Cos'è un Albero rotante forgiato ?
A albero di rotolamento forgiato è un componente cilindrico rotante o di trasmissione del carico prodotto attraverso un processo di forgiatura, in cui una billetta di acciaio riscaldata viene modellata sotto un'elevata forza di compressione, anziché mediante fusione o lavorazione meccanica da sola barra. La combinazione del metodo di forgiatura con le successive fasi di lavorazione meccanica di precisione e trattamento termico produce un albero con integrità meccanica superiore rispetto alle alternative fuse o semplicemente tornite, rendendo gli alberi forgiati la specifica steard in applicazioni di laminazione ad alto carico e ad alto numero di cicli come apparecchiature di laminazione, sistemi di trasmissione di trasportatori, macchinari per presse pesanti e trasmissioni di trasmissione di potenza.
La caratteristica distintiva di un albero forgiato è la sua struttura a grana raffinata . Durante la forgiatura, la lavorazione di compressione dell'acciaio caldo rompe la struttura dei grani dendritici grossolani inerente alle billette fuse e riorienta le linee di flusso dei grani lungo il contorno del pezzo. Ciò si traduce in una microstruttura omogenea a grana fine con proprietà meccaniche costanti in tutta la sezione trasversale: un vantaggio fondamentale per gli alberi che devono sostenere milioni di cicli di carico in ambienti di contatto volvente o di fatica torsionale senza innesco o propagazione di cricche.
Nei laminatoi e nei contesti dell'industria pesante, il termine "albero di laminazione" comprende diversi componenti correlati - alberi dei rulli di lavoro, alberi dei rulli di supporto, alberi dei pignoni e alberi di trasmissione del trasportatore - che condividono tutti i requisiti di elevata resistenza alla fatica, precisione dimensionale sui perni dei cuscinetti e sulle interfacce di accoppiamento e prestazioni affidabili in condizioni combinate di flessione, torsione e carico radiale.
Metodi di forgiatura utilizzati nella produzione di alberi rotanti
Per produrre alberi volventi vengono utilizzati diversi processi di forgiatura, ciascuno adatto a diverse gamme di dimensioni, volumi di produzione e requisiti di proprietà meccaniche. La scelta del metodo di forgiatura influisce direttamente sulla qualità del flusso del grano, sulla precisione dimensionale del pezzo grezzo forgiato e sull'entità della lavorazione successiva richiesta.
Forgiatura a stampo aperto (Forgiatura libera)
La forgiatura a stampo aperto è il processo dominante per gli alberi laminati di grandi dimensioni, in particolare quelli che superano i 500 mm di diametro o diversi metri di lunghezza, dove l'utensileria a stampo chiuso sarebbe poco pratica a causa delle dimensioni e del peso coinvolti. Un lingotto o una billetta riscaldata viene lavorato progressivamente tra matrici piatte o a profilo semplice su una pressa idraulica o un martello da forgiatura, con l'operatore che ruota e riposiziona il pezzo tra ogni corsa della pressa per ottenere la forma e la sezione trasversale target.
Il parametro di processo chiave nella forgiatura di alberi a stampo aperto è il rapporto di forgiatura — il rapporto tra l'area della sezione trasversale originale del lingotto e l'area della sezione trasversale finale dell'albero forgiato. Un rapporto minimo di forgiatura di Da 3:1 a 4:1 è generalmente necessario per scomporre completamente la struttura del lingotto fuso, chiudere la porosità interna e sviluppare la struttura a grana raffinata che conferisce agli alberi forgiati il loro vantaggio meccanico rispetto ai getti. Per applicazioni critiche come gli alberi dei rulli di riserva dei laminatoi di grandi dimensioni, vengono specificati rapporti di forgiatura di 5:1 o superiori per garantire la massima raffinazione del grano possibile attraverso l'intera sezione trasversale.
La forgiatura a stampo aperto produce alberi con generose tolleranze di lavorazione - in genere 20-50 mm per superficie su pezzi di grandi dimensioni - che vengono poi rimossi mediante tornitura di sgrossatura e finitura, rettifica e lavorazione di precisione di sedi di cuscinetti, sedi per chiavetta e scanalature di accoppiamento fino alle tolleranze dimensionali finali.
