大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟.doc

南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:陈杰学 号：0916150209学院(系):材料科学与工程学院专 业:材料成型及控制工程题 目:大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟讲师黄俊指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 6 月毕业设计说明书（论文）中文摘要本文针对2MW风电主轴为研究对象，将其完整的锻造工艺分成了四大锻造步骤，并运用有限元软件DEFORM，重点对倒棱滚圆、镦粗、拔长、号印分料和模锻等步骤分别进行了数值模拟。在模拟过程中分析了各个步骤的锻件内部应力应变和尺寸精度的影响。具体的研究内容和所得结论如下：（1） 获得了对大型风电主轴类锻件倒棱滚圆的过程进行了模拟有限元模型，研究了该过程中锻件内部应力应变状态和温度的分布以及使用平砧倒棱滚圆的精度。使用平砧滚圆，截面平均直径值与初始方形锻件边长相比增加2.8%， 需要继续对工件加工才能达到更高的精度，并且锻件心部有较大的等效应变。（2） 获得了对大型风电主轴类锻件镦粗拔长的过程有限元模型，进行了模拟，研究了拔长过程中接砧量对工件表面缺陷的影响。应设定较小的接砧量60mm，这样不仅提高工作效率，而且保证锻件表面质量并且提高工作效率。（3） 获得了对大型风电主轴类锻件模锻的过程进行了模拟有限元模型，研究了模锻过程中锻件应力应变和温度的改变，以及最终锻件的精度。最终锻件顶部平均直径1546mm，底部直径405mm，均符合工艺卡要求。关键词 风电主轴大型锻件，数值模拟，倒棱滚圆，镦粗拔长，模锻锻造工艺，数值模拟， 锻造工艺优化毕业设计说明书（论文）外文摘要Title STUDY ON FE SIMULATION OF FORGING PROCESS OF HEAVY AXIAL FORGINGS Abstract The complete forging process of 2MW wind power axis is studied and divided into 4 main forging approaches firstly. Then, the finite element code DEFORM is applied to simulate the different forging approach sequentially. And finally, by analyzing the influence of different forging parameters on the internal quality and size precision of the final-shaped forging. The main research contents and conclusions of this article are summarized as follows:（1） The chamfering and rounding process of wind power axis are simulated. During the simulation, the strain-stress distribution，temperature and the size precision of the final forging are discussed. With a flat anvil rounded，the cross-sectional average diameter of forging increases by 2.8% compared to the original.（2） The heading and stretching process of wind power axis are simulated. During the simulation, the impact of received-anvil- distance on surface defects the final forging are discussed. Setting the received-anvil-distance of 60mm , which not only improve work efficiency, but also to ensure the surface of the final forging.