه Charpy بالاتر در سختی معادل در مقایسه با ریخته گری. در کاربردهای شافت دوار که بارگذاری خستگی طراحی را به حرکت در می‌آورد، این تفاوت مستقیماً به عمر طولانی‌تر یا کاهش قطر شفت مورد نیاز - و همراه با آن، کاهش بار بلبرینگ و اینرسی سیستم ترجمه می‌شود.

برای شفت های رول کار آسیاب نورد، رول گردن های پشتیبان، و محورهای محرک نوار نقاله سنگین - اجزایی که یک خرابی در حین کار می تواند کل خط تولید را متوقف کند و باعث توقف برنامه ریزی نشده چند روزه با هزینه تجاری قابل توجه شود - حق بیمه افزایشی آهنگری روی ریخته گری یک توجیه اقتصادی ساده را نشان می دهد. کل هزینه محاسبه مالکیت، از جمله ریسک خرابی برنامه‌ریزی نشده، به طور مداوم به نفع شفت‌های نورد جعلی در هر برنامه‌ای است که بالاتر از چرخه کاری متوسط ​​یا سطوح بار کار می‌کند.