Gesmeed stalen as: gids voor het smeden van propeller, rotor en trapas

Waarom assen worden gesmeed: het metallurgische argument voor smeden over machinale bewerking

A gesmeed stalen as wordt geproduceerd door een verwarmde stalen knuppel onder drukkracht plastisch te vervormen - door hameren in een open matrijs, perssmeden of roterend smeden - om een voltooide of bijna voltooide vorm te verkrijgen. Het proces verschilt fundamenteel van het bewerken van een as uit staafmateriaal, en de verschillen in mechanische eigenschappen tussen de twee methoden zijn significant genoeg om de materiaalkeuze te bepalen in elke veiligheidskritische roterende toepassing.

Wanneer staal wordt gesmeed, verfijnt de plastische vervorming de korrelstructuur, sluit de interne porositeit en holtes die aanwezig zijn in de oorspronkelijke staaf, en lijnt de korrelstroom van het metaal (vezelstroom) uit langs de contouren van het onderdeel. In een gesmede schacht loopt het graan continu langs de lengte van de schacht en volgt het alle treden, schouders of flenzen, waardoor een ononderbroken vezelachtige structuur ontstaat die het ontstaan ​​en de voortplanting van scheuren tegengaat. In een machinaal bewerkte staafas loopt de korrel gelijkmatig door de staaf, wat betekent dat elke dwarsdoorsnede (zoals een schouder of spiebaan) de korrellijnen doorsnijdt en een potentiële plaats voor het ontstaan ​​van scheuren creëert.

De praktische resultaten van dit verschil zijn meetbaar: assen van gesmeed staal vertonen dit meestal 20–30% hogere vermoeiingssterkte, 15–20% hogere slagvastheid en superieure weerstand tegen spanningscorrosie vergeleken met machinaal bewerkte equivalenten in dezelfde legering. Voor assen die onderhevig zijn aan torsievermoeidheid, buigbelastingen en cyclische spanningen (wat vrijwel elke krachtoverbrengings- en voortstuwingsas in gebruik beschrijft) vertalen deze verbeteringen zich rechtstreeks in een langere levensduur en een verminderd catastrofaal faalrisico.

Het smeden van de as: procesmethoden en hun toepassingen

De methode die hiervoor wordt gebruikt het smeden van de as hangt af van de afmetingen van de as, de complexiteit van de geometrie, de vereiste toleranties en het productievolume. Bij de productie van assen worden drie primaire smeedprocessen toegepast:

Open-matrijs smeden

Bij het smeden met open matrijzen wordt een verwarmde staaf of knuppel bewerkt tussen vlakke matrijzen of matrijzen met eenvoudige contouren, terwijl deze stapsgewijs wordt geroteerd en opnieuw gepositioneerd door de operator of manipulator. De matrijzen omsluiten het werkstuk niet volledig - vandaar "open matrijs". Deze methode wordt gebruikt voor grote assen die de maatlimieten van apparatuur met gesloten matrijzen overschrijden: schroefassen voor schepen, turbinerotorassen, grote generatorassen en molenrollen. Met open matrijs gesmede assen kunnen lengtes bereiken van meer dan 15 meter en een gewicht van 100 ton of meer. De voordelen van smeden op het gebied van korrelverfijning en het afsluiten van lege ruimtes worden volledig gerealiseerd in dit proces, en de flexibiliteit van open-matrijsgereedschap maakt het kosteneffectief voor de productie van assen met een laag volume en grote afmetingen.

Smeden met gesloten matrijzen (indrukmatrijs).

Bij het smeden met gesloten matrijzen worden op elkaar afgestemde matrijzensets gebruikt die de uiteindelijke asgeometrie definiëren, waardoor verwarmd staal wordt gedwongen de matrijsholte onder hoge druk te vullen. Deze methode bereikt nauwere maattoleranties en complexere bijna-netvormen dan smeden met open matrijzen, waardoor de machinale vereisten na het smeden worden verminderd. Het is economisch geschikt voor de productie van middelgrote volumes van assen met consistente afmetingen - assen voor auto's, turbinecompressorassen en hydraulische pompassen zijn gebruikelijke voorbeelden. Flash (overtollig materiaal dat uit de matrijsscheidingslijn wordt geperst) wordt na het smeden bijgesneden.

Roterend (radiaal) smeden

Bij roterend smeden worden meerdere radiaal opgestelde matrijzen gebruikt die tegelijkertijd het werkstuk raken terwijl het axiaal door de matrijzenset wordt gevoerd, waardoor de diameter stapsgewijs over de lengte wordt verkleind. Deze methode produceert getrapte assen, taps toelopende assen en holle assen met uitzonderlijke maatvastheid en oppervlakteafwerking. Het wordt gebruikt voor precisieassen in de lucht- en ruimtevaart, aandrijfassen en de productie van gesmede getrapte assen waarbij veranderingen in de meerdere diameters binnen nauwe toleranties moeten worden gehouden. Bij roterend smeden worden de graanverfijningsvoordelen van het smeden toegepast, terwijl een oppervlakteafwerking wordt bereikt die die van een gedraaide staaf benadert, waardoor de afwerkingskosten aanzienlijk worden verlaagd.

