胡運寶 牛玉溫 彭彩霞 閆小燕

(太原重工大鍛件分公司，山西030024)

風(fēng)機主軸鍛件圓角成形工藝數(shù)值模擬研究

胡運寶 牛玉溫 彭彩霞 閆小燕

(太原重工大鍛件分公司，山西030024)

通過有限元軟件FORGE模擬風(fēng)機主軸圓角成形過程，得到了成形過程中等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、溫度場的分布圖，從而為以后的工藝改進(jìn)提供合理的科學(xué)依據(jù)。

風(fēng)機主軸;成形工藝;數(shù)值模擬

風(fēng)機主軸是風(fēng)電設(shè)備的核心部件。針對風(fēng)機主軸批量大、截面變化大的特點，尤其是法蘭過渡圓角比較大，需設(shè)計出科學(xué)合理的工裝模具，研究出合理、可行的工藝方案，以保證各截面的鍛比和心部組織的致密，確保后期無損檢測合格。對大型鍛件單一的進(jìn)行物理模擬存在許多困難［1］，本文通過FORGE有限元模擬軟件，研究法蘭過渡圓角處成形過程中的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變分布，為以后的工藝改進(jìn)提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 生產(chǎn)流程

該鍛件的生產(chǎn)流程為:冶煉→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→檢測→調(diào)質(zhì)→性能試驗→粗加工→檢測→交貨。

風(fēng)機軸鍛件尺寸如圖1所示。法蘭尺寸較大，?1 525 mm×160 mm，采用旋轉(zhuǎn)加壓成形。圓角半徑為R=250 mm，須放在專用漏盤內(nèi)進(jìn)行胎膜鍛造。

圖1 風(fēng)機軸鍛件圖Figure 1 The drawing ofwind mill shaft forging

2 材料

由于風(fēng)力發(fā)電機存在使用的地域環(huán)境不同，緯度相差懸殊，野外風(fēng)口使用無法進(jìn)行大規(guī)模的維修等特點，使風(fēng)機主軸的材料選擇尤為重要。根據(jù)服役地點，如沿海、溫帶、準(zhǔn)寒帶、寒帶的不同，材料選擇應(yīng)滿足不同地域的要求，如20℃、0℃、-20℃、-40℃工作環(huán)境的材料，并保證各個溫度期間的力學(xué)性能和使用壽命，34CrNiMo6成為我們的首選材料。其具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 34CrNiM o6化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chem ical com positions of the 34CrNiM o6 (mass fraction，%)

3 有限元模型的建立

3.1 建模

對坯料、上砧、漏盤進(jìn)行實體建模，在UG6.0中進(jìn)行三維圖形的繪制，將圖形轉(zhuǎn)化為stl格式，導(dǎo)入FORGE中，如圖2所示。

3.2 有限元模擬軟件FORGE的參數(shù)設(shè)定

3.2.1 坯料的網(wǎng)格劃分

圖3 坯料網(wǎng)格單元圖Figure 3 The diagram of billet grid cell

網(wǎng)格劃分是有限元模擬前的重要環(huán)節(jié)。合理的網(wǎng)格劃分能夠保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性［2～3］，網(wǎng)格數(shù)量的多少將會影響到計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來說，網(wǎng)格數(shù)量增加，邊界擬合共建形狀越精確，計算精度就會有所提高，但同時計算規(guī)模也會大大增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡考慮。

FORGE具有強大的網(wǎng)格自動劃分功能，還具有局部網(wǎng)格細(xì)劃分功能。因法蘭外緣處、圓角成形處應(yīng)變較大，網(wǎng)格畸變較嚴(yán)重，在此區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)細(xì)劃分。圖3為坯料的網(wǎng)格劃分圖，共劃分網(wǎng)格135 127個。

3.2.2 材料屬性

34CrNiMo6應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖4。

3.2.3 對象間的關(guān)系

熱摩擦系數(shù)選文件為:water+graphite.tff。熱交換系數(shù)選文件為:Steel-hot-weak.tef。

圖4 34CrNiMo6應(yīng)力應(yīng)變圖Figure 4 The drawing of stress-strain of34CrNiMo6

圖5 風(fēng)機軸模擬效果圖Figure 5 Diagram of the simulation effect ofwind mill shaft

3.2.4 控制的設(shè)定

采用行程控制，始鍛溫度設(shè)為1 240℃，設(shè)定上砧壓下速率為20 mm/s。

4 風(fēng)機軸圓角成形模擬結(jié)果分析

借助于FORGE軟件對風(fēng)機軸圓角成形的模擬模型進(jìn)行了有限元分析計算并進(jìn)行后處理，獲得其成形效果圖、應(yīng)力場、應(yīng)變場及溫度場等數(shù)據(jù)。

4.1 法蘭圓角成形后的模擬效果圖

圖5所示為風(fēng)機軸法蘭成形后的模擬效果圖，總體模擬效果較好，法蘭外表面平整，其外緣處壁變薄，導(dǎo)致法蘭厚度不均，這與現(xiàn)實情況比較吻合。圓角部分成形較好，無折疊。

