第三章自由锻工艺

第三章自由锻工艺 本章内容： 1.自由锻工序及锻件分类 2.自由锻造基本工序分析 3.自由锻工艺规程的制订本章内容重点：自由锻工序难点：锻造基本工序分析自由锻工艺规程的制订

3－1 概述 自由锻的定义及其分类直接利用工具或设备将热坯料进行塑性变形，形成具有一定形状和尺寸锻件的工艺方法。定义手工自由锻分类机器自由锻依靠人力利用简单的工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸获得锻件。手工自由锻依靠专用的自由锻设备和专用的工具对毛坯进行锻打，改变坯料的形状和尺寸，获得所需的锻件。机器自由锻

空气锤的吨位(锤头重量）一般为65--750Kg 空气锤常用自由锻设备蒸汽-空气锤一般吨位为0.5－5t。液（水）压机液(水）压机的吨位较大，（500～15000 t），最大可达 750000kN(75000t )。可以锻造质量为1~300t的锻件。缺点锻件尺寸精度低，加工余量大生产率低，劳动强度大等。自由锻的特点优点　所用工具简单，通用性强，灵活性大，适用单间和小批量生产，特别是大型锻件的生产.

1）空气锤 空气锤的吨位(锤头重量）一般为65--750Kg．空气锤结构较简单；操作方便，维护容易，设备投资少，吨位不大，适用于生产小型锻件。特点

２）蒸汽-空气锤 蒸汽压力0.7～0.8 MPa或压缩空气压力0.6－0.8MPa 来工作。规定的压力有保证，而机构稳定性好，故落下部分的质量可显著增大，锤击功能大为提高，吨位为0.5－5t。蒸汽锤需用一套辅助设备，如蒸汽锅炉或空气压缩机等，较空气锤复杂。适合锻造中型或较大的锻件，是机器制造厂普遍使用的设备．特点

３）水压机 压下速度较慢，冲击较小的静压力作用于坯料使金属变形;工作时震动和噪音小，劳动条件较好；压力作用的时间长，容易达到较大的锻造深度，可获得整个截面为细晶粒组织的锻件；特大型锻件自由锻造的主要设备。需一套供水系统与操纵系统，设备庞大，造价很高。特点

火车轴锻件 吊环类锻件吊钩锻件轮类锻件典型的自由锻锻件

锻件要求 生产实际条件自由锻工艺过程制定的依据、内容及其方式：制订自由锻工艺规程　　　依据设备能力技术水平及其先进性经济性

　　　　 ①根据零件图绘制锻件图；　　　　②确定坯料的材料、质量和尺寸；　　　　 ③制订变形工艺及锻打火次；　　　　　　　 ④设计工步图；　　　　　　　 ⑤选择各成形工步用辅助工具；　　　　 ⑥制订锻件温度范围及加热、冷却规范；　　　　⑦确定锻件热处理规范；　　　　⑧选择设备，安排生产；　　　　 ⑨提出锻件技术要求及检验要求　　　　 ⑩填写工艺规程卡片等。制订自由锻工艺规程内容

自由锻造方式：

一、自由锻工序 主要的变形工序，能够较大的改变坯料形状和尺寸的工序。如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转等。基本工序 3－2 自由锻工序特点及锻件分类自由锻工序分类坯料进入基本工序前的各种预先变形的工序。如钢锭倒棱、预压夹钳把、阶梯轴分段压痕等。辅助工序修整工序用来精整锻件尺寸和形状使其完全达到锻件图要求的工序。如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆、凸起、凹下及不平和有压痕的平整、端面平整、拔长后的弯曲校直和镦斜后的校直等。

基本工序简图

锻件外形横向尺寸大于高度尺寸，或两者相近的锻件．锻件外形横向尺寸大于高度尺寸，或两者相近的锻件．饼块类空心类锻件有中心通孔，一般为圆周等壁厚锻件．二、自由锻件分类按锻件形状　成形方法分为六大类轴杆类沿轴向尺寸远大于径向尺寸的锻件．曲轴类锻件为实心长轴，一般沿轴线有截面积和形状的变化及轴线多向弯曲．弯曲类锻件具有弯曲的轴线，一处弯曲或多处弯曲，截面相等或不相等，对称弯曲和非对称弯曲锻件．复杂形状由上述五类锻件的特征所组成的复杂锻件．

如圆盘、叶轮、齿轮、锤头等，所采用的基本工序为镦粗。随后的辅助工序及修整工序为：倒棱、滚圆、平整。如圆盘、叶轮、齿轮、锤头等，所采用的基本工序为镦粗。随后的辅助工序及修整工序为：倒棱、滚圆、平整。 1）饼块类锻件

2）空心类锻件 如各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、空心轴等，所采用的基本工序为：镦粗、冲孔、扩孔、或芯轴拔长等。随后的辅助工序及修整工序为：倒棱、滚圆、校直等。

