芯轴拔长是一种加工大型空心轴类、筒类锻件的自由锻成形工艺,其原理为:在芯棒的辅助作用下,上下砧通过压缩作用使空心钢锭或冲孔毛坯发生壁厚减薄与轴向伸长。芯轴拔长可用于某些空心锻件的直接生产或者某些大型筒形件的锻造制坯,相比实心锻造,大型空心锻件芯轴拔长具有材料利用率高、锻件力学性能好等优点。但由于芯轴拔长本身的工艺特点,锻造拔长效率低、工艺控制难度大,实际生产中容易出现变形均匀性差、端面内凹、内孔壁裂纹、壁厚不均等锻造缺陷。针对上述问题,本文通过数值模拟与缩比实验相结合的方式,研究芯轴拔长工艺的基本变形规律及拔长过程翻转组合成形规律,并在此基础上给出提高芯轴拔长变形均匀性、改善锻件压实效果、提高拔长效率、控制内孔偏心等一系列的工艺优化措施。根据芯轴拔长最基本的单步下压过程的变形特点,将每步下压产生的主要变形区通过大变形区角度、最大等效应变、变形径向分布等指标进行描述。通过交叉对比分析,总结给出了压下率、砧宽比、孔径比等工艺参数对芯轴拔长基本变形指标的影响规律,为后续芯轴拔长成形工艺方案确定提供了理论依据。将芯轴拔长的复杂变形过程分解为简单的单步下压变形的叠加与组合,分析获得了翻转变形角度对拔长组合变形的影响规律。通过对单圈翻转下压的变形特点进行研究,总结给出了拔长存在的周向变形不均的基本规律和形成机理。设计了芯轴拔长单圈变形实验,进行了单圈变形规律的实验研究,验证了单圈翻转变形的周向不均匀性结构及其形成原因。在此基础上,将单圈翻转变形作为基本变形单元,研究了圈次间的不同组合方式对变形分布的影响,提出了可有效提高芯轴拔长变形均匀性的组合变形方法。设计了多圈翻转变形的对比实验方案,得到了不同圈次间翻转方案对应的双圈变形实验结果,验证了本文提出的对称翻转方法能够提高芯轴拔长变形均匀性的模拟分析结论。在研究了芯轴拔长单步下压的金属流动特点后,分析了砧宽比、压下率、翻转角度等工艺参数对整体拔长效率的影响,建立了砧宽比、压下率与拔长效率的对应关系,指出芯轴拔长采用大砧宽比、大压下率、60°翻转是提高拔长效率的工艺条件。针对芯轴拔长过程中最容易出现的壁厚不均或内孔偏心问题,设计了芯轴拔长单圈变形实验以及模拟方案,分别从毛坯的温度分布均匀性以及翻转工艺角度对缺陷成因进行了研究,模拟分析和实验研究一致表明,芯轴拔长过程中坯料产生壁厚不均的原因为翻转下压的周向变形不均以及坯料的温度分布不均。在此基础上,从偏心预防角度提出了有利于消除芯轴拔长的内孔偏心倾向的对称变形圈次间翻转方案,。针对已出现偏心问题的芯轴拔长锻件,设计了偏心矫正的对照实验以及模拟方案,分析了不同下压工艺方案的偏心矫正效果,模拟分析与实验研究表明,采用阶梯压下量下压并配合对称下压方案或顺序翻转方案能够一定程度地实现内孔偏心的矫正。本文关于芯轴拔长变形分析及成形规律与质量控制的研究对大型空心类锻件的实际生产具有重要的指导意义和价值。