大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟模板.doc

南 京 理 工 大 学
毕业设计说明书(论文)

作 者:
陈杰
学 号：

学院(系):
材料科学和工程学院
专 业:
材料成型及控制工程
题 目:
大型轴类锻件铸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)

年 6 月
毕业设计说明书（论文）汉字摘要

本文针对2MW风电主轴为研究对象，将其完整铸造工艺分成了四大铸造步骤，并利用有限元软件DEFORM，关键对倒棱滚圆、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锻件内部应力应变和尺寸精度影响。具体研究内容和所得结论以下：
（1） 取得了对大型风电主轴类锻件倒棱滚圆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分布和使用平砧倒棱滚圆精度。使用平砧滚圆，截面平均直径值和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成更高精度，而且锻件心部有较大等效应变。
（2） 取得了对大型风电主轴类锻件镦粗拔长过程有限元模型，进行了模拟，研究了拔长过程中接砧量对工件表面缺点影响。应设定较小接砧量60mm，这么不仅提升工作效率，而且确保锻件表面质量而且提升工作效率。
（3） 取得了对大型风电主轴类锻件模锻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改变，和最终锻件精度。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，模锻铸造工艺，数值模拟， 铸造工艺优化

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 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 中国外研究概况 1
1.3 有限元软件DEFORM-3D介绍 3
1.4 本课题研究内容 4
2 大型锻件多工步铸造过程模拟总体方案 5
2.1 热力耦合刚粘塑性有限元理论基础 5
2.2 大型锻件多工步铸造过程在DEFORM软件中实现 9
3 大型风电主轴锻件数值模拟研究 12
3.1 大型轴类锻件倒棱滚圆过程数值模拟 12
3.2 大型轴类锻件镦粗和拔长数值模拟 18
3.3 大型轴类锻件号印分料和切除过程数值模拟 22
3.4 大型轴类锻件模锻过程数值模拟 26
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34

