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摘要：為了獲得強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度及可靠性較高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸，分析了它的鍛壓成形工藝，建立了鐓粗、沖孔、管端鍛及法蘭模鍛四大鍛壓工序的有限元分析模型。運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)其在四大鍛壓工序中溫度及等效應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，不同鍛壓工序中的鍛壓溫度及等效應(yīng)變不同，在鐓粗工序時(shí)溫度最高，沖孔工序時(shí)溫度變化最大，法蘭模鍛工藝時(shí)溫度變化最小；鐓粗工序時(shí)等效應(yīng)變的變化最小，沖孔工序時(shí)等效應(yīng)變的變化最大。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；傳動(dòng)軸；鍛壓成形；仿真分析
隨著世界各國(guó)對(duì)新能源不斷的重視，人力、資金及技術(shù)等方面的大力投入，大量新能源產(chǎn)品如風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能路燈等環(huán)境友好型的產(chǎn)品被開(kāi)發(fā)出來(lái)[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要傳動(dòng)系由傳動(dòng)主軸、傳動(dòng)動(dòng)軸、支撐軸承等三大部分組成，其主要作用是連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、輪轂、底座[2]。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際工況中，其受到來(lái)自外界風(fēng)載的作用力及力矩，外界自然環(huán)境如溫度、濕度、光等影響，其實(shí)際工況極其復(fù)雜。傳動(dòng)軸作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要傳動(dòng)及承載零件，材料及加工特性的好壞直接決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能，因此在設(shè)計(jì)及制造時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)、疲勞壽命等方面要求較高。由于雙軸承支撐傳動(dòng)軸的形式具有吸收大部分甚至全部風(fēng)力發(fā)電實(shí)際工況載荷的優(yōu)點(diǎn)，使得其在傳動(dòng)過(guò)程中受力狀況得到了較大的改善，其傳動(dòng)和承載可靠性好。因此，在風(fēng)力發(fā)電及其他新能源領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸一般制造工藝為鑄造和鍛造，鍛件具有形狀和尺寸精度高，表面光潔，加工工序少，便于自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型重要的機(jī)械零件加工中[3]。正因?yàn)殄憠撼尚喂に囉腥绱硕鄡?yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其理論、工藝及工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。劉百宣等[4]運(yùn)用DEFORM-3D仿真軟件對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器輸入軸鍛造成形進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3，5]等對(duì)曲軸、齒輪、連桿等各種零件的鍛造成形及其應(yīng)用進(jìn)行研究和分析。基于此，本文以某直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸為研究對(duì)象，首先分析其鍛壓成形過(guò)程，再運(yùn)用有限元分析軟件Qform建立傳動(dòng)軸鍛壓仿真模型，對(duì)其鍛壓過(guò)程中的溫度、應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。該研究能為新能源風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及成形工藝的改善及其制造工藝的工程應(yīng)用提供有益的借鑒。
1風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸成形尺寸及鍛壓成形工藝方案
1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸成形尺寸傳動(dòng)軸是風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要零件。為了獲得較好的強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時(shí)提高其使用可靠性，需要對(duì)其鍛壓成形工藝進(jìn)行分析和研究。加工前期獲得較好的坯料零件是其最終獲得較好性能零件的基礎(chǔ)。因此，本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸坯件鍛壓成形工藝進(jìn)行分析和研究，以便獲得該工藝條件下最佳性能的傳動(dòng)軸坯料，為后續(xù)精加工尺寸精度及優(yōu)良性能的保證提供重要的基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸為內(nèi)側(cè)空心的空心軸，傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè)由于配合面較少，其設(shè)計(jì)時(shí)為保證整體軸的力學(xué)性能優(yōu)良，內(nèi)側(cè)很少考慮與其他零件的配合特性。而外側(cè)由于要與軸承及其他傳動(dòng)零件進(jìn)行配合連接，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其加工特性及裝配特性，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸鍛壓工藝方案風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸由于其強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度及可靠性等要求較高，其為大型零件且后續(xù)精加工形狀復(fù)雜及精度要求高。因此，對(duì)其鍛壓成形的毛坯件要求也較高。