Forja de anillos laminados: proceso de anillos sin costura, tolerancias y comprobaciones de proveedores

Un anillo suele fallar donde se encuentra el metal. Podría ser una costura de soldadura o un borde cortado que detiene el flujo de grano. La forja de anillos laminados existe para eliminar ese punto débil. En lugar de cortar un anillo de una placa o soldar uno de una barra, el proceso comienza con una preforma perforada en forma de rosquilla y la enrolla hasta que el material se ha comprimido en un flujo de grano circunferencial continuo alrededor de los 360 grados.

La conclusión primero, porque ahorra retrabajos posteriores. Si un anillo soporta torsión, presión interna, carga inversa o un ciclo de trabajo de fatiga, un anillo laminado sin costuras suele ser la ruta correcta, aunque cueste más que un anillo de placa cortada con plasma. Si la pieza es un espaciador de baja tensión o una cubierta plana, rara vez vale la pena dar un paso adicional para enrollarla. El resto de esta página explica cómo se ejecuta el proceso, qué tolerancias esperar en caso de falsificación y qué verificar antes de emitir una orden de compra.

Por qué un anillo enrollado sin costura es mejor que uno cortado o soldado

El metal tiene una dirección una vez trabajada. La forja alinea las inclusiones y los límites de los granos con la dirección del flujo del material, y el laminado de anillos los alinea alrededor de la circunferencia, que es exactamente la dirección en la que un anillo giratorio soporta su tensión circular. Tres consecuencias importantes en el servicio.

• Sin costura de soldadura significa que no hay zona afectada por el calor y que no hay requisitos de inspección de soldadura en la sección de la pieza con mayor tensión.
• El flujo continuo de grano en forma de aro proporciona una mejor resistencia a la fatiga y un mejor comportamiento de detención de grietas que un anillo cortado de una placa, donde el flujo corre en línea recta y simplemente se detiene en el borde cortado.
• La deformación del espesor durante el laminado cierra la porosidad interna que queda del lingote o bloque original, razón por la cual se prefieren los anillos laminados para retener la presión y componentes altamente cargados.

Un anillo cortado no es automáticamente una mala pieza. Para un espaciador no estructural, un anillo protector o una pieza de reparación única, cortar una placa es rápido y económico. El error costoso es especificar un anillo cortado para una tarea que necesita propiedades de flujo forjadas y luego descubrir la diferencia a través de una falla en el campo o un rechazo inesperado en la inspección ultrasónica.

La secuencia de forjado de anillos laminados, paso a paso

El laminado de anillos es la segunda mitad de una secuencia de forjado más larga, y la primera mitad decide qué tan buena puede ser la segunda mitad. Una ruta típica es la siguiente.

1. Cortar el tocho a un peso calculado y calentarlo a temperatura de forjado en un horno controlado.
2. Moler el tocho para aumentar la sección transversal y consolidar la estructura fundida.
3. Perfore la pieza en bruto recalcada con un punzón para crear una preforma hueca, a menudo descrita como dona.
4. Coloque la preforma entre el rollo principal y el mandril. El rodillo principal avanza, el mandril presiona hacia adentro y la pared se adelgaza a medida que aumenta el diámetro.
5. Traiga rodillos axiales o cónicos para controlar la altura y escuadre las caras mientras el anillo se expande.
6. Enrolle hasta alcanzar el tamaño final, luego enfríe, trate con calor, mecanice e inspeccione.

La variable crítica es la relación de reducción, es decir, cuánto se reduce el espesor de la pared durante el laminado en relación con la pared de la preforma. Una preforma que se perfora demasiado fina o se lámina con muy poca reducción, puede terminar con una deformación insuficiente en el orificio y una estructura menos uniforme. Una preforma demasiado pesada desperdicia material y tiempo de laminado. Esta es la razón por la que el laminado en anillos se planifica hacia atrás desde la pieza terminada, no hacia adelante desde cualquier tocho que se encuentre en el estante.

Los laminadores axiales radiales manejan la mayoría del trabajo industrial, y los laminadores de anillos verticales son comunes para diámetros más grandes donde el anillo necesita soporte mientras crece. El rango de tallas es amplio. Con el mismo principio se fabrican anillos desde aproximadamente 200 mm hasta varios metros de diámetro exterior, siendo el espesor de la pared, la altura y la capacidad de la máquina los que deciden qué ruta se adapta al trabajo.

Comparación de rutas de producción de anillos.

Antes de elegir un proceso, es útil ver dónde gana realmente cada ruta. La siguiente comparación toma como criterios decisivos el flujo de grano, el estado de la costura y el uso del material.

Cuando la pieza es una novia en bruto, un anillo de engranaje, una pista de rodamiento o un anillo de caja de engranajes de turbina eólica, el laminado es generalmente la mejor ruta porque las cargas de servicio actúan en la dirección del aro y las líneas de flujo terminan donde lo hace la tensión.

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Tolerancias y condiciones forjadas para planificar

Los anillos laminados se suministran laminados con un margen de mecanizado o como anillos mecanizados en bruto y mecanizados a prueba. Como las dimensiones forjadas son un punto de partida, no una tolerancia final, las cifras varían según el diámetro, el espesor de la pared, el material y el número de pasadas de laminación. La siguiente tabla muestra el rango general que se puede esperar y confirmar en el dibujo.