1 绪 论
1.1 选题背景及意义
大型锻件通常见于机器设备关键和关键部位，是制造重大设备基础件，其成形制造在能源工业、钢铁工业和国防工业中全部含有举足轻重地位，表现着国家极端制造能力和制造水平，是国民经济关键保障。能够说大型锻件生产能力和制造技术是衡量一个国家重工业发展水平和重大、关键技术设备自给能力关键标志之一。
大型锻件生产关键特点是：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。其完整生产步骤为：冶炼→铸锭→铸造→粗加工→热处理→精加工。显然大锻件质量是炼钢、铸造和热处理等专业综合技术水平标志，其中铸造步骤起着很关键作用。大型锻件铸造任务，不仅是为了得到一定形状和尺寸锻件，更关键是经过铸造破碎钢锭铸态组织，消除钢锭内部疏松、裂纹、气孔等缺点，改善第二相化合物及非金属夹杂物在钢中分布，以提升锻件性能。可见，铸造是大型锻件生产关键工序之一，铸造工艺好坏和铸造水平高低往往会对最终成形产品质量产生很大影响，甚至可能造成锻件报废后果。然而，现在中国大型锻件铸造工艺过程制订关键依据人为经验，缺乏对铸造具体工艺规律和实质认识。所以，要提升大型锻件生产水平，就必需从具体铸造过程入手，研究每一步铸造工艺及其参数对大锻件成形质量影响，真正了解大锻件铸造目标和实质，从而制订出有效且可行铸造工艺[1-3]。
多年来，伴随计算机技术发展和材料塑性成形理论深化，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。以有限元为代表数值模拟方法，在金属材料塑性成形理论研究和生产实际中已显示出其作用。材料塑性成形工艺模拟技术就是在材料塑性成形理论指导下，经过数值模拟和物理模拟，估计实际工艺条件下材料最终组织、性能和质量，进而实现塑性成形工艺优化设计。这能够为生产工艺制造提供参考，深入优化工艺过程、提升产品质量、缩短研发周期、降低生产成本和提升生产效率等。
风电装备中采取大型轴类锻件重数十吨，前期投入大，一旦报废，损失巨大，对铸造工艺设计合理性提出了更高要求，针对大型风电主轴锻件制造过程，采取三维有限元方法进行温度场及应力场数值模拟和仿真，分析锻件成形过程中温度及应力应变分布和改变规律，从而研究铸造温度、加热时间、锻压力等工艺参数和锻件质量关系，得出工艺参数对锻件质量影响规律。
1.2 中国外研究概况
1.2.1 有限元模拟技术在大锻件铸造研究中应用概况
大型锻件铸造变形是复杂大塑性变形，利用经典金属塑性成形理论极难求出正确解，对内部应力、应变场分析更是无能为力。所以，物理模拟和数值模拟便成为了求解铸造过程中应力应变场和分析金属流动规律有效方法。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应用，为大家最初认识拔长和评价拔长方法提供了帮助。然而，因为大型锻件尺寸过大，物理模拟方法只能采取按百分比缩小近似模型，这么近似使得模拟结果产生较大误差，限制了其应用范围。近二十年来，伴随计算机软硬件水平和数值分析方法理论不停发展，有限元模拟技术在金属加工领域得到了大量应用，现在已经成为大家研究拔长技术和理论、优化并规范拔长工艺最有效工具。
1.2.1.1 不一样型砧下大型轴类锻件倒棱滚圆过程数值模拟研究
大型轴类锻件关键包含大型轧辊、传动轴、汽轮机转子等，通常见于机器设备关键和关键部位，是制造重大装备基础件，对铸造技术水平和工艺设备要求均十分严格。大型轴类锻件铸造过程包含拔长、倒棱、滚圆等基础工序。其中拔长是改善锻件性能关键工序，现在中国外学者针对不一样拔长工艺和特点，已经利用数值模拟技术进行了很多研究[8-12]。倒棱和滚圆是大型轴类锻件最终成形工序，对锻件最终尺寸精度和成形质量一样有着很大影响。但一直以来，相关倒棱和滚圆深入研究还极少：燕山大学王雷刚选择大型锻件横截面建立二维模型，并利用ANSYS软件模拟平砧倒棱，研究了锻件在倒棱过程中应力应变分布[13]；Choi S K等人针对不一样进给量和翻转角度，利用Deform软件模拟了锻件滚圆过程[14]。然而这些研究并未分析型砧形状对铸造成形精度影响，也没有考虑倒棱和滚圆两道工序之间相互作用。上海交通大学付强，崔振山等人经过编写Fortran程序，反复调用Deform软件前处理模块，实现了包含一次进给数次翻转倒棱滚圆过程自动模拟。然后依据模拟结果，分析并比较了不一样型砧下铸造工艺路线拔长久有效果，和在给定坯料初始尺寸情况下成形锻件尺寸大小、精度和内部应力应变状态[15]。 是否来自同一篇文件？
1.2.1.2 圆截面坯料拔长至矩形截面锻件数值模拟研究概况
在大型锻件加工过程中，铸造前经过炼钢冶炼出来钢锭通常为多边形截面，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圆截面坯料，用于后续拔长铸造。所以，大型轴类锻件拔长工艺通常全部是从圆截面坯料开始进行，此时依据砧形不一样关键能够分为两种不一样工艺方案：（1）平砧拔长；（2）型砧拔长。常见型砧有弧形砧和V 型砧两种，即使利用型砧有利于锻件材料延轴向流动，提升拔长效率，不过因为型砧拔长时需要较大变形力，当初始坯料很大时无法确保较大压下量，致使锻件外层变形大，而中心变形小，从而造成锻件心部无法锻透、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第一步，为后续矩形截面锻件拔长做好锻件形状及初始内部质量准备，是大型轴类锻件拔长工艺中关键步骤[15-16]。
1.2.1.3 锻件成形过程数值模拟理论模型
锻压成形过程数值模拟被用于求解金属变形过程应力、应变、温度等分布规律，进行模具受力分析，及估计金属成形缺点。依据金属材料本构关系不一样，可将其分为两大类，即弹塑性模型和刚塑性模型。
