فورجینگ های گیربکس توربین بادی چگونه تولید می شوند؟

فورجینگ های گیربکس توربین بادی از طریق یک فرآیند چند مرحله‌ای دقیقاً کنترل‌شده تولید می‌شوند: شمش‌های فولادی آلیاژی با کیفیت بالا تا دمای آهنگری حرارت داده می‌شوند، تحت فشار و تجهیزات چکشی با تناژ بالا شکل می‌گیرند، سپس قبل از تحویل تحت عملیات حرارتی، ماشین‌کاری دقیق و بازرسی کیفیت جامع قرار می‌گیرند. کل دنباله برای تولید اجزا با مهندسی شده است ساختار دانه برتر، مقاومت در برابر خستگی و دقت ابعادی - خواصی که جایگزین های ریخته گری یا ماشین کاری شده از میله می شوند نمی توانند با شرایط بارگذاری سیکلی شدید در داخل جعبه دنده توربین بادی مطابقت داشته باشند.

فرآیند تولید یک عملیات واحد نیست بلکه یک زنجیره یکپارچه است. هر مرحله به طور مستقیم بر خواص مکانیکی و عمر مفید آهنگری تمام شده تأثیر می گذارد. درک هر مرحله به مهندسان، تیم‌های تدارکات و توسعه‌دهندگان انرژی بادی کمک می‌کند تا آهنگری را با اطمینان مشخص و ارزیابی کنند.

چرا روش ساخت، عملکرد آهنگری گیربکس را تعیین می کند؟

گیربکس های توربین بادی تحت برخی از سخت ترین شرایط بار در ماشین آلات صنعتی کار می کنند. یک گیربکس توربین دریایی 5 مگاواتی، حداکثر گشتاورهای بیش از حد را منتقل می کند. 4000 کیلو نیوتن متر در شفت کم سرعت، در حالی که دنده داخلی و اجزای بلبرینگ میلیاردها چرخه بار خستگی را در طول عمر طراحی 20 ساله تجربه می کنند. (منبع: گزارش فنی DNV GL، طراحی پیشرانه توربین بادی دریایی، 2020.)

فرآیند جعل مستقیماً این خواسته ها را از طریق:

• پالایش ساختار دانه‌های ریخته‌گری بیلت به یک ریزساختار خوب و یکنواخت با جریان دانه‌ای هم‌تراز
• بسته شدن تخلخل داخلی، حفره های انقباض و نوارهای جداسازی موجود در شمش اصلی
• ایجاد تنش های پسماند فشاری مفید در لایه سطحی که شروع ترک خستگی را به تاخیر می اندازد.
• ایجاد یک مقطع همگن با خواص مکانیکی ثابت در تمام اعماق

تجزیه و تحلیل خرابی میدانی که توسط انجمن انرژی بادی اروپا (EWEA) گردآوری شده است، به طور مداوم خرابی گیربکس را به عنوان یکی از مهم‌ترین علل خرابی توربین بادی شناسایی می‌کند. تقریباً 20٪ از رویدادهای تعمیر و نگهداری برنامه ریزی نشده در ناوگان خشکی کیفیت ساخت آهنگری های داخلی - چرخ دنده های حلقه ای، حامل های سیاره ای، شفت ها - تعیین کننده اصلی این است که آیا یک گیربکس با عمر طراحی خود مطابقت دارد یا کمتر.

مرحله 1: انتخاب مواد خام و آماده سازی بیلت

توالی ساخت با انتخاب دقیق ماده اولیه آغاز می شود. آهنگری های گیربکس توربین بادی از فولادهای آلیاژی بالا تولید می شوند که به طور خاص برای کاربردهای خستگی و ضربه سخت فرموله شده اند. به طور گسترده ای درجات مشخص شده عبارتند از:

الزامات تمیزی فولاد

کیفیت فولاد برای آهنگری گیربکس فراتر از انتخاب درجه است. تمیزی مذاب بسیار مهم است - اجزای غیر فلزی مانند رشته های آلومینا و خوشه های سولفیدی به عنوان محل شروع ترک خستگی عمل می کنند. فورجینگ گیربکس ممتاز به موارد زیر نیاز دارد:

• گاز زدایی خلاء (VD) یا ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) برای کاهش هیدروژن محلول به کمتر از 2ppm
• میزان گوگرد زیر 0.010 درصد وزنی
• رتبه بندی گنجاندن غیر فلزی مطابق با ISO 4967 یا ASTM E45 کلاس C یا بهتر
• گواهی ترکیب شیمیایی با قابلیت ردیابی کامل آنالیز حرارتی

پایه اولیه یا یک شمش ریخته گری پیوسته (برای مقاطع کوچکتر) یا یک شمش گاز زدایی شده با خلاء (برای اجزای بزرگ مانند حامل های سیاره ای بیش از 500 کیلوگرم) است. قسمت بالای شمش (منطقه لوله) و پایین (منطقه جداسازی) قبل از شروع توالی آهنگری بریده شده و دور ریخته می شود و اطمینان حاصل می شود که فقط مواد تمیز و همگن وارد فرآیند می شود.

