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大型半组合式船用曲轴是低速大马力柴油发动机最核心的部件之一，是大型船舶的“心脏”。大型船用曲轴长度可达20余米，重量可达200余吨，制备过程包括钢锭真空冶炼、真空浇注、锻造、热处理、粗加工、红套和整轴精加工等工序，制造难度大，能否制造大型船用曲轴是衡量一个国家造船水平和热加工能力的重要标志之一。开展大型船用曲轴制造工艺研究，对于解决长期困扰我国造船业发展的瓶颈问题具有十分重要的意义。本文采用有限元模拟和实验相结合的方法，对船用曲轴曲拐的弯锻、热处理、红套过程进行了研究，提出了具体的工艺优化设计方案，并在多家企业获得应用。论文的主要研究内容和结论包括：
1.建立了曲轴用钢S34MnV的高温本构关系模型。对传统工艺下曲拐的弯锻过程进行了热力耦合模拟，系统地分析了锻件的变形机制和模具安全性，预测并分析了采用传统工艺形成的细腰、减薄、喇叭口和折叠裂纹等锻造缺陷。提出反变形法优化预制坯形状，研究了模具的关键尺寸参数对成形质量的影响。模拟发现，在预制坯中间设置V形凹槽，并选择上模前端宽度系数为0.4、下模开口宽度系数为1.7、下模内模腔倾斜角度为12°时，可消除喇叭口和折叠裂纹等锻造缺陷。在此基础上，提出了一套完整的曲拐近终形锻造的预制坯和模具设计方案，与传统工艺相比，节约材料15％，变形抗力降为原来的72％。将新工艺应用到实际锻造过程，成功获得了无成形缺陷、加工余量均匀的曲拐锻件。
2.建立了曲轴用钢S34MnV的高温组织演化模型，系统地模拟了曲拐弯锻和热处理过程的再结晶和奥氏体相变现象，预测了最终锻件的组织和力学性能，预报了热处理变形情况。模拟发现：曲拐弯锻时的组织演化以伪动态和静态再结晶为主，仅在曲臂与曲柄销联接区域发生了完全动态再结晶；热处理加热时锻件表层和心部奥氏体化开始时间相差7 h，加热结束后锻件表层晶粒比心部大40μm。热处理后锻件的组织和力学性能分布规律为：曲柄销区域铁素体含量高、晶粒较粗大，珠光体含量低、片层间距较大，曲臂区域的组织分布与之相反：曲臂表层强度较高，曲柄销中心环形区域强度较低。正火冷却时曲拐内外表面形成的拉应力差造成两曲臂之间开口距离增大10 mm。
3.试制了38 t重的K90MC-C型号曲拐锻件，并进行了解剖实验研究，获得了锻件上不同位置的组织和力学性能数据。实测数据与模拟结果吻合良好，力学性能预报误差率在5％以下。分析了锻件上个别区域材料冲击韧性偏低的原因，发现该区域存在混晶和偏析。对曲轴工作状态受力最大区域的材料疲劳强度进行了检测，结果表明材料的拉压疲劳强度为250 MPa，研究发现Mg、Al等氧化性夹杂物是导致个别试样疲劳强度偏低的主要因素。
4.推导了红套过盈量的计算公式，建立了曲轴红套过程的有限元模型并获得了加热实验验证。通过分析加热时红套孔的膨胀和收缩规律发现，增大曲柄销和曲臂圆头之间的温差可获得具有高圆整度的红套孔。红套界面的变形和传热行为的研究结果表明，界面处的接触压力在插入主轴并冷却320 min后达到稳定值，此时可安全将红套件吊离地坑，使等待时间缩短为原来的16％。通过追踪红套孔的变形历程发现，加热时曲臂向前上方弯曲，冷至室温后转为向前下方弯曲，导致最终红套孔为上大下小的圆台形。研究发现红套后零件的结构变形规律为：主轴中心线向远离曲柄销一侧偏移0.5 mm，并顺时针偏转0.044°。在此基础上，提出了预防曲轴红套变形的措施并应用到生产中，使整轴加工机时缩短33％。