Het smeden van schroefassen: vereisten voor de scheepvaart en de ruimtevaart

Het smeden van de schroefas is een van de meest veeleisende astoepassingen in de techniek. Een scheepsschroefas moet het volledige koppel van de hoofdmotoren van het schip naar de propeller overbrengen - potentieel duizenden kilowatts in een groot commercieel schip - terwijl het tegelijkertijd voortdurende buigbelastingen door propellergewicht en hydrodynamische krachten, torsiemoeheid door schommelingen in de propellerstuwkracht en de corrosieve omgeving van zeewater aan de achterstevenbuis moet doorstaan.

Voor scheepsschroefassen is het smeden van open matrijzen uit een gedode, vacuümontgaste stalen staaf de standaardproductieroute. Veel voorkomende legeringsselecties zijn onder meer koolstofstaalsoorten zoals AISI 1045 en 1050 voor kleinere schepen en gelegeerde staalsoorten zoals 4140 (Cr-Mo), 4340 (Ni-Cr-Mo) en roestvrije kwaliteiten zoals 316L of duplex 2205 voor corrosieve omgevingen of premiumtoepassingen. Classificatiebureaus, waaronder Lloyd's Register, DNV GL en ABS, specificeren materiaalkwaliteiten, smeedprocedures, ultrasone testnormen en vereisten voor mechanische eigenschappen waaraan gesmede schroefassen moeten voldoen voordat ze worden geïnstalleerd.

Belangrijke dimensionale kenmerken van een gesmede schroefas zijn onder meer de propeller conisch aan het buitenste uiteinde (waar de propellernaaf zit en is vergrendeld door een propellermoer), de tussenliggende lagertap (een nauwkeurig geslepen cilindrisch gedeelte ondersteund door het achterstevenlager) en de binnenboordflens of koppeling die wordt aangesloten op de uitgaande as van de versnellingsbak. Al deze kenmerken zijn integraal met de as gesmeed; gelaste constructies worden door classificatiebureaus niet geaccepteerd voor schroefasflenzen op commerciële schepen.

Smeedstukken voor schroefas voor de lucht- en ruimtevaart

In vliegtuigen met zuiger- of turbopropmotoren brengt de propelleras het motorvermogen over naar de propellernaaf en moet deze ook bestand zijn tegen gyroscopische buigmomenten terwijl het vliegtuig manoeuvreert. Smeedstukken voor schroefassen in de lucht- en ruimtevaart worden geproduceerd uit gelegeerd staal met hoge sterkte (4340, 300M) of titaniumlegeringen (Ti-6Al-4V) voor gewichtskritische toepassingen, met AMS-materiaal- en processpecificaties voor smeden, warmtebehandeling, niet-destructief testen en dimensionale inspectie. De levensduur van een schroefas in de lucht- en ruimtevaart wordt doorgaans gecertificeerd voor een bepaald aantal vliegcycli, waarna verplichte vervanging vereist is, ongeacht de schijnbare toestand.

Gesmede rotoras: energieopwekking en industriële roterende machines

A gesmede rotoras is het centrale structurele element van een roterende machine - een turbine, generator, compressor of elektromotor - waarrond de actieve componenten (turbineschoepen, generatorwikkelingen, waaiertrappen) worden gemonteerd of direct gemonteerd. De rotoras draagt ​​de gecombineerde dynamische belastingen van het roterende samenstel, brengt het koppel van de drijvende krachtbron over op de belasting en handhaaft de dimensionele stabiliteit over een breed temperatuur- en snelheidsbereik gedurende een levensduur gemeten in tientallen jaren.

In stoom- en gasturbines vormen gesmede rotorassen enkele van de technisch meest veeleisende grote smeedstukken die worden geproduceerd. EEN grote stoomturbinerotoras kunnen 10-15 meter lang zijn, 50-150 ton wegen, en continu moeten werken op 3.000 of 3.600 RPM (voor respectievelijk 50 Hz en 60 Hz netsynchronisatie) bij verhoogde temperaturen tot 600 ° C in het hogedrukturbinegedeelte. Het geselecteerde staal – doorgaans een laaggelegeerde Cr-Mo-V-kwaliteit zoals 26NiCrMoV14-5 of 30CrMoV9 – moet voldoende kruipweerstand, treksterkte bij hoge temperaturen en breuktaaiheid bij bedrijfstemperatuur behouden, terwijl het bestand is tegen verbrossing gedurende een ontwerplevensduur van 30 tot 40 jaar.

Het smeedproces voor grote rotorassen begint met vacuüminductiesmelten (VIM), gevolgd door vacuümbooghersmelten (VAR) of elektroslakhersmelten (ESR) om de chemische homogeniteit en zuiverheid te bereiken die vereist is voor toepassingen met hoge cyclische vermoeiing. De geraffineerde staaf wordt vervolgens in een open matrijs gesmeed met meerdere opwarmcycli om het materiaal door te werken naar het midden van de dwarsdoorsnede - zodat de kern van een as met een grote diameter dezelfde korrelverfijning krijgt als het oppervlak. Ultrasoon onderzoek (UT) om interne defecten op te sporen is verplicht in meerdere productiestadia, met acceptatiecriteria gedefinieerd door normen zoals EN 10228-3, ASTM A388 en klantspecifieke specificaties.

