鍛造ローリングシャフト 製造工程・材質・選定ガイド

とは何ですか 鍛造ローリングシャフト ?

A 鍛造ローリングシャフト 棒材のみから鋳造または機械加工するのではなく、加熱された鋼ビレットを高い圧縮力の下で成形する鍛造プロセスを通じて製造される、回転または荷重を伝達する円筒形のコンポーネントです。鍛造方法とその後の精密機械加工および熱処理ステップを組み合わせることで、鋳造または単純な旋削による代替品と比較して優れた機械的完全性を備えたシャフトが製造され、鍛造シャフトは、圧延機装置、コンベア駆動システム、重プレス機械、および動力伝達ドライブトレインなどの高負荷、高サイクル圧延用途における標準仕様となっています。

鍛造シャフトの最大の特徴は、 洗練された粒子構造 。鍛造中、高温の鋼の圧縮加工により、鋳造ビレットに固有の粗い樹枝状結晶粒構造が破壊され、部品の輪郭に沿って粒子の流れの線が再配向されます。これにより、断面全体にわたって一貫した機械的特性を備えた均質で細粒の微細構造が得られます。これは、転がり接触やねじり疲労環境において亀裂の発生や伝播を起こすことなく数百万回の負荷サイクルに耐えなければならないシャフトにとって、非常に重要な利点です。

圧延機や重工業の文脈では、「圧延シャフト」という用語は、ワーク ロール シャフト、バックアップ ロール シャフト、ピニオン シャフト、コンベア ドライブ シャフトなど、いくつかの関連コンポーネントを包含します。これらのコンポーネントはすべて、高い耐疲労性、ベアリング ジャーナルとカップリングの境界面での寸法精度、曲げ、ねじり、ラジアル荷重の組み合わせ下での信頼できる性能に対する要件を共有しています。

ローリングシャフトの製造における鍛造方法

ローリングシャフトの製造にはいくつかの鍛造プロセスが使用され、それぞれが異なるサイズ範囲、生産量、機械的特性要件に適しています。鍛造方法の選択は、鍛流品質、鍛造ブランクの寸法精度、およびその後に必要な機械加工の程度に直接影響します。

自由鍛造（自由鍛造）

開放型鍛造は、大型のローリング シャフト、特に直径 500 mm または長さ数メートルを超えるシャフトの主要なプロセスであり、その規模と重量のせいで密閉型のツーリングは実用的ではありません。加熱されたインゴットまたはビレットは、油圧プレスまたは鍛造ハンマーの平らなダイスまたは単純なプロファイルのダイスの間で徐々に加工され、オペレーターは各プレスストロークの間にワークピースを回転させたり位置を変更したりして、目標の形状と断面を実現します。

オープンダイシャフト鍛造における重要なプロセスパラメータは、 鍛造比 — インゴットの元の断面積と鍛造シャフトの最終断面積の比。最小鍛造比 3:1 ～ 4:1 一般に、鋳造インゴットの構造を完全に破壊し、内部の気孔を閉じ、鍛造シャフトに鋳物に比べて機械的利点をもたらす微細な結晶粒構造を開発することが必要です。大型圧延機のバックアップ ロール シャフトなどの重要な用途では、全断面にわたって可能な限り深い結晶粒微細化を確保するために、5:1 以上の鍛造比が指定されています。

自由型鍛造では、大きな部品では通常 1 面あたり 20 ～ 50 mm の余裕のある加工代を備えたシャフトが製造されます。その後、粗加工および仕上げ旋削、研削、および最終的な寸法公差に合わせてベアリング シート、キー溝、カップリング スプラインを精密加工することによって、加工代が取り除かれます。

密閉型鍛造（印象型鍛造）

トランスミッション入力シャフト、ギアボックスのピニオン シャフト、自動コンベヤ システムのドライブ シャフトなど、より大量に生産される小型のローリング シャフトの場合、閉型鍛造は優れた寸法の一貫性とニアネットシェイプの出力を実現します。ビレットは、階段状の直径、フランジ、および一体型の特徴を含む、シャフトの完全なネガティブプロファイルを含む、適合するダイ半体内で圧縮されます。このプロセスには多大な工具の先行投資が必要ですが、自由型鍛造と比較して、部品ごとの加工時間と材料の無駄が大幅に削減されます。