Forgiatura a stampo chiuso (Forgiatura a stampo a impressione)
Per gli alberi volventi più piccoli prodotti in volumi più elevati, come alberi di ingresso di trasmissioni, alberi a pignone nei cambi e alberi di trasmissione in sistemi di trasporto automatizzati, la forgiatura a stampo chiuso offre una consistenza dimensionale superiore e un risultato quasi netto. La billetta viene compressa all'interno di due metà dello stampo accoppiate che contengono l'intero profilo negativo dell'albero, compresi i diametri a gradini, le flange e le caratteristiche integrali. Il processo richiede un investimento iniziale significativo in attrezzature, ma riduce drasticamente il tempo di lavorazione per pezzo e gli sprechi di materiale rispetto alla forgiatura a stampo aperto.
La moderna forgiatura a stampo chiuso degli alberi viene spesso eseguita in più fasi progressive (preformatura, blocco e finitura) per distribuire gradualmente il flusso di metallo ed evitare difetti come sovrapposizioni, giunture a freddo o riempimento incompleto in sezioni sottili.
Forgiatura rotativa e forgiatura radiale
Forgiatura radiale — in cui più matrici disposte radialmente attorno al pezzo colpiscono simultaneamente mentre la billetta ruota e avanza assialmente — è particolarmente adatta alla produzione di alberi lunghi. Il processo fornisce una deformazione uniforme attorno all'intera circonferenza in ciascuna posizione assiale, producendo una struttura dei grani e una precisione dimensionale eccezionalmente coerenti lungo l'intera lunghezza dell'albero. La forgiatura radiale è sempre più specificata per gli alberi dei cilindri di lavoro dei laminatoi ad alta precisione e per gli alberi dei rotori di grandi generatori di energia dove le proprietà meccaniche simmetriche in tutte le direzioni radiali sono critiche.
Selezione dei materiali per alberi volventi forgiati
Il tipo di acciaio selezionato per un albero volvente forgiato deve soddisfare le esigenze combinate dell'applicazione: sufficiente robustezza e tenacità del nucleo per resistere alla fatica da flessione e torsione, adeguata durezza superficiale dopo il trattamento termico per resistere all'usura sui perni dei cuscinetti e sulle zone di contatto e buona forgiabilità per consentire il completo affinamento del grano durante l'operazione di forgiatura. I seguenti gradi rappresentano i materiali più ampiamente specificati nel settore.
| Grado d'acciaio | Norma | Resistenza alla trazione (QT) | Proprietà chiave | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|---|
| 42CrMo4 (4140) | EN10083/AISI | 900–1.100 MPa | Elevata resistenza alla fatica, buona temprabilità, eccellente tenacità | Alberi volventi generali, alberi a pignone, alberi di trasmissione |
| 34CrNiMo6 (4340) | EN10083/AISI | 1.000–1.200 MPa | Temprabilità profonda superiore per sezioni trasversali di grandi dimensioni, elevata resilienza | Alberi di laminazione di grandi dimensioni, alberi di trasmissione di presse pesanti |
| 18CrNiMo7-6 | EN10084 | 1.100–1.300 MPa (caso) | Grado di cementazione; superficie dura con nucleo resistente dopo l'estinzione della cementazione | Alberi di ingranaggi, alberi di pignoni che richiedono elevata durezza superficiale |
| 50CrMo4 | EN10083 | 1.000–1.200 MPa | Elevata resistenza all'usura sui perni, buon limite di fatica | Alberi dei rulli di lavoro, alberi di trasmissione del trasportatore |
| S34MnV (microlegato) | Vari | 800–1.000 MPa | Rafforzamento del raffreddamento controllato; elimina il trattamento termico di tempra e rinvenimento | Alberi per automobili e macchinari ad alto volume |
Pulizia dei materiali e controllo dell'inclusione
Per alberi volventi di grandi dimensioni o altamente sollecitati, la pulizia dell'acciaio, in particolare la dimensione, la distribuzione e il tipo di inclusioni non metalliche, è importante quanto la composizione della lega. Le inclusioni agiscono come siti di concentrazione delle tensioni che danno origine a cricche da fatica sotto carico ciclico. Gli acciai per alberi premium sono prodotti tramite degasaggio sotto vuoto (VD) o rifusione ad arco sotto vuoto (VAR) processi che riducono drasticamente il contenuto di ossigeno e zolfo, riducendo al minimo il numero di inclusioni. Test ad ultrasuoni di alberi grezzi forgiati SETTEMBRE 1921 Classe C/c o superiore è lo standard per le applicazioni critiche degli alberi di laminazione e di generazione di energia, garantendo che non siano presenti inclusioni significative nelle regioni del foro e dei perni sottoposti a sollecitazioni elevate prima che venga impegnato l'investimento nella lavorazione.
