Trục cán rèn: Quy trình sản xuất, vật liệu và hướng dẫn lựa chọn

một là gì Trục lăn rèn ?

A trục lăn rèn là một bộ phận hình trụ quay hoặc truyền tải được sản xuất thông qua quá trình rèn - trong đó phôi thép được nung nóng được định hình dưới lực nén cao - thay vì chỉ đúc hoặc gia công từ thanh phôi. Sự kết hợp giữa phương pháp rèn với các bước gia công chính xác và xử lý nhiệt tiếp theo tạo ra một trục có tính toàn vẹn cơ học vượt trội so với các phương án đúc hoặc tiện đơn giản, làm cho trục rèn trở thành thông số kỹ thuật tiêu chuẩn trong các ứng dụng cán chu kỳ cao, tải trọng cao như thiết bị máy cán, hệ thống truyền động băng tải, máy ép nặng và hệ thống truyền lực.

Đặc điểm xác định của trục rèn là cấu trúc hạt tinh chế . Trong quá trình rèn, hoạt động nén của thép nóng phá vỡ cấu trúc hạt đuôi gai thô vốn có trong phôi đúc và định hướng lại các đường dòng hạt dọc theo đường viền của bộ phận. Điều này tạo ra một cấu trúc vi mô hạt mịn, đồng nhất với các đặc tính cơ học nhất quán trên toàn bộ mặt cắt ngang - một lợi thế quan trọng đối với các trục phải duy trì hàng triệu chu kỳ tải trọng trong môi trường tiếp xúc lăn hoặc mỏi xoắn mà không gây ra vết nứt hoặc lan truyền.

Trong bối cảnh máy cán và công nghiệp nặng, thuật ngữ "trục lăn" bao gồm một số thành phần liên quan - trục cuộn công việc, trục cuộn dự phòng, trục bánh răng và trục dẫn động băng tải - tất cả đều có chung yêu cầu về khả năng chống mỏi cao, độ chính xác về kích thước tại các tạp chí vòng bi và giao diện khớp nối cũng như hiệu suất đáng tin cậy khi chịu uốn, xoắn và tải hướng tâm kết hợp.

Phương pháp rèn được sử dụng trong sản xuất trục lăn

Một số quy trình rèn được sử dụng để sản xuất trục lăn, mỗi quy trình phù hợp với phạm vi kích thước, khối lượng sản xuất và yêu cầu về đặc tính cơ học khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp rèn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dòng hạt, độ chính xác về kích thước của phôi rèn và mức độ gia công tiếp theo được yêu cầu.

Rèn khuôn mở (Rèn miễn phí)

Việc rèn khuôn mở là quy trình chủ yếu dành cho các trục cán lớn - đặc biệt là những trục có đường kính vượt quá 500 mm hoặc dài vài mét - trong đó việc gia công khuôn kín sẽ không thực tế do quy mô và trọng lượng liên quan. Một phôi hoặc phôi được nung nóng được gia công dần dần giữa các khuôn phẳng hoặc có biên dạng đơn giản trên máy ép thủy lực hoặc búa rèn, với người vận hành quay và định vị lại phôi giữa mỗi lần ép để đạt được hình dạng và mặt cắt mục tiêu.

Tham số quá trình quan trọng trong quá trình rèn trục khuôn mở là tỷ lệ rèn - tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang ban đầu của phôi và diện tích mặt cắt ngang cuối cùng của trục rèn. Tỷ lệ rèn tối thiểu là 3:1 đến 4:1 thường được yêu cầu để phá vỡ hoàn toàn cấu trúc phôi đúc, đóng độ xốp bên trong và phát triển cấu trúc hạt tinh chế mang lại cho trục rèn lợi thế cơ học so với vật đúc. Đối với các ứng dụng quan trọng như trục cuộn dự phòng của máy cán lớn, tỷ lệ rèn 5:1 hoặc cao hơn được chỉ định để đảm bảo sàng lọc hạt sâu nhất có thể thông qua toàn bộ mặt cắt.