現代のシャフトの密閉型鍛造は、金属の流れを徐々に分散させ、ラップ、コールド シャット、薄肉部分の不完全な充填などの欠陥を回避するために、複数の進行段階 (プリフォーム、ブロッカー、フィニッシャー) で実行されることがよくあります。

回転鍛造とラジアル鍛造

ラジアル鍛造 ビレットが回転して軸方向に進むと同時にワークピースの周りに放射状に配置された複数のダイスが衝突する方法は、特に長いシャフトの生産に適しています。このプロセスにより、軸方向の各位置で全周にわたって均一な変形が実現され、シャフト全長にわたって非常に一貫した粒子構造と寸法精度が得られます。ラジアル鍛造は、高精度圧延機のワークロール シャフトや、あらゆるラジアル方向での対称的な機械的特性が重要な大型発電ローター シャフトに指定されることが増えています。

鍛造ローリングシャフトの材質選択

鍛造ローリングシャフト用に選択される鋼種は、曲げやねじり疲労に耐える十分なコア強度と靱性、ベアリングジャーナルと接触ゾーンでの摩耗に耐える熱処理後の適切な表面硬度、そして鍛造作業中に完全な結晶粒微細化を可能にする良好な鍛造性など、用途の複合的な要求を満たさなければなりません。以下のグレードは、業界全体で最も広く指定されている材料を表しています。

材料の清浄度と異物の管理

大型または高応力の回転シャフトの場合、鋼の清浄度、特に非金属介在物のサイズ、分布、種類が合金組成と同じくらい重要です。介在物は応力集中部位として機能し、繰り返し荷重がかかると疲労亀裂が発生します。高級シャフト鋼は次の方法で製造されます。 真空脱ガス (VD) または真空アーク再溶解 (VAR) 酸素と硫黄の含有量を大幅に削減し、介在物の数を最小限に抑えるプロセス。鍛造シャフトブランクの超音波検査 1921 年 9 月 クラス C/c 以上 は、重要な圧延機および発電シャフトの用途の標準であり、機械加工投資が投入される前に、高応力ボアおよびジャーナル領域に重大な介在物が存在しないことを保証します。

鍛造ローリングシャフトの熱処理

鍛造だけでは、使用に必要な最終的な機械的特性を達成できません。コア強度、表面硬度、残留応力状態の目標の組み合わせを開発するには、鍛造後の慎重に制御された熱処理シーケンスが不可欠です。

鍛造後の焼きならしまたは焼きなまし

鍛造直後、大型シャフトは焼ならし（オーステナイト化温度から空冷）または軟焼鈍されて、鍛造応力を緩和し、微細構造を均質化し、粗加工に適したレベルまで硬度を下げます。直径約 150 mm を超える合金鋼シャフトでは、鍛造冷却段階中の温度勾配による焼割れを防ぐために、炉内で制御された徐冷が必須です。

焼き戻しと焼き戻し

焼き入れ焼き戻し (Q&T) 中炭素鋼および合金鋼のローリングシャフトの主要な強化処理です。シャフトは 820 ～ 900°C (グレードに応じて) でオーステナイト化され、その後油、水、またはポリマー急冷媒体で急冷され、断面全体でオーステナイトがマルテンサイトに変化します。完全なマルテンサイト変態の深さは鋼の焼入性とシャフト直径によって決まり、達成可能なコアの硬度と強度を決定します。直後に 550 ～ 680°C で焼き戻しが行われ、脆い焼き入れのままのマルテンサイトが焼き戻しマルテンサイトに変換され、用途に指定された目標の引張強さと衝撃靱性の組み合わせが達成されます。

シャフト直径が大きい場合、直径が大きくなるにつれて中心部の焼入れ速度が必然的に遅くなるため、貫通硬化はますます困難になります。 34CrNiMo6 (4340) 同様の高焼入性のニッケル クロム モリブデン グレードは、その焼入れ性により直径 200 ～ 300 mm までの部分で完全なマルテンサイト変態が可能であり、表面から中心部まで一貫した特性を維持できるため、正確に指定されています。

