เพลากลิ้งปลอมแปลง: กระบวนการผลิต วัสดุ และคู่มือการเลือก

ก.คืออะไร เพลากลิ้งปลอมแปลง ?

A เพลากลิ้งปลอมแปลง เป็นส่วนประกอบทรงกระบอกที่หมุนหรือส่งภาระซึ่งผลิตผ่านกระบวนการตีขึ้นรูป ซึ่งเหล็กแท่งยาวที่ได้รับความร้อนจะถูกขึ้นรูปภายใต้แรงอัดสูง แทนที่จะทำการหล่อหรือการตัดเฉือนจากสต็อกแท่งเพียงอย่างเดียว การผสมผสานระหว่างวิธีการตีขึ้นรูปกับขั้นตอนการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำและการรักษาความร้อนที่ตามมาจะทำให้เพลามีความสมบูรณ์ทางกลที่เหนือกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อหรือทางเลือกอื่นที่หมุน ทำให้เพลาฟอร์จเป็นข้อกำหนดมาตรฐานในการใช้งานการรีดรอบสูงที่โหลดสูง เช่น อุปกรณ์โรงรีด ระบบขับเคลื่อนสายพานลำเลียง เครื่องจักรกดหนัก และระบบขับเคลื่อนส่งกำลัง

ลักษณะเฉพาะของเพลาฟอร์จคือ โครงสร้างเกรนละเอียด . ในระหว่างการตีขึ้นรูป การทำงานด้วยแรงอัดของเหล็กร้อนจะทำลายโครงสร้างเกรนเดนไดรต์หยาบที่มีอยู่ในเหล็กแท่งหล่อ และปรับแนวเส้นการไหลของเกรนใหม่ตามแนวโค้งของชิ้นส่วน ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างจุลภาคเนื้อละเอียดที่เป็นเนื้อเดียวกันพร้อมคุณสมบัติทางกลที่สม่ำเสมอตลอดทั้งหน้าตัด — ข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับเพลาที่ต้องรองรับรอบการโหลดนับล้านครั้งในสภาพแวดล้อมที่สัมผัสการหมุนหรือความล้าจากแรงบิดโดยไม่มีการเริ่มต้นหรือการแพร่กระจายของรอยแตก

ในโรงงานรีดและอุตสาหกรรมหนัก คำว่า "เพลากลิ้ง" จะหมายรวมถึงส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องหลายอย่าง เช่น เพลาลูกกลิ้งทำงาน เพลาลูกกลิ้งสำรอง เพลาเฟือง และเพลาขับสายพานลำเลียง ซึ่งทั้งหมดนี้ล้วนมีข้อกำหนดเหมือนกันในด้านความต้านทานความล้าสูง ความแม่นยำของมิติที่เจอร์นัลของตลับลูกปืนและส่วนต่อประสานของข้อต่อ และประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ภายใต้การโค้งงอ แรงบิด และการโหลดในแนวรัศมีรวมกัน

วิธีการตีขึ้นรูปที่ใช้ในการผลิตเพลากลิ้ง

มีการใช้กระบวนการตีขึ้นรูปหลายอย่างเพื่อผลิตเพลากลิ้ง ซึ่งแต่ละกระบวนการเหมาะกับช่วงขนาด ปริมาณการผลิต และข้อกำหนดด้านคุณสมบัติทางกลที่แตกต่างกัน การเลือกวิธีการตีขึ้นรูปส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการไหลของเกรน ความแม่นยำของมิติของชิ้นงานปลอม และขอบเขตของการตัดเฉือนที่ตามมาที่จำเป็น

การตีขึ้นรูปแบบเปิด (การตีขึ้นรูปฟรี)

