단조 강철 샤프트: 프로펠러, 로터 및 스텝 샤프트 단조 가이드

샤프트가 단조되는 이유: 기계가공보다 단조가 필요한 야금학적 사례

A 단조 스틸 샤프트 오픈 다이 해머링, 프레스 단조 또는 회전 단조를 통해 압축력을 가하여 가열된 강철 빌렛을 소성 변형시켜 완성되거나 거의 완성된 형상을 얻는 방식으로 생산됩니다. 이 공정은 스톡 바에서 샤프트를 가공하는 것과 근본적으로 다르며 두 방법 간의 기계적 특성 차이는 안전이 중요한 모든 회전 응용 분야에서 재료 선택을 결정할 만큼 중요합니다.

강철이 단조될 때 소성 변형은 입자 구조를 미세하게 하고 원래 잉곳에 존재하는 내부 다공성과 공극을 닫으며 부품의 윤곽을 따라 금속의 입자 흐름(섬유 흐름)을 정렬합니다. 단조 샤프트에서 그레인은 샤프트의 길이를 따라 연속적으로 흐르고 계단, 숄더 또는 플랜지를 따라가며 균열 발생 및 전파를 방지하는 중단 없는 섬유 구조를 만듭니다. 가공된 스톡 바 샤프트에서 결은 바를 통해 균일하게 흐르며, 이는 모든 단면 절단(예: 숄더 또는 키홈)이 결선을 절단하고 잠재적인 균열 시작 지점을 생성함을 의미합니다.

이러한 차이의 실제 결과는 측정 가능합니다. 단조 강철 샤프트는 일반적으로 20~30% 더 높은 피로 강도, 15~20% 더 높은 충격 인성, 우수한 응력 부식 균열 저항성 동일한 합금의 가공된 등가물과 비교합니다. 사용 중인 거의 모든 동력 전달 및 추진 샤프트를 설명하는 비틀림 피로, 굽힘 하중 및 주기적 응력을 받는 샤프트의 경우 이러한 개선은 서비스 수명 연장과 치명적인 고장 위험 감소로 직접적으로 이어집니다.

샤프트 단조: 가공 방법 및 응용

에 사용되는 방법 샤프트 단조 샤프트의 치수, 형상의 복잡성, 필요한 공차 및 생산량에 따라 달라집니다. 샤프트 생산에는 세 가지 주요 단조 공정이 적용됩니다.

개방형 단조

개방형 단조에서는 작업자나 조작자가 점진적으로 회전하고 위치를 변경하면서 가열된 잉곳 또는 빌렛이 편평하거나 단순한 윤곽의 금형 사이에서 작업됩니다. 다이가 공작물을 완전히 둘러싸지 않으므로 "오픈 다이"입니다. 이 방법은 선박용 프로펠러 샤프트, 터빈 로터 샤프트, 대형 발전기 샤프트, 밀 롤 등 폐쇄형 장비의 크기 제한을 초과하는 대형 샤프트에 사용됩니다. 개방형 단조 샤프트는 길이가 15미터를 초과하고 무게가 100미터톤 이상에 달할 수 있습니다. 단조의 결정립 미세화 및 공극 폐쇄 이점은 이 공정에서 완전히 실현되며 개방형 금형 툴링의 유연성으로 인해 소량, 대형 샤프트 생산에 비용 효율적입니다.

폐쇄 다이(인상 다이) 단조

폐쇄 다이 단조는 최종 샤프트 형상을 정의하는 일치하는 다이 세트를 사용하여 가열된 강철이 고압에서 다이 캐비티를 채우도록 합니다. 이 방법은 개방형 단조보다 더 엄격한 치수 공차와 더 복잡한 순 형상에 가까워 단조 후 가공 요구 사항을 줄입니다. 이는 일관된 치수의 샤프트를 중간 규모로 생산하는 데 경제적으로 적합합니다. 자동차 차축 샤프트, 터빈 압축기 샤프트 및 유압 펌프 샤프트가 일반적인 예입니다. 플래시(다이 파팅 라인에서 압착된 잉여 재료)는 단조 후 다듬어집니다.

회전식(방사형) 단조

회전 단조는 공작물이 다이 세트를 통해 축 방향으로 공급될 때 공작물을 동시에 타격하는 방사형으로 배열된 여러 개의 다이를 사용하여 길이를 따라 점차적으로 직경을 줄입니다. 이 방법은 치수 일관성과 표면 마감이 뛰어난 계단식 샤프트, 테이퍼 샤프트 및 중공 샤프트를 생산합니다. 이는 정밀 항공우주 샤프트, 구동 샤프트 및 공차를 최소화하기 위해 여러 직경 변경을 유지해야 하는 단조 스텝 샤프트 생산에 사용됩니다. 회전 단조는 단조의 결정립 미세화 이점을 적용하는 동시에 회전 막대에 가까운 표면 마감을 달성하여 마감 비용을 크게 절감합니다.

