단조 롤링 샤프트: 제조 공정, 재료 및 선택 가이드

무엇입니까? 단조 롤링 샤프트 ?

A 단조 롤링 샤프트 바 스톡만으로 주조하거나 가공하는 것이 아니라 가열된 강철 빌렛을 높은 압축력으로 성형하는 단조 공정을 통해 생산되는 회전 또는 하중 전달 원통형 구성 요소입니다. 단조 방법과 후속 정밀 기계 가공 및 열처리 단계를 결합하면 주조 또는 단순 선삭 대체 방법에 비해 기계적 무결성이 우수한 샤프트가 생성되며, 단조 샤프트는 압연기 장비, 컨베이어 구동 시스템, 대형 프레스 기계 및 동력 전달 구동계와 같은 고부하, 고주기 압연 응용 분야의 표준 사양이 됩니다.

단조 샤프트의 특징은 다음과 같습니다. 정제된 입자 구조 . 단조 중에 뜨거운 강철의 압축 가공은 주조 빌렛에 내재된 거친 돌기 입자 구조를 분해하고 부품의 윤곽을 따라 입자 흐름 선의 방향을 바꿉니다. 그 결과 단면 전반에 걸쳐 일관된 기계적 특성을 지닌 균질하고 세밀한 미세 구조가 생성됩니다. 이는 균열 발생이나 전파 없이 구름 접촉 또는 비틀림 피로 환경에서 수백만 번의 하중 주기를 유지해야 하는 샤프트에 중요한 이점입니다.

압연기 및 중공업 환경에서 "롤링 샤프트"라는 용어는 작업 롤 샤프트, 백업 롤 샤프트, 피니언 샤프트 및 컨베이어 구동 샤프트와 같은 여러 관련 구성 요소를 포함하며, 모두 높은 피로 저항, 베어링 저널 및 커플링 인터페이스의 치수 정밀도, 결합된 굽힘, 비틀림 및 방사형 하중 하에서 안정적인 성능에 대한 요구 사항을 공유합니다.

롤링 샤프트 생산에 사용되는 단조 방법

롤링 샤프트를 생산하기 위해 여러 단조 공정이 사용되며 각각은 다양한 크기 범위, 생산량 및 기계적 특성 요구 사항에 적합합니다. 단조 방법의 선택은 입자 흐름 품질, 단조 블랭크의 치수 정확도 및 필요한 후속 가공 정도에 직접적인 영향을 미칩니다.

자유단조(자유단조)

개방형 단조는 대형 롤링 샤프트(특히 직경이 500mm 또는 길이가 수 미터를 초과하는 샤프트)에 대한 지배적인 공정입니다. 여기서 폐쇄형 금형은 규모와 무게로 인해 실용적이지 않습니다. 가열된 잉곳 또는 빌렛은 유압 프레스 또는 단조 해머의 평면 또는 단순 프로파일 다이 사이에서 점진적으로 작업되며, 작업자는 각 프레스 스트로크 사이에서 공작물을 회전 및 재배치하여 목표 모양과 단면을 달성합니다.

개방형 샤프트 단조의 핵심 공정 매개변수는 다음과 같습니다. 단조 비율 - 단조 샤프트의 최종 단면적에 대한 잉곳의 원래 단면적의 비율. 최소 단조 비율 3:1 ~ 4:1 일반적으로 주조 잉곳 구조를 완전히 분해하고, 내부 다공성을 줄이고, 단조 샤프트에 주조에 비해 기계적 이점을 제공하는 정제된 입자 구조를 개발하는 데 필요합니다. 대형 압연기 백업 롤 샤프트와 같은 중요한 응용 분야의 경우 전체 단면을 통해 가능한 가장 깊은 입자 미세화를 보장하기 위해 5:1 이상의 단조 비율이 지정됩니다.

개방형 단조는 넉넉한 가공 여유(대형 부품의 표면당 일반적으로 20~50mm)를 갖춘 샤프트를 생산한 다음 황삭 및 정삭 선삭, 연삭, 베어링 시트, 키홈 및 커플링 스플라인을 최종 치수 공차에 맞춰 정밀 가공하여 제거합니다.

폐금단조(인형단조)

변속기 입력 샤프트, 기어박스의 피니언 샤프트, 자동 컨베이어 시스템의 구동 샤프트와 같이 대량으로 생산되는 소형 롤링 샤프트의 경우 폐쇄 다이 단조는 탁월한 치수 일관성과 거의 순 형상에 가까운 출력을 제공합니다. 빌렛은 계단식 직경, 플랜지 및 일체형 기능을 포함하여 샤프트의 전체 네거티브 프로파일을 포함하는 일치하는 다이 반쪽 내에서 압축됩니다. 이 공정에는 상당한 선행 툴링 투자가 필요하지만 개방형 단조에 비해 조각당 가공 시간과 재료 낭비가 크게 줄어듭니다.