（3） The die forging process of wind power axis is simulated. During the simulation, the strain-stress distribution，temperature of the final forging and the size precision are discussed. The average diameter of the top of the final forging 1546mm, bottom diameter 405mm, are in line with process card requirements. Keywords heavy axial forging, chamfering and rounding, heading and stretching, die forging, numerical simulation, forging process optimization目 次 1 绪 论11.1 选题背景及意义11.2 国内外研究概况11.3有限元软件DEFORM-3D简介31.4本课题研究内容42 大型锻件多工步锻造过程模拟总体方案52.1热力耦合刚粘塑性有限元理论基础52.2 大型锻件多工步锻造过程在DEFORM软件中的实现93大型风电主轴锻件的数值模拟研究123.1大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟123.2大型轴类锻件镦粗与拔长的数值模拟183.3大型轴类锻件号印分料与切除过程的数值模拟223.4大型轴类锻件模锻过程的数值模拟26结 论32致 谢33参 考 文 献34 1 绪 论1.1 选题背景及意义大型锻件一般用于机器设备的关键和核心部位，是制造重大设备的基础件，其成形制造在能源工业、钢铁工业以及国防工业中都具有举足轻重的地位，体现着国家的极端制造能力与制造水平，是国民经济的重要保障。可以说大型锻件的生产能力和制造技术是衡量一个国家的重工业发展水平与重大、关键技术设备自给能力的主要标志之一。大型锻件生产的主要特点是：体重形大，质量要求严格，工艺过程复杂，生产费用高，生产周期长。其完整的生产流程为：冶炼铸锭锻造粗加工热处理精加工。显然大锻件的质量是炼钢、锻造和热处理等专业综合技术水平的标志，其中锻造环节起着非常重要的作用。大型锻件锻造的任务，不仅是为了得到一定形状和尺寸的锻件，更重要的是通过锻造破碎钢锭的铸态组织，消除钢锭内部的疏松、裂纹、气孔等缺陷，改善第二相化合物及非金属夹杂物在钢中的分布，以提高锻件性能。可见，锻造是大型锻件生产的重要工序之一，锻造工艺的好坏以及锻造水平的高低往往会对最终成形产品的质量产生很大的影响，甚至可能造成锻件报废的后果。然而，目前我国大型锻件锻造工艺过程的制定主要依据人为经验，缺乏对锻造具体工艺规律与实质的认识。因此，要提高大型锻件的生产水平，就必须从具体的锻造过程入手，研究每一步锻造工艺及其参数对大锻件成形质量的影响，真正了解大锻件锻造的目的与实质，从而制定出有效且可行的锻造工艺1-3。近年来，随着计算机技术的发展和材料塑性成形理论的深化，材料塑性成形过程工艺设计方法已经开始由“经验”向“科学”转变。以有限元为代表的数值模拟方法，在金属材料塑性成形的理论研究和生产实际中已显示出其作用。材料塑性成形工艺的模拟技术就是在材料塑性成形理论的指导下，通过数值模拟和物理模拟，预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量，进而实现塑性成形工艺的优化设计。这可以为生产工艺的制造提供参考，进一步优化工艺过程、提高产品质量、缩短研发周期、降低生产成本以及提高生产效率等。风电装备中采用的大型轴类锻件重数十吨，前期投入大，一旦报废，损失巨大，对锻造工艺设计的合理性提出了更高的要求，针对大型风电主轴锻件制造过程，采用三维有限元方法进行温度场及应力场数值模拟与仿真，分析锻件成形过程中温度及应力应变的分布与变化规律，从而研究锻造温度、加热时间、锻压力等工艺参数与锻件质量的关系，得出工艺参数对锻件质量的影响规律。1.2 国内外研究概况1.2.1 有限元模拟技术在大锻件锻造研究中的应用概况大型锻件的锻造变形是复杂的大塑性变形，运用经典的金属塑性成形理论很难求出精确解，对内部应力、应变场的分析更是无能为力。因此，物理模拟和数值模拟便成为了求解锻造过程中应力应变场以及分析金属流动规律的有效方法。90 年代前，塑性泥法4-5、密珊云纹法6-7等物理模拟方法得到了广泛的应用，为人们最初认识拔长和评价拔长方法提供了帮助。然而，由于大型锻件的尺寸过大，物理模拟方法只能采用按比例缩小的近似模型，这样的近似使得模拟结果产生较大的误差，限制了其应用范围。