การตีขึ้นรูปแบบเปิดเป็นกระบวนการหลักสำหรับเพลากลิ้งขนาดใหญ่ โดยเฉพาะเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 500 มม. หรือความยาวหลายเมตร ซึ่งการใช้แม่พิมพ์แบบปิดอาจไม่สามารถทำได้เนื่องจากขนาดและน้ำหนักที่เกี่ยวข้อง แท่งโลหะหรือเหล็กแท่งที่ให้ความร้อนจะถูกทำงานอย่างต่อเนื่องระหว่างแม่พิมพ์แบบแบนหรือแบบธรรมดาบนเครื่องอัดไฮดรอลิกหรือค้อนทุบ โดยผู้ปฏิบัติงานจะหมุนและเปลี่ยนตำแหน่งชิ้นงานระหว่างจังหวะการกดแต่ละครั้งเพื่อให้ได้รูปทรงและหน้าตัดของเป้าหมาย

พารามิเตอร์กระบวนการสำคัญในการตีเพลาแบบเปิดคือ อัตราส่วนการปลอม — อัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัดเดิมของแท่งโลหะต่อพื้นที่หน้าตัดสุดท้ายของเพลาหลอม อัตราส่วนการปลอมขั้นต่ำของ 3:1 ถึง 4:1 โดยทั่วไปจำเป็นต้องทำลายโครงสร้างเหล็กหล่อให้หมด ปิดรูพรุนภายใน และพัฒนาโครงสร้างเกรนที่ผ่านการขัดเกลาซึ่งทำให้เพลาฟอร์จมีความได้เปรียบทางกลมากกว่าการหล่อ สำหรับการใช้งานที่สำคัญ เช่น เพลาลูกกลิ้งสำรองของโรงรีดขนาดใหญ่ จะมีการระบุอัตราส่วนการตีที่ 5:1 หรือสูงกว่า เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้ความละเอียดของเกรนที่ลึกที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ผ่านหน้าตัดทั้งหมด

การตีขึ้นรูปแบบเปิดทำให้เกิดเพลาที่มีระยะเผื่อการตัดเฉือนมาก — โดยทั่วไป 20–50 มม. ต่อพื้นผิวบนชิ้นส่วนขนาดใหญ่ — ซึ่งจากนั้นจะถูกกำจัดออกโดยการกลึงหยาบและการเก็บผิวละเอียด การเจียร และการตัดเฉือนอย่างแม่นยำสำหรับฐานแบริ่ง ร่องสลัก และร่องข้อต่อจนถึงพิกัดความคลาดเคลื่อนของมิติสุดท้าย

การตีขึ้นรูปแบบปิด (การตีขึ้นรูปด้วยความประทับใจ)

สำหรับเพลากลิ้งขนาดเล็กที่ผลิตในปริมาณที่มากขึ้น เช่น เพลาอินพุตเกียร์ เพลาเฟืองในกระปุกเกียร์ และเพลาขับในระบบสายพานลำเลียงอัตโนมัติ การตีขึ้นรูปแบบปิดให้ความสม่ำเสมอของมิติที่เหนือกว่าและเอาต์พุตที่มีรูปร่างใกล้เคียงสุทธิ บิลเล็ตถูกบีบอัดภายในครึ่งหนึ่งของดายที่เข้ากันซึ่งมีโปรไฟล์เชิงลบทั้งหมดของเพลา รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางขั้นบันได หน้าแปลน และคุณสมบัติที่เป็นส่วนประกอบ กระบวนการนี้ต้องใช้การลงทุนด้านเครื่องมือล่วงหน้าจำนวนมาก แต่ช่วยลดเวลาในการตัดเฉือนต่อชิ้นและการสิ้นเปลืองวัสดุได้อย่างมาก เมื่อเทียบกับการตีขึ้นรูปแบบเปิด

การตีเพลาด้วยแม่พิมพ์ปิดสมัยใหม่มักดำเนินการในขั้นตอนที่ก้าวหน้าหลายขั้นตอน — ขึ้นรูปล่วงหน้า ตัวบล็อก และตัวตกแต่ง — เพื่อกระจายการไหลของโลหะอย่างค่อยเป็นค่อยไป และหลีกเลี่ยงข้อบกพร่อง เช่น รอบ การปิดเย็น หรือการเติมที่ไม่สมบูรณ์ในส่วนที่บาง

