Como são fabricados os forjados da caixa de engrenagens da turbina eólica?

Forjados de caixa de engrenagens de turbina eólica são fabricados por meio de um processo de vários estágios controlado com precisão: tarugos de liga de aço de alta qualidade são aquecidos à temperatura de forjamento, moldados sob prensa de alta tonelagem ou equipamento de martelo e, em seguida, submetidos a tratamento térmico, usinagem de precisão e inspeção de qualidade abrangente antes da entrega. Toda a sequência é projetada para produzir componentes com estrutura de grão superior, resistência à fadiga e precisão dimensional — propriedades que as alternativas fundidas ou usinadas a partir de barras não podem igualar para as condições extremas de carregamento cíclico dentro de uma caixa de engrenagens de turbina eólica.

O processo de fabricação não é uma operação única, mas uma cadeia integrada. Cada etapa influencia diretamente as propriedades mecânicas e a vida útil do forjamento acabado. A compreensão de cada etapa ajuda engenheiros, equipes de compras e desenvolvedores de energia eólica a especificar e avaliar peças forjadas com confiança.

Por que o método de fabricação determina o desempenho do forjamento da caixa de engrenagens

As caixas de engrenagens de turbinas eólicas operam sob algumas das condições de carga mais exigentes em máquinas industriais. Uma única caixa de engrenagens de turbina offshore de 5 MW transmite torques de pico superiores 4.000 kN·m no eixo de baixa velocidade, enquanto os componentes internos da engrenagem e do rolamento passam por bilhões de ciclos de carga de fadiga ao longo de uma vida útil projetada de 20 anos. (Fonte: Relatório Técnico DNV GL, Projeto de transmissão de turbina eólica offshore, 2020.)

O processo de forjamento atende diretamente a essas demandas:

• Refinando a estrutura de grãos fundidos do tarugo em uma microestrutura fina e uniforme com fluxo de grãos alinhado
• Fechamento de porosidade interna, cavidades de retração e faixas de segregação presentes no lingote original
• Gerando tensões residuais compressivas benéficas na camada superficial que retardam o início da trinca por fadiga
• Produzindo uma seção transversal homogênea com propriedades mecânicas consistentes em todas as profundidades

A análise de falhas de campo compilada pela Associação Europeia de Energia Eólica (EWEA) identifica consistentemente a falha da caixa de engrenagens como uma das principais causas de paralisação de turbinas eólicas, responsável por aproximadamente 20% dos eventos de manutenção não planejados em frotas terrestres. A qualidade de fabricação de peças forjadas internas – engrenagens de coroa, porta-planetas, eixos – é o principal determinante para saber se uma caixa de engrenagens cumpre ou não cumpre sua vida útil projetada.

Etapa 1: Seleção de matéria-prima e preparação de tarugos

A sequência de fabricação começa com uma seleção cuidadosa do material de partida. As caixas de engrenagens forjadas de turbinas eólicas são produzidas a partir de aços de alta liga especificamente formulados para aplicações exigentes de fadiga e impacto. As notas mais amplamente especificadas incluem:

Requisitos de limpeza de aço

A qualidade do aço para peças forjadas de caixas de engrenagens vai além da seleção de classes. A limpeza do fundido é crítica – inclusões não metálicas, como longarinas de alumina e aglomerados de sulfeto, atuam como locais de iniciação de trincas por fadiga. As caixas de engrenagens forjadas premium exigem:

• Desgaseificação a vácuo (VD) ou refusão a arco a vácuo (VAR) para reduzir o hidrogênio dissolvido abaixo de 2 ppm
• Teor de enxofre abaixo de 0,010% em peso
• Classificações de inclusão não metálica em conformidade com ISO 4967 ou ASTM E45 Classe C ou superior
• Certificação de composição química com rastreabilidade total da análise térmica

O estoque inicial é um tarugo fundido continuamente (para seções transversais menores) ou um lingote desgaseificado a vácuo (para componentes grandes, como transportadores planetários superiores a 500 kg). A parte superior do lingote (zona do tubo) e a parte inferior (zona de segregação) são cortadas e descartadas antes do início da sequência de forjamento, garantindo que apenas material limpo e homogêneo entre no processo.

Etapa 2: Aquecimento e Controle de Temperatura

O tarugo ou lingote é carregado em um forno de aquecimento e levado à faixa de temperatura de forjamento. Para aços de baixa liga usados em peças forjadas de caixas de engrenagens, esta faixa é normalmente 1.100 graus C a 1.250 graus C . A uniformidade da temperatura em toda a seção transversal é crítica – o aquecimento não uniforme produz deformação não uniforme e variação microestrutural localizada que degrada o desempenho à fadiga.