弹塑性模型考虑包含弹性变形金属变形全过程，它以Prandlt．Mises本构方程为基础。在分析金属成形问题时，不仅能根据变形路径得到塑性区发展情况、工件中应力、应变分布规律和几何形状改变，而且还能有效地处理卸载问题，计算残余应力。所以，弹塑性模型被用于弹性变形无法忽略成形过程模拟。但弹塑性模型要以增量方法加载，尤其在大变形弹塑性问题中，因为要采取Lagrange或Euler描述法之一来描述有限元列式，所以需要花费较长计算时间，效率较低 [17-18]。
刚塑性模型忽略了金属变形过程中弹性变形，以速度场为基础量，形成有限元列式。这种类型关键有刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。刚塑性模型即使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能够忽略时，采取刚塑性模型可达成较高计算效率[19] 。
具体针对锻件铸造成形过程模拟，因为该过程是一个大塑性变形过程，弹性变形相对而言能够忽略不计，所以，铸造成形过程模拟通常采取刚塑性模型 [20]。
1.3 有限元软件DEFORM-3D介绍 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征，并基于工艺模拟系统有限元仿真分析软件。它专门用于多种金属成形工艺和热处理工艺模拟仿真分析，可模拟自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制等多个塑性成形工艺过程，包含冷、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模拟分析。可提供极有价值工艺分析数据；如材料流动、模具填充、铸造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构缺点产生发展情况等。DEFORM-3D适适用于刚性、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成形过程。
DEFORM-3D 强大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大变形和热特征，系统中集成了在必需时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化网格系统。在精度要求较高区域，能够划分较细密网格，从而降低问题规模，并显著提升计算效率。
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工具。
1.3.1 DEFORM软件关键功效
（1） 成形分析: ① 冷、温、热锻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、缺点形成和韧性破裂等信息; ②丰富材料数据库, 包含多种钢、铝合金、钛合金等, 用户还可自行输入材料数据; ③刚性、弹性和热粘塑性材料模型, 尤其适适用于大变形成形分析, 弹塑性材料模型适适用于分析残余应力和回弹问题, 烧结体材料模型适适用于分析粉末冶金成形; ④完整成形设备模型能够分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形; ⑤温度、应力、应变、损伤及其它场变量等值线绘制使后处理简单明了。
（2） 热处理: ①模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程; ②估计硬度、晶粒组织成份、扭曲和含碳量;；③能够输入顶端淬火数据来估计最终产品硬度分布; ④能够分析多种材料晶相, 每种晶相全部有自己弹性、塑性、热和硬度属性。混合材料特征取决于热处理模拟中每步多种金属百分比。
DEFORM-3D用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂相互作用, 多种现象之间相互耦合。拥有对应模块以后, 这些耦合将包含: 因为塑性变形引发升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变影响和含碳量对多种材料属性产生影响等[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，利用有限元分析软件 DEFORM-3D 对倒棱滚圆、平板镦粗、平板拔长、模锻等铸造过程进行模拟分析，并用DEFORM自带模块对数值模拟数据进行采集，并做深入分析。本文关键研究内容以下：
(1) 分析风电主轴铸造时每一步骤特点，并依据不一样时骤制订对应研究方法；
(2) 经过DEFORM-3D完成每一步有限元建模；
(3) 分析并讨论平砧倒棱滚圆过程应力、应变、温度分布规律和锻件滚圆后精度；
(4) 分析平板镦粗及拔长过程应力、应变、温度分布规律；
(5) 经过设定不一样接砧量，分析拔长过程中接砧量对锻件表面影响；
(6) 模锻过程中锻件应力分析、温度分布及使用性能估计。
2 大型风电主轴锻件多工步铸造过程模拟总体方案有限元模型建立
大型风电主轴锻件铸造过程模拟参数 原2.2.1节内容
大型风电主轴锻件铸造过程模拟过程 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 刚粘塑性材料基础假设
对于大变形金属塑性成形问题，材料变形物理过程十分复杂，所以在对其进行数值模拟时，有必需做出部分合理假设和近似，即在不影响模拟结果前提下对一些变形过程理想化，方便于数学上处理。对刚粘塑性材料基础假设以下：
（1） 忽略材料弹性变形；
（2） 不考虑体积力（重力和惯性力）影响；
（3） 材料均匀且各向同性；
（4） 材料变形服从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区分；