Việc rèn khuôn mở tạo ra các trục có dung sai gia công lớn - thường là 20–50 mm trên mỗi bề mặt trên các bộ phận lớn - sau đó được loại bỏ bằng cách tiện thô và tiện hoàn thiện, mài và gia công chính xác các bệ ổ trục, rãnh then và khớp nối với dung sai kích thước cuối cùng.

Rèn khuôn kín (Rèn khuôn ấn tượng)

Đối với các trục lăn nhỏ hơn được sản xuất với khối lượng lớn hơn - chẳng hạn như trục đầu vào truyền động, trục bánh răng trong hộp số và trục truyền động trong hệ thống băng tải tự động - việc rèn khuôn kín mang lại tính nhất quán về kích thước vượt trội và đầu ra gần như hình dạng lưới. Phôi được nén trong các nửa khuôn phù hợp có chứa đầy đủ cấu hình âm của trục, bao gồm đường kính bậc, mặt bích và các tính năng tích hợp. Quá trình này đòi hỏi đầu tư đáng kể vào công cụ ban đầu nhưng giảm đáng kể thời gian gia công từng chi tiết và lãng phí vật liệu so với rèn khuôn hở.

Việc rèn trục khép kín hiện đại thường được thực hiện theo nhiều giai đoạn lũy tiến - tạo hình trước, tạo khối và hoàn thiện - để phân phối dòng kim loại dần dần và tránh các khuyết tật như vòng, đóng nguội hoặc điền không đầy đủ vào các phần mỏng.

Rèn quay và rèn xuyên tâm

Rèn xuyên tâm - trong đó nhiều khuôn được bố trí xuyên tâm xung quanh phôi gia công đồng thời khi phôi quay và tiến về phía trục - đặc biệt phù hợp với sản xuất trục dài. Quá trình này mang lại sự biến dạng đồng đều xung quanh toàn bộ chu vi ở mỗi vị trí trục, tạo ra cấu trúc hạt đặc biệt nhất quán và độ chính xác về kích thước dọc theo toàn bộ chiều dài trục. Việc rèn xuyên tâm ngày càng được chỉ định cho các trục cuộn làm việc của máy cán có độ chính xác cao và cho các trục rôto phát điện lớn trong đó các đặc tính cơ học đối xứng theo mọi hướng xuyên tâm là rất quan trọng.

Lựa chọn vật liệu cho trục lăn rèn

Loại thép được chọn cho trục lăn rèn phải đáp ứng các nhu cầu kết hợp của ứng dụng: đủ độ bền và độ dẻo dai của lõi để chống uốn và mỏi xoắn, độ cứng bề mặt phù hợp sau khi xử lý nhiệt để chống mài mòn tại các trục vòng bi và vùng tiếp xúc, và khả năng rèn tốt để cho phép sàng lọc hạt hoàn chỉnh trong quá trình rèn. Các loại sau đây đại diện cho các vật liệu được chỉ định rộng rãi nhất trong toàn ngành.

Kiểm soát độ sạch và bao gồm vật liệu

Đối với các trục lăn lớn hoặc chịu ứng suất cao, độ sạch của thép - cụ thể là kích thước, sự phân bố và loại tạp chất phi kim loại - cũng quan trọng như thành phần hợp kim. Các thể vùi đóng vai trò là vị trí tập trung ứng suất gây ra các vết nứt mỏi dưới tác dụng của tải trọng theo chu kỳ. Thép trục cao cấp được sản xuất thông qua khử khí chân không (VD) hoặc nấu lại hồ quang chân không (VAR) các quá trình làm giảm đáng kể hàm lượng oxy và lưu huỳnh, giảm thiểu số lượng tạp chất. Kiểm tra siêu âm các khoảng trống trục rèn để Tháng 9 năm 1921 Loại C/c trở lên là tiêu chuẩn cho các ứng dụng trục máy phát điện và máy cán quan trọng, đảm bảo rằng không có tạp chất đáng kể nào xuất hiện trong các khu vực lỗ khoan và trục chịu ứng suất cao trước khi cam kết đầu tư gia công.

Xử lý nhiệt của trục lăn rèn

Việc rèn một mình không đạt được các tính chất cơ học cuối cùng cần thiết cho dịch vụ. Trình tự xử lý nhiệt được kiểm soát cẩn thận sau khi rèn là điều cần thiết để phát triển sự kết hợp mục tiêu giữa độ bền lõi, độ cứng bề mặt và trạng thái ứng suất dư.

