矿山、电力等国家重点工程急需的大型装备用关键承力件，单件重量大、负载重，服役工况苛刻、安全可靠性要求极高，其性能质量直接影响到大型装备的整体水平和运行可靠性。通过锤上模锻成形工艺可获得金属流线完整、组织致密、性能优异、尺寸精度高的制件，然而，对于上述领域用300kg以上复杂结构锤上模锻件成形仍存在诸多难题：大型复杂模锻件整体成形工艺、模锻设备及模具工装问题；大型模锻件铸改锻结构设计及优化问题；大型复杂模锻件高温、大应变速率成形条件下的损伤问题。

项目组在国家自然科学基金、河南省科技攻关等项目支持下，经6年协同攻关，通过数值模拟、物理实验和生产实践相结合的手段，基于复杂模锻件结构特点和成形特点，系统研究了大型复杂模锻件高温锻造损伤行为，构建大型复杂模锻件高温锻造成形损伤演化方程，为复杂模锻件整体成形分析提供基础材料数据和理论依据；以大型装载机关键承力件动臂为例，开展了基于服役工况下的动臂零件铸改锻结构设计与优化，优化后的模锻件结构对称、截面过渡流畅，零件的强度、刚度及疲劳寿命大幅度提升，且保证动臂装配不受影响前提下，减重20%；制定了“以小制大”的复杂模锻件锤上模锻成形工艺，突破了大型复杂模锻件整体成形中的工艺设备局限，开发出系列具有自主知识产权的大型复杂模锻件整体成形成套技术，应用于中国重点工程急需的大型装备用动臂、链轮、平衡臂等模锻件开发。主要科技创新如下：

（1）突破设备局限，开发模锻锤效能提升技术，保障大型装备用关键承力件模锻成形。针对大型复杂模锻件的成形需要，改进了模锻锤液压缸结构，实现对大型模具的提锤、控锤及打击能力；制造了加长锤头，使得装模空间得以扩展，模具受力分布合理；对常规机械手进行结构改进，增大抓取直径和抓取重量，实现关节运动速度可调，同时增加了可旋转自由度，为大型复杂模锻件成形及各工序、工步间流畅衔接奠定基础，为大型装备用关键承力件顺利模锻成形提供保障。

（2）基于服役工况对大型复杂模锻件进行了铸改锻结构优化，在满足强度刚度条件下实现了减重。运用Solidworks软件创建了大型装载机动臂三维实体模型，将锻造的工艺性充分融入产品的结构设计之中，降低产品的锻造工艺难度。采用有限元分析软件ANSYS对整体模锻件进行了结构参数优化，重量由418kg减小到334kg，在满足动臂模锻件强度刚度及装配尺寸的前提下减重20%。

（3）开发了“以小制大”复杂模锻件成形工艺、工装模具及成套技术。采用DEFORM-3D软件对动臂复杂模锻整体成形进行了仿真分析，研究了锻件结构、温度、中间坯料对成形力的影响，开发了制坯—弯曲预锻+终锻的短流程成形工艺；通过优化制坯工艺合理分配坯料，有效预测并消除了典型位的缺陷；通过优化模具结构，提高了锻件成形尺寸精度。在此基础上开发出动臂复杂模锻件整套成形技术。

（4）构建了大型复杂模锻件高温锻造成形损伤演化方程。研究了高温下应变速率、变形温度与流变应力的内在关联，探明了温度和应变速率对材料临界损伤值的影响规律，构建了温度补偿应变速率因子的高温损伤模型，建立了大型复杂模锻件高温锻造变形损伤演化方程，为大型复杂模锻件整体成形分析提供基础理论依据。

通过该项目实施，申请发明专利12件（9件授权，3件实审），发表学术论文15篇，出版著作4部，近三年实现销售额25196万元。利用该技术开发出大型动臂、链轮、平衡臂等复杂模锻件，成功应用于矿山、路桥、水电、风电、核电等国家重大领域用大型装备，满足了中国重大装备用关键零部件需求，推动了中国大型装备的快速发展。

成果说明

项目成果已在全国5家企业推广应用，其中3家企业近3年新增销售额2.51亿多元。 项目技术中的铸改锻结构优化、复杂模锻件成形仿真分析及工装改进已成功应用于一拖（洛阳）铸锻有限公司大型动臂、链轮、平衡臂等多种复杂承力件的开发，项目成果应用于工程机械、交通运输等领域。在此基础上，项目技术在洛阳赛瑞机械科技有限公司和洛阳科普尔特种铜业有限公司得到进一步的推广应用，用于生产连杆、叉轴、高压断路器触头、触指等复杂模锻件。

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