基于Forge軟件的臺階軸鍛造工藝數(shù)值模擬研究

文/常富強(qiáng)，秦卓，馬鵬翔·蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司

王炳正，楊武·蘭州蘭石集團(tuán)有限公司鑄鍛分公司

本文主要采用Forge鍛造模擬軟件，對臺階軸鍛造成形工藝進(jìn)行了模擬優(yōu)化，根據(jù)臺階軸鍛造過程中的應(yīng)力應(yīng)變、溫度場變化情況，為實際生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)。結(jié)果表明，通過SolidWorks+Forge軟件模擬臺階軸鍛造工藝，在實際生產(chǎn)中可實現(xiàn)鍛件的近凈成形，提高材料利用率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

臺階軸是大型設(shè)備中經(jīng)常遇到的典型零部件之一，在機(jī)器中用于支撐大型齒輪、帶輪的轉(zhuǎn)動等，直徑較大的臺階軸尺寸可以達(dá)到φ700mm～φ1000mm，生產(chǎn)過程中很難用徑向鍛造設(shè)備成形，通常通過自由鍛造成形，其工藝方案的關(guān)鍵是確定每一個臺階的尺寸，在達(dá)到性能指標(biāo)的要求下，保證最小的加工余量。在鍛造過程中為保證軸心區(qū)域的鍛造組織及性能，要求壓下量盡可能的大，為消除變形部分的軸線偏移，軸類鍛件在鍛造過程中需進(jìn)行偶數(shù)次翻轉(zhuǎn)，以減少臺階軸在軸線方向的偏移量。

本文使用法國Transvalor公司開發(fā)的Forge模擬軟件，對臺階軸毛坯件產(chǎn)品進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真并分析，最終通過實際生產(chǎn)對模擬工藝進(jìn)行了驗證，達(dá)到工藝模擬指導(dǎo)生產(chǎn)的最終目的。

工藝簡介

臺階軸模擬使用的原材料為Cr2，材料化學(xué)成分見表1，鋼坯尺寸φ1000mm×2060mm，重量接近13t，材料鍛造溫度區(qū)間為800℃～1100℃。鍛件的最終尺寸要求見圖1。臺階軸鍛造工藝要保證可操作性，可用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，且臺階軸鍛造毛坯要求尺寸合適。

工藝流程

臺階軸鍛件的尺寸較大，要在保證鍛造質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化工藝提高材料利用率和減少切削加工余量。臺階軸由同一軸線上直徑不相同的多個圓柱組成，當(dāng)直徑不同的兩個圓柱成形時，需先把直徑較大的圓柱段鍛造成形，再考慮小直徑圓柱段的鍛造。通過對臺階軸鍛造工藝研究分析，該臺階軸成形模擬過程共分為5個步驟，鍛造工藝內(nèi)容見表2，表中數(shù)據(jù)是根據(jù)毛坯件尺寸進(jìn)行的設(shè)定。

表1 Cr2化學(xué)成分（wt.%）

有限元參數(shù)設(shè)定

臺階軸模擬計算前，利用SolidWorks三維繪圖軟件繪制工裝模具，所有文件保存為.stl格式導(dǎo)入Forge鍛造模擬軟件中，見圖2。有限元模型分為上模、坯料和下模三部分。坯料始鍛溫度為1100℃，模具預(yù)熱至250℃，為便于模擬選擇了兩套圓弧砧，圓弧砧1圓弧深度280mm，砧2圓弧深度232.5mm。

工藝模擬結(jié)合實際生產(chǎn)設(shè)備，使用50MN快速鍛造液壓機(jī)組，壓機(jī)滑塊速度為60mm/s，環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，鍛造過程中的摩擦類型選擇庫倫摩擦。

過程模擬及分析

圖3為臺階軸毛坯鍛件成形過程模擬示意圖。在臺階軸成形過程中，最大壓力出現(xiàn)在第5步最小直徑臺階另一端拔長過程中，由于鍛件與外界熱量傳遞，表面平均溫度降低引起，此時表面平均溫度880℃左右，材料變形抗力變大，最大壓力達(dá)到3907.4t，該過程壓力的變化情況見圖4。第1～4步成形過程中，壓力均小于3500t。因此，50MN快速鍛造液壓機(jī)組滿足工藝要求。

表2 鍛造工藝內(nèi)容

根據(jù)模擬結(jié)果，臺階軸毛坯鍛造完成后，見圖5，坯料表面平均溫度約880℃，兩端溫度較低，心部溫度高于1100℃。最終模擬成形件見圖6。

從等效應(yīng)變圖分析（圖7），臺階軸在成形過程中二級臺階和最小直徑臺階處變形較大，臺階軸直徑最大處變形較小。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在前期鋼錠開坯過程中須達(dá)到一定的鍛比要求，使得鋼坯芯心部鍛透壓實，保證臺階軸心部組織致密。

生產(chǎn)驗證

利用數(shù)值模擬獲得的工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)驗證，圖8為臺階軸最終產(chǎn)品實物照片。生產(chǎn)過程中選用與數(shù)值模擬相同的模具工裝，在最小直徑拔長步驟，由于表面溫度降低，壓機(jī)壓力升高，與模擬仿真結(jié)果非常接近。借助計算機(jī)數(shù)值模擬，很好地指導(dǎo)了實際生產(chǎn)。最終成形產(chǎn)品尺寸符合要求，超聲探傷φ2mm靈敏度探傷合格，滿足技術(shù)要求。

結(jié)論

⑴根據(jù)臺階軸毛坯鍛件尺寸，通過SolidWorks+Forge軟件進(jìn)行三維建模與成形過程數(shù)值模擬，為臺階軸實際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)，鍛造過程中達(dá)到近凈成形目的，提高了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本；

⑵臺階軸毛坯鍛件在模擬鍛造過程中壓機(jī)最大壓力3907.4t，50MN快速鍛造液壓機(jī)組滿足生產(chǎn)需求，通過數(shù)值模擬與生產(chǎn)實際相結(jié)合，達(dá)到理論指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。