مرحله 2: گرمایش و کنترل دما

بیلت یا شمش در یک کوره گرمایش بارگذاری می شود و به محدوده دمای آهنگری می رسد. برای فولادهای کم آلیاژ مورد استفاده در آهنگری گیربکس، این محدوده معمولاً است 1100 درجه سانتیگراد تا 1250 درجه سانتیگراد . یکنواختی دما در سطح مقطع بسیار مهم است - گرمایش غیر یکنواخت باعث ایجاد تغییر شکل غیر یکنواخت و تغییرات ریزساختاری موضعی می شود که عملکرد خستگی را کاهش می دهد.

انواع کوره های مورد استفاده در تولید

• کوره های گرمایش گاز طبیعی کم مصرف استانداردی برای بیلت‌های با تناژ بالا هستند که گرمایش جوی کنترل‌شده را با رمپ‌های دمایی قابل برنامه‌ریزی و زمان‌های خیساندن به سطح مقطع بیلت ارائه می‌کنند.
• سیستم های گرمایش القایی برای بیلت های کوچکتر که نیاز به گرمایش سریع و دقیق با حداقل اکسیداسیون سطحی دارند استفاده می شود

زمان خیساندن بر اساس حداقل محاسبه می شود 1 دقیقه در هر میلی متر قطر مقطع برای اطمینان از یکنواختی دما قبل از شروع آهنگری. زمان خیساندن ناکافی منبع مستندی از فورج و بسته های سرد است که عمر خستگی را به خطر می اندازد. (منبع: ASM International, Forging Handbook, 5th Edition.)

دما به طور مداوم با استفاده از پیرومترهای تماسی کالیبره شده و ابزارهای مادون قرمز غیر تماسی کنترل می شود. آهنگری باید قبل از سرد شدن فلز زیر حداقل دمای آهنگری پایان - معمولاً - کامل شود 950 درجه سانتیگراد برای اکثر فولادهای آلیاژی - برای جلوگیری از سخت شدن کرنش و ترک های سطحی در اثر تغییر شکل مواد نیمه کریستالیزه شده.

مرحله 3: آهنگری - عملیات قالب باز، حلقه نورد و قالب بسته

بیلت گرم شده به سرعت به پرس آهنگری یا آسیاب نورد حلقه ای منتقل می شود. برای اجزای گیربکس توربین بادی، بسته به هندسه قطعه، از سه روش آهنگری اولیه استفاده می شود:

آهنگری باز قالب ( آهنگری رایگان )

آهنگری قالب باز تحت پرس های چکش هیدرولیک یا الکتروهیدرولیک بزرگ برای شفت های سنگین، دیسک ها و پیش فرم ها برای نورد حلقه بعدی استفاده می شود. ظرفیت های پرس مورد استفاده برای قطعات بزرگ گیربکس باد از محدوده متفاوتی برخوردار است 20 MN تا 125 MN . این فرآیند شامل عبورهای کاهشی متعدد است که شمش بین هر ضربه چرخانده و تغییر مکان می دهد. پارامتر کلیدی فرآیند: نسبت آهنگری (مساحت مقطع اولیه تقسیم بر سطح مقطع نهایی) معمولاً باید به حداقل برسد. 4:1 تا 6:1 برای اطمینان از پالایش دانه کافی و بسته شدن فضای خالی.

حلقه نورد

رولینگ حلقه ای فرآیند اولیه برای تولید قطعات چرخ دنده حلقه، حلقه های بلبرینگ و حلقه های فلنجی است که در گیربکس های توربین بادی استفاده می شود. این فرآیند با یک شمش دونات شکل از پیش ساخته شده (تولید شده با فورج و پانچ کردن قالب باز) آغاز می شود که سپس بین یک رول اصلی رانده و یک رول سنبه غیرفعال می چرخد ​​تا به تدریج قطر حلقه را افزایش دهد و در عین حال ضخامت دیواره را کاهش دهد.