近二十年来，随着计算机软硬件水平和数值分析方法理论的不断发展，有限元模拟技术在金属加工领域得到了大量的应用，目前已经成为人们研究拔长技术和理论、优化并规范拔长工艺的最有效工具。1.2.1.1 不同型砧下大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究大型轴类锻件主要包括大型轧辊、传动轴、汽轮机转子等，一般用于机器设备的关键和核心部位，是制造重大装备的基础件，对锻造技术水平和工艺设备要求均十分严格。大型轴类锻件的锻造过程包括拔长、倒棱、滚圆等基本工序。其中拔长是改善锻件性能的主要工序，目前国内外学者针对不同的拔长工艺和特点，已经运用数值模拟技术进行了许多研究8-12。倒棱和滚圆是大型轴类锻件的最后成形工序，对锻件最终的尺寸精度和成形质量同样有着很大影响。但一直以来，有关倒棱和滚圆的深入研究还很少：燕山大学的王雷刚选取大型锻件横截面建立二维模型，并运用ANSYS软件模拟平砧倒棱，研究了锻件在倒棱过程中的应力应变分布13；Choi S K等人针对不同的进给量和翻转角度，运用Deform软件模拟了锻件的滚圆过程14。然而这些研究并未分析型砧形状对锻造成形精度的影响，也没有考虑倒棱与滚圆两道工序之间的相互作用。上海交通大学付强，崔振山等人通过编写Fortran程序，反复调用Deform软件的前处理模块，实现了包括一次进给多次翻转的倒棱滚圆过程的自动模拟。然后根据模拟结果，分析并比较了不同型砧下锻造工艺路线的拔长效果，以及在给定坯料初始尺寸的情况下成形锻件的尺寸大小、精度和内部应力应变状态15。 是否来自同一篇文献？1.2.1.2 圆截面坯料拔长至矩形截面锻件的数值模拟研究概况在大型锻件的加工过程中，锻造前经过炼钢冶炼出来的钢锭一般为多边形截面，且冒口较小。初始钢锭经过倒棱、镦粗等工序后被锻成截面很大的圆截面坯料，用于后续的拔长锻造。因此，大型轴类锻件拔长工艺一般都是从圆截面坯料开始进行的，此时根据砧形的不同主要可以分为两种不同的工艺方案：（1）平砧拔长；（2）型砧拔长。常用的型砧有弧形砧和V 型砧两种，虽然运用型砧有助于锻件材料延轴向流动，提高拔长的效率，但是由于型砧拔长时需要较大的变形力，当初始坯料很大时无法保证较大的压下量，致使锻件外层变形大，而中心变形小，从而导致锻件心部无法锻透、内部质量达不到要求。上海交通大学付强对圆截面坯料拔长至矩形截面的工艺过程进行数值模拟分析，该工艺过程是大型轴类锻件完整拔长工艺的第一步，为后续矩形截面锻件的拔长做好锻件形状及初始内部质量的准备，是大型轴类锻件拔长工艺中的关键步骤15-16。1.2.1.3 锻件成形过程数值模拟的理论模型锻压成形过程的数值模拟被用于求解金属变形过程的应力、应变、温度等的分布规律，进行模具受力分析，及预测金属的成形缺陷。根据金属材料的本构关系的不同，可将其分为两大类，即弹塑性模型和刚塑性模型。弹塑性模型考虑包括弹性变形的金属变形的全过程，它以PrandltMises本构方程为基础。在分析金属成形问题时，不仅能按照变形的路径得到塑性区的发展状况、工件中的应力、应变分布规律和几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题，计算残余应力。因此，弹塑性模型被用于弹性变形无法忽略的成形过程模拟。但弹塑性模型要以增量方式加载，尤其在大变形弹塑性问题中，由于要采用Lagrange或Euler描述法之一来描述有限元列式，所以需要花费较长的计算时间，效率较低 17-18。刚塑性模型忽略了金属变形过程中的弹性变形，以速度场为基本量，形成有限元列式。这种类型主要有刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。刚塑性模型虽然无法考虑弹性变形问题和残余应力问题，但计算程序大大简化。在弹性变形较小甚至可以忽略时，采用刚塑性模型可达到较高的计算效率19 。具体针对锻件的锻造成形过程的模拟，由于该过程是一个大塑性变形过程，弹性变形相对而言可以忽略不计，因此，锻造成形过程的模拟一般采用刚塑性模型 20。1.3 有限元软件DEFORM-3D简介 加引用DEFORM-3D是对在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成型设备特性，并基于工艺模拟系统的有限元仿真分析软件。它专门用于各种金属成形工艺和热处理工艺的模拟仿真分析，可模拟自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制等多种塑性成形工艺过程，包括冷、温、热塑性成形问题、多工序塑性成形问题、模具应力和弹性变形及破损的模拟分析。