현대의 샤프트 폐쇄형 단조는 금속 흐름을 점진적으로 분배하고 랩, 콜드 셧 또는 얇은 부분의 불완전 충전과 같은 결함을 방지하기 위해 프리폼, 블로커, 피니셔 등 여러 단계로 진행되는 경우가 많습니다.

회전 단조 및 방사형 단조

방사형 단조 - 빌렛이 회전하고 축 방향으로 전진할 때 공작물 주위에 방사형으로 배열된 여러 다이가 동시에 타격을 가하는 방식은 특히 장축 생산에 매우 적합합니다. 이 공정은 각 축 위치의 전체 원주 주위에 균일한 변형을 제공하여 전체 샤프트 길이에 걸쳐 매우 일관된 입자 구조와 치수 정확도를 생성합니다. 고정밀 압연기 작업 롤 샤프트와 모든 반경 방향의 대칭 기계적 특성이 중요한 대형 발전 로터 샤프트에 대해 반경 방향 단조가 점점 더 많이 지정되고 있습니다.

단조 롤링 샤프트의 재료 선택

단조 롤링 샤프트용으로 선택된 강종은 굽힘 및 비틀림 피로를 견딜 수 있는 충분한 코어 강도 및 인성, 베어링 저널 및 접촉 영역의 마모를 견딜 수 있는 열처리 후 적절한 표면 경도, 단조 작업 중 완전한 결정립 미세화를 허용하는 우수한 단조성 등 응용 분야의 결합된 요구 사항을 충족해야 합니다. 다음 등급은 업계 전반에 걸쳐 가장 널리 지정된 재료를 나타냅니다.

재료 청결도 및 함유물 제어

크거나 응력이 높은 롤링 샤프트의 경우 강철의 청정도, 특히 비금속 개재물의 크기, 분포 및 유형이 합금 구성만큼 중요합니다. 함유물은 반복 하중 하에서 피로 균열을 시작하는 응력 집중 지점으로 작용합니다. 프리미엄 샤프트 강은 다음을 통해 생산됩니다. 진공 탈기(VD) 또는 진공 아크 재용해(VAR) 산소와 황 함량을 획기적으로 줄이고 함유물 수를 최소화하는 공정입니다. 단조 샤프트 블랭크의 초음파 테스트 1921년 9월 클래스 C/c 이상 중요한 압연기 및 발전 샤프트 응용 분야의 표준으로, 가공 투자가 이루어지기 전에 응력이 큰 보어 및 저널 영역에 심각한 함유물이 존재하지 않도록 보장합니다.

단조 롤링 샤프트의 열처리

단조만으로는 서비스에 필요한 최종 기계적 특성을 얻을 수 없습니다. 코어 강도, 표면 경도 및 잔류 응력 상태의 목표 조합을 개발하려면 단조 후 신중하게 제어되는 열처리 순서가 필수적입니다.

단조 후 정규화 또는 어닐링

단조 후 즉시 대형 샤프트를 노멀라이징(오스테나이트화 온도에서 공냉식)하거나 연화 어닐링하여 단조 응력을 완화하고 미세 구조를 균질화하며 거친 가공에 적합한 수준으로 경도를 줄입니다. 단조 냉각 단계에서 열 구배로 인한 담금질 균열을 방지하려면 직경이 약 150mm를 초과하는 합금강 샤프트에 대해 용광로의 서냉 제어가 필수입니다.

담금질 및 템퍼

담금질 및 템퍼링(Q&T) 중탄소강 및 합금강 롤링 샤프트의 주요 강화 처리입니다. 샤프트는 등급에 따라 820~900°C에서 오스테나이트화되고 오일, 물 또는 폴리머 담금질 매체로 담금질되어 단면 전체에 걸쳐 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태됩니다. 강철의 경화성과 샤프트 직경에 따라 결정되는 전체 마르텐사이트 변태 깊이가 달성 가능한 코어 경도와 강도를 결정합니다. 템퍼링은 550~680°C에서 즉시 취성 담금질 마르텐사이트를 템퍼링 마르텐사이트로 변환하여 해당 응용 분야에 지정된 목표 인장 강도와 충격 인성 조합을 달성합니다.

샤프트 직경이 큰 경우 코어의 담금질 속도가 필연적으로 느려지기 때문에 직경이 증가함에 따라 경화를 통한 경화가 점점 더 어려워집니다. 34CrNiMo6 (4340) 유사한 고경화성 니켈-크롬-몰리브덴 등급은 경화성이 최대 200-300mm 직경의 단면에서 완전한 마르텐사이트 변형을 허용하고 표면에서 코어까지 일관된 특성을 유지하기 때문에 정확하게 지정됩니다.