Tipos de forno usados na produção

• Fornos de aquecimento a gás natural com eficiência energética são o padrão para tarugos de grande tonelagem, proporcionando aquecimento de atmosfera controlada com rampas de temperatura programáveis e tempos de imersão dimensionados para a seção transversal do tarugo
• Sistemas de aquecimento por indução são usados para tarugos menores que exigem aquecimento rápido e preciso com oxidação superficial mínima

O tempo de imersão é calculado com base em um mínimo de 1 minuto por milímetro de diâmetro da seção transversal para garantir a uniformidade da temperatura antes do início do forjamento. O tempo de imersão inadequado é uma fonte documentada de voltas de forjamento e fechamentos a frio que comprometem a vida em fadiga. (Fonte: ASM International, Manual de Forjamento, 5ª Edição.)

A temperatura é monitorada continuamente usando pirômetros de contato calibrados e instrumentos infravermelhos sem contato. O forjamento deve ser concluído antes que o metal esfrie abaixo da temperatura mínima de forjamento de acabamento - normalmente 950 graus C para a maioria dos aços-liga — para evitar o endurecimento por deformação e fissuras superficiais devido à deformação do material parcialmente recristalizado.

Estágio 3: Forjamento – Operações de Matriz Aberta, Laminação de Anel e Matriz Fechada

O tarugo aquecido é transferido rapidamente para a prensa de forjamento ou laminador de anéis. Para componentes de caixa de engrenagens de turbinas eólicas, três métodos principais de forjamento são empregados dependendo da geometria do componente:

Forjamento em matriz aberta (forjamento livre)

O forjamento em matriz aberta sob grandes prensas de martelo hidráulicas ou eletro-hidráulicas é usado para eixos pesados, discos e pré-formas para posterior laminação de anéis. As capacidades de prensa usadas para grandes componentes de caixas de engrenagens eólicas variam de 20 MN a 125 MN . O processo envolve múltiplas passagens de redução, com o tarugo sendo girado e reposicionado entre cada golpe. Parâmetro chave do processo: a taxa de forjamento (área da seção transversal inicial dividida pela área da seção transversal final) normalmente deve atingir um mínimo de 4:1 a 6:1 para garantir o refinamento adequado dos grãos e o fechamento de vazios.

Rolamento de Anel

A laminação de anéis é o processo principal para a fabricação de peças brutas de coroas, anéis de rolamentos e anéis de flange usados em caixas de engrenagens de turbinas eólicas. O processo começa com um tarugo pré-formado em forma de donut (produzido por forjamento e puncionamento em matriz aberta), que é então enrolado entre um rolo principal acionado e um rolo de mandril ocioso para aumentar progressivamente o diâmetro do anel enquanto reduz a espessura da parede.

Laminadores de anéis verticais - como o Máquinas com capacidade de 1 metro e 1,5 metros usado em instalações modernas de forjamento pesado — pode produzir anéis com diâmetros externos de várias centenas de milímetros a mais de 3.000 mm, espessuras de parede de 50 mm a 400 mm e alturas de até 600 mm. O controle dimensional durante a laminação de anéis visa uma tolerância de circularidade de menos de 0,3% do diâmetro externo antes da tolerância de usinagem.

Forjamento em matriz fechada

Para componentes menores e geometricamente complexos, como peças brutas de engrenagens planetárias produzidas em volumes maiores, é usado o forjamento em matriz fechada (matriz de impressão). O tarugo aquecido é golpeado entre as matrizes superior e inferior correspondentes que contêm o perfil negativo da peça. Este método consegue tolerâncias dimensionais mais restritas e saída com formato quase final , reduzindo o estoque de usinagem subsequente e melhorando o rendimento do material em comparação com o forjamento em matriz aberta da mesma geometria.

Taxa de forjamento e seu efeito nas propriedades

A taxa de forjamento é um parâmetro crítico do processo que determina diretamente o grau de refinamento do grão alcançado. A relação está bem estabelecida na literatura metalúrgica:

• Relação de forjamento abaixo de 2:1 — refinamento mínimo de grão; estrutura dendrítica fundida parcialmente retida
• Proporção de forjamento 4:1 a 6:1 — refinamento significativo do grão; propriedades de fadiga se aproximam do ideal para o tipo de liga
• Proporção de forjamento acima de 8:1 — rendimentos decrescentes no refinamento de grãos; risco de anisotropia aumentando na direção transversal

As especificações de forjamento da caixa de engrenagens eólica normalmente exigem taxas mínimas de forjamento no 4:1 a 6:1 range , verificado pela documentação das dimensões iniciais do tarugo e das dimensões acabadas do forjamento. (Fonte: AGMA 923-B05, Especificações Metalúrgicas para Engrenagens de Aço.)