（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 塑性力学基础方程
（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
边界条件包含应力已知面 上力边界条件和速度已知面 上速度边界条件，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基础理论
塑性加工过程传热问题是一个复杂热力学问题。坯料在变形过程中，既经过其自由表面以对流和辐射方法和外界环境进行热量交换，又由接触表面以传导方法向模具传热，而且伴伴随变形过程中自由表面和接触表面不停改变，坯料散热条件也不停发生改变。因为坯料表面热量损失，造成坯料内部各点温度不一样程度下降，从而改变其温度分布形态。和此同时，坯料内部所消耗塑性变形功绝大部分转变为热，引发坯料升温，这种温度升高和坯料内部变形分布亲密相关。上述两种原因同时作用，使得用解析方法正确求解坯料温度场分布变得十分困难，而有限元法则成为十分有效工具。
2.1.3.1 三维瞬态传热问题基础方程
塑性成形中传热问题属于内热源瞬态热传导问题，其内热源是由变形过程中变形体塑性变形能转变而来。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 ---材料热传导系数
ρ---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热源率，能够用下式表示:
（2-12）
式中，为塑性变形功转变为热能百分比系数，通常可取0.9左右。塑性变形功剩下部分则消耗在材料微观改变方面[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和时间t相关，所以方程（2-10）定解需要有初始条件，即坯料变形开始时初始温度分布，通常表示为在控制体积V内：
（2-13）
其中，表示时间为零（初始状态）时所要求温度分布。
传热问题可能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。
依据传热学中边界条件分类，能够对塑性加工传热问题边界条件进行分类和归类。如前所述，变形坯料边界（即外表面）能够分为自由表面和和模具接触表面两部分，下面将分别给出这两种边界上边界条件：
（1） 自由边界
塑性变形时，坯料经过其自由表面以对流和辐射两种方法向环境放热。依据传热学，对流换热能够表示为：
（2-17）
式中，称为对流换热系数，为环境温度。而辐射换热遵照Stefan-Boltzmann定律，即
（2-18）
σ此处为Stefan-Boltzmann常数，ε表示物体表面黑度。
（2） 接触表面
热变形模具和坯料之间温差较大，所以坯料和模具最大换热交换量发生在接触表面上。从微观上看，坯料和模具接触时，仅在界面上一些突出部位有真正接触，其它部分全部是空隙。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。所以，截面上热交换是经过真正接触点导热、间隙物质导热和高温下空隙表面辐射传热实现，其传热机理十分复杂[25-26]。所以，通常情况下这种接触导热采取以下模型：
（2-19）
式中，称为润滑剂传导系数，它反应上述三种传热机理综合，为接触表面点模具温度。
同时坯料接触表面上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，并经过该接触面作用于坯料。对于接触面上摩擦产生热流能够表示为：
（2-20）
式中，为摩擦应力， 为接触点坯料和模具相对滑动速度，α是百分比系数。
总而言之，塑性变形时坯料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 大型锻件多工步铸造过程在DEFORM软件中实现
DEFORM软件自带前处理模块，能针对单个工步压下过程设置具体工艺参数，不含有在整个铸造过程中自动调整上下砧或坯料位置功效。本文依靠采取DEFORM软件本身模块来完成对整个铸造过程数值模拟，需要在每一工步模拟结束时，重新调用DEFORM前处理模块来手动设置新上下砧及锻件位置、角度等工艺参数，然后再进行下一工步模拟。
2.2.1 铸造工艺模拟数据准备
本文选择2MW及以上风电主轴，图2.1，。整个铸造过程在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。初始矩形截面坯料尺寸为1200×1200mm，最终应锻成符适用户要求大型轴类锻件。上下砧因为变形量很小，在DEFORM中设置为刚体，上砧板下压速度为5mm/s。
初始模型材料参数如表2.1所表示。
表2.1 初始有限元模型材料参数
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
锻件和上下砧间传热系数
20℃
0.3
5
锻件和环境间传热系数
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 多工步铸造过程模拟方案
2MW风电主轴经典铸造过程包含倒棱滚圆、镦粗拔长、分料切除和模锻四个关键工序。本文将对全部步骤进行模拟分析，其中倒棱滚圆和模锻是两个关键过程。铸造数值模拟过程中各阶段锻件模型及形状改变，。图2.2所表示：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），最终经过滚圆工序压成所需圆轴类锻件（图c，圆截面直径应控制在1200～1250mm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，拔长部分截面直径控制在790~820mm），切除拔长部分尾部（图h）。最终将锻件放入模具，锻压出最终零件（图i）。图2.2所表示。这段内容用自己话写
（a）
（b）

