Resumo: Durante a estampagem experimental de rolos cônicos com equipamento importado de quatro{0}}estações de alta-velocidade, surgiram defeitos típicos, incluindo rachaduras transversais de peças cortadas, rachaduras superficiais no diâmetro externo e chanfro do rolo, bem como estampagem dobrada nas faces do chanfro. A análise da causa raiz confirma que todos esses defeitos decorrem da má qualidade da matéria-prima. Após a otimização técnica do fio-máquina GCr15 recozido esferoidizado dedicado ao cabeçote a frio de alta-velocidade, o produto atende totalmente aos requisitos práticos de produção.

Palavras-chave: rolamento de rolos cônicos; rolo cônico; máquina de descabeçamento a frio de alta-velocidade; Aço para rolamento GCr15; defeito; análise de falhas

1 Processo de usinagem de máquina de cabeçote a frio de quatro-estações de alta-velocidade

Para melhorar a capacidade de estampagem de rolos cônicos com diâmetro externo superior a 20 mm, é adotada uma máquina de cabeçote a frio importada de quatro-estações de alta-velocidade. O equipamento oferece alta produtividade a uma taxa de estampagem de até 100 peças por minuto e produz rolos de alta-precisão livres de rebarbas após a conformação. No entanto, a matéria-prima para esta máquina deve ser fio-máquina recozido esferoidizado, enquanto os principais fabricantes nacionais de aços especiais fornecem apenas aço GCr15 acima de Φ20 mm em forma de barra sólida. Após a negociação, um fornecedor de aço especial fornece fio-máquina recozido esferoidizado personalizado para este processo de descabeçamento a frio.

Os requisitos técnicos primários para o fio-máquina de teste são os seguintes: processado por trefilação dupla e descascamento duplo com acabamento superficial; microestrutura de recozimento esferoidizada classificada como Grau 2~4 por GB/T18254-2002; dureza controlada em 170 ~ 185 HB. O endurecimento severo ocorre durante a deformação a frio em múltiplos-passes, o que impede a conformação subsequente, daí o requisito de dureza relativamente baixo. A profundidade de descarbonetação superficial unilateral não deve exceder 0,8% do diâmetro nominal do aço; a tolerância dimensional do diâmetro da haste é de 0 ~ −0,05 mm, com as especificações restantes em conformidade com os acordos técnicos de compra relevantes.

A estampagem de rolos cônicos na máquina de cabeçalho a frio de quatro estações abrange quatro estações de trabalho sequenciais: cisalhamento de peças brutas → recalque de extremidade → pré-conformação → conformação de acabamento, com o esquema de conformação mostrado na Figura 1.

Figura 1 Diagrama esquemático do processo de formação de estampagem de quatro estações

Corte em branco: O cisalhamento do blank tipo manga- gera blanks com deformação menor e faces finais aproximadamente perpendiculares à linha axial do blank.

Fim perturbador: Nivela as faces finais irregulares da peça bruta perpendiculares ao eixo, unifica o comprimento da peça bruta e perturba o círculo externo da peça bruta.

Pré-formação: molda aproximadamente o contorno cônico, reduz a dimensão final pequena, forma uma cavidade côncava na face final-grande e expande o diâmetro externo para fora.

Concluir a formação: Finaliza as dimensões do rolo com a tolerância especificada.

Grandes deformações e endurecimentos notáveis ​​ocorrem em chanfros-de extremidade grande, diâmetro externo, face final de extremidades grandes e pequenas e chanfros-de extremidade pequenos durante toda a conformação. A variação de dureza dos rolos acabados em diferentes posições está listada na Tabela 1. Em comparação com os rolos de prensas mecânicas de estação única, os produtos desta máquina apresentam precisão dimensional superior, eliminando pós-{5}}processos, como remoção de flash, retificação suave do diâmetro externo e retificação suave da face final, o que melhora muito a taxa de utilização da matéria-prima.

Tabela 1 Variação de Dureza do Rolo Estampado em Diferentes Posições (Unidade: HB)

2 Análise de Defeitos de Rolos Cônicos Estampados

Durante a formação de rolos cônicos, conforme ilustrado na Figura 1, os defeitos recorrentes incluem trincas transversais de peças brutas cisalhadas, trincas superficiais axiais em diâmetros externos e chanfros de extremidades grandes e defeitos de dobramento em superfícies de chanfros. Após inspeção sistemática de equipamentos, matrizes e matérias-primas, a má qualidade do fio de aço experimental é verificada como a causa raiz.

2.1 Fissuração Transversal de Peças Cisalhadas

Rachaduras transversais paralelas ao plano de cisalhamento ocorrem frequentemente em peças cisalhadas na estação de corte, acionando parada de emergência e alarme de máquina de descabeçamento a frio. Amostras metalográficas cortadas de peças quebradas são atacadas com solução de álcool de ácido nítrico a 2%. A observação microscópica revela perlita lamelar maciça mais partículas grossas de carboneto (Figura 2). De acordo com o padrão GB/T18254-2002 para aço com alto teor de carbono e cromo, a microestrutura esferoidizada é superaquecida e classificada acima do Grau 6. A dureza aparente de peças brutas rachadas é medida em 187 HB por meio do testador de dureza Brinell.