Etapa 4: Resfriamento Controlado Após Forjamento

Uma vez concluído o forjamento, o componente deve ser resfriado sob condições controladas. O resfriamento rápido e descontrolado de peças forjadas de grandes ligas de aço introduz:

• Têmpera a fissuração causada por tensões de tração induzidas por gradiente térmico na superfície
• Fissuração retardada induzida por hidrogênio (descamação) em aços de alta liga com hidrogênio residual dissolvido
• Camadas superficiais martensíticas duras que interferem na usinagem subsequente

A prática padrão para peças forjadas de grandes caixas de engrenagens eólicas é o resfriamento lento controlado em caixas isolantes ou o resfriamento programado do forno a taxas de 20 a 50 graus C por hora até que o componente atinja menos de 300 graus C. Este resfriamento lento permite que o hidrogênio se difunda para fora da estrutura de aço e evita rachaduras por choque térmico em seções transversais espessas. Para componentes muito grandes (acima de 1.000 kg), o recozimento pós-forjamento em um forno pode ser especificado para homogeneizar completamente a microestrutura antes do tratamento térmico.

Etapa 5: Tratamento Térmico – Desenvolvimento das Propriedades Mecânicas Alvos

O tratamento térmico é a etapa na qual a microestrutura forjada é transformada no perfil de propriedades mecânicas especificado pelo engenheiro projetista. Para peças forjadas de caixas de engrenagens de turbinas eólicas, a rota de tratamento térmico necessária depende da função do componente e do tipo do material.

Normalização e recozimento

Aplicado após o forjamento e antes do tratamento térmico final para aliviar tensões residuais de forjamento, homogeneizar a microestrutura e melhorar a usinabilidade. A normalização é realizada em 850 a 920 graus C seguido de resfriamento a ar. Esta etapa prepara o forjamento para uma usinagem dimensional precisa e garante uma resposta consistente ao tratamento de endurecimento subsequente.

Têmpera e Revenimento

Componentes totalmente endurecidos, como eixos e suportes planetários, passam por austenitização em 840 a 880 graus C , seguido de têmpera em óleo ou água para formar uma estrutura martensítica e depois revenido em 550 a 650 graus C . Esta sequência produz resistências à tração na faixa de 900 a 1.200 MPa combinado com valores de impacto Charpy superiores a 60 J a menos 40 graus C — atendendo aos requisitos de resistência a baixas temperaturas para aplicações de turbinas offshore.

Endurecimento de caixa (cementação e têmpera)

Peças brutas de engrenagens feitas de aços endurecíveis, como 18CrNiMo7-6, são processadas em fornos de cementação em 880 a 980 graus C numa atmosfera rica em carbono. O processo cria uma camada de case enriquecida com carbono Profundidade efetiva da caixa de 0,8 a 2,5 mm . Após têmpera e revenido a baixa temperatura de 150 a 200 graus C, a caixa atinge uma dureza de 58 a 62 HRC enquanto o núcleo mantém tenacidade com dureza de 30 a 40 HRC. As tensões residuais compressivas superficiais geradas pela expansão volumétrica da formação de martensita aumentam significativamente a resistência à fadiga por flexão na raiz do dente.

Endurecimento por indução

Mancais de rolamento, assentos de eixo e zonas de superfície localizadas que exigem alta dureza são endurecidas seletivamente por indução para 54 a 62 HRC dureza da superfície enquanto o material circundante permanece em sua condição revenida. O endurecimento por indução é preferido para eixos grandes onde a cementação de todo o componente seria impraticável e onde a dureza superficial localizada é o principal requisito.

Etapa 6: Usinagem Desbaste e Pré-Inspeção

Após o tratamento térmico, o forjamento passa por usinagem de desbaste para remover incrustações de superfície, estabelecer superfícies de referência de referência e trazer as dimensões externas dentro das tolerâncias de usinagem de desbaste. As tolerâncias típicas de usinagem de desbaste em peças forjadas de caixas de engrenagens eólicas são 5 a 15 mm por superfície dependendo da tolerância de forjamento e do tamanho do componente.

