。在大型汽轮机转子生产工艺过程中，合金钢材料经过冶炼铸锭工序形成钢锭，再直接开坯锻造而成为转子。钢锭内部不可避免地存在着偏析疏松缩孔及微裂纹等冶金缺陷。而且钢锭尺寸越大，这些缺陷越严重。转子的性能虽然受炼钢锻造和热处理等技术水平的综合影响，但锻造环节有着重要的作用。为了获得优质锻件，必须通过锻造工艺来消除或者减少这些缺陷。关于大型锻件锻造工艺中的镦粗工序的理论认识，传统镦粗理论认为普通平板间的圆柱体镦粗，不管毛坯尺寸如何，中心部位都会处于三向压应力状态。但是，燕山大学刘助柏自年以来，在理论研究与实验的基础上，从塑性力学的基本理论出发，把镦粗的变形区分为主动塑性变形区和被动塑性变形区，提出了圆柱体镦粗时刚塑性力学模型的拉应力理论，否定了传统上占统治地位近百年的学说。这新理论普遍被其他学者接受。随着计算机技术的发展，材料塑性成形过程产生了新的实验方法。以有限元为代表的数值模拟方法，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。通过数值模拟试验，能有效的验证理论认识，能为实际生产工艺的制造提供参考，对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方面都具有十分重要的意义。大型汽轮机转子的制造概况自从年德国首次采用整体锻法生产出第根额定功率为重的发电机转子以来，随着发电机组特别是核电机组容量的大型化，目前锻造用钢锭已重达。我国转子锻件生产与工业发达国家比，晚了半个多世纪，起步较晚，工业基础差，技术底子薄，生产中曾经遇到各种困难。从八十年代以来，由于引进国外先进技术，几个转子锻件生产厂，经过技术改造后，冶炼铸锭锻造热处理以及毛坯粗加工等工艺理论及装备有了很大改进。国内外大型汽轮机转子生产研究状况年代以来，随着电子工业的发展，转子锻造技术突飞猛进地发展。我国在年代初期与美国西屋电器公司签订协议，花费亿元引进了火电机组技术及设备年代中期，又引进了日本宝兰的先进工艺，经过几年的消化吸收，目前我国转子的生产和检验基本上采用引进的工艺和标准。我国众多生产企业和高等院校参与研究，清华大学东北重型机械学院现为燕山大学等研究单位提出了系列锻造新工艺理论与新技术，如法法对称或型砧锻造法法，成功开发出钢锭凝固模拟软件锻件热处理模拟软件锻造高温密栅云纹模拟方法，使我国大锻件水平上了个新台阶。目前我国生产转子的最大直径从年的增大到，转子所用钢锭的重量由年的增大到。然而，同国外大锻件制造业相比，我国大锻件行业仍存在着生产厂点过多低水平配套效率低设备老化重复建设较严重机械化生产水平低等主要问题。如韩国重工，铸锻事业部约人，年产锻件万吨而我国重二重铸锻方面约多人，年产锻件约万吨。日本大锻件生产厂家家，年产量达万吨。德国家，美国家，产量达万吨。如国外以上水压机多数配备有主锻造操作机和的配套操作机，并有计算机联动控制，激光测量尺寸装置，锻件尺寸误差。加热炉热处理炉多数也实现了计算机控制。而我国台以上水压机仅有台配有锻造操作机，加热炉与热处理炉全为人工控制。国外能生产的超临界机组及的超临界机组锻件，钢高压复合转子，大型超导发电机转子锻件，各种特殊轧辊锻件等我国目前尚不能生产。因此，为了改进并提高我国大锻件行业的制造水平与竞争能力，不仅要在硬件设备大型压力机，操作机上加大研究力度，跟上先进国家的发展步伐而且要将大锻件的生产过程与先进制造工艺相结合，将实际生产与计算机辅助模拟相结合，提高生产效率，缩短制造周期，改进产品质量，使我国大锻件的工艺水平达到新的突破。转子生产过程重要工序图是重锻造的汽轮机低压转子锻件图。图汽轮机低压转子锻件图转子制造是个系统工程，包括冶炼铸锭锻造热处理以及毛坯粗加工等过程。转子质量主要表现在纯净性均匀性和致密性三个方面，要求锻件整个截面晶粒细而均，从而具有较高的强度塑性韧性等各种常温高温力学性能指标。在实际生产过程，需要重点注意下面几个环节冶炼保证转子质量，关键在提高钢水和钢锭的质量。气体和非金属夹杂物是影响钢材质量最为不利的因素，因此在冶炼过程中要尽量降低刚体中气体和非金属夹杂物的含量。近代发展起来的真空碳脱氧生产工艺，显著地达到这个目的，改善了钢锭的质量。由生产实践证明，采用生产工艺，由于脱氧物不溶于钢中的气体，可更好地提高钢的纯净渡，减少钢中氢含量，显著地减少钢锭中的形和倒形宏观偏析，使整个转子锻件机械性能的均匀性和各图时应变应力云图由图所示锻件内部应变应力云图可看出，其不同区域的应变应力较均匀。漏盘孔口倒圆角半径选取凹面板球半径，镦粗板压下速度压下量为，漏盘孔与钳把的间隙量为。再分别选取漏盘孔口倒圆角半径进行模拟比较。毛坯镦粗后根部剖视图及应力云图如图所示。图根部应力云图由图可获得根部应力值，如表所示。表根部应力值根部破坏值如表所示。