可提供极有价值的工艺分析数据；如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构的缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D适用于刚性、塑性及弹性金属材料、粉末烧结体材料、玻璃及聚合物材料等的成形过程。DEFORM-3D 强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象祸合作用的大变形和热特性，系统中集成了在必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。在精度要求较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低问题的规模，并显著提高计算效率。DEFORM-3D图形界面，既强大又灵活。便于输入工艺参数、几何数据、材料性能、热性能、扩散和材料金相组织数据，并为用户观察结果数据提供了有效的工具。1.3.1 DEFORM软件的主要功能（1） 成形分析: 冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析, 提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息; 丰富的材料数据库, 包括各种钢、铝合金、钛合金等, 用户还可自行输入材料数据; 刚性、弹性和热粘塑性材料模型, 特别适用于大变形成形分析, 弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题, 烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形; 完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形; 温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了。（2） 热处理: 模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程; 预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量;；可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布; 可以分析各种材料晶相, 每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。DEFORM-3D用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用, 各种现象之间相互耦合。拥有相应的模块之后, 这些耦合将包括: 由于塑性变形引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等21-23。1.4 本课题研究内容本课题以有限变形理论及传热学理论为基础，运用有限元分析软件 DEFORM-3D 对倒棱滚圆、平板镦粗、平板拔长、模锻等锻造过程进行模拟分析，并用DEFORM自带模块对数值模拟的数据进行采集，并做进一步的分析。本文主要研究内容如下：(1) 分析风电主轴锻造时每一步骤的特点，并根据不同步骤制定相应的研究方法；(2) 通过DEFORM-3D完成每一步的有限元建模；(3) 分析并讨论平砧倒棱滚圆过程的应力、应变、温度分布规律和锻件滚圆后的精度；(4) 分析平板镦粗及拔长过程的应力、应变、温度分布规律；(5) 通过设定不同的接砧量，分析拔长过程中接砧量对锻件表面的影响；(6) 模锻过程中锻件应力分析、温度分布及使用性能的预测。2 大型风电主轴锻件多工步锻造过程模拟总体方案有限元模型建立大型风电主轴锻件锻造过程模拟参数 原2.2.1节内容大型风电主轴锻件锻造过程模拟过程 原2.2.2节内容2.1 热力耦合刚粘塑性有限元理论基础 此节删除2.1.1 刚粘塑性材料的基本假设对于大变形的金属塑性成形问题，材料变形的物理过程十分复杂，因此在对其进行数值模拟时，有必要做出一些合理的假设与近似，即在不影响模拟结果的前提下对某些变形过程理想化，以便于数学上的处理。对刚粘塑性材料的基本假设如下：（1） 忽略材料的弹性变形；（2） 不考虑体积力（重力和惯性力）的影响；（3） 材料均匀且各向同性；（4） 材料的变形服从Levy-Mises流动理论；（5） 材料不可压缩，在变形过程中体积保持不变；（6） 加载材料给出刚性区和塑性区的区别；（7） 刚粘塑性材料同时存在应变强化和应变速率强化。