Giải thích về rèn vòng và khuôn mở và rèn vòng cán

Rèn vòng, rèn khuôn hở và rèn vòng cán là ba quy trình gia công kim loại riêng biệt - mỗi loại phù hợp với hình dạng bộ phận, khối lượng sản xuất và yêu cầu kết cấu khác nhau. Nói tóm lại: rèn vòng cán là phương pháp hiệu quả nhất để sản xuất các vòng liền mạch với cấu trúc hạt vượt trội; rèn khuôn mở mang lại sự linh hoạt tối đa cho các hình dạng lớn, tùy chỉnh hoặc khối lượng thấp; và rèn vòng là phạm trù rộng hơn bao gồm cả hai. Hiểu được sự khác biệt sẽ giúp các kỹ sư và nhóm mua sắm lựa chọn quy trình phù hợp về chi phí, hiệu suất và thời gian thực hiện.

Việc rèn nhẫn thực sự có nghĩa là gì

Rèn vòng là một thuật ngữ chung mô tả bất kỳ quá trình rèn nào tạo ra thành phần hình vòng - một phần hình trụ rỗng có tiết diện tròn. Danh mục này bao gồm cả kỹ thuật rèn vòng cán (phương pháp công nghiệp chiếm ưu thế) và kỹ thuật rèn khuôn mở thích ứng với hình dạng vòng.

Điều mà tất cả các phương pháp rèn vòng đều chia sẻ là việc áp dụng lực nén vào phôi kim loại được nung nóng, giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt và tạo ra các tính chất cơ học vượt trội hơn nhiều so với vật đúc hoặc thanh gia công. Vòng rèn được sử dụng trong tua-bin hàng không vũ trụ, bình chịu áp lực, mặt bích năng lượng gió, vòng bi và thiết bị công nghiệp nặng - bất cứ nơi nào có tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao và độ tin cậy dưới ứng suất tuần hoàn là không thể thương lượng.

Rèn vòng cuộn : Quy trình và ưu điểm

Rèn vòng cán - còn gọi là cán vòng - là một quá trình rèn nóng chuyên dụng bắt đầu bằng phôi hình bánh rán được tạo hình sẵn (phôi xuyên thấu) và dần dần cuộn nó giữa một cuộn được điều khiển và một cuộn làm biếng để giảm độ dày thành và tăng đường kính. Một trục cuộn điều khiển chiều cao đồng thời.

Quy trình lăn vòng từng bước

1. Một phôi tròn được cắt theo trọng lượng chính xác và được nung nóng đến nhiệt độ rèn của vật liệu - thường là 1.100°C đến 1.250°C đối với thép cacbon hoặc cao hơn đối với siêu hợp kim.
2. Phôi được nén dọc trục để tăng đường kính và giảm chiều cao, sau đó được đục lỗ để tạo lỗ trung tâm - tạo thành vòng phôi.
3. Phôi được đặt trên máy cán vòng. Cuộn chính quay và dẫn động vòng trong khi cuộn chạy không tải tác dụng áp lực hướng tâm, làm mỏng dần thành.
4. Các cuộn hướng trục (hình nón) kiểm soát chiều cao của vòng và ngăn ngừa hiện tượng loe trong quá trình cán.
5. Vòng tăng đường kính cho đến khi đạt được kích thước mục tiêu. Cuộn định tâm duy trì độ tròn trong suốt.
6. Vòng được tháo ra, để nguội một cách có kiểm soát, sau đó xử lý nhiệt, kiểm tra và gia công thô hoặc hoàn thiện.

Tại sao rèn vòng cán lại tạo ra các đặc tính cơ học vượt trội

Hoạt động lăn làm cho dòng hạt kim loại đi theo đường viền của vòng theo chu vi. Cái này hướng hạt chu vi là lợi thế chính về cấu trúc - nó điều chỉnh hướng mạnh nhất của vật liệu với ứng suất của vòng mà vòng sẽ gặp phải khi sử dụng. Ngược lại, một vòng được gia công từ một thanh rắn đã làm gián đoạn dòng hạt một cách triệt để, khiến các mặt phẳng yếu hơn phải chịu tải trọng vận hành.