การตีแบบหมุนและการตีแบบเรเดียล

การตีขึ้นรูปเรเดียล — ซึ่งมีแม่พิมพ์หลายตัวจัดเรียงตามแนวรัศมีรอบๆ ชิ้นงานที่กระแทกพร้อมกันในขณะที่แท่งเหล็กหมุนและเคลื่อนตัวในแนวแกน — เหมาะอย่างยิ่งกับการผลิตเพลายาว กระบวนการนี้ทำให้เกิดการเสียรูปสม่ำเสมอรอบๆ เส้นรอบวงเต็มตำแหน่งตามแนวแกนแต่ละตำแหน่ง ทำให้เกิดโครงสร้างเกรนที่สม่ำเสมอเป็นพิเศษและความแม่นยำของมิติตลอดความยาวของเพลาทั้งหมด การตีแบบเรเดียลมีการระบุเพิ่มมากขึ้นสำหรับเพลาลูกกลิ้งงานโรงรีดที่มีความแม่นยำสูง และสำหรับเพลาโรเตอร์สำหรับผลิตพลังงานขนาดใหญ่ ซึ่งคุณสมบัติทางกลแบบสมมาตรในทุกทิศทางในแนวรัศมีมีความสำคัญ

การเลือกวัสดุสำหรับเพลากลิ้งฟอร์จ

เกรดเหล็กที่เลือกสำหรับเพลากลิ้งหลอมจะต้องตอบสนองความต้องการในการใช้งานร่วมกัน ได้แก่ ความแข็งแรงของแกนกลางที่เพียงพอและความเหนียวในการต้านทานการโค้งงอและความล้าจากแรงบิด ความแข็งของพื้นผิวที่เพียงพอหลังการบำบัดความร้อนเพื่อต้านทานการสึกหรอที่รอยประสานของตลับลูกปืนและบริเวณหน้าสัมผัส และความสามารถในการตีขึ้นรูปที่ดีเพื่อให้มีการปรับแต่งเกรนอย่างสมบูรณ์ในระหว่างการตีขึ้นรูป เกรดต่อไปนี้แสดงถึงวัสดุที่ได้รับการระบุไว้อย่างกว้างขวางที่สุดในอุตสาหกรรม

ความสะอาดของวัสดุและการควบคุมการรวม

สำหรับเพลากลิ้งขนาดใหญ่หรือมีความเค้นสูง ความสะอาดของเหล็ก โดยเฉพาะขนาด การกระจายตัว และประเภทของสิ่งที่เจือด้วยอโลหะ มีความสำคัญพอๆ กับองค์ประกอบของโลหะผสม สิ่งเจือปนทำหน้าที่เป็นจุดรวมตัวของความเครียดที่ทำให้เกิดรอยแตกเมื่อยล้าภายใต้การโหลดแบบวน เหล็กเพลาพรีเมี่ยมผลิตผ่าน การไล่แก๊สด้วยสุญญากาศ (VD) หรือการหลอมอาร์กด้วยสุญญากาศ (VAR) กระบวนการที่ลดปริมาณออกซิเจนและซัลเฟอร์ลงอย่างมาก และลดจำนวนการรวมเข้าให้เหลือน้อยที่สุด การทดสอบอัลตราโซนิกของช่องว่างเพลาฟอร์จ กันยายน 1921 คลาส C/c หรือดีกว่า เป็นมาตรฐานสำหรับการใช้งานที่สำคัญของโรงรีดและเพลาผลิตไฟฟ้า เพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีการเจือปนที่สำคัญในพื้นที่เจาะและรอยต่อที่มีความเครียดสูงก่อนที่จะลงทุนด้านการตัดเฉือน