2.1.2 塑性力学基本方程 （1）平衡微分方程 （2-1）（2）几何方程（变形协调方程） （2-2）（3）本构关系（Levy-Mises方程） （2-3）式中，为塑性区应力偏量，和分别为等效应力和等效应变速率，且 （2-4） （2-5）（4）Mises屈服条件 （2-6）式中， ，为材料的流动应力，对于刚粘塑性材料：。 （5） 体积不可压缩条件 （2-7）（6） 边界条件边界条件包括应力已知面 上的力边界条件和速度已知面 上的速度边界条件，分别为：在力面上 （2-8）在速度面 （2-9）2.1.3 塑性成形过程中传热问题的基本理论塑性加工过程的传热问题是一个复杂的热力学问题。坯料在变形过程中，既通过其自由表面以对流和辐射方式与外界环境进行热量交换，又由接触表面以传导方式向模具传热，并且伴随着变形过程中自由表面和接触表面的不断变化，坯料的散热条件也不断发生改变。由于坯料表面的热量损失，造成坯料内部各点温度不同程度下降，从而改变其温度分布形态。与此同时，坯料内部所消耗的塑性变形功绝大部分转变为热，引起坯料升温，这种温度升高与坯料内部的变形分布密切相关。上述两种因素的同时作用，使得用解析方法精确求解坯料温度场的分布变得十分困难，而有限元法则成为十分有效的工具。2.1.3.1 三维瞬态传热问题的基本方程塑性成形中传热问题属于内热源的瞬态热传导问题，其内热源是由变形过程中变形体的塑性变形能转变而来的。假设材料导热各向同性，则坯料瞬态温度场 在直角坐标系中应满足微分方程: （2-10）简化为: （2-11）式中，k -材料的热传导系数-材料密度c-材料比热容-内热源率其中，内热源率即为塑性变形能产生的热源率，可以用下式表示: （2-12）式中，为塑性变形功转变为热能的比例系数，一般可取0.9左右。塑性变形功的剩余部分则消耗在材料的微观变化方面24，如位错、晶界和相结构等。2.1.3.2 初始条件和边界条件瞬态热传导问题中温度T与时间t有关，因此方程（2-10）的定解需要有初始条件，即坯料变形开始时的初始温度分布，一般表示为在控制体积V内： （2-13）其中，表示时间为零（初始状态）时所规定的温度分布。传热问题可能的边界条件有以下三种：（1）第一类边界条件第一类边界条件是指给定（边界上）质点的温度值在传热过程中保持不变，即温度值是给定边界条件，设该表面为，则表示为 （2-14）（2）第二类边界条件若物体表面上给定热通量q，则称之为第二类边界条件，用下式表示： （2-15）（3）第三类边界条件表面上热损失给定，即： （2-16）式中，h为放热损失系数，T为环境温度。依照传热学中边界条件的分类，可以对塑性加工的传热问题的边界条件进行分类和归类。如前所述，变形坯料的边界（即外表面）可以分为自由表面和与模具接触表面两部分，下面将分别给出这两种边界上的边界条件：（1） 自由边界塑性变形时，坯料通过其自由表面以对流和辐射两种方式向环境放热。根据传热学，对流换热可以表示为： （2-17）式中，称为对流换热系数，为环境温度。而辐射换热遵循Stefan-Boltzmann定律，即 （2-18）此处为Stefan-Boltzmann常数，表示物体表面黑度。（2） 接触表面热变形模具与坯料之间的温差较大，所以坯料与模具的最大换热交换量发生在接触表面上。从微观上看，坯料与模具接触时，仅在界面上的某些突出部位有真正的接触，其余部分都是空隙。空隙由液体（如冷却液）、固体（如氧化皮）和气体这些间隙物质所填充。因此，截面上的热交换是通过真正接触点的导热、间隙物质导热和高温下空隙表面的辐射传热实现的，其传热机理十分复杂25-26。因此，一般情况下这种接触导热采用如下模型： （2-19）式中，称为润滑剂传导系数，它反映上述三种传热机理的综合，为接触表面点的模具温度。同时坯料接触表面上的质点和模具间存在着相对滑动，并伴随有摩擦应力作用，这种摩擦作用会产生热量，并通过该接触面作用于坯料。对于接触面上摩擦产生的热流可以表示为： （2-20）式中，为摩擦应力， 为接触点坯料与模具相对滑动速度，是比例系数。综上所述，塑性变形时坯料的自由表面存在热传导第三类边界条件，而接触表面上同时有第二类和第三类边界条件作用27。2.2 大型锻件多工步锻造过程在DEFORM软件中的实现DEFORM软件自带的前处理模块，能针对单个工步的压下过程设置具体的工艺参数，不具备在整个锻造过程中自动调整上下砧或坯料位置的功能。本文依靠采用DEFORM软件的自身模块来完成对整个锻造过程的数值模拟，需要在每一工步模拟结束时，重新调用DEFORM的前处理模块来手动设置新的上下砧及锻件的位置、角度等工艺参数，然后再进行下一工步的模拟。2.2.1 锻造工艺模拟数据准备本文选取2MW及以上风电主轴，如图2.1，。整个锻造过程在DEFORM-3D软件中模拟完成。锻件材料为R34CrNiMo6A号钢（德国牌号），对应中国牌号40CrNiMoA，对应美国牌号4340。