Bình thường hóa hoặc ủ sau khi rèn

Ngay sau khi rèn, các trục lớn được chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ austenitizing) hoặc được ủ mềm để giảm ứng suất rèn, đồng nhất cấu trúc vi mô và giảm độ cứng xuống mức phù hợp cho gia công thô. Việc làm nguội chậm có kiểm soát trong lò nung là bắt buộc đối với các trục thép hợp kim có đường kính trên khoảng 150 mm để ngăn chặn hiện tượng nứt do tôi do gradient nhiệt trong giai đoạn làm nguội rèn.

Làm nguội và nóng nảy

Làm dịu và nóng nảy (Q&T) là phương pháp xử lý tăng cường chính cho trục cán thép cacbon và hợp kim trung bình. Trục được austenit hóa ở nhiệt độ 820–900°C (tùy theo loại), sau đó được làm nguội trong môi trường dầu, nước hoặc polyme để biến austenite thành martensite trong toàn bộ mặt cắt ngang. Độ sâu của quá trình biến đổi martensite hoàn toàn - được xác định bởi độ cứng của thép và đường kính trục - quyết định độ cứng và cường độ lõi có thể đạt được. Quá trình ủ ngay sau đó ở nhiệt độ 550–680°C để chuyển đổi martensite giòn đã được làm nguội thành martensite đã tôi luyện, đạt được độ bền kéo mục tiêu và sự kết hợp độ bền va đập được chỉ định cho ứng dụng.

Đối với đường kính trục lớn, việc làm cứng xuyên suốt ngày càng trở nên khó khăn khi đường kính tăng, vì tốc độ tôi ở lõi chắc chắn sẽ chậm lại. 34CrNiMo6 (4340) và các loại niken-crom-molypden có độ cứng cao tương tự được xác định chính xác vì độ cứng của chúng cho phép biến đổi hoàn toàn martensite ở các phần có đường kính lên tới 200–300 mm, duy trì các đặc tính nhất quán từ bề mặt đến lõi.

Làm cứng bề mặt tại các tạp chí vòng bi

Trục lăn thường yêu cầu bề mặt cứng hơn ở đường kính trục ổ trục và bất kỳ vùng tiếp xúc lăn nào mà chỉ riêng lõi tôi và tôi có thể cung cấp. Làm cứng cảm ứng là phương pháp làm cứng bề mặt chiếm ưu thế - một cuộn dây cảm ứng tần số cao chỉ làm nóng lớp bề mặt của tạp chí đến nhiệt độ austenitizing trong vài giây, sau đó được làm nguội ngay lập tức để tạo ra trường hợp martensitic cứng 55–62 HRC trên một lõi cứng, có độ cứng thấp hơn. Độ sâu vỏ từ 3–10 mm là điển hình cho các tạp chí trục lăn, với độ sâu được kiểm soát bởi tần số cảm ứng, mật độ công suất và thời gian gia nhiệt. Ứng suất dư do nén gây ra do sự giãn nở bề mặt trong quá trình làm nguội cũng góp phần có lợi cho tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn của tạp chí.

Tiêu chuẩn kiểm tra và kiểm tra chất lượng

Trục lăn được rèn dành cho ứng dụng quan trọng phải trải qua một trình tự kiểm tra xác định trước khi gửi đi — mỗi trục nhắm đến một chế độ hỏng hóc cụ thể liên quan đến tải trọng dịch vụ của trục.

Kiểm tra siêu âm (UT) được thực hiện trên phôi được gia công thô hoặc gia công hoàn thiện để phát hiện các tạp chất bên trong, vòng rèn hoặc vùng phân tách không nhìn thấy được trên bề mặt. Trục lớn thường được thử nghiệm để EN 10228-3 hoặc EN 10228-4 (đối với thép rèn ferit và martensitic tương ứng), với tiêu chí chấp nhận được xác định bởi loại chỉ thị và biên độ phản xạ so với gương phản xạ tham chiếu. Đối với các ứng dụng quan trọng nhất - chẳng hạn như trục nhà máy hạt nhân và trục chính tuabin gió lớn ngoài khơi - UT thể tích 100% với hệ thống quét tự động được chỉ định.