Rotorassen van elektromotoren en generatoren

Voor elektromotoren en generatoren in het kleine tot middelgrote bereik worden gesmede rotorassen geproduceerd uit gelegeerd staal met middelmatige koolstofgrootte (4140, 4340) of microgelegeerd staal door middel van gesloten matrijs- of roterend smeden. De as moet nauwkeurige lagertapoppervlakken bieden, de concentriciteit van de montagediameter van de rotorstapel behouden binnen nauwe slingertoleranties, en weerstand bieden aan de torsieschokbelastingen die gepaard gaan met het starten van de motor en belastingstransiënten. In hogesnelheidstoepassingen, zoals turbogeneratoren en motorgeneratoren in de ruimtevaart, worden rotorassen van titaniumlegering gebruikt om de roterende massa te minimaliseren en de lagerbelastingen te verminderen.

Gesmede trapas: geometrie met meerdere diameters en ontwerpoverwegingen

A gesmede trapas - ook wel een getrapte as of een as met meerdere diameters genoemd - heeft twee of meer afzonderlijke cilindrische secties met verschillende diameters over de lengte, die integraal zijn gecreëerd tijdens het smeedproces in plaats van te worden geproduceerd door het machinaal bewerken van een uniforme staaf. Elke diameterverandering creëert een schouder of trede, die functionele doeleinden dient: het lokaliseren van een binnenring van een lager, het verschaffen van een oppervlak waar een tandwiel- of poelienaaf tegenaan kan zitten, de overgang van een groter koppeloverbrengend gedeelte naar een kleiner astap, of het onderbrengen van een afdichtingsoppervlak.

Vanuit structureel oogpunt is de schouder van een trapas een spanningsconcentratiepunt. De spanningsconcentratiefactor (Kt) op een schachtschouder hangt af van drie geometrische parameters : de verhouding tussen de grote diameter en de kleine diameter (D/d), de afrondingsradius bij de schouder (r) en het toegepaste belastingstype (buigen, torsie of axiaal). Een schouder met scherpe hoeken (r/d → 0) kan bij buiging Kt-waarden van 2,5–3,5 produceren, waardoor de lokale vermoeiingssterkte effectief wordt verminderd tot een derde van de nominale materiaalwaarde. Correct geproportioneerde afrondingsradii (typisch r/d ≥ 0,1 wordt aanbevolen voor roterende assen) verminderen Kt tot 1,3–1,7, waardoor het grootste deel van de vermoeidheidsprestaties van het basismateriaal wordt hersteld.

Het smeden van een getrapte as in plaats van deze te bewerken uit overmaats staafmateriaal biedt twee compoundvoordelen in het schoudergebied: de graanstroom volgt de contouren van de trede (in plaats van dwars te worden gesneden door machinale bewerking), en het smeedproces introduceert gunstige drukrestspanningen op het oppervlak die de trekvermoeidheidsspanningen tegengaan die tijdens gebruik worden gegenereerd. Deze effecten samen zorgen ervoor dat gesmede trapschachten aanzienlijk beter bestand zijn tegen vermoeidheid dan machinaal bewerkte equivalenten bij spanningsconcentratie-eigenschappen - en dat is precies waar vermoeiingsstoringen tijdens gebruik beginnen.

Algemene toepassingen en selectie van legeringen

• Ingaande en uitgaande assen van de versnellingsbak: Gesmeed uit 4140 of 4340 gelegeerd staal, hittebehandeld tot 28–34 HRC, met stappen met meerdere diameters voor lagertappen, tandwielmontageboringen en koppelingsflenzen. Na de voorbewerking wordt het verharden (carboneren of nitreren) van de tandzones van de tandwielen toegepast.
• Auto-assen: Gesmede getrapte assen in 1541 of 4140 met een grote flens aan het buitenboordeinde voor de wielnaaf, een verkleind tapgedeelte door het differentieeldragerlager en een spiebaan aan de binnenkant die in verbinding staat met het zijtandwiel van het differentieel.
• Pomp- en compressorassen: Gesmede 316 roestvrijstalen of duplex roestvrijstalen trapassen voor corrosieve toepassingen, met nauwkeurig geslepen lagertappen en montagestappen voor de waaier, gehouden volgens h6- of js6-tolerantie voor montage met perspassing.
• Hoofdassen van windturbines: Grootschalige, open matrijs gesmede trapassen in 42CrMo4 of S34MnV, die de rotornaaf verbinden met de versnellingsbakinvoer. Deze kunnen 2 tot 4 meter lang zijn en 10 tot 25 ton wegen, met een lagertapdiameter van meer dan 500 mm.

Gesmede trapas versus machinaal bewerkte trapas: belangrijkste verschillen