表根部破坏值在破坏值为零的前提下，为了避免应力集中，应力值应尽量小，因此选取漏盘孔口倒圆角半径。由图可知，所模拟的四个不同倒圆角半径值，毛坯镦粗后根部表面形状的差异不大，其影响可忽略。漏盘孔与钳把间隙量的选择在镦粗过程，毛坯钳把与漏盘孔的配合关系是间隙配合，若间隙较小，则装配时困难，若间隙较大，则毛坯与下镦粗板接触面积小，金属横向流动较多，可使得毛坯鼓形上下不对称。选取凹面板球半径，镦粗板压下速度压下量为，漏盘孔口倒圆角半径为。再分别选取漏盘孔与钳把的间隙量为进行模拟比较。毛坯镦粗后根部剖视图及应力云图如图所示。图根部应力云图由图可知，间隙量时毛坯的根部形状相似，没有明显的不同，随着间隙量增大，难变形区面积稍微减少，这对提高毛坯内部综合性能有利。钳把应力值如表所示，图所示钳把应力值没有明显的变化，当间隙量时，应力值近似相等。因此，选取漏盘孔与钳把间隙量为。表钳把应力值小结根据上面的模拟分析，凹面板漏盘圆柱体镦粗，选取几何锻造参数如表所示。表几何参数锻造参数将上述参数的毛坯镦粗后沿对称面剖视，在向取点如图所示，其应变应力值曲线如图所示。图对称面点示意图凹面板球半径漏盘孔口倒圆角半径漏盘孔与钳把间隙量压下量压下速度应变值曲线应力值曲线图应力应变值曲线由图可知，毛坯镦粗后鼓形上下并不十分严格对称，随着压下速度的增加，不对称度越大，这主要是因为边界摩擦条件不同由图可知，沿方向，中心区应变应力最强烈，向两端面逐渐减少，难变区仍然存在，但是上下端难变区的应变应力状态差别很大，上端难变区应力大，产生微小变形，下端难变区应力很小，应变也几乎为零。这与凹面板漏盘镦粗模型力学分析时的假设结论符合。总结与展望本文对典型的大型轴类锻件汽轮机低压转子的镦粗工序进行研究，在普通平板圆柱体镦粗理论的基础上，尝试提出凹面板漏盘圆柱体镦粗力学模型，运用三维刚粘塑性热力耦合有限元法，对其镦粗工艺过程进行了模拟，研究了锻造过程中不同的几何参数及工艺参数对大型锻件成形质量及内部性质的影响，并根据模拟结果优化分析得到了合理的锻造参数，为实际生产中大型轴类锻件锻造工艺的制定提供了有效的参考。本文的结论凹面板漏盘圆柱体镦粗力学模型与数值模拟的结果相符。运用对普通平板圆柱体间镦粗进行数值模拟，模拟结果与理论相符，证明了该理论正确提出了凹面板漏盘圆柱体镦粗模型，认为钳把对锻件的力学性能影响不可忽略，通过数值模拟证明了该观点正确，这与刘国晖等人的论文圆柱体在平板和漏盘间镦粗时的力学分析中国机械工程，上的学术观点不同。采用凹面板漏盘圆柱体镦粗方法，虽然能解决实际生产过程锻件毛坯带钳把的问题，能有效防止后续工艺拔长时产生凹心的问题，但是仍无法解决刚性区应变小的问题。以锻件内部获得较大应变而且相对均匀应力较小为评价目标，认为几何参数凹面板球半径漏盘孔口倒圆角半径漏盘孔与钳把间隙量锻造参数上镦粗板压下速度是较合理的镦粗参数。本文的不足本文讨论的几何工艺参数是连续量，但本文模拟过程只取有限的离散值进行模拟比较分析。本文对模拟结果的分析方法比较少，采用鼠标捕捉数据的方法，精度相对较低。本文模拟所用的大型锻件材料是软件中自带的材料模型，即，这与实际生产中的锻件材料有定差别。因此，为了使数值模拟结果与实际生产中更接近，就必须通过实验获得其材料属性及本构方程，并输入到有限元软件中。展望为了改善刚性区的应变状态，可以考虑使用凸面板漏盘圆柱体镦粗进行模拟分析，这与刘助柏提出的锥形板镦粗工艺理论相似。大型锻件内部微观组织的变化同样决定着成形锻件的机械性能，在本文模拟分析得到的参数的基础上，应进步考虑锻件内部微观组织的演化规律，从而完善锻造工艺，提高锻件质量。在以后的研究中应该通过具体实验来检验及校正模拟所得的工艺参数，并将其运用到实际生产当中，以指导大型轴类锻件的生产制造。致谢本文是在指导教师倪利勇博士的热情关怀和悉心指导下完成的。从课题的开始到本文的最后完成，得到了导师悉心指导。倪博士勤奋的学习态度渊博的知识和严谨踏实的治学态度使我受益非浅，倪博士严于律己宽以待人的崇高品德是我学习的榜样。值此论文完成之际，谨致以崇高的敬意和衷心的感谢,感谢王贵教授萧时诚老师悉心指导和热情帮助,感谢梁焯劲张素明等同学的帮助,感谢大学期间教导和帮助过我的老师,感谢在大型件锻造工艺理论研究方面的各位学者,参考文献谢懿主编实用锻压技术手册北京机械工业出版社，王占学主编塑性加工金属学北京冶金工业出版社，吕炎主编锻件缺陷分析与对策北京机械工业出版社，李尚健金属塑性成形过程模拟北京机械工业出版社，汪大年金属塑性成形原理北京机械工业出版社，吕炎等编锻压成形理论与工艺北京机械工业出版社，刘助柏塑性成形新技术及其力学原理北京机械工业出版社，邹善藻三十五年来我国的转子锻件制造大型锻造件杨凤汽轮机转子的热应力分析和疲劳寿命研究沈阳沈阳工业大学，刘显惠，林锦棠国内外汽轮机大