為了獲得較好的鍛壓毛坯，需要對(duì)其鍛壓成形工藝及其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行深入的研究，對(duì)其實(shí)際鍛壓參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，且對(duì)重要的參數(shù)利用現(xiàn)代化控制理論進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，從而保證在鍛壓生產(chǎn)中工藝參數(shù)一直處于比較合適的狀態(tài)，獲得最佳性能的傳動(dòng)軸鍛件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸鍛壓成形是將原材料鋼錠加熱到一定溫度，然后對(duì)其進(jìn)行鐓粗和沖孔操作，由于其內(nèi)側(cè)是空心的，先對(duì)其內(nèi)側(cè)空心管進(jìn)行管端鍛成形，再對(duì)其外部法蘭進(jìn)行模鍛成形。合適尺寸的原材料初始鋼錠在特定加熱爐中進(jìn)行加熱，加熱好的鋼錠在鐓粗上下模的作用下進(jìn)行鐓粗；鐓粗完成后在工件上進(jìn)行沖孔，完成沖孔后由于工件熱量不斷散失需要對(duì)沖孔成形的工件進(jìn)行再次加熱，以便進(jìn)行內(nèi)側(cè)空心管端鍛及外部法蘭粗鍛操作；為了獲得內(nèi)側(cè)較好的管徑，在管端鍛及法蘭粗鍛后需要對(duì)內(nèi)側(cè)進(jìn)行精確的管端鍛，使得傳動(dòng)軸內(nèi)側(cè)管成形較好。經(jīng)過(guò)上述工藝操作工件熱量又逐漸散失，需再次加熱后進(jìn)行最后的法蘭精確模鍛，從而完成整個(gè)鍛造成形。
2有限元建模及仿真分析
2.1有限元建模根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸鍛壓成形工藝方案，運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks建立傳動(dòng)軸鍛壓成形三維模型并進(jìn)行組裝.風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸鍛壓模型為初始原材料鋼錠及由模具鋼加工而成的上下模，傳動(dòng)軸鍛壓有限元網(wǎng)格模型有2356個(gè)單元，11578個(gè)節(jié)點(diǎn)。本文研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸為AISI6000鋼.對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行鍛壓成形，在鍛壓成形工藝過(guò)程中，首先將鋼錠加熱到1300℃，同時(shí)也將模具預(yù)熱到300℃后，再進(jìn)行鍛壓。2.2仿真分析根據(jù)上文分析的鍛壓成形的工藝過(guò)程及建立的有限元仿真模型和賦予的材料參數(shù)，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)鍛壓有限元分析軟件Qform對(duì)傳動(dòng)軸鍛壓工藝過(guò)程溫度及等效應(yīng)變進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5、6所示。圖5為風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸在不同鍛壓成形過(guò)程中溫度分布云圖，風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)軸鍛壓過(guò)程中鐓粗時(shí)最高溫度為1325℃，最低溫度為908℃，溫度變化量為417℃；在沖孔時(shí)最高溫度為1285℃，最低溫度為856℃，溫度變化量為429℃；在管端鍛工藝時(shí)最高溫度為1246℃，最低溫度為974℃，溫度變化量為272℃；在法蘭模鍛時(shí)最高溫度為1294℃，最低溫度為1208℃，溫度變化量為86℃。由此可知，鐓粗時(shí)溫度最高，沖孔時(shí)溫度變化量最大且最低溫度也在此工藝過(guò)程中；法蘭模鍛時(shí)溫度變化量最小，管端鍛時(shí)溫度分布及變化量處于中間；不同鍛壓工序下，鍛件溫度分布及變化呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，為了獲得最佳的鍛壓溫度參數(shù)后續(xù)需要對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究。圖6為風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸在不同鍛壓工序的等效應(yīng)變分布云圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸鍛壓過(guò)程中鐓粗時(shí)最大等效應(yīng)變?yōu)?.15，最小等效應(yīng)變?yōu)?.15；在沖孔時(shí)最大等效應(yīng)變?yōu)?5.80，最小等效應(yīng)變?yōu)?.85，等效應(yīng)變的差值為13.95；在管端鍛時(shí)最大等效應(yīng)變?yōu)?0.65，最小等效應(yīng)變?yōu)?.84，等效應(yīng)變的差值為9.81；在法蘭模鍛時(shí)最大等效應(yīng)變?yōu)?0.39，最小等效應(yīng)變?yōu)?.03。由此可知，鐓粗時(shí)等效應(yīng)變的差值最小，沖孔時(shí)等效應(yīng)變的差值最大，而管端鍛和法蘭模鍛等效應(yīng)變的變化量分別為9.81和9.36，等效變化量較大，說(shuō)明在沖孔、管端鍛及法蘭鍛壓過(guò)程中鍛壓變形較大。綜上分析，風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸鍛壓成形過(guò)程主要由鐓粗、沖孔、管端鍛及法蘭模鍛等四大工序組成，其中不同鍛壓過(guò)程中的鍛壓溫度及鍛壓等效應(yīng)變不同，其中鐓粗時(shí)溫度最高，沖孔時(shí)溫度變化最大且最低溫度也在此工藝過(guò)程中，法蘭模鍛時(shí)溫度變化最小；鐓粗時(shí)等效應(yīng)變的變化最小，沖孔時(shí)等效應(yīng)變的變化最大。
3結(jié)語(yǔ)
運(yùn)用三維建模軟件及專(zhuān)業(yè)鍛壓有限元分析軟件Qform建立了風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)軸的三維模型及有限元仿真模型，對(duì)傳動(dòng)軸鍛壓成形工藝過(guò)程中鐓粗、沖孔、管鍛及法蘭模鍛四大鍛壓成形工序進(jìn)行了有限元仿真。通過(guò)仿真分析研究了鐓粗、沖孔、管鍛及法蘭模鍛等四大鍛壓工序過(guò)程中的溫度及等效應(yīng)變分布規(guī)律，為風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)軸及其相關(guān)零件的鍛壓成形的研究及其工藝優(yōu)化改進(jìn)、鍛壓模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化及鍛壓技術(shù)在軸類(lèi)零件實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
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作者:馬東梅 廉挺 單位:新疆天山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東工業(yè)學(xué)院冶金學(xué)院