Kiểm tra hạt từ tính (MPI) được áp dụng để phát hiện các vết nứt bề mặt và gần bề mặt, đặc biệt ở các đặc điểm tập trung ứng suất như bán kính phi lê, rãnh then và đường chạy ren. Sau khi làm cứng cảm ứng các ổ trục, MPI được lặp lại tại các vùng đã cứng để phát hiện bất kỳ vết nứt tôi nào trước khi trục tiến hành mài xong.

Kiểm tra cơ khí - độ bền kéo, độ va đập (rãnh chữ V Charpy) và độ cứng - được thực hiện trên các phiếu thử nghiệm được cắt từ một phần kéo dài tích hợp với quá trình rèn hoặc từ một mẫu thử được rèn riêng biệt được xử lý giống hệt với bộ phận sản xuất. Kết quả được báo cáo trong giấy chứng nhận kiểm tra vật liệu phù hợp với EN 10204 Loại 3.1 hoặc 3.2 , tùy thuộc vào việc có cần phải kiểm tra có sự chứng kiến của khách hàng hay không. Độ cứng di chuyển tại lỗ cổ trục xác nhận đạt được độ sâu vỏ và độ cứng lõi sau khi đông cứng cảm ứng.

Kiểm tra kích thước sử dụng máy đo tọa độ (CMM) hoặc phép đo băng ghế chính xác để xác nhận đường kính cổ trục đạt đến dung sai quy định (thường h5 hoặc h6 đối với các khớp ổ trục), độ nhám bề mặt tại các cổ trục (Ra 0,4–0,8 µm đối với các ổ trục lăn), độ đảo (TIR thường ≤0,02 mm trên các cổ trục chính xác) và độ thẳng dọc theo trục trục. Đối với các trục có yêu cầu cân bằng động, độ mất cân bằng dư được xác minh trên máy cân bằng động trước khi ký kết kiểm tra lần cuối.

Trục cán rèn và trục đúc: Tại sao rèn là tiêu chuẩn công nghiệp

Sự vượt trội của trục lăn rèn so với các lựa chọn thay thế đúc trong các ứng dụng tải cao không phải là vấn đề được ưu tiên - nó được hỗ trợ bởi dữ liệu đặc tính cơ học được ghi lại một cách nhất quán qua nhiều thập kỷ thử nghiệm công nghiệp.

Trục thép đúc có độ xốp co ngót khi đông đặc, sự phân chia đuôi gai của các nguyên tố hợp kim và hướng hạt ngẫu nhiên - tất cả đều làm giảm độ bền mỏi và độ bền va đập so với cùng một hợp kim danh nghĩa ở dạng rèn. Dữ liệu so sánh được công bố đối với thép hợp kim cacbon trung bình luôn cho thấy rằng các bộ phận rèn đạt được Giới hạn độ bền mỏi cao hơn 20–35% và Giá trị tác động Charpy cao hơn 40–60% ở độ cứng tương đương so với vật đúc. Trong các ứng dụng trục quay trong đó tải trọng mỏi dẫn đến thiết kế, sự khác biệt này trực tiếp dẫn đến tuổi thọ sử dụng dài hơn hoặc giảm đường kính trục yêu cầu — và cùng với đó là giảm tải trọng ổ trục và quán tính của hệ thống.

Đối với trục cuộn của máy cán, cổ cuộn dự phòng và trục truyền động băng tải nặng — các bộ phận mà một lỗi đang sử dụng có thể làm dừng toàn bộ dây chuyền sản xuất và gây ra thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch kéo dài nhiều ngày với chi phí thương mại đáng kể — phí bảo hiểm gia tăng của việc rèn qua đúc thể hiện một sự biện minh kinh tế đơn giản. Tổng chi phí tính toán quyền sở hữu, bao gồm cả rủi ro thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch, luôn ưu tiên các trục lăn được rèn trong bất kỳ ứng dụng nào hoạt động trên chu kỳ nhiệm vụ hoặc mức tải vừa phải.