베어링 저널의 표면 경화

롤링 샤프트는 담금질 및 템퍼링 코어만 제공할 수 있는 것보다 베어링 저널 직경과 롤링 접촉 영역에서 더 단단한 표면을 요구하는 경우가 많습니다. 고주파 경화 지배적인 표면 경화 방법입니다. 고주파 유도 코일은 저널의 표면층만 몇 초 만에 오스테나이트화 온도로 가열한 다음 즉시 담금질하여 단단한 마르텐사이트 케이스를 생성합니다. 55~62HRC 단단하고 경도가 낮은 코어 위에. 롤링 샤프트 저널의 경우 일반적으로 케이스 깊이가 3~10mm이며, 깊이는 유도 주파수, 전력 밀도 및 가열 지속 시간에 따라 제어됩니다. 담금질 중 표면 팽창으로 인해 발생하는 압축 잔류 응력도 저널의 구름 접촉 피로 수명에 유익하게 기여합니다.

품질 검사 및 테스트 표준

중요한 용도로 사용되는 단조 롤링 샤프트는 배송 전에 정의된 검사 순서를 거칩니다. 각 검사는 샤프트의 사용 부하와 관련된 특정 고장 모드를 대상으로 합니다.

초음파 검사(UT) 표면에 보이지 않는 내부 개재물, 단조 랩 또는 분리 영역을 감지하기 위해 거칠게 가공되거나 마무리 가공된 블랭크에서 수행됩니다. 대형 샤프트는 일반적으로 다음과 같이 테스트됩니다. EN 10228-3 또는 EN 10228-4 (각각 페라이트 및 마르텐사이트 강철 단조품에 대해), 기준 반사체에 대한 표시 등급 및 반사 진폭으로 정의된 허용 기준이 있습니다. 원자력 발전소 샤프트 및 대형 해상 풍력 터빈 메인 샤프트와 같은 가장 중요한 응용 분야의 경우 자동 스캐닝 시스템을 갖춘 100% 체적 UT가 지정됩니다.

자분탐상검사(MPI) 특히 필렛 반경, 키홈, 스레드 런아웃과 같은 응력 집중 기능에서 표면 및 표면 근처 균열을 감지하는 데 적용됩니다. 베어링 저널의 유도 경화 후 MPI는 경화된 영역에서 반복되어 샤프트가 연삭을 완료하기 전에 담금질 균열을 감지합니다.

기계적 테스트 - 인장, 충격(샤르피 V-노치) 및 경도 - 단조품과 동일하게 처리된 별도의 단조 시험편 또는 단조품의 연장 부분에서 잘라낸 시험 쿠폰에 대해 수행됩니다. 결과는 다음을 준수하는 재료 테스트 인증서로 보고됩니다. EN 10204 유형 3.1 또는 3.2 , 고객 입회 검사가 필요한지 여부에 따라 다릅니다. 저널 보어에서의 경도 횡단은 유도 경화 후 달성된 케이스 깊이와 코어 경도를 확인합니다.

치수검사 좌표 측정기(CMM) 또는 정밀 벤치 측정을 사용하여 지정된 공차에 대한 저널 직경을 확인합니다(일반적으로 h5 또는 h6 베어링 맞춤의 경우), 저널의 표면 거칠기(롤링 요소 베어링 시트의 경우 Ra 0.4–0.8μm), 런아웃(정밀 샤프트 저널의 TIR은 일반적으로 0.02mm 이하) 및 샤프트 축을 따른 직진도입니다. 동적 균형 요구 사항이 적용되는 샤프트의 경우 최종 검사 승인 전에 동적 균형 기계에서 잔류 불균형을 확인합니다.

단조 및 주조 롤링 샤프트: 단조가 업계 표준인 이유

고하중 응용 분야에서 주조 대안에 비해 단조 롤링 샤프트의 우월성은 선호의 문제가 아닙니다. 이는 수십 년간의 산업 테스트에서 일관되게 문서화된 기계적 특성 데이터에 의해 뒷받침됩니다.

주강 샤프트에는 응고 수축 다공성, 합금 원소의 수지상 분리 및 무작위 결정 방향이 포함되어 있습니다. 이 모든 요소는 단조 형태의 동일한 공칭 합금에 비해 피로 강도와 충격 인성을 감소시킵니다. 중탄소합금강에 대해 발표된 비교 데이터는 단조 부품이 피로 내구성 한계 20~35% 증가 그리고 40~60% 더 높은 샤르피 충격 값 주물과 동등한 경도. 피로 하중이 설계를 좌우하는 회전 샤프트 응용 분야에서 이러한 차이는 서비스 수명 연장 또는 필요한 샤프트 직경 감소로 직접적으로 해석되며, 이에 따라 베어링 하중 및 시스템 관성이 감소합니다.

압연기 작업 롤 샤프트, 백업 롤 넥 및 무거운 컨베이어 구동 샤프트(한 번의 서비스 중 오류로 인해 전체 생산 라인이 중단되고 상당한 상업적 비용으로 며칠 간의 계획되지 않은 가동 중지 시간이 발생할 수 있는 구성 요소)의 경우 주조에 대한 단조의 증분 프리미엄은 직접적인 경제적 정당성을 나타냅니다. 계획되지 않은 가동 중지 시간 위험을 포함한 총 소유 비용 계산에서는 중간 듀티 사이클 또는 부하 수준 이상으로 작동하는 모든 응용 분야에서 단조 롤링 샤프트가 지속적으로 선호됩니다.