4.2 風(fēng)機軸圓角成形過程

風(fēng)機軸圓角成形過程如圖6所示，因?qū)ΨQ，現(xiàn)只分析坯料一半時的成形過程。將加熱好的風(fēng)機軸坯料放入漏盤中，上砧接觸風(fēng)機軸法蘭部分，如圖6(a)所示。圖6(b)為上砧開始施加壓力，與上砧接觸部分金屬開始運動，金屬一部分流向法蘭，另一部分流向圓角處。隨著上砧的旋轉(zhuǎn)加壓［4］，法蘭表面變?yōu)槠秸?，圓角處的金屬受三向壓應(yīng)力作用，最終完成法蘭及圓角成形，見圖6 (c)。

圖6 風(fēng)機軸法蘭圓角成形過程Figure 6 Flange fillet forming process of windmill shaft

圖7 終鍛時等效應(yīng)力Figure 7 Equivalent stress in finish forging

圖8 終鍛時等效應(yīng)變Figure 8 Equivalent strain in finish forging

4.3 等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、溫度場的分析

圖7為圓角成形最后階段時的應(yīng)力分布圖。由圖7可知，應(yīng)力分布總體上均勻?qū)ΨQ。與上砧接觸位置受力較大，符合應(yīng)力分布規(guī)律，等效應(yīng)力值最大能達(dá)到90 MPa。法蘭圓角處，金屬流動劇烈，受力較大。

圖8是圓角成形最后階段時等效應(yīng)變分布圖。由圖8可知，應(yīng)變最終集中在法蘭處、圓角處，應(yīng)變最大值為0.3。應(yīng)特別注意，圓角處應(yīng)變大時金屬容易出現(xiàn)折疊現(xiàn)象。溫度場分布如圖9所示。可以看出溫度場的最終分布情況與等效應(yīng)變的分布一致，即應(yīng)變大的部分溫度高。鍛件表面最高溫度約為1 100℃，最低溫度約為1 000℃，總體分布比較均勻，約為1 030℃。

4.4 與實際生產(chǎn)的鍛件對比

圖10為實際生產(chǎn)的風(fēng)機主軸鍛件，表面無裂紋，法蘭表面平整，圓角處飽滿成形，金屬流動較好，與模擬結(jié)果相比，總體比較吻合。

圖9 終鍛時溫度分布圖Figure 9 Temperature distribution in finish forging

圖10 實際生產(chǎn)的風(fēng)機軸鍛件Figure 10 The actual produced forging for wind mill shaft

5 結(jié)論

通過對風(fēng)機軸鍛件圓角處成形過程的有限元模擬，使成形過程更加形象化，直觀化。模擬結(jié)果與現(xiàn)實鍛件產(chǎn)品對比分析可以得到以下結(jié)論:

(1)利用FORGE有限元軟件對風(fēng)機軸鍛件圓角成形過程進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果令人滿意。成形過程金屬流動順暢，表面無裂紋，法蘭表面平整，圓角處無折疊，飽滿成形，與實際鍛出的產(chǎn)品較吻合。

(2)由終鍛溫度場分布可知，終鍛溫度平均在1 030℃左右，在34CrNiMo6鍛造溫度范圍之內(nèi)。由終鍛等效應(yīng)變場可知，最終應(yīng)變集中在圓角處、法蘭外緣表面，應(yīng)變最大值為0.3。終鍛時，圓角處應(yīng)力最大值為90 MPa。

(3)通過模擬結(jié)果可知，法蘭邊緣處應(yīng)變比較大，產(chǎn)生薄壁，導(dǎo)致整個法蘭厚度不均，這與現(xiàn)實情況比較符合，在實際生產(chǎn)中需要增加一道滾圓工序。

［1］ 郭會光，劉建生.堅持自主創(chuàng)新、科技創(chuàng)新，促進(jìn)大型鍛造業(yè)的科學(xué)發(fā)展［J］.大型鑄鍛件，2008(23):47-49.

［2］ George P L.Automaticmesh generation，applications to Finite Element Methods［M］.New York:Willey，1991.

［3］ Guan ZQ，Song C.Recent advances of research on finite elementmesh generation method［J］.Journal of Computer-Aided Design＆Computer Graphics，2003，15(1):1-14.

［4］ 江燮鑫.風(fēng)機主軸毛坯組合鍛造法［J］.新技術(shù)新工藝，2010(23):87-88.

編輯 杜青泉

Research on Numeric Simulation of Forging Fillet Forming Process for Wind Mill Main Shaft

Hu Yunbao，Niu Yuwen，Peng Caixia，Yan Xiaoyan

The fillet forming process is simulated bymeans of the finite elementsoftware FORGE，and the distribution diagram of the equivalentstress，equivalentstrain，and temperature field in the forming process has been obtained，which can provide reasonable science basis for the future forming process improvement.

wind mill;forming process;numerical simulation

O242.1

A

2013—08—09