프로펠러 샤프트 단조: 해양 및 항공우주 요구 사항

프로펠러 샤프트 단조 엔지니어링 분야에서 가장 까다로운 샤프트 응용 분야 중 하나입니다. 해양 프로펠러 샤프트는 프로펠러 무게와 유체 역학적 힘으로 인한 지속적인 굽힘 하중, 프로펠러 추력 변동으로 인한 비틀림 피로, 선미 튜브에서 해수의 부식성 환경을 견디면서 선박 주 엔진의 전체 토크 출력(대형 상업용 선박의 경우 잠재적으로 수천 킬로와트)을 프로펠러에 전달해야 합니다.

해양 프로펠러 샤프트의 경우, 진공 탈기된 강철 잉곳을 사용하여 개방형 단조하는 것이 표준 생산 경로입니다. 일반적인 합금 선택에는 다음이 포함됩니다. 소형 선박용 AISI 1045 및 1050과 같은 탄소강 등급 부식성 환경이나 프리미엄 응용 분야를 위한 4140(Cr-Mo), 4340(Ni-Cr-Mo)과 같은 합금강과 316L 또는 듀플렉스 2205와 같은 스테인리스 등급이 있습니다. Lloyd's Register, DNV GL 및 ABS를 포함한 선급 협회에서는 단조 프로펠러 샤프트가 설치 전에 충족해야 하는 재료 등급, 단조 절차, 초음파 테스트 표준 및 기계적 특성 요구 사항을 지정합니다.

단조 프로펠러 샤프트의 주요 치수 특징은 다음과 같습니다. 프로펠러 테이퍼 바깥쪽 끝(프로펠러 보스가 안착되고 프로펠러 너트로 잠긴 곳)에서 중간 베어링 저널 (선미 베어링에 의해 지지되는 정밀 연삭된 원통형 섹션) 및 기어박스 출력 샤프트에 연결되는 내부 플랜지 또는 커플링. 이러한 모든 기능은 샤프트와 일체형으로 단조되어 있습니다. 용접 구조는 상업용 선박의 프로펠러 샤프트 플랜지에 대한 분류 협회에서 허용되지 않습니다.

항공우주 프로펠러 샤프트 단조품

피스톤 또는 터보프롭 엔진을 장착한 항공기에서 프로펠러 샤프트는 엔진 출력을 프로펠러 허브에 전달하며 항공기가 조종할 때 자이로스코프 굽힘 모멘트를 견뎌야 합니다. 항공우주 프로펠러 샤프트 단조품은 고강도 합금강(4340, 300M) 또는 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)으로 생산되며 중량이 중요한 응용 분야에 사용되며 단조, 열처리, 비파괴 테스트 및 치수 검사를 관리하는 AMS 재료 및 공정 사양이 적용됩니다. 항공우주 프로펠러 샤프트의 피로 수명은 일반적으로 정의된 비행 사이클 횟수로 인증되며, 그 이후에는 겉보기 조건에 관계없이 강제 교체가 필요합니다.

단조 로터 샤프트: 발전 및 산업용 회전 기계

A 단조 로터 샤프트 회전 기계(터빈, 발전기, 압축기 또는 전기 모터)의 중심 구조 요소로, 활성 구성 요소(터빈 블레이드, 발전기 권선, 임펠러 스테이지)가 조립되거나 직접 장착됩니다. 로터 샤프트는 회전하는 어셈블리의 결합된 동적 하중을 전달하고, 구동 원동기에서 하중으로 토크를 전달하며, 수십 년에 걸쳐 측정된 서비스 수명 동안 넓은 온도 및 속도 범위에서 치수 안정성을 유지합니다.

증기 및 가스 터빈에서 단조 로터 샤프트는 생산되는 가장 기술적으로 까다로운 대형 단조품 중 일부를 나타냅니다. 에이 대형 증기 터빈 로터 샤프트 길이는 10~15m, 무게는 50~150톤일 수 있으며 고압 터빈 섹션에서 최대 600°C의 높은 온도에서 3,000 또는 3,600RPM(각각 50Hz 및 60Hz 그리드 동기화의 경우)으로 지속적으로 작동해야 합니다. 선택한 강철(일반적으로 26NiCrMoV14-5 또는 30CrMoV9 등)의 Cr-Mo-V 저합금 등급은 작동 온도에서 적절한 크리프 저항성, 고온 인장 강도 및 파괴 인성을 유지하는 동시에 30~40년의 설계 수명 동안 취성에 저항해야 합니다.

대형 로터 샤프트의 단조 공정은 진공 유도 용해(VIM)로 시작하여 진공 아크 재용해(VAR) 또는 일렉트로슬래그 재용해(ESR)로 시작하여 고주기 피로 응용 분야에 필요한 화학적 균질성과 청결성을 달성합니다. 그런 다음 정련된 잉곳은 여러 번의 재가열 사이클을 통해 개방형 단조되어 재료가 단면 중앙까지 가공됩니다. 이를 통해 대구경 샤프트의 코어가 표면과 동일한 입자 미세화를 받도록 보장합니다. 내부 결함을 감지하기 위한 초음파 검사(UT)는 필수입니다. EN 10228-3, ASTM A388 및 고객별 사양과 같은 표준에 의해 정의된 허용 기준에 따라 생산의 여러 단계에서 사용됩니다.