（c）
（d）
（e）

(e)
(f)
(g)
(h)
(i)

图2.2 风电主轴锻件铸造过程图示
依据上图所表示铸造工艺过程，本文中将大型风电主轴轴类锻件数值模拟分析分为四大步骤，并分别依据每一步成形目标，研究不一样铸造工序和铸造过程中压下量、下压速度、接砧量等铸造参数，包含铸造过程中压下量、下压速度、接砧量等，对锻件尺寸精度和成形质量影响，并结合四个步骤模拟结果给出风电主轴类锻件完整工艺方案。，风电主轴铸造四个关键步骤描述以下为：
（1） 初始矩形截面锻件倒棱滚圆数值模拟。这是大型轴类锻件制造工艺起始阶段。
（2） 大型圆柱镦粗拔长数值模拟。这是大型轴类锻件铸造过程中关键变形阶段，也是锻合锻件内部缺点、控制锻件内部性质关键工序。
（3） 号印分料和切除过程数值模拟。号印分料和切除过程确保工件下一步顺利进入模具。
（4）大型轴类锻件模锻过程数值模拟。这是轴类锻件最终成型阶段，关键目标是将圆截面锻件铸造成满足尺寸要求大型轴类锻件。所以，模锻工艺好坏对最终成形锻件尺寸精度和使用性能影响重大。
3 大型风电主轴锻件铸造过程数值模拟研究
3.1 大型风电主轴轴类锻件倒棱滚圆过程数值模拟
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，它是在优质碳素钢基础上，合适加入合金元素。含有高强度，高韧性和良好淬透性。材料性能如表3.1所表示。关键用于高强度、高韧性、截面尺寸较大锻件：风力发电机锻件，锻压机曲轴等。
表3.1 材料关键性能参数 参数次序换一下
物理性能
参数值
抗拉强度σb (MPa)
≥980
屈服强度σs (MPa)
≥835
伸长率δ5 (%)
≥12
断面收缩率ψ (%)
≥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，确保适宜铸造温度。依据生产过程中实际条件，对模型做出以下处理：
(1) 考虑矩形截面毛坯和砧板及周围环境传热；
(2) 考虑到倒棱滚圆过程中平砧变形比较小，将其处理成刚体。
依据以上条件对矩形截面锻件进行建模，截面尺寸为1200×1200mm。锻件轴向长度为1700mm，初始有限元模型图3.1所表示。采取相对网格设置，网格单元数量设定为0，网格比率为2。环境及砧板温度和上一节表格中参数一致。其它参数为系统默认。