การรักษาความร้อนของเพลากลิ้งฟอร์จ

การตีขึ้นรูปเพียงอย่างเดียวไม่บรรลุคุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้ายที่จำเป็นสำหรับการบริการ ลำดับการบำบัดความร้อนที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวังหลังจากการตีขึ้นรูปถือเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาเป้าหมายที่ผสมผสานระหว่างความแข็งแรงของแกน ความแข็งของพื้นผิว และสถานะความเค้นตกค้าง

การทำให้เป็นมาตรฐานหรือการหลอมหลังจากการปลอม

ทันทีหลังจากการตีขึ้นรูป เพลาขนาดใหญ่จะถูกทำให้เป็นมาตรฐาน (ระบายความร้อนด้วยอากาศจากอุณหภูมิออสเทนไนซ์) หรืออบอ่อนเพื่อลดความเครียดจากการตีขึ้นรูป ทำให้โครงสร้างจุลภาคเป็นเนื้อเดียวกัน และลดความแข็งให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการตัดเฉือนหยาบ การควบคุมการระบายความร้อนอย่างช้าๆ ในเตาเผานั้นจำเป็นสำหรับเพลาโลหะผสมเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงกว่าประมาณ 150 มม. เพื่อป้องกันการแตกร้าวจากการไล่ระดับความร้อนในระหว่างขั้นตอนการหล่อเย็นด้วยการตีขึ้นรูป

ดับและอารมณ์

ดับและระงับอารมณ์ (Q&T) เป็นการเสริมความแข็งแกร่งขั้นต้นสำหรับเพลากลิ้งเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางและโลหะผสม เพลาจะถูกออสเทนไนต์ที่อุณหภูมิ 820–900°C (ขึ้นอยู่กับเกรด) จากนั้นนำไปดับด้วยน้ำมัน น้ำ หรือตัวกลางดับโพลีเมอร์เพื่อเปลี่ยนออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์ตลอดทั้งหน้าตัด ความลึกของการเปลี่ยนรูปมาร์เทนไซต์แบบเต็ม — กำหนดโดยความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กและเส้นผ่านศูนย์กลางเพลา — ควบคุมความแข็งและความแข็งแรงของแกนที่ทำสำเร็จ การแบ่งเบาบรรเทาจะตามมาทันทีที่อุณหภูมิ 550–680°C เพื่อแปลงมาร์เทนไซต์ที่เปราะขณะดับแล้วเป็นมาร์เทนไซต์ที่ผ่านการทำให้แข็งตัวแล้ว เพื่อให้ได้ค่าความต้านทานแรงดึงและค่าความเหนียวตามเป้าหมายที่กำหนดไว้สำหรับการใช้งาน

สำหรับเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ การชุบแข็งแบบทะลุจะยากขึ้นเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้น เนื่องจากอัตราการดับที่แกนจะช้าลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ 34CrNiMo6 (4340) และเกรดนิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัมที่มีความสามารถในการชุบแข็งสูงที่คล้ายกันนั้นได้รับการระบุอย่างแม่นยำ เนื่องจากความสามารถในการชุบแข็งทำให้สามารถเปลี่ยนสภาพมาร์เทนไซต์ได้อย่างสมบูรณ์ในส่วนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 200–300 มม. โดยคงคุณสมบัติที่สม่ำเสมอตั้งแต่พื้นผิวจนถึงแกน