آسیاب های نورد حلقه ای عمودی - مانند دستگاه های 1 متری و 1.5 متری مورد استفاده در تاسیسات آهنگری سنگین مدرن - می تواند حلقه هایی با قطر خارجی از چند صد میلی متر تا بیش از 3000 میلی متر، ضخامت دیواره از 50 میلی متر تا 400 میلی متر و ارتفاع تا 600 میلی متر تولید کند. کنترل ابعادی در حین چرخش حلقه، تحمل دایره ای را هدف قرار می دهد کمتر از 0.3 درصد قطر بیرونی قبل از کمک هزینه ماشینکاری

فورج قالب بسته

برای اجزای کوچکتر و از نظر هندسی پیچیده، مانند قطعات چرخ دنده سیاره ای که در حجم های بالاتر تولید می شوند، از آهنگری قالب بسته ( قالب قالبی) استفاده می شود. شمش گرم شده بین قالب های بالا و پایین همسان که حاوی مشخصات منفی قطعه هستند، زده می شود. این روش به دست می آورد تلورانس های ابعادی کمتر و خروجی تقریباً خالص ، کاهش ذخایر ماشینکاری بعدی و بهبود عملکرد مواد در مقایسه با آهنگری قالب باز با همان هندسه.

نسبت آهنگری و تأثیر آن بر خواص

نسبت آهنگری یک پارامتر فرآیند حیاتی است که به طور مستقیم درجه پالایش دانه به دست آمده را تعیین می کند. این رابطه در ادبیات متالورژی به خوبی تثبیت شده است:

• نسبت آهنگری زیر 2:1 - حداقل پالایش دانه. ساختار دندریتی به شکل ریختگی تا حدی حفظ شده است
• نسبت آهنگری 4:1 تا 6:1 - پالایش دانه قابل توجه. خواص خستگی برای درجه آلیاژ بهینه است
• نسبت آهنگری بالاتر از 8:1 - کاهش بازده در پالایش دانه. خطر افزایش ناهمسانگردی در جهت عرضی

مشخصات آهنگری گیربکس باد معمولاً حداقل نسبت آهنگری را در 4:1 تا 6:1 range ، با مستندات ابعاد بیلت شروع و ابعاد آهنگری تمام شده تأیید شده است. (منبع: AGMA 923-B05، مشخصات متالورژی برای دنده های فولادی.)

مرحله 4: خنک سازی کنترل شده پس از آهنگری

هنگامی که آهنگری کامل شد، قطعه باید تحت شرایط کنترل شده خنک شود. خنک کننده سریع کنترل نشده آهنگری فولاد آلیاژی بزرگ معرفی می کند:

• فرونشاندن ترک ناشی از تنش های کششی ناشی از گرادیان حرارتی در سطح
• ترک خوردگی تاخیری ناشی از هیدروژن در فولادهای پر آلیاژ با هیدروژن محلول باقیمانده
• لایه‌های سطحی مارتنزیتی سخت که با ماشین‌کاری بعدی تداخل دارند

روش استاندارد برای فورجینگ های گیربکس بادی بزرگ، خنک سازی آهسته کنترل شده در جعبه های عایق یا خنک سازی کوره برنامه ریزی شده با نرخ های 20 تا 50 درجه سانتیگراد در ساعت تا زمانی که جزء به زیر 300 درجه سانتیگراد برسد. این خنک کننده آهسته اجازه می دهد تا هیدروژن از شبکه فولادی پخش شود و از ترک خوردن شوک حرارتی در مقاطع ضخیم جلوگیری می کند. برای اجزای بسیار بزرگ (بالاتر از 1000 کیلوگرم)، بازپخت پس از آهنگری در یک کوره ممکن است برای همگن سازی کامل ریزساختار قبل از عملیات حرارتی مشخص شود.

مرحله 5: عملیات حرارتی - توسعه خواص مکانیکی هدف

عملیات حرارتی مرحله ای است که در آن ریزساختار آهنگری به مشخصات مکانیکی مشخص شده توسط مهندس طراح تبدیل می شود. برای فورجینگ های گیربکس توربین بادی، مسیر عملیات حرارتی مورد نیاز به عملکرد جزء و درجه مواد بستگی دارد.

عادی سازی و بازپخت

پس از آهنگری و قبل از عملیات حرارتی نهایی برای کاهش تنش های باقیمانده آهنگری، همگن سازی ریزساختار و بهبود قابلیت ماشینکاری اعمال می شود. عادی سازی در انجام می شود 850 تا 920 درجه سانتیگراد به دنبال آن خنک کننده هوا این مرحله آهنگری را برای ماشینکاری ابعادی دقیق آماده می کند و پاسخ ثابت به عملیات سخت شدن بعدی را تضمین می کند.