전기 모터 및 발전기 로터 샤프트

중소 규모 범위의 전기 모터 및 발전기의 경우 단조 로터 샤프트는 중탄소 합금강(4140, 4340) 또는 미세 합금강을 사용하여 폐쇄 다이 또는 회전 단조를 통해 생산됩니다. 샤프트는 정밀한 베어링 저널 표면을 제공하고, 회전자 스택 장착 직경의 동심도를 엄격한 런아웃 공차 내에서 유지하고, 모터 시동 및 부하 과도 현상과 관련된 비틀림 충격 부하를 견뎌야 합니다. 터보 발전기 ​​및 항공우주 모터 발전기와 같은 고속 응용 분야에서는 회전 질량을 최소화하고 베어링 부하를 줄이기 위해 티타늄 합금 로터 샤프트가 사용됩니다.

단조 스텝 샤프트: 다중 직경 형상 및 설계 고려 사항

A 단조 스텝 샤프트 - 계단형 샤프트 또는 다중 직경 샤프트라고도 함 - 길이를 따라 직경이 다른 두 개 이상의 별도의 원통형 섹션이 특징이며, 균일한 막대를 기계 가공하여 생성되는 것이 아니라 단조 공정 중에 일체형으로 생성됩니다. 각각의 직경 변경은 베어링 내부 레이스 찾기, 기어 또는 풀리 허브가 안착할 면 제공, 더 큰 토크 전달 섹션에서 더 작은 저널로 전환 또는 밀봉 표면 수용과 같은 기능적 목적을 수행하는 숄더 또는 계단을 생성합니다.

구조적인 관점에서 볼 때 스텝 샤프트의 숄더는 응력 집중 지점입니다. 샤프트 숄더의 응력 집중 계수(Kt)는 세 가지 기하학적 매개변수에 따라 달라집니다. : 큰 직경과 작은 직경의 비율(D/d), 숄더의 필렛 반경(r) 및 적용된 하중 유형(굽힘, 비틀림 또는 축). 날카로운 모서리의 숄더(r/d → 0)는 굽힘 시 2.5~3.5의 Kt 값을 생성할 수 있어 국부 피로 강도를 공칭 재료 값의 1/3로 효과적으로 줄입니다. 적절한 비율의 필렛 반경(일반적으로 회전 샤프트에는 r/d ≥ 0.1이 권장됨)은 Kt를 1.3~1.7로 줄여 모재 피로 성능의 대부분을 회복합니다.

대형 바 스톡을 가공하는 대신 스텝 샤프트를 단조하면 숄더 영역에 두 가지 복합적인 이점이 있습니다. 즉, 곡물 흐름이 스텝의 윤곽을 따르고(기계 가공으로 가로 방향으로 절단되지 않음), 단조 공정은 사용 중에 생성되는 인장 피로 응력에 반대되는 표면에 유익한 압축 잔류 응력을 도입합니다. 이러한 효과가 결합되어 단조 스텝 샤프트는 응력 집중 기능에서 가공된 등가물보다 훨씬 더 피로에 강합니다. 이는 바로 사용 중 피로 파괴가 시작되는 지점입니다.

일반적인 응용 분야 및 합금 선택

• 기어박스 입력 및 출력 샤프트: 4140 또는 4340 합금강으로 단조되고 28-34 HRC로 열처리되었으며 베어링 저널, 기어 장착 보어 및 커플링 플랜지를 위한 여러 직경 단계가 있습니다. 거친 가공 후에 기어 톱니 부분의 표면 경화(침탄 또는 질화)가 적용됩니다.
• 자동차 액슬 샤프트: 휠 허브용 바깥쪽 끝에 큰 플랜지가 있는 1541 또는 4140의 단조 계단식 샤프트, 차동 캐리어 베어링을 통한 축소된 저널 섹션, 차동 사이드 기어와 맞물리는 스플라인 내부 끝이 있습니다.
• 펌프 및 압축기 샤프트: 부식성 서비스를 위한 단조 316 스테인리스 또는 듀플렉스 스테인리스 스텝 샤프트, 간섭 끼워 맞춤 조립을 위해 h6 또는 js6 공차를 유지하는 정밀 연삭 베어링 저널 및 임펠러 장착 스텝이 있습니다.
• 풍력 터빈 메인 샤프트: 42CrMo4 또는 S34MnV의 대규모 오픈 다이 단조 스텝 샤프트로 로터 허브를 기어박스 입력에 연결합니다. 길이는 2~4m, 무게는 10~25톤이며 베어링 저널 직경은 500mm를 초과합니다.

단조 스텝 샤프트와 가공된 스텝 샤프트: 주요 차이점