A inspeção de amostragem da cabeça, meio e cauda da mesma bobina de fio revela microestrutura de recozimento inconsistente: coexistem estruturas esferoidizadas de grau 4, 5 e 6, com dureza variando de 184 HB a 189 HB. A microestrutura esferoidizada não qualificada, especialmente o excesso de perlita lamelar, reduz drasticamente a ductilidade do aço. A tensão de tração concentrada perto do plano de cisalhamento durante o corte da peça inicial inicia a fissuração transversal da peça bruta.

Figura 2 Microestrutura de recozimento esferoidizado de branco rachado transversalmente

2.2 Rachaduras superficiais em grandes-diâmetros externos finais e chanfros de rolos

Trincas superficiais axiais são comumente encontradas em-diâmetros externos de extremidades grandes e chanfros de rolos acabados, com trincas parciais estendendo-se até as faces finais. A inspeção de partículas magnéticas em peças acabadas acumula pó magnético abundante em locais de chanfros-de extremidades grandes. Após a decapagem a quente (50% de ácido clorídrico industrial concentrado + 50% de água, embebido a 70 graus por 30 min), microfissuras axiais finas e densas emergem nas superfícies do chanfro. Existem poucas microfissuras idênticas em chanfros-de extremidade pequena.

Rolos com trincas de diâmetro-externo axial são seccionados perpendicularmente à direção da trinca para análise metalográfica. A micrografia mostra trincas divididas em duas camadas: a camada externa de trinca grossa com descarbonetação superficial e a camada interna de trinca fina livre de descarbonetação (Figura 3). A inspeção da microestrutura do fio-máquina bruto identifica uma camada descarbonetada contínua de 0,3 a 0,4 mm de profundidade na superfície do aço (Figura 4), juntamente com rachaduras axiais profundas espalhadas e numerosos arranhões superficiais superficiais.

Grande expansão radial para fora ocorre no diâmetro externo-de extremidade grande e no chanfro durante a conformação a frio, acompanhada por intenso endurecimento por trabalho e deterioração da ductilidade. Defeitos superficiais pré-existentes (rachaduras/arranhões) dentro da camada descarbonetada com perlita lamelar se propagam em trincas macroscópicas sob tensão de formação; a região descarbonetada ao redor das trincas herda defeitos superficiais originais da matéria-prima, enquanto seções de trincas não{3}}descarbonetadas se desenvolvem a partir da propagação de trincas na estampagem. Em contraste, a formação de extremidades pequenas prossegue através da deformação por contração interna, que restringe a expansão da fissura.

Figura3 Morfologia da seção-transversal da trinca axial no diâmetro externo do rolo estampado

Figura 4 Camada superficial descarbonetada de aço bruto com microfissuras de óxido intergranular na superfície superior

Rachaduras superficiais e arranhões na superfície externa do rolo são removidos na operação de retificação subsequente, enquanto as superfícies do chanfro permanecem não retificadas e retêm pequenas falhas, resultando no acúmulo de pó magnético durante a inspeção MPI final.

2.3 Estampagem de defeito de dobramento no chanfro do rolo

A inspeção visual dos rolos formados detecta defeitos de dobramento distribuídos simetricamente ao longo do eixo central em chanfros de extremidades-grandes e pequenas-. O dano ao dado é descartado após a solução de problemas; a dobra origina-se do "excesso de metal" extra na extremidade bruta local gerado no procedimento de cisalhamento.

A seção transversal-fraturada da peça bruta cisalhada apresenta contorno aproximado de elipse, com a força de cisalhamento alinhada ao longo do eixo menor da elipse. Existe uma zona de metal em excesso- rasgada de 1 a 2 mm de largura em ambas as extremidades do eixo principal, diferindo da superfície de cisalhamento perfeita em outros lugares (Figura 5). Os dados estatísticos indicam que não ocorre dobramento de chanfro quando a dureza da matéria-prima está em torno de 192 HB; o dobramento surge consistentemente para matéria-prima abaixo de 190 HB devido à ductilidade excessiva, levando a rebarbas rasgadas/excesso de metal na extremidade da peça bruta durante o corte. Portanto, a baixa dureza básica do aço bruto causa bordas rasgadas irregulares e subsequente dobramento do chanfro após a conformação.

3 Teste de melhoria e verificação da qualidade da matéria-prima

O rastreamento de defeitos conclui quatro desvantagens críticas do fio-máquina de teste inicial: (1) Microestrutura de recozimento esferoidizada irregular não-conforme; (2) Camada descarbonetada de superfície inválida mais-espessa; (3) Rachaduras e arranhões superficiais aleatórios no aço; (4) Dureza de recozimento esferoidizado subdimensionado.

Figura 5 Esquema de zonas metálicas em excesso-rasgadas na superfície de fratura cisalhada

As especificações técnicas revisadas para fio-máquina qualificado são formuladas conforme abaixo:

Microestrutura de recozimento esferoidizada controlada dentro dos graus 2 ~ 4 com estrutura uniforme em bobina de fio único;

Descarbonetação superficial zero em aço acabado;

Não são permitidas rachaduras superficiais ou arranhões mecânicos;

Dureza recozida esferoidizada regulada de 195 HB a 207 HB; demais itens técnicos inalterados.

O fornecedor reabastece o fio de teste em conformidade com as especificações atualizadas: estrutura esferoidizada classificada como Grau 2, dureza aparente 203 HB, superfície totalmente livre de descarbonetação-sem rachaduras ou arranhões. O teste de estampagem em lote com matéria-prima aprimorada elimina todos os defeitos de conformação anteriores, e a máquina de cabeçalho a frio de quatro-estações de alta-velocidade retoma a produção normal e estável.

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