خاموش کردن و معتدل کردن

اجزای سخت شده مانند شفت ها و حامل های سیاره ای تحت آستنیته شدن قرار می گیرند 840 تا 880 درجه سانتیگراد و به دنبال آن روغن یا آب خاموش می شود تا ساختار مارتنزیتی تشکیل شود، سپس در آن تلطیف می شود 550 تا 650 درجه سانتیگراد . این دنباله استحکام کششی در محدوده ایجاد می کند 900 تا 1200 مگاپاسکال همراه با مقادیر ضربه Charpy بیش از 60 ژول در دمای منفی 40 درجه سانتیگراد - الزامات چقرمگی در دمای پایین برای کاربردهای توربین دریایی را برآورده می کند.

سخت شدن کیس (کربور کننده و کوئنچ)

قطعات چرخ دنده ساخته شده از فولادهای سخت شونده مانند 18CrNiMo7-6 در کوره های کربورسازی در 880 تا 980 درجه سانتیگراد در فضای غنی از کربن این فرآیند یک لایه مورد غنی شده با کربن ایجاد می کند 0.8 تا 2.5 میلی متر عمق کیس موثر . پس از کوئنچ و دمپر کردن در دمای پایین در دمای 150 تا 200 درجه سانتیگراد، کیس به سختی دست می یابد. 58 تا 62 HRC در حالی که هسته چقرمگی را با سختی 30 تا 40 HRC حفظ می کند. تنش های پسماند فشاری سطحی ایجاد شده توسط انبساط حجمی تشکیل مارتنزیت به طور قابل توجهی استحکام خستگی خمشی در ریشه دندان را افزایش می دهد.

سخت شدن القایی

ژورنال های بلبرینگ، نشیمنگاه های شفت، و مناطق سطحی موضعی که به سختی بالا نیاز دارند، به طور انتخابی از طریق القایی سخت می شوند. 54 تا 62 HRC سختی سطح در حالی که مواد اطراف در شرایط نرم شده خود باقی می مانند. سخت شدن القایی برای شفت های بزرگ ترجیح داده می شود که در آن کربورسازی کل جزء غیرعملی است و در جایی که سختی سطح موضعی نیاز اولیه است.

مرحله 6: ماشینکاری خشن و پیش بازرسی

پس از عملیات حرارتی، آهنگری تحت ماشینکاری خشن قرار می گیرد تا رسوب سطح را حذف کند، سطوح مرجع مبنا را ایجاد کند و ابعاد خارجی را در محدوده تحمل ماشینکاری خشن قرار دهد. هزینه های معمول ماشینکاری خشن در آهنگری های گیربکس بادی هستند 5 تا 15 میلی متر در هر سطح بسته به تحمل آهنگری و اندازه اجزا.

پس از ماشین‌کاری خشن، قبل از اینکه سرمایه‌گذاری نهایی ماشین‌کاری انجام شود، قطعه تحت یک مرحله بررسی غیرمخرب بحرانی (NDE) قرار می‌گیرد:

• تست اولتراسونیک (UT) بر اساس EN 10228-3 یا ASTM A388 - ناپیوستگی های داخلی از جمله باقیمانده لوله، تکه های هیدروژن و نوارهای جداسازی را تشخیص می دهد. معیارهای پذیرش معمولاً نیازی به هیچ نشانه ای بیش از 2 میلی متر سوراخ با ته صاف در هر مکانی ندارد.
• بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) - ترک های سطحی و نزدیک به سطح را بر روی سطوح ماشینکاری ناصاف تشخیص می دهد
• بررسی سختی - پاسخ عملیات حرارتی را در نقاط مختلف اندازه گیری در سطح مقطع تایید می کند

قطعاتی که از NDE ماشینکاری خشن عبور می کنند، به پایان ماشینکاری می پردازند. مواردی که نشانه‌های رد شدنی دارند مستقر می‌شوند - یا در جایی که مشخصات اجازه می‌دهد تعمیر می‌شوند یا از جریان تولید حذف می‌شوند و از سرمایه‌گذاری ماشین‌کاری پایین دست محافظت می‌کنند.