Trong thực tế, việc rèn vòng cán bằng thép AISI 4140 có thể đạt được độ bền kéo vượt quá 1.000 MPa với các giá trị độ bền va đập mà vật đúc từ cùng một hợp kim không thể sánh được. Đối với các vòng titan cấp hàng không vũ trụ (Ti-6Al-4V), vật liệu rèn vòng cán thường xuyên đáp ứng các thông số kỹ thuật AMS 4928 và AMS 6931 với tuổi thọ mỏi nhất quán rất quan trọng đối với các bộ phận quay.

Phạm vi kích thước và vật liệu

Các nhà máy cán vòng có thể sản xuất các vòng từ nhỏ đến Đường kính 75mm lên tới 10 mét trở lên đường kính cho mặt bích lớn và các bộ phận bình áp lực. Độ dày của tường có thể mỏng tới 12 mm hoặc nặng tới vài trăm mm. Các vật liệu phổ biến bao gồm:

• Thép cacbon và thép hợp kim (AISI 1045, 4140, 4340)
• Thép không gỉ (304, 316, 17-4 PH)
• Hợp kim titan (Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V)
• Siêu hợp kim niken (Inconel 718, Waspaloy, René 41)
• Hợp kim nhôm (6061, 7075)
• Hợp kim đồng và đồng

Rèn khuôn mở : Quy trình và khi nào đó là lựa chọn đúng đắn

Rèn khuôn mở (còn gọi là rèn tự do hoặc rèn rèn) định hình một phôi kim loại được nung nóng giữa các khuôn phẳng, hình chữ V hoặc đường viền không bao bọc hoàn toàn vật liệu. Người vận hành định vị lại và xoay phôi giữa các lần đập hoặc ép để đạt được hình dạng mong muốn dần dần. Không có khuôn đóng ấn tượng nào - do đó có thuật ngữ "mở".

Quá trình rèn khuôn mở tạo ra nhẫn như thế nào

Để tạo ra hình dạng chiếc nhẫn bằng cách rèn khuôn mở, người vận hành sẽ đảo phôi, đục một lỗ xuyên qua tâm của nó, sau đó sử dụng một thanh trục gá chèn qua lỗ cùng với khuôn trên phẳng để rèn chiếc nhẫn bằng cách xoay nó tăng dần dưới máy ép. Đây là quy trình chậm hơn, tốn nhiều công sức hơn so với quy trình cán vòng và dung sai kích thước rộng hơn đáng kể - thường là ±3mm đến ±10mm hoặc hơn so với dung sai chặt chẽ hơn có thể đạt được khi cán vòng.

Điểm mạnh của việc rèn khuôn mở

• Tính linh hoạt về hình dạng không giới hạn — rèn khuôn mở có thể tạo ra trục, đĩa, trục, xi lanh và các cấu hình tùy chỉnh phức tạp mà các nhà máy cán vòng không thể đáp ứng được.
• Kích thước phần rất lớn — máy ép khuôn mở có thể gia công các thỏi nặng hàng trăm tấn, sản xuất các bộ phận có chiều dài trên 20 mét hoặc các vòng có đường kính vài mét cho các ứng dụng hạt nhân hoặc hóa dầu.
• Chi phí dụng cụ thấp - không yêu cầu khuôn dập tùy chỉnh, khiến cho việc rèn khuôn mở trở nên tiết kiệm đối với các bộ phận sản xuất một lần hoặc có khối lượng rất thấp mà việc đầu tư vào khuôn dập đóng là không thể biện minh được.
• Đóng khuyết tật bên trong - quá trình gia công dần dần của kim loại thông qua nhiều lần ép sẽ đóng lại độ xốp bên trong và sự phân tách khỏi phôi ban đầu, cải thiện độ bền tổng thể.

Hạn chế của việc rèn khuôn mở

• Dung sai kích thước rộng đòi hỏi lượng vật liệu gia công đáng kể, làm tăng lãng phí vật liệu và chi phí gia công.
• Dòng hạt khó dự đoán và nhất quán hơn so với cán vòng, đặc biệt đối với hình dạng vòng.
• Hoạt động sử dụng nhiều lao động với thời gian chu kỳ dài hơn khiến cho việc sản xuất khối lượng từ trung bình đến cao trở nên ít hiệu quả hơn về mặt chi phí.

