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1、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
2、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）（3） 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。（4）（5） 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。
3、最终锻件顶部平均直径1546mm，底部直径405mm，均符合工艺卡要求。（6）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. The
4、n, 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 art
5、icle 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 forg
6、ing increases by 2.8% compared to the original.（2）（3） 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 im
7、prove work efficiency, but also to ensure the surface of the final forging.（4）（5） 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 t
8、he final forging 1546mm, bottom diameter 405mm, are in line with process card requirements. （6） Keywords heavy axial forging, chamfering and rounding, heading and stretching, die forging, numerical simulation, forging process optimization本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页目 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
9、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本科毕业设计说明书（论文） 第 62 页 共 35 页 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