مرحله 7: ماشینکاری دقیق تا تلورانس های بعدی نهایی

ماشینکاری دقیق، روکش آهنگری که تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و با ماشین خشن انجام شده است را به یک جزء تمام شده آماده برای برش دنده یا مونتاژ مستقیم تبدیل می کند. عملیات کلیدی ماشینکاری عبارتند از:

• تراش CNC و خسته کننده ژورنال های بلبرینگ تا تحمل گردی در 5 میکرومتر و زبری سطح Ra 0.4 تا 0.8 میکرومتر
• سوراخ کردن یا شکل دادن به دندان دنده برای تولید پروفیل های دندانه دنده با کلاس دقت ISO 6 یا بهتر قبل از سخت شدن و آسیاب کردن کیس
• تراش دندان دنده پس از سخت شدن کیس برای تصحیح اعوجاج حرارتی و دستیابی به مشخصات نهایی، سرب و تلورانس گام کلاس دقت ISO 4 یا 5 - استاندارد دنده گیربکس توربین بادی بر اساس IEC 61400-4
• چرخش سخت صندلی های بلبرینگ و محفظه متناسب با تلرانس های تداخل مناسب H7/h6 یا بیشتر
• شات پینینگ ریشه دندان برای معرفی تنش های پسماند فشاری که عمر خستگی خمشی را 15 تا 25 درصد افزایش می دهد.

عملیات ماشینکاری بر روی مراکز ماشینکاری CNC با تأیید صحت سنج در فرآیند و دستگاه اندازه گیری مختصات (CMM) در مراحل میانی انجام می شود و اطمینان حاصل می شود که انحرافات ابعادی قبل از عملیات بعدی شناسایی و تصحیح می شوند تا اینکه در بازرسی نهایی کشف شوند.

مرحله 8: بازرسی نهایی کیفیت و صدور گواهینامه

فورجینگ های تکمیل شده گیربکس توربین بادی قبل از پذیرش برای تحویل، تحت یک توالی بازرسی نهایی جامع قرار می گیرند. محدوده بازرسی معمولاً توسط OEMهای توربین بادی و نهادهای صدور گواهینامه مانند DNV، Bureau Veritas و TUV مشخص می‌شود:

اسناد ردیابی کامل مواد با هر جعل پذیرفته شده همراه است - از شماره حرارت مذاب و گواهی تجزیه و تحلیل شیمیایی ملاقه تا سوابق پردازش تا نتایج بازرسی نهایی - مسیرهای حسابرسی کامل مورد نیاز برای گواهی نوع توربین بادی و بسته‌های مستندات مالک/اپراتور را ممکن می‌سازد.

توانایی ساخت گروه ACE برای فورجینگ های گیربکس توربین بادی

سیستم یکپارچه تولید صنعتی سنگین گروه ACE به طور خاص برای اجرای زنجیره تولید کامل که در بالا در زیر یک سقف سازمانی توضیح داده شد، ساخته شده است. ما فورجینگ های گیربکس توربین بادی از طریق یک فرآیند یکپارچه عمودی تولید می شوند که شامل موارد زیر است:

• آهنگری: چکش های الکتروهیدرولیک چند تنی (ظرفیت 3 تن، 5 تن و 15 تن) و آسیاب های نورد حلقه ای عمودی (1 متر و 1.5 متر) در شرکت فناوری انرژی جیانگ سو ACE، آموزشی ویبولیتین - یک تأسیسات 55 هکتاری با بیش از 50018 متر مربع مساحت زیربنای تولید، شروع عملیات در نوامبر 20.
• عملیات حرارتی: کوره‌های گرمایش گاز طبیعی در محل، کوره‌های مقاوم در برابر عملیات حرارتی، مخازن خاموش‌کننده و تجهیزات سخت‌سازی القایی برای کنترل متالورژیکی کامل بدون حمل و نقل بین تأسیساتی آهنگری‌های نیمه تمام
• ماشینکاری دقیق: مراکز ماشینکاری CNC در Yancheng ACE Machinery Co., Ltd. برای تکمیل ابعادی آهنگری های عملیات حرارتی شده تا تحمل کشش
• درمان سطحی: خط پوشش پودری سنگین در Yancheng ACE Surface Treatment Technology Co., Ltd.، با دستیابی به ضخامت پوشش یکبار مصرف 400 میکرومتر برای محافظت در برابر خوردگی عالی در اجزای نهایی

این قابلیت یکپارچه خطرات کیفیت و ردیابی مرتبط با زنجیره‌های پردازش چند تامین‌کننده را از بین می‌برد و به مشتریان در بخش انرژی بادی شریک تولید تک منبعی برای آهنگری‌های گیربکس از بیلت تا قطعات تایید شده و آماده تحویل ارائه می‌کند.