大型軸鍛件的等溫精密模鍛工藝開發需要解決大長徑比變形均勻性、組織性能一致性等核心挑戰。以下是系統性技術開發方案：

1. 工藝難點與創新解決方案

技術瓶頸突破性技術實施路徑

軸向流線不連續（LDR＞8:1） 多向等溫鍛壓技術 徑向+軸向同步變形（應變路徑優化） 

法蘭-軸身過渡區開裂 局部梯度加熱（ΔT=150℃） 感應線圈分區控溫（±10℃） 

心部變形不足（ε＜0.3） 脈動式鍛壓（頻率0.5-2Hz） 液壓系統動態加載控制 

殘余應力分布不均 模內應力回火（T=550℃×2h） 模具內置加熱管+熱電偶閉環控制 

2. 等溫精密模鍛工藝流程

坯料制備

階梯加熱

徑向微粗

軸向拔長

法蘭成形

模內熱處理

關鍵參數控制：

溫度場：軸身1050℃/法蘭950℃（梯度加熱）

變形速率：徑向0.05s?1/軸向0.02s?1

模具溫度：400±5℃（H13鋼+AlCrN涂層）

3. 核心裝備系統設計

（1）等溫模鍛壓機

參數技術指標創新設計

公稱壓力 150MN（徑向）+80MN（軸向） 雙動液壓系統 

工作行程 6000mm（軸向） 激光測距實時反饋（精度±0.1mm） 

溫度均勻性 ±8℃（模腔全長） 分段式感應加熱 

（2）智能模具系統

組合式結構：

法蘭模：鎢基高溫合金（HV1100）

軸身模：等溫模具鋼（HRC50）

冷卻優化：

軸身區：微通道冷卻（流速5m/s）

法蘭區：噴霧冷卻（換熱系數8000W/m2K）

4. 材料組織調控策略

（1）動態再結晶控制

math

t_{0.5} = Aε^{-p}d_0^q\exp(Q/RT)

目標晶粒度：法蘭區7-8級/軸身區6-7級

關鍵參數：

應變ε=0.6-0.8（法蘭區）

應變速率=0.01-0.05s?1（軸身區）

（2）流線優化設計

區域流線要求成形工藝

軸身 軸向連續（偏角＜10°） 多道次拔長（累積變形量≥70%） 

法蘭過渡區 平滑過渡（曲率R≥2D） 浮動沖頭徑向擠壓 

端部 無渦流 端部預成形+終鍛整形 

5. 數值模擬與工藝優化

（1）多尺度建模

math

復制

下載

\begin{cases}

\text{宏觀}: \sigma_{eq} = \sqrt{\frac{3}{2}s_{ij}s_{ij}} \\

\text{介觀}: \dot{\epsilon}_p = A[\sinh(ασ)]^n\exp(-Q/RT) \\

\text{微觀}: d^{-1} = d_0^{-1} + kε^m

\end{cases}

軟件配置：QForm+DEFORM聯合仿真

網格劃分：軸身區網格尺寸梯度比1:3（表面:心部）

（2）參數優化結果

因素敏感度***優值影響效果

模具圓角半徑 32% R20mm 降低過渡區應力集中35% 

變形溫度 28% 軸身1050℃/法蘭980℃ 消除混晶組織 

保壓壓力 22% 60%σs 殘余應力降低至120MPa以下 

潤滑條件 18% 石墨+納米MoS? 摩擦系數降至0.06 

6. 質量檢測體系

（1）性能標準

項目技術要求實測數據

抗拉強度 ≥750MPa 780-820MPa 

斷裂韌性 ≥120MPa·m1/2 135-150MPa·m1/2 

直線度 ≤1mm/m 0.3-0.8mm/m 

（2）無損檢測

超聲相控陣：檢出Φ0.8mm橫向缺陷

磁記憶檢測：應力集中區定位精度±5mm

7. 工業應用案例

船用曲軸（Φ600×8000mm，34CrNiMo6）：

指標傳統鍛件鍛造等溫精密模鍛提升效果

材料利用率 46% 81% +76% 

疲勞壽命 1.8×10? 4.5×10? +150% 

機加工工時 320h 140h -56% 

殘余應力 ±280MPa ±95MPa -66% 

8. 技術發展方向

智能成形系統：

基于數字孿生的實時工藝修正（延遲＜5ms）

新型模具技術：

自潤滑模具（原位生成BN潤滑層）

復合制造：

等溫鍛造+局部激光熔覆（修復關鍵部位）

該工藝可使大型軸鍛件的尺寸精度達到IT7級，纖維流線連續性指數≥0.9，特別適用于船舶、能源等重載領域。建議優先開發10MW以上風電主軸的超大型等溫鍛造技術，并制定《等溫精密模鍛軸類件技術規范》。下一步需突破多材料復合軸的等溫成形難題。