Trattamento termico di alberi volventi forgiati
La sola forgiatura non raggiunge le proprietà meccaniche finali richieste per il servizio. Una sequenza di trattamento termico attentamente controllata dopo la forgiatura è essenziale per sviluppare la combinazione target di resistenza del nucleo, durezza superficiale e stato di sollecitazione residua.
Normalizzazione o ricottura dopo la forgiatura
Immediatamente dopo la forgiatura, gli alberi di grandi dimensioni vengono normalizzati (raffreddati ad aria dalla temperatura di austenitizzazione) o ricotti in modo dolce per alleviare le sollecitazioni di forgiatura, omogeneizzare la microstruttura e ridurre la durezza a un livello adatto alla lavorazione di sgrossatura. Il raffreddamento lento e controllato nei forni è obbligatorio per gli alberi in acciaio legato con diametro superiore a circa 150 mm per evitare cricche da raffreddamento dovute a gradienti termici durante la fase di raffreddamento della forgiatura.
Quench e Temperare
Quench e tempera (domande e risposte) è il trattamento rinforzante primario per alberi volventi in acciaio a medio carbonio e legato. L'albero viene austenitizzato a 820–900°C (a seconda del grado), quindi raffreddato in olio, acqua o mezzo di raffreddamento polimerico per trasformare l'austenite in martensite in tutta la sezione trasversale. La profondità della trasformazione completa della martensite, determinata dalla temprabilità dell'acciaio e dal diametro dell'albero, determina la durezza e la resistenza del nucleo ottenibili. Il rinvenimento segue immediatamente a 550–680°C per convertire la fragile martensite bonificata in martensite rinvenuta, raggiungendo la combinazione di resistenza alla trazione e resilienza target specificata per l'applicazione.
Per alberi di grande diametro, la tempra completa diventa sempre più difficile all'aumentare del diametro, poiché la velocità di raffreddamento al nocciolo inevitabilmente rallenta. 34CrNiMo6 (4340) e gradi simili di nichel-cromo-molibdeno ad alta temprabilità sono specificati proprio perché la loro temprabilità consente la completa trasformazione della martensite in sezioni fino a 200–300 mm di diametro, mantenendo proprietà costanti dalla superficie al nucleo.
Indurimento superficiale sui perni dei cuscinetti
Gli alberi volventi richiedono spesso una superficie più dura sui diametri dei perni dei cuscinetti e su qualsiasi zona di contatto volvente rispetto a quella che il solo nucleo bonificato può fornire. Tempra ad induzione è il metodo di indurimento superficiale dominante: una bobina di induzione ad alta frequenza riscalda solo lo strato superficiale del perno alla temperatura di austenitizzazione in pochi secondi, che viene quindi immediatamente raffreddato per produrre un guscio martensitico duro di 55–62 HRC su un nucleo resistente e di durezza inferiore. Profondità della cassa di 3–10 mm sono tipiche per i perni di albero rotanti, con la profondità controllata dalla frequenza di induzione, dalla densità di potenza e dalla durata del riscaldamento. Anche le tensioni residue di compressione introdotte dall'espansione superficiale durante la tempra contribuiscono positivamente alla durata a fatica del contatto volvente del perno.
Standard di controllo e test di qualità
Un albero volvente forgiato destinato a un'applicazione critica passa attraverso una sequenza definita di ispezioni prima della spedizione, ciascuna mirata a una modalità di guasto specifica relativa al carico di servizio dell'albero.