ベアリングジャーナルの表面硬化

回転シャフトでは、ベアリング ジャーナル直径および転がり接触ゾーンで、焼き入れ焼き戻しされたコアだけで提供できるよりも硬い表面が必要になることがよくあります。 高周波焼入れ は主要な表面硬化方法です。高周波誘導コイルはジャーナルの表層のみを数秒でオーステナイト化温度まで加熱し、その後直ちに急冷されて、硬質マルテンサイト層が生成されます。 55–62 HRC 丈夫で低硬度のコアの上に。ローリング シャフト ジャーナルでは 3 ～ 10 mm の硬化深さが一般的で、その深さは誘導周波数、出力密度、加熱時間によって制御されます。焼入れ中の表面膨張によって導入される圧縮残留応力も、ジャーナルの転がり接触疲労寿命に有利に寄与します。

品質検査および試験基準

重要な用途に使用される鍛造ローリング シャフトは、発送前に定義された一連の検査を通過します。各検査では、シャフトの使用負荷に関連する特定の故障モードが対象となります。

超音波検査（UT） 粗加工または仕上げ加工されたブランクに対して実行され、表面では見えない内部介在物、鍛造ラップ、または偏析ゾーンを検出します。大きなシャフトは通常、次のようにテストされます。 EN 10228-3 または EN 10228-4 (それぞれフェライト系およびマルテンサイト系鋼鍛造品の場合)、表示クラスと基準反射体に対する反射振幅によって定義される許容基準を備えています。原子力発電所のシャフトや大型の洋上風力タービンの主シャフトなどの最も重要な用途には、自動スキャン システムを備えた 100% 容積 UT が指定されています。

磁粉検査（MPI） 表面および表面近くの亀裂、特にフィレット半径、キー溝、ねじ山振れなどの応力集中特徴を検出するために適用されます。ベアリングジャーナルの高周波焼き入れ後、シャフトの仕上げ研削に進む前に焼き入れ亀裂を検出するために、硬化ゾーンで MPI が繰り返されます。

機械的試験 — 引張、衝撃 (シャルピー V ノッチ)、および硬度 — は、鍛造品と一体化した延長部分から切り出されたテストクーポン、または製造部品と同様に処理された個別に鍛造されたテストピースから切り取られたテストクーポンで実行されます。結果は、以下に準拠した材料試験証明書で報告されます。 EN 10204 タイプ 3.1 または 3.2 、顧客立会い検査が必要かどうかに応じて異なります。ジャーナルボアの硬度トラバースにより、高周波焼入れ後に達成された硬化深さとコア硬度が確認されます。

寸法検査 三次元測定機 (CMM) または精密ベンチ測定を使用して、ジャーナル直径が指定された公差 (通常は h5 または h6 軸受の嵌め込みの場合）、ジャーナルの表面粗さ（転動体軸受座の場合は Ra 0.4 ～ 0.8 μm）、振れ（精密シャフト ジャーナルの TIR は通常 ≤0.02 mm）、シャフト軸に沿った真直度です。動的バランシング要件の対象となるシャフトの場合、最終検査の承認前に、動的バランシングマシンで残留アンバランスが検証されます。

鍛造ローリングシャフトと鋳造ローリングシャフト: 鍛造が業界標準である理由

高負荷用途における鍛造ローリングシャフトの鋳造代替シャフトに対する優位性は、好みの問題ではありません。それは、数十年にわたる工業試験にわたって一貫して文書化された機械的特性データによって裏付けられています。

鋳鋼シャフトには凝固収縮気孔、合金元素の樹枝状偏析、およびランダムな結晶方位が含まれており、これらすべてが鍛造形状の同じ公称合金と比較して疲労強度と衝撃靱性を低下させます。公開されている中炭素合金鋼の比較データは、鍛造コンポーネントが次の性能を達成していることを一貫して示しています。 疲労耐久限界が 20 ～ 35% 向上 そして 40 ～ 60% 高いシャルピー衝撃値 鋳物と比較して同等の硬度です。疲労荷重が設計を左右する回転シャフトの用途では、この違いは耐用年数の延長または必要なシャフト直径の減少に直接つながり、それに伴ってベアリングの負荷とシステムの慣性も減少します。

圧延機の作業ロール シャフト、バックアップ ロール ネック、重量コンベア ドライブ シャフトなど、稼働中の 1 回の故障で生産ライン全体が停止し、多大な商業コストを伴う計画外のダウンタイムが数日間発生する可能性があるコンポーネントの場合、鋳造よりも鍛造の増分プレミアムが経済的に正当化されます。計画外のダウンタイムのリスクを含む総所有コストの計算では、中程度のデューティ サイクルまたは負荷レベルを超えて動作するアプリケーションでは、一貫して鍛造ローリング シャフトが有利です。