初始矩形截面坯料的尺寸为12001200mm，最终应锻成符合客户要求的大型轴类锻件。上下砧由于变形量很小，在DEFORM中设置为刚体，上砧板下压速度为5mm/s。 初始模型的材料参数如表2.1所示。表2.1 初始有限元模型的材料参数锻件材料AISI-4340锻件初始温度（）1200上下砧初始温度300环境温度剪切摩擦系数锻件与上下砧间传热系数200.35锻件与环境间传热系数 0.02(a)三维立体图（b）锻件工艺图图2.1 工件实体图 2.2.2 多工步锻造过程的模拟方案2MW风电主轴典型的锻造过程包括倒棱滚圆、镦粗拔长、分料切除和模锻四个主要工序。本文将对所有步骤进行模拟分析，其中倒棱滚圆和模锻是两个主要过程。锻造数值模拟过程中各阶段的锻件模型及形状变化，。如图2.2所示：先将初始矩形截面坯料（图2.2 a，截面边长为1200mm）经过倒棱工序压成八方形截面坯料（图 2.2 b），最后经过滚圆工序压成所需的圆轴类锻件（图c，圆截面直径应控制在12001250mm之间）。然后将圆柱镦粗（图d），再经过拔长工序降低内部应力（图e，截面直径1300mm）。用印刀砧在拔长后的圆柱上压出痕迹（图f），对分料部分再次进行拔长（图g，拔长部分的截面直径控制在790820mm），切除拔长部分尾部（图h）。最后将锻件放入模具，锻压出最终零件（图i）。如图2.2所示。这段内容用自己的话写（a）（b）（c）（d）（e）(e) (f)(g)(h)(i)图2.2 风电主轴锻件锻造过程图示根据上图所示的锻造工艺过程，本文中将大型风电主轴轴类锻件的数值模拟分析分为四大步骤，并分别根据每一步的成形目的，研究不同的锻造工序和锻造过程中的压下量、下压速度、接砧量等锻造参数，包括锻造过程中的压下量、下压速度、接砧量等，对锻件的尺寸精度和成形质量的影响，并结合四个步骤的模拟结果给出风电主轴类锻件完整的工艺方案。，风电主轴锻造的四个主要步骤的描述如下为：（1） 初始矩形截面锻件倒棱滚圆的数值模拟。这是大型轴类锻件制造工艺的起始阶段。（2） 大型圆柱的镦粗拔长的数值模拟。这是大型轴类锻件锻造过程中主要的变形阶段，也是锻合锻件内部缺陷、控制锻件内部性质的主要工序。（3） 号印分料与切除过程的数值模拟。号印分料和切除过程保证工件下一步顺利进入模具。（4）大型轴类锻件的模锻过程数值模拟。这是轴类锻件最后成型阶段，主要目的是将圆截面锻件锻造成满足尺寸要求的大型轴类锻件。因此，模锻工艺的好坏对最终成形锻件的尺寸精度和使用性能影响重大。3 大型风电主轴锻件锻造过程的数值模拟研究3.1 大型风电主轴轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟3.1.1 倒棱滚圆过程有限元模型建立锻件材料为R34CrNiMo6A号钢（德国牌号），对应中国牌号40CrNiMoA。40CrNiMoA属于合金调制钢，它是在优质碳素钢的基础上，适当的加入合金元素。具有高的强度，高的韧性和良好的淬透性。材料性能如表3.1所示。主要用于高强度、高韧性、截面尺寸较大的锻件：风力发电机锻件，锻压机曲轴等。表3.1 材料主要性能参数 参数顺序换一下物理性能参数值抗拉强度b (MPa)980屈服强度s (MPa)835伸长率5 (%)12断面收缩率 (%)55冲击功 Akv (J)78实际生产中，在倒棱滚圆工艺前，需要将大型锻件放到加热炉中加热，保证合适的锻造温度。根据生产过程中的实际条件，对模型做出以下处理：(1) 考虑矩形截面毛坯与砧板及周围环境的传热；(2) 考虑到倒棱滚圆的过程中平砧的变形比较小，将其处理成刚体。根据以上条件对矩形截面锻件进行建模，截面尺寸为12001200mm。锻件轴向长度为1700mm，初始有限元模型如图3.1所示。采用相对网格设置，网格单元数量设定为20000，网格比率为2。环境及砧板的温度与上一节表格中参数一致。其余参数为系统默认。图3.1 初始矩形截面有限元建模3.1.2 平砧倒棱滚圆过程分析为了提高模拟效率，在模拟过程中，滚圆过程中只模拟一次。表3.2为本章结DEFORM-3D平砧倒棱滚圆过程有限元模拟过程中所要用到的参数符号。表3.2 物理参数对应符号表参数物理意义符号初始方形截面对边中点距离倒棱后上下砧间距滚圆后上下砧间距d0m0 m90 m120n0 n90 n120216543砧板 图3.2 平砧倒棱滚圆过程图3.2为平砧倒棱滚圆工艺过程示意图，其中的单箭头表示上砧压下次序及方向。平砧倒棱是压对角倒八方的过程，为了保证倒棱后锻件截面为正八边形，理想情况下上下砧压下后的距离应与初始方形截面两边中点的距离d0相等。因此，在倒棱过程中控制上下平砧压下后的间距： m0=d0 （3-1）平砧滚圆是压正八方锻件八条棱边的过程，压下四趟后即能压遍所有棱边。