Test ad ultrasuoni (UT) viene eseguita sul pezzo grezzo sgrossato o finito per rilevare inclusioni interne, battute di forgiatura o zone di segregazione invisibili sulla superficie. Gli alberi di grandi dimensioni vengono generalmente testati EN 10228-3 o EN 10228-4 (rispettivamente per fucinati di acciaio ferritico e martensitico), con criteri di accettazione definiti dalla classe di indicazione e dall'ampiezza di riflessione rispetto a un riflettore di riferimento. Per le applicazioni più critiche, come i pozzi delle centrali nucleari e gli alberi principali delle grandi turbine eoliche offshore, viene specificato l'UT volumetrico al 100% con sistemi di scansione automatizzati.
Ispezione con particelle magnetiche (MPI) viene applicato per rilevare cricche superficiali e vicine alla superficie, in particolare in corrispondenza di caratteristiche di concentrazione di sollecitazioni come raggi di raccordo, sedi per chiavetta e eccentricità della filettatura. Dopo l'indurimento a induzione dei perni dei cuscinetti, l'MPI viene ripetuto nelle zone temprate per rilevare eventuali cricche da raffreddamento prima che l'albero proceda alla finitura della rettifica.
Prove meccaniche — trazione, impatto (intaglio a V Charpy) e durezza — viene eseguita su provini di prova tagliati da un prolungamento solidale alla forgiatura o da un pezzo di prova forgiato separatamente trattato in modo identico alla parte di produzione. I risultati sono riportati in un certificato di prova sui materiali conforme a EN 10204 Tipo 3.1 o 3.2 , a seconda che sia richiesta o meno un'ispezione assistito dal cliente. Le misurazioni della durezza sul foro del perno confermano la profondità della cassa e la durezza del nucleo raggiunte dopo la tempra a induzione.
Controllo dimensionale utilizzando macchine di misura a coordinate (CMM) o misurazioni al banco di precisione si confermano i diametri del perno entro le tolleranze specificate (tipicamente h5 o h6 per gli accoppiamenti dei cuscinetti), rugosità superficiale sui perni di banco (Ra 0,4–0,8 µm per le sedi dei cuscinetti sugli elementi volventi), eccentricità (TIR tipicamente ≤ 0,02 mm sui perni di banco di precisione) e rettilineità lungo l'asse dell'albero. Per gli alberi soggetti a requisiti di equilibratura dinamica, lo squilibrio residuo viene verificato su una macchina equilibratrice dinamica prima dell'approvazione dell'ispezione finale.
Alberi rotanti forgiati e fusi: perché la forgiatura è lo standard del settore
La superiorità degli alberi volventi forgiati rispetto alle alternative fuse nelle applicazioni ad alto carico non è una questione di preferenza: è supportata da dati sulle proprietà meccaniche costantemente documentati in decenni di test industriali.
Gli alberi in acciaio fuso contengono porosità da ritiro da solidificazione, segregazione dendritica degli elementi leganti e orientamento casuale dei grani, che riducono la resistenza alla fatica e la resilienza agli urti rispetto alla stessa lega nominale in forma forgiata. I dati comparativi pubblicati per gli acciai legati a medio carbonio mostrano costantemente che i componenti forgiati raggiungono i risultati desiderati Limiti di resistenza alla fatica più alti del 20–35%. and Valori di impatto Charpy più alti del 40–60%. a durezza equivalente rispetto ai getti. Nelle applicazioni con alberi rotanti in cui il carico di fatica guida la progettazione, questa differenza si traduce direttamente in una maggiore durata di esercizio o in una riduzione del diametro dell'albero richiesto e, con esso, una riduzione del carico del cuscinetto e dell'inerzia del sistema.
Per gli alberi dei cilindri di lavoro dei laminatoi, i colli dei cilindri di riserva e gli alberi di trasmissione pesanti dei trasportatori (componenti in cui un singolo guasto in servizio può arrestare un'intera linea di produzione e causare tempi di fermo non pianificati di più giorni con costi commerciali significativi) il premio incrementale della forgiatura rispetto alla fusione rappresenta una semplice giustificazione economica. Il calcolo del costo totale di proprietà, compreso il rischio di tempi di fermo macchina non pianificati, favorisce costantemente gli alberi volventi forgiati in qualsiasi applicazione che opera al di sopra di cicli di lavoro o livelli di carico moderati.
