设计仿真 | Simufact Forming仿真技术破解水轮机轴锻造难题

PART01

水轮机轴锻造工艺的挑战与机遇

水轮机轴作为水力发电设备的核心部件，不仅是能量转化的物理载体，更是水电系统安全与经济性的基石。其设计、制造与维护水平直接决定着机组的发电效率、使用寿命及抗风险能力。在锻造工艺方面，水轮机轴面临诸多技术挑战，尤其是大型锻件（直径可达1.5米，长度超过10米）易出现成分偏析和晶粒粗大等问题。由于结构尺寸庞大，端部锻造流动缺陷可能导致材料去除量增加，影响材料利用率，同时锻后热处理的淬透性控制也至关重要。传统的试错法制定工艺不仅研发周期长，试制成本也较高，因此需要在材料性能、成型精度、缺陷控制及后续处理等环节进行综合优化。

PART02

Simufact Forming：

锻造工艺的“数字实验室”

海克斯康Simufact Forming锻造工艺仿真包括镦粗、模锻、拉伸、拔长、自由锻、挤压、辊锻、线割、热处理等工艺，能够帮助用户通过仿真的方式实现锻造成形工艺虚拟试错，通过对成形过程中材料流动、温度、应力、应变、折叠缺陷、设备吨位、微观晶粒等分析，帮助优化锻造工艺。

PART03

水轮机轴优化材料利用率的挑战

在水轮机轴的制造过程中，提高材料利用率对控制成本至关重要。材料损耗主要来自底部废料、过渡区域切除、端部鼓包修整以及其他工艺性损耗。

该团队热衷于优化大型直径水轮机轴铸锭的重量，对材料利用效率提出了极高要求，这需要在整个锻造工艺中采取系统性优化措施。其中，解决端部膨胀导致的材料损失尤为关键——膨胀不仅会增加锻件重量，还会影响最终成型精度。

传统工艺通常在开槽后对底部废料进行热切割，但将其整合到最终产品中存在技术难点。若将底部废料保留作为轴体的一部分，虽可提高材料利用率，却会加剧锻造过程的复杂性：金属流动的不可预测性可能直接影响锻件质量。因此，如何在提升材料利用率与控制工艺风险之间取得平衡，成为一项需要综合解决方案的多维度挑战。

PART04

利用海克斯康

Simufact Forming优化锻造工艺过程

该公司采用了海克斯康的 Simufact Forming软件对该工艺流程进行全流程仿真模拟。其主要目的是研究在多次锻造操作过程中底部废料的流动情况，并分析底部废料的流动对主要部件质量的影响。

通过Simufact Forming软件的模拟分析，团队系统研究了镦粗、拉伸及多次锻造等关键工艺环节的热锻过程，重点观察了开坯锻造阶段的材料流动特性。模拟结果清晰揭示了轴底部废料中不合格材料的流动规律，为工艺优化提供了依据。

基于这些发现，团队对锻造工艺进行了针对性改进：优化后的镦粗轮廓有效阻止了材料在镦粗和拉伸过程中向主体流动，新增的设计曲率则通过阻流作用减少了材料内渗造成的凸起效应，成功实现了底部废料与合格材料的有效分离，确保废料始终保留在端部区域。

PART05 成效：材料利用率提升5%的突破

通过Simufact Forming锻造模拟：该公司成功优化了锻造工艺，在确保底部废料完整性的同时实现了显著效益。工艺改进后材料利用率提升超过5%，不仅有效降低了生产成本，增强了市场竞争力。此外，优化的工艺还带来了尺寸精度的提升，大幅减少了车间试验次数，在保证质量的同时进一步节约了时间和成本。

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【文章来自海克斯康工业软件】