A continuación se detallan dos puntos prácticos. Especifique siempre el margen mínimo de mecanizado en el orificio en lugar del diámetro exterior, porque la limpieza del orificio normalmente es lo que decide si un anillo es recuperable. Y espere que los anillos de pared delgada y de gran diámetro sean los más difíciles de mantener redondos. La ovalidad es donde comienzan la mayoría de los desacuerdos entre comprador y proveedor.

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Opciones de materiales y tratamientos térmicos para anillos forjados

El laminado de anillos funciona en aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables, aleaciones de níquel y aleaciones de cobre, siempre que el material pueda perforarse y laminarse dentro de su ventana de temperatura de forjado. Las selecciones típicas incluyen:

• Aceros al carbono y microaleados para anillos estructurales y espaciadores en general.
• Aceros aleados templados y revenidos, como los grados tipo 4140 para anillos dentados, bridas pesadas y cubos de alta carga.
• Grados de cementación para anillos de engranaje que se carburizarán después de la forja.
• Aceros inoxidables austeníticos como el 316L para tareas higiénicas y contra la corrosión, y grados martensíticos como el 420 para anillos de desgaste.

El tratamiento térmico debe ser impulsado por los requisitos de la propiedad final, no por el hábito. La normalización refina la estructura antes de que el mecanizado, el enfriamiento y el revenido alcancen una combinación específica de resistencia y tenacidad, y el recocido por solución se utiliza para los grados austeníticos. En los anillos de acero inoxidable, el rango de temperatura de forjado y la ruta de enfriamiento son importantes, porque la combinación incorrecta puede dejar sensibilización o una estructura tosca que ningún mecanizado posterior podrá corregir. Se tratan más antecedentes en este artículo sobre cómo forjar piezas forjadas de acero inoxidable .

Dónde se utilizan anillos laminados en equipos pesados

Las cajas de engranajes de turbinas eólicas son el ejemplo más claro de anillos laminados que realizan un trabajo serio. Las coronas dentadas, los planetas y los portasatélites de la clase de 3 MW a 10 MW tienen un tamaño en el rango de metros, funcionan bajo par de inversión y se espera que sobrevivan dos décadas de servicio, por lo que la corona dentada es casi siempre un anillo laminado sin costura en una aleación de acero cementado o templado y revenido.

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Otras tareas siguen la misma lógica, razón por la cual la forma de anillo sigue apareciendo en la industria pesada:

• Pistas de rodamientos y anillos de rodamientos para grúas, excavadoras y equipos de manipulación portuaria.
• Componentes de eje y timón marino, donde el flujo forjado y la limpieza ultrasónica se especifican antes que nada.
• Anillos de recipientes a presión y equipos de perforación, como cabezales de revestimiento, soportes de mandril y cuerpos de válvulas.
• Alojamientos de rodamientos de laminadores y rodillos enderezadores, donde el anillo debe resistir carga y desgaste al mismo tiempo.

Los anillos con novia merecen una mención aparte porque son muy comunes. Una novia laminada en bruto mantiene el flujo de grano en forma de aro, lo cual es importante en novias expuestas a presión cíclica o movimiento térmico, y evita la debilidad direccional que aparece en una novia cortada de una placa.

Qué verificar en un proveedor de forja de anillos

Comience con la lista de equipos. Un proveedor que lamina anillos internamente debería poder indicar el tamaño y la capacidad de sus molinos y sus martillos o prensas, porque esos números definen el rango de diámetro y peso que se puede producir como una sola pieza. Un taller que utiliza laminadores de anillos verticales de la clase de 1 ma 1,5 m junto con martillos de forjado de 3, 5 y 15 toneladas, por ejemplo, puede cubrir tanto trabajos con anillos medianos como con troqueles abiertos más pesados ​​sin necesidad de realizar ningún esfuerzo.

La capacidad de inspección viene después. Pregunte sobre pruebas ultrasónicas, pruebas de partículas magnéticas o tintes penetrantes, pruebas mecánicas y de dureza según un estándar reconocido, además de informes dimensionales. Luego pregunte qué documentación acompaña a la pieza, normalmente un certificado de inspección de tipo 3.1 con trazabilidad del número de calor que vincula el anillo terminado con el acero del que procede.

Finalmente, pregunte sobre el lado no estándar del negocio, porque la mayoría de los proyectos de anillos dejan de ser estándar en el momento en que aparece en el dibujo un escalón, un chavetero, una novia o un conjunto de orificios para pernos. Un proveedor que ya maneja forja personalizada no estándar y el acabado del mecanizado bajo un mismo techo elimina del cronograma toda una cadena de pasos de transporte y re-inspección.

Clave de conclusiones

• La forja de anillos laminados produce un anillo sin costuras con un flujo de grano circunferencial continuo, que es la opción correcta para anillos sometidos a cargas de torsión, presión o fatiga.
• El diseño de la preforma y la relación de reducción deciden la calidad interna, por lo que el laminado debe planificarse hacia atrás desde la pieza terminada.
• Como las dimensiones forjadas son un punto de partida. Acuerde por escrito el margen de orificio mínimo y la ovalidad aceptable antes del primer calentamiento.
• El material y el tratamiento térmico deben especificarse a partir de los requisitos de servicio, no copiarse de un dibujo antiguo.
• Verifique la capacidad del molino, el alcance de la inspección y la trazabilidad de la certificación antes de realizar una orden de compra.