การแข็งตัวของพื้นผิวที่ Bearing Journals

เพลาการกลิ้งมักต้องการพื้นผิวที่แข็งกว่าที่เส้นผ่านศูนย์กลางของเจอร์นัลของแบริ่งและโซนสัมผัสการกลิ้งใดๆ เกินกว่าที่แกนดับและปรับอุณหภูมิเพียงอย่างเดียวสามารถให้ได้ การชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำ เป็นวิธีการชุบแข็งพื้นผิวที่โดดเด่น — ขดลวดเหนี่ยวนำความถี่สูงจะให้ความร้อนเฉพาะชั้นผิวของเจอร์นัลจนถึงอุณหภูมิออสเทนไนซ์ในไม่กี่วินาที จากนั้นจะถูกดับทันทีเพื่อสร้างกรณีมาร์เทนซิติกแข็งของ 55–62 เหล็กแผ่นรีดร้อน บนแกนแข็งที่มีความแข็งต่ำกว่า ความลึกของเคส 3–10 มม. เป็นเรื่องปกติสำหรับเจอร์นัลเพลากลิ้ง โดยความลึกจะถูกควบคุมโดยความถี่เหนี่ยวนำ ความหนาแน่นของพลังงาน และระยะเวลาการให้ความร้อน ความเค้นตกค้างจากแรงอัดที่เกิดจากการขยายตัวของพื้นผิวในระหว่างการชุบแข็งยังส่งผลดีต่ออายุความล้าของการสัมผัสขณะกลิ้งของเจอร์นัลอีกด้วย

มาตรฐานการตรวจสอบและทดสอบคุณภาพ

เพลากลิ้งปลอมแปลงที่กำหนดไว้สำหรับการใช้งานที่สำคัญจะต้องผ่านลำดับการตรวจสอบที่กำหนดไว้ก่อนจัดส่ง โดยแต่ละรายการจะกำหนดเป้าหมายไปที่โหมดความล้มเหลวเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการโหลดบริการของเพลา

การทดสอบอัลตราโซนิก (UT) ดำเนินการบนชิ้นงานที่กลึงหยาบหรือกลึงสำเร็จเพื่อตรวจจับการเจือปนภายใน การตีรอบ หรือโซนการแยกที่มองไม่เห็นบนพื้นผิว โดยทั่วไปแล้วเพลาขนาดใหญ่จะถูกทดสอบ EN 10228-3 หรือ EN 10228-4 (สำหรับการตีขึ้นรูปเหล็กกล้าเฟอร์ริติกและมาร์เทนซิติก ตามลำดับ) โดยมีเกณฑ์การยอมรับที่กำหนดโดยระดับตัวบ่งชี้และแอมพลิจูดการสะท้อนที่สัมพันธ์กับตัวสะท้อนอ้างอิง สำหรับการใช้งานที่สำคัญที่สุด เช่น ปล่องโรงงานนิวเคลียร์และเพลาหลักของกังหันลมนอกชายฝั่งขนาดใหญ่ จะมีการระบุ UT เชิงปริมาตร 100% พร้อมระบบสแกนอัตโนมัติ

การตรวจสอบอนุภาคแม่เหล็ก (MPI) ใช้ในการตรวจจับรอยแตกที่พื้นผิวและใกล้พื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่คุณสมบัติความเข้มข้นของความเค้น เช่น รัศมีของเนื้อฟัน ร่องสลัก และการคลายเกลียวของเกลียว หลังจากการชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำของเจอร์นัลแบริ่ง MPI จะถูกทำซ้ำที่โซนชุบแข็งเพื่อตรวจจับรอยแตกร้าวที่ดับก่อนที่เพลาจะทำการเจียรเสร็จสิ้น

การทดสอบทางกล — แรงดึง การกระแทก (รอยบากแบบชาร์ปี V) และความแข็ง — ดำเนินการกับคูปองทดสอบที่ตัดจากอินทิกรัลที่ยืดออกด้วยการตีขึ้นรูปหรือจากชิ้นทดสอบหลอมแยกที่ได้รับการปฏิบัติเหมือนกันกับชิ้นส่วนที่ผลิต ผลลัพธ์จะถูกรายงานในใบรับรองการทดสอบวัสดุที่เป็นไปตาม EN 10204 ประเภท 3.1 หรือ 3.2 ขึ้นอยู่กับว่าจำเป็นต้องมีการตรวจสอบโดยลูกค้าหรือไม่ ความแข็งที่เคลื่อนที่ผ่านรูเจอร์นัลยืนยันว่าบรรลุความลึกของตัวเรือนและความแข็งของแกนหลังจากการชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำ

การตรวจสอบมิติ การใช้เครื่องวัดพิกัด (CMM) หรือการวัดแบบตั้งโต๊ะที่แม่นยำช่วยยืนยันเส้นผ่านศูนย์กลางของเจอร์นัลตามพิกัดความเผื่อที่ระบุ (โดยทั่วไป h5 หรือ h6 สำหรับการปรับให้เข้ากับตลับลูกปืน) ความหยาบของพื้นผิวที่เจอร์นัล (Ra 0.4–0.8 µm สำหรับที่นั่งตลับลูกปืนองค์ประกอบกลิ้ง) การเบี่ยงเบนหนีศูนย์ (โดยทั่วไป TIR ≤0.02 มม. บนเจอร์นัลเพลาที่มีความแม่นยำ) และความตรงตามแนวแกนเพลา สำหรับเพลาที่ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการปรับสมดุลแบบไดนามิก ความไม่สมดุลที่เหลือจะได้รับการตรวจสอบบนเครื่องปรับสมดุลแบบไดนามิกก่อนลงนามในการตรวจสอบขั้นสุดท้าย

เพลากลิ้งปลอมแปลงและหล่อ: เหตุใดการปลอมจึงเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม

ความเหนือกว่าของเพลากลิ้งปลอมแปลงเหนือตัวเลือกแบบหล่อในการใช้งานที่รับน้ำหนักสูงนั้นไม่ใช่ประเด็นที่ต้องการ — ได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลคุณสมบัติทางกลที่ได้รับการบันทึกไว้อย่างสม่ำเสมอจากการทดสอบทางอุตสาหกรรมหลายทศวรรษ

เพลาเหล็กหล่อมีความพรุนในการหดตัวของการแข็งตัว การแยกส่วนเดนไดรต์ขององค์ประกอบโลหะผสม และการวางแนวเกรนแบบสุ่ม ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยลดความแข็งแรงเมื่อยล้าและความทนทานต่อแรงกระแทกเมื่อเทียบกับอัลลอยด์ที่ระบุเดียวกันในรูปแบบฟอร์จ ข้อมูลเปรียบเทียบที่เผยแพร่สำหรับเหล็กกล้าโลหะผสมคาร์บอนปานกลางแสดงให้เห็นอย่างสม่ำเสมอว่าส่วนประกอบที่หลอมสามารถทำได้ ขีดจำกัดความทนทานต่อความเมื่อยล้าสูงขึ้น 20–35% และ ค่าผลกระทบของชาร์ปีสูงขึ้น 40–60% ที่ความแข็งเท่ากันเมื่อเทียบกับการหล่อ ในการใช้งานเพลาแบบหมุนซึ่งแรงกดจากความเมื่อยล้าเป็นตัวขับเคลื่อนการออกแบบ ความแตกต่างนี้แปลโดยตรงเป็นอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นหรือการลดเส้นผ่านศูนย์กลางเพลาที่ต้องการ และด้วยเหตุนี้ จึงทำให้ภาระแบริ่งและความเฉื่อยของระบบลดลงด้วย

สำหรับเพลาม้วนของโรงงานรีด คอม้วนสำรอง และเพลาขับสายพานลำเลียงขนาดใหญ่ — ส่วนประกอบที่ความล้มเหลวในการบริการเพียงครั้งเดียวสามารถหยุดสายการผลิตทั้งหมดและทำให้เกิดการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนเป็นเวลาหลายวันด้วยต้นทุนเชิงพาณิชย์ที่สำคัญ — เบี้ยประกันภัยที่เพิ่มขึ้นของการทุบหล่อแสดงให้เห็นถึงเหตุผลทางเศรษฐกิจที่ตรงไปตรงมา การคำนวณต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ รวมถึงความเสี่ยงในการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้ ช่วยให้เพลากลิ้งปลอมแปลงในการใช้งานใดๆ ที่ทำงานเหนือรอบการทำงานหรือระดับโหลดปานกลาง