So sánh trực tiếp: Rèn vòng cán và rèn khuôn mở

Rèn vòng cán theo đường viền: Một biến thể nâng cao

Cán vòng tiêu chuẩn tạo ra các vòng có tiết diện hình chữ nhật. Cán đường viền (còn gọi là cán vòng định hình) sử dụng các cuộn định hình để tạo ra các vòng có mặt cắt ngang phức tạp - mặt cắt chữ T, mặt bích chữ L, rãnh hoặc thành côn - trực tiếp trong quá trình cán.

Điều này làm giảm đáng kể khối lượng vật liệu phải loại bỏ bằng gia công. Ví dụ, một vòng đĩa tua-bin động cơ phản lực được sản xuất bằng phương pháp cán theo đường viền có thể chỉ đến xưởng máy với 15% đến 25% vật liệu còn lại cần được loại bỏ , so với 50% hoặc hơn đối với vòng rèn khuôn hở có tiết diện hình chữ nhật. Với giá hợp kim hàng không vũ trụ - Inconel 718 có thể có giá trên 50 USD/kg - chỉ riêng việc tiết kiệm vật liệu này đã biện minh cho việc đầu tư thêm dụng cụ vào các cuộn định hình.

Ứng dụng ngành theo loại quy trình

Tiêu chuẩn chất lượng và kiểm tra nhẫn rèn

Vòng rèn cho các ứng dụng quan trọng phải đáp ứng các tiêu chuẩn kiểm tra và vật liệu nghiêm ngặt. Các tiêu chuẩn chung áp dụng cho vòng cán và rèn khuôn mở bao gồm:

• ASTM A290 - các vòng thép cacbon và hợp kim dùng cho tua-bin và các vòng giữ
• ASTM A694 - thép cacbon và thép hợp kim cho mặt bích truyền áp suất cao
• AMS 2375 - rèn vòng hợp kim niken cho các ứng dụng hàng không vũ trụ
• EN 10243 - Tiêu chuẩn Châu Âu về rèn khuôn thép (dung sai áp dụng)
• ASME Phần IX / Phần VIII - rèn bình áp lực và nồi hơi

Việc kiểm tra thường bao gồm kiểm tra siêu âm (UT) để phát hiện sự gián đoạn bên trong, kiểm tra hạt từ tính (MPI) hoặc kiểm tra chất thẩm thấu chất lỏng (LPT) để phát hiện các khuyết tật bề mặt, xác minh kích thước và kiểm tra đặc tính cơ học từ các phiếu thử nghiệm rèn đại diện cho từng lô gia nhiệt và rèn.

Chọn phương pháp rèn phù hợp cho ứng dụng của bạn

Sử dụng các tiêu chí quyết định thực tế này khi chỉ định quy trình rèn vòng:

• Nếu bộ phận đó là một vòng hoặc mặt bích và có thể tích từ một mảnh trở lên — rèn vòng cán hầu như luôn là lựa chọn tốt hơn về chi phí, chất lượng hạt và hiệu quả hình dạng gần như lưới.
• Nếu bộ phận yêu cầu cấu hình không có vòng phức tạp hoặc rất lớn — rèn khuôn hở mang lại hình dạng linh hoạt và quy mô mà việc cán vòng không thể thực hiện được.
• Nếu chi phí gia công và lãng phí vật liệu là mối quan tâm hàng đầu - chỉ định rèn vòng cán theo đường viền để giảm thiểu tỷ lệ mua để bay, đặc biệt là trong các hợp kim đắt tiền.
• Nếu cần có tài liệu về tính toàn vẹn của cấu trúc - cả hai quá trình đều có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về truy tìm nguồn gốc và kiểm tra của bên thứ ba; xác nhận rằng nhà cung cấp của bạn được chứng nhận theo tiêu chuẩn ASTM, AMS hoặc EN có liên quan cho ứng dụng của bạn.
• Nếu thời gian thực hiện là quan trọng — rèn vòng cán thường cung cấp thời gian thực hiện ngắn hơn cho hình học tiêu chuẩn do không chế tạo khuôn tùy chỉnh và thời gian chu kỳ trên mỗi sản phẩm nhanh hơn.