在新时代碳达峰、碳中和的“3060”目标背景下,风能、太阳能等非化石能源再次迸发出强劲活力。风机主轴作为风电机组的核心传动装置,在实际运行工况下持续承受拉压、扭转、冲击等复杂载荷。同时,风场发电要求使得风机主轴向着大尺寸、高精度、轻量化的制造方向发展。因此,开发新的制造工艺是提升我国风电机组品质的必由之路。本文采用有限元仿真分析模拟与试验验证相结合的研究方法,对42CrMo4钢风机主轴展开研究。在大型锻件的研究过程中,单纯的数值模拟方法易局限于理想化模型,单纯的试验获得的测量值较为简单且难免出错。因此,本文首先通过有限元仿真分析方法对风机主轴成形工艺进行模拟仿真试验,得出工艺优化方案及模具进给速度、装配余量参数;其次通过风机主轴成形试验,回扣有限元分析研究过程,验证仿真结果的可靠性,为风机主轴的成形工艺优化做出理论支撑。研究过程为:初期仿真模拟试验阶段,使用建模软件UG和有限元分析软件Deform-3D建立了多组42CrMo4风机主轴等比例缩小的热力耦合三维有限元模型,研究风机主轴成形过程。通过分析法兰端成形效果、轴身金属流动量以及等效应力、等效应变、金属流动速度场、主轴所需成形力等数据得到成形过程中的变形规律。发现了传统成形工艺的缺点为,法兰端成形效果不理想、充模率低、废料率高、变形不够均匀,大部分金属流向轴身,造成法兰端缺料;优点为所需成形力相对较小。中期在对传统风机主轴成形方法研究的基础上,依据塑性成形理论,进行了工艺创新优化。针对风机主轴空心轴制造困难的问题,使用自由锻法、摆动碾压法、旋转锻造法等多种工艺进行成形仿真试验。提出了一种新型锻造模具,包括一种新型圆凸式上模、曲面式漏盘及带有预制孔的坯料结构。最后总结了新工艺下法兰端的成形效果、等效应变、金属流动速度场、主轴所需成形力等变形规律。后期依据模拟仿真得出的优化数据,开展了42CrMo4钢类法兰端小型件镦粗试验及风机主轴成形试验,进行了金相组织、晶粒尺寸、晶粒密度、硬度、EBSD等多种分析测试。得出结论为:与传统工艺相比,新工艺可以优化法兰端坯料的金属流动方向,提高法兰端金属的充模率及成形质量,获得更加均匀的组织结构;降低轴身金属流下量、后续机加工量及加工难度;降低后续深孔钻工序中的金属浪费率,提高钻孔同轴度。得出当模具余量确定为20mm至25mm,实际进给速度保持在40mm/s至50mm/s时法兰端成形效果优良;新工艺可使法兰端变形量增大,大应变、高温度促进动态再结晶过程发生,引发晶粒的细化,获得更高的GOS值即更高的位错密度和晶格畸变。最终所得试验数据均与仿真数据匹配,验证了仿真分析结果的准确性及可行性。总之,本文设计的风机主轴模锻新工艺可为实际生产方法提供参考方案。