由于滚圆过程压下量较小，“鼓肚”现象不明显，因此在滚圆过程中同样控制上下砧压下后间距： n0=d0 （3-2）平砧倒棱滚圆具体工序如表3.3所示。表3.3 平砧倒棱滚圆工序表（单位:mm）工序翻转角度该方向压前尺寸压后尺寸压下量101697120049729017001200500322.512731200734451230120030545123312003364512401200403.1.3 模拟结果分析 3.1.3.1 倒棱过程尺寸精度分析从上述分析可知，通过倒棱过程，平砧将锻件方形截面锻成正八边形。图3.3为平砧倒棱后的锻件形状。图3.3 平砧倒棱后锻件形状从图3.3可以看出，平砧倒棱后，工件表面局部有下凹缺陷，是因为一次下压量过大引起。选取倒棱后锻件截面各边的中点，对各点到截面中心的距离进行分析和比较，以此来描述倒棱后锻件的形状精度和变形程度，分析结果如图3.4及表3.4所示。图3.4 倒棱后截面各边到中心距离表3.4为倒棱后截面上各边上的点到中心的距离统计表。表3.4 倒棱后截面各边到中心距离分析表（单位：mm）砧型距离均值距离变化d标准方差平砧6203.3%8.2从表3.4可以看出，平砧倒棱后正八边形截面各边到中心距离平均为d=620mm，与初始方形截面相比d = +3.3%。这是由于平砧倒棱时无论如何翻转均是锻压长方体锻件的两条对棱，且压下量较大，这样在锻件不受压的四个侧面上始终会出现“鼓肚”。3.1.3.2 滚圆过程尺寸精度分析为了压遍八棱柱锻件的所有侧棱达到滚圆的效果，平砧需经过四趟翻转压下。图3.5为平砧倒棱后锻件形状（一次给进）。为了检查滚圆效果和成形锻件的尺寸精度，在锻件截面圆周均匀选取12个点，对滚圆后每一点处的半径值进行分析和比较。 图3.5 平砧滚圆后锻件形状（一次给进）图3.6 滚圆后截面个点半径表3.5 滚圆后截面各点半径分析(单位：mm)砧型最大最小均值标准方差平砧6276076177.4从表3.5可以看出，平砧倒棱滚圆后锻件截面平均直径值与初始方形锻件边长相比增加2.8%，且成形锻件截面各点半径值方差较大，尺寸精度不佳，需要增加工序进一步滚圆。3.1.3.3 倒棱滚圆后成型锻件内部温度变化图 3.7 锻件内部温度变化由图3.7可知，锻造过程中，心部温度下降缓慢，而公交表面温度下降较快。因为表面不仅和环境有热交换，和上下砧板也存在热损耗。3.1.3.4 成形锻件内部应力应变分析锻造过程中锻件心部的应力应变状况是决定锻件质量的重要指标。在锻造过程中应保证锻件内部应变尽量大，且在心部不存在拉应力。选取距锻件端面200mm的一截面，平砧压下过程中该截面中心点的应力应变状态进行分析。（a）初始压下 （b）旋转90压下图3.8 截面中心一点横向应力比较图3.8为倒棱过程中该端面中心点应力情况比较。其中，（a）为锻件初次压下过程中的中心点横向应力，（b）为翻转90压下过程中该点横向应力。从图中可以看出，平砧倒棱时锻件心部始终存在横向拉应力，如果压下量过大有可能在锻件心部产生裂纹。3.2 大型轴类锻件镦粗与拔长的数值模拟3.2.1 大型轴类锻件镦粗与拔长过程有限元模型建立镦粗开始前，需要再次将大型锻件放到加热炉中重新加热，以保证锻件的锻造温度不至于过低。因此，在下一步数值模拟中，可以在保证之前倒棱滚圆得到的锻件形状尺寸的基础上，对锻件重新进行有限元建模。完整的有限元几何模型如图3.9（a）所示。图中，坯料尺寸为12341234mm，其材料参数、初始温度及一些初始给定的环境参数已在上一章中给出。依然采用相对网格设置，只对初始坯料进行网格划分，网格单元数量设定为20000，网格比率为2。坯料表面均为自由表面，无边界约束，与环境和砧板之间发生热交换。由于上下砧均为刚体，不需要对其进行网格划分，只对初始坯料进行网格划分。工件材料与模拟设定参数与上一节一致。（a）初始几何模型 （b）初始网格模型图3.9 初始有限元模型3.2.2 镦粗过程分析缩小坯料高度同时增加其横截面尺寸的工序称为镦粗。它可以破坏铸态树枝状组织，细化锻件内部组织晶粒，增大材料强度，提高锻件的韧性和抵抗破坏的能力。镦粗坯料的高径比一般不超过 2.53，最好在 22.2。图3.10为墩粗过程示意图，镦粗板直径1600，与工件接触面为R3600的圆弧面，压下量500mm，下压速度5mm/s。墩粗漏盘直径1700，漏盘直径500，接触面为R5000的圆弧面。上下砧板均为弧面，可以让工件受力均匀，鼓型饱满。墩粗的目的是增加锻造比，破碎碳化物，提高力学性能。图3.10 墩粗过程示意图3.2.3 拔长过程分析拔长工序紧跟镦粗之后，不需要重新建模，直接调用DEFORM-3D前处理模块继续对工件模拟。将墩粗的毛坯圆柱拔长的过程包括两个步骤，首先将圆截面拔长至矩形截面，然后将矩形截面再次倒棱滚圆。倒棱滚圆的步骤与上一节相同，不在讨论。