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
为了提升模拟效率，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
d0
m0 m90 m120
n0 n90 n120
2
1
6
5
4
3
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过程，为了确保倒棱后锻件截面为正八边形，理想情况下上下砧压下后距离应和初始方形截面两边中点距离d0相等。所以，在倒棱过程中控制上下平砧压下后间距：
m0=d0 （3-1）
平砧滚圆是压正八方锻件八条棱边过程，压下四趟后即能压遍全部棱边。因为滚圆过程压下量较小，“鼓肚”现象不显著，所以在滚圆过程中一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所表示。
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
1
0
1697
1200
497
2
90
1700
1200
500
3
22.5
1273
1200
73
4
45
1230
1200
30
5
45
1233
1200
33
6
45
1240
1200
40
3.1.3 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，经过倒棱过程，平砧将锻件方形截面锻成正八边形。图3.3为平砧倒棱后锻件形状。

图3.3 平砧倒棱后锻件形状
从图3.3能够看出，平砧倒棱后，工件表面局部有下凹缺点，是因为一次下压量过大引发。
选择倒棱后锻件截面各边中点，对各点到截面中心距离进行分析和比较，以此来描述倒棱后锻件形状精度和变形程度，分析结果图3.4及表3.4所表示。

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点到中心距离统计表。
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
距离改变Δd
标准方差
平砧
620
3.3%
8.2
从表3.4能够看出，平砧倒棱后正八边形截面各边到中心距离平均为d=620mm，和初始方形截面相比d ∆ = +3.3%。这是因为平砧倒棱时不管怎样翻转均是锻压长方体锻件两条对棱，且压下量较大，这么在锻件不受压四个侧面上一直会出现“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全部侧棱达成滚圆效果，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）。
为了检验滚圆效果和成形锻件尺寸精度，在锻件截面圆周均匀选择12个点，对滚圆后每一点处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
627
607
617
7.4
从表3.5能够看出，平砧倒棱滚圆后锻件截面平均直径值和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，需要增加工序深入滚圆。
3.1.3.3 倒棱滚圆后成型锻件内部温度改变

图 3.7 锻件内部温度改变
由图3.7可知，铸造过程中，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
铸造过程中锻件心部应力应变情况是决定锻件质量关键指标。在铸造过程中应确保锻件内部应变尽可能大，且在心部不存在拉应力。选择距锻件端面200mm一截面，平砧压下过程中该截面中心点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）为锻件首次压下过程中中心点横向应力，（b）为翻转90°压下过程中该点横向应力。从图中能够看出，平砧倒棱时锻件心部一直存在横向拉应力，假如压下量过大有可能在锻件心部产生裂纹。
3.2 大型轴类锻件镦粗和拔长数值模拟
3.2.1 大型轴类锻件镦粗和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，以确保锻件铸造温度不至于过低。所以，在下一步数值模拟中，能够在确保之前倒棱滚圆得到锻件形状尺寸基础上，对锻件重新进行有限元建模。
完整有限元几何模型图3.9（a）所表示。图中，坯料尺寸为φ1234×1234mm，其材料参数、初始温度及部分初始给定环境参数已在上一章中给出。仍然采取相对网格设置，只对初始坯料进行网格划分，网格单元数量设定为0，网格比率为2。坯料表面均为自由表面，无边界约束，和环境和砧板之间发生热交换。因为上下砧均为刚体，不需要对其进行网格划分，只对初始坯料进行网格划分。工件材料和模拟设定参数和上一节一致。

（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工序称为镦粗。它能够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，提升锻件韧性和抵御破坏能力。镦粗坯料高径比通常不超出 2.5～3，最好在 2～2.2。图3.10为墩粗过程示意图，镦粗板直径φ1600，和工件接触面为R3600圆弧面，压下量500mm，下压速度5mm/s。墩粗漏盘直径φ1700，漏盘直径φ500，接触面为R5000圆弧面。上下砧板均为弧面，能够让工件受力均匀，鼓型饱满。墩粗目标是增加铸造比，破碎碳化物，提升力学性能。

图3.10 墩粗过程示意图
3.2.3 拔长过程分析
拔长工序紧跟镦粗以后，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