Após a usinagem de desbaste, o componente passa por um estágio crítico de exame não destrutivo (NDE) antes que o investimento final na usinagem seja comprometido:

• Teste ultrassônico (UT) de acordo com EN 10228-3 ou ASTM A388 — detecta descontinuidades internas, incluindo restos de tubos, flocos de hidrogênio e faixas de segregação. Os critérios de aceitação normalmente não exigem indicações que excedam o furo de fundo plano equivalente a 2 mm em qualquer local.
• Inspeção de partículas magnéticas (MPI) — detecta trincas superficiais e próximas à superfície em superfícies usinadas em desbaste
• Pesquisa de dureza — confirma a resposta do tratamento térmico em vários pontos de medição na seção transversal

Componentes que passam pela usinagem de desbaste NDE seguem para a usinagem de acabamento. Aqueles com indicações rejeitáveis ​​são dispostos – reparados quando as especificações permitirem ou removidos do fluxo de produção, protegendo o investimento em usinagem posterior.

Etapa 7: Usinagem de Precisão até Tolerâncias Dimensionais Finais

A usinagem de precisão transforma a peça bruta de forjamento tratada termicamente e usinada em desbaste em um componente acabado, pronto para corte de engrenagens ou montagem direta. As principais operações de usinagem incluem:

• Torneamento e mandrilamento CNC de munhões de rolamento com tolerâncias de circularidade dentro de 5 micrômetros e rugosidade superficial Ra 0,4 a 0,8 micrômetros
• Fresamento ou modelagem de dentes de engrenagem para produzir perfis de dentes de engrenagem com classe de precisão ISO 6 ou melhor antes do endurecimento e retificação
• Ranger de dentes de engrenagem após o endurecimento da camada para corrigir a distorção térmica e obter tolerâncias finais de perfil, avanço e passo para Classe de precisão ISO 4 ou 5 — o padrão para engrenagens de caixas de engrenagens de turbinas eólicas de acordo com IEC 61400-4
• Torneamento difícil dos assentos do rolamento e do alojamento se ajustam a H7/h6 ou tolerâncias de ajuste com interferência mais restritas
• Shot peening das raízes dos dentes introduzir tensões residuais compressivas, prolongando a vida útil à fadiga por flexão em 15 a 25%

As operações de usinagem são realizadas em centros de usinagem CNC com medição em processo e verificação da máquina de medição por coordenadas (CMM) em estágios intermediários, garantindo que os desvios dimensionais sejam detectados e corrigidos antes da próxima operação, em vez de serem descobertos na inspeção final.

Etapa 8: Inspeção e Certificação Final de Qualidade

As peças forjadas concluídas da caixa de engrenagens da turbina eólica passam por uma sequência abrangente de inspeção final antes de serem aceitas para entrega. O escopo de inspeção normalmente especificado por OEMs de turbinas eólicas e organismos de certificação como DNV, Bureau Veritas e TUV inclui:

A documentação completa de rastreabilidade do material acompanha cada forjamento aceito – desde o número de calor de fusão e certificado de análise química da panela, passando pelos registros de processamento até os resultados finais da inspeção – permitindo trilhas de auditoria completas necessárias para a certificação do tipo de turbina eólica e pacotes de documentação do proprietário/operador.

Capacidade de fabricação do Grupo ACE para peças forjadas de caixas de engrenagens de turbinas eólicas

O sistema integrado de produção industrial pesada do Grupo ACE é especificamente estruturado para executar toda a cadeia de produção descrita acima sob o mesmo teto organizacional. Nosso Forjados de caixa de engrenagens de turbina eólica são produzidos através de um processo verticalmente integrado que abrange:

• Forjamento: Martelos eletro-hidráulicos de várias toneladas (capacidade de 3, 5 e 15 toneladas) e laminadores de anéis verticais (1 metro e 1,5 metros) na Jiangsu ACE Energy Technology Co., Ltd. - uma instalação de 55 acres com mais de 50.018 metros quadrados de área útil de produção, iniciando operações em novembro de 2025
• Tratamento térmico: Fornos de aquecimento a gás natural no local, fornos de resistência a tratamento térmico, tanques de têmpera e equipamentos de têmpera por indução para controle metalúrgico completo sem transporte entre instalações de peças forjadas semiacabadas
• Usinagem de precisão: Centros de usinagem CNC na Yancheng ACE Machinery Co., Ltd. para acabamento dimensional de peças forjadas tratadas termicamente para tolerância de desenho
• Tratamento de superfície: Linha de revestimento em pó para serviço pesado na Yancheng ACE Surface Treatment Technology Co., Ltd., alcançando espessura de revestimento única de 400 micrômetros para proteção superior contra corrosão em componentes acabados

Essa capacidade integrada elimina os riscos de qualidade e rastreabilidade associados às cadeias de processamento de vários fornecedores e fornece aos clientes do setor de energia eólica um parceiro de fabricação de fonte única para peças forjadas de caixas de engrenagens, desde tarugos até componentes certificados e prontos para entrega.