本文主要采用Forge锻造模拟软件，对台阶轴锻造成形工艺进行了模拟优化，根据台阶轴锻造过程中的应力应变、温度场变化情况，为实际生产工艺的优化改进提供指导。结果表明，通过SolidWorks+Forge软件模拟台阶轴锻造工艺，在实际生产中可实现锻件的近净成形，提高材料利用率，降低企业的生产成本。
台阶轴是大型设备中经常遇到的典型零部件之一，在机器中用于支撑大型齿轮、带轮的转动等，直径较大的台阶轴尺寸可以达到φ700mm～φ1000mm，生产过程中很难用径向锻造设备成形，通常通过自由锻造成形，其工艺方案的关键是确定每一个台阶的尺寸，在达到性能指标的要求下，保证最小的加工余量。在锻造过程中为保证轴心区域的锻造组织及性能，要求压下量尽可能的大，为消除变形部分的轴线偏移，轴类锻件在锻造过程中需进行偶数次翻转，以减少台阶轴在轴线方向的偏移量。
本文使用法国Transvalor公司开发的Forge模拟软件，对台阶轴毛坯件产品进行了数值模拟仿真并分析，最终通过实际生产对模拟工艺进行了验证，达到工艺模拟指导生产的最终目的。
台阶轴模拟使用的原材料为Cr2，材料化学成分见表1，钢坯尺寸φ1000mm×2060mm，重量接近13t，材料锻造温度区间为800℃～1100℃。锻件的最终尺寸要求见图1。台阶轴锻造工艺要保证可操作性，可用于指导实际生产，且台阶轴锻造毛坯要求尺寸合适。
表1 Cr2化学成分（wt.%）
图1 锻件毛坯形状尺寸示意图
工艺流程台阶轴锻件的尺寸较大，要在保证锻造质量的前提下，通过优化工艺提高材料利用率和减少切削加工余量。台阶轴由同一轴线上直径不相同的多个圆柱组成，当直径不同的两个圆柱成形时，需先把直径较大的圆柱段锻造成形，再考虑小直径圆柱段的锻造。通过对台阶轴锻造工艺研究分析，该台阶轴成形模拟过程共分为5个步骤，锻造工艺内容见表2，表中数据是根据毛坯件尺寸进行的设定。
表2 锻造工艺内容
有限元参数设定台阶轴模拟计算前，利用SolidWorks三维绘图软件绘制工装模具，所有文件保存为.stl格式导入Forge锻造模拟软件中，见图2。有限元模型分为上模、坯料和下模三部分。坯料始锻温度为1100℃，模具预热至250℃，为便于模拟选择了两套圆弧砧，圆弧砧1圆弧深度280mm，砧2圆弧深度232.5mm。
图2 有限元模型网格划分及相对位置示意图
工艺模拟结合实际生产设备，使用50MN快速锻造液压机组，压机滑块速度为60mm/s，环境温度设定为20℃，锻造过程中的摩擦类型选择库伦摩擦。
过程模拟及分析图3为台阶轴毛坯锻件成形过程模拟示意图。在台阶轴成形过程中，最大压力出现在第5步最小直径台阶另一端拔长过程中，由于锻件与外界热量传递，表面平均温度降低引起，此时表面平均温度880℃左右，材料变形抗力变大，最大压力达到3907.4t，该过程压力的变化情况见图4。第1～4步成形过程中，压力均小于3500t。因此，50MN快速锻造液压机组满足工艺要求。
图3 台阶轴模拟成形过程示意图
图4 第5步拔长过程最大压力情况
根据模拟结果，台阶轴毛坯锻造完成后，见图5，坯料表面平均温度约880℃，两端温度较低，心部温度高于1100℃。最终模拟成形件见图6。
图5 台阶轴毛坯锻件剖面温度场分布示意图
图6 台阶轴毛坯锻件示意图
从等效应变图分析（图7），台阶轴在成形过程中二级台阶和最小直径台阶处变形较大，台阶轴直径最大处变形较小。为保证产品质量，在前期钢锭开坯过程中须达到一定的锻比要求，使得钢坯芯心部锻透压实，保证台阶轴心部组织致密。
图7 台阶轴毛坯锻件等效应变示意图
生产验证利用数值模拟获得的工艺参数进行生产验证，图8为台阶轴最终产品实物照片。生产过程中选用与数值模拟相同的模具工装，在最小直径拔长步骤，由于表面温度降低，压机压力升高，与模拟仿真结果非常接近。借助计算机数值模拟，很好地指导了实际生产。最终成形产品尺寸符合要求，超声探伤φ2mm灵敏度探伤合格，满足技术要求。
图8 台阶轴最终产品实物照片
结论⑴根据台阶轴毛坯锻件尺寸，通过SolidWorks+Forge软件进行三维建模与成形过程数值模拟，为台阶轴实际生产提供了指导，锻造过程中达到近净成形目的，提高了材料利用率，降低了生产成本；
⑵台阶轴毛坯锻件在模拟锻造过程中压机最大压力3907.4t，50MN快速锻造液压机组满足生产需求，通过数值模拟与生产实际相结合，达到理论指导生产的目的。
—— 来源：《锻造与冲压》2020年第3期