本节重点分析主要分析在圆截面拔长至矩形截面的过程中，前后工序的接砧量对锻件表面下凹缺陷的影响，如图3.11。接砧量的定义是：上一工序压下时平砧右侧表面到下一工序压下时平砧左侧表面的水平距离。如图3.12。图3.11 拔长至矩形截面过程接砧量图3.12 接砧量示意图拔长工序使用的上下砧宽均为800mm，墩粗工件最粗处直径达1450mm。本次拔长要求把工件直径控制在12901310mm，目的在于中心压实，锻合内部缺陷。设定每次给进量350mm，接砧量分别为40、60、80、100、90、100mm，观察不同接砧量对锻件表面下凹缺陷的影响。3.2.4 模拟结果分析3.2.4.1 镦粗过程应力应变分析 （a）内部 （b）外部图3.13 墩粗后锻件应变由图3.13看出，墩粗后毛坯心部应变较大，大约在0.40.5mm/mm左右，两端和外部的应变较低，均在0.1mm/mm以下。 （a） 内部 （b）外部图3.14 墩粗后锻件应力由图3.14可知，锻件心部所受应力小于两端和外部，与应变相反。原因在于镦粗过程中，上下表面与镦粗板接触，受力较大，造成局部应力增加。3.2.4.2 拔长过程接砧量影响 从表3.6和图3.15可以看出，随着前后工序接砧量的减小，锻件表面下凹处距锻件中心的距离有增大的趋势，即缺陷有逐渐减小的趋势。但这种趋势并不明显，尤其当接砧量在40-100mm之间时，缺陷处下凹的数值基本保持不变。当接砧量为120mm时，锻件表面下凹缺陷较大，且此时接砧量过大，会导致大型锻件拔长效率的降低。而当接砧量为40mm时，锻件表面下凹缺陷有了一定的减小，然而，此时由于前后两次压下工序之间的接砧量过小，会导致接砧处的锻件材料无法被全部压至所需尺寸，造成部分锻件材料凸起的缺陷，如图3.16。为了提高拔长效率，一般应选择大的进给量和小的接砧量。因此，整个拔长过程中的接砧量优化为60mm。 重复太多，挑关键的写。表3.6 接砧量对锻件接砧处下凹缺陷的影响分析结果（单位：mm）接砧量120100806040缺陷处距中心平均距离612.42608.29608.18607.64606.58图3.15 锻件接砧处缺陷下凹值随接砧量的变化曲线（单位：mm）图3.16 接砧量过小时接砧处部分锻件材料凸起图示3.3 大型轴类锻件号印分料与切除过程的数值模拟3.3.1 大型轴类锻件号印分料与切除过程有限元模型建立在号印分料之前，需要对锻件重新加热，所以重新对毛坯建模。如图3.17所示，有限元几何模型1200，采用相对网格设置，网格单元数量设定为20000，网格比率为2。图 3.17 号印分料毛坯网格模型3.3.2 号印分料过程分析分料包括两个过程：号印和锻压。通过号印确定出进入模具前的径向尺寸，再进行锻压将号印部分尺寸维持在790-820mm。3.3.2.1 号印过程分析450mm250mm通过计算，端部预留量为450mm，号印刀砧压下量为250mm。号印刀砧宽为1400mm， 分8次环绕圆柱压下。图3.18为号印效果示意图。图3.18 号印后工件形状3.3.2.2 锻压过程分析将毛坯号印后，继续用800宽砧板锻压，实质上是将圆截面毛坯拔长的工艺，本节只讨论将圆截面拔长至矩形截面的过程，矩形截面倒棱滚圆参考第一节。图3.19为锻压效果示意图。图3.19 锻压后工件形状3.3.3 切除过程分析切除工序在锻压之后，继续调用DEFORM-3D前处理模块，继续对工件处理。本次模拟过程的产品为不带连体试样，所以增加切把工序。切除是预成型的最后一步，决定产品的轴向长度。经计算，刀砧距左侧端面1730mm时开始切除。为了减少毛坯形变，设置套筒将主体部分包住，如图3.20所示。设定压下量为420mm，分上下两次切除。刀砧第一次压下套筒第二次压下1730mm套筒 图3.20 切除过程3.3.4 模拟结果分析3.3.4.1 号印分料过程模拟结果分析印压只是起到标记的作用，没有对工件的性能造成影响。图3.21为印压后实体模型。图3.21 经8次号印后工件实体锻压是分料的主要过程，锻压是对工件又一次进行拔长。图3.22所示，每次锻压都会造成局部应力变化，图为最后一次压下后，锻件端部应力。图3.22锻压后残留应力图3.23 锻压后温度分布图由图3.23看出，最先锻压的部分和心部温度较高，后锻压的端部温度降低明显。3.3.4.2 切除过程模拟结果分析切除工序结束后，断面不平整，如图3.24所示。需要进一步精加工。整体工件在切除之后长度需控制在17101750mm。图3.24 切除后工件模拟图3.4 大型轴类锻件模锻过程的数值模拟3.4.1 大型轴类锻件模锻过程有限元模型建立模锻开始前，完整的锻造模型如图3.25（a）所示。图中，初始坯料尺寸顶部为1300mm，顶部为800mm，如图3.25（b）所示。采用相对网格设置，为了提高模拟精度，网格单元数量设定为30000，网格比率为2。模锻用