3）轴杆类锻件：如传动轴、车轴、轧辊、立柱、拉杆、连杆等，锻造轴杆类锻件的基本工序为拔长，或镦粗-拔长，辅助工序及修整工序为：倒棱、滚圆。3）轴杆类锻件：如传动轴、车轴、轧辊、立柱、拉杆、连杆等，锻造轴杆类锻件的基本工序为拔长，或镦粗-拔长，辅助工序及修整工序为：倒棱、滚圆。

4）曲轴类锻件：如各种形式的曲轴，锻造曲轴类锻件的基本工序为拔长、错移和扭转，辅助工序及修整工序为：分段压痕、局部倒棱、滚圆、校直。

5）弯曲类锻件：如吊勾、支座等。锻造此类锻件的基本工序为拔长、弯曲，辅助工序及修整工序为：分段压痕和滚圆、平整。5）弯曲类锻件：如吊勾、支座等。锻造此类锻件的基本工序为拔长、弯曲，辅助工序及修整工序为：分段压痕和滚圆、平整。

6）复杂形状锻件：如阀体、叉杆、吊环体、十字轴等，根据上述的锻件工序进行组合，锻造是应合理的选择锻造工序。 3－3 自由锻基本工序镦粗拔长冲孔扩孔弯曲错移基本工序等六种工序。

一、镦粗 1）定义：使坯料高度减小而横截面增大的成形工序。 2）镦粗的目的：改变坯料截面积；便于冲孔操作；提高锻造比的反复镦粗与拔长；减小力学性能的各向异性。

3）分类：平砧镦粗；垫环镦粗；局部镦粗三大类。3）分类：平砧镦粗；垫环镦粗；局部镦粗三大类。平砧镦粗垫环镦粗局部镦粗

（一）平砧镦粗 1.平砧镦粗与镦粗比平砧镦粗坯料在上下平砧或平板之间的压制变形称为平砧镦粗。镦粗比（K） K=坯料镦粗前高度Ho/坯料镦粗后的高度H 即 K＝Ho/H 2.变形分析 1）镦粗试验：对称面网格法的镦粗试验，观察镦粗后网格的变化情况。坯料子午面网格变化

变形及其应力分析 2）变形分析对称面可分为三个变形区 Ⅰ区：难变形区，该变形区受端面摩擦影响，变形十分困难。 II区：大变形区，该变形区处于坯料中段，受摩擦影响较小，应力状态有利于变形，因此变形程度较大。 III区：小变形区，该区域变形程度介于区域I和区域II之间。

3.高径比对镦粗变形的影响 H/D≥3.0，镦粗坯料容易失稳，发生弯曲。 H/D=2.5～1.5，形成双鼓形。 H/D ＝1.5～0.5，形成单鼓形。 H/D<0.5 , 上下难变形区重合，难以锻造。高径比(H/D)对镦粗变形的影响合适的锻造的高径比应小于2.5，在2～2.2范围内最好。双鼓形失稳弯曲双鼓形单鼓形难以锻造

不同高径比坯料鼓形体积变化

4.减小鼓形的措施 内部变形不均匀，形成三个变形区锻件组织和性能不均匀镦粗的鼓形导致增加锻件的开裂倾向反复的镦粗和滚圆侧凹坯料镦粗镦粗减小鼓形工艺措施软金属垫环镦粗叠料镦粗套环内镦粗

侧凹坯料镦粗 软金属垫环镦粗

叠料镦粗 套环内镦粗

（二）垫环镦粗 坯料在单个垫环或两个垫环进行的镦粗。两个垫环镦粗单个垫环镦粗

（三）局部镦粗 坯料只在局部长度进行的镦粗。局部镦粗

1）定义：使坯料横截面减小而长度增加的成形工序。1）定义：使坯料横截面减小而长度增加的成形工序。 2）目的：减小坯料的截面积；其它工序局部辅助变形；提高锻造比反复拔长。 3）分类：二、拔长矩形截面的拔长圆截面拔长空心坯料的拔长根据坯料截面三大类平砧拔长型砧拔长根据砧形状二大类

一、拔长的主要类型 1.平砧间拔长在水平的砧座和锤头之间的拔长。（1）方截面方截面（2）圆截面圆截面（3）圆截面方截面

2.型砧间拔长 拔长在一定形状的砧之间的进行。型砧拔长主要应用于塑性较差的材料。圆弧型砧上平下V型砧上下V型砧 3.空心件拔长

1.拔长时锻造比 拔长的变形程度可用变形前（F0/㎜2）后（F/㎜2）横截面之比：锻造比（又称锻比）K来表示，即二、拔长变形分析锻造比不能过小，过小不利于锻和坯料内部的空隙，不易击碎铸态树枝晶，使锻件达不到性能要求。锻造比过大，增加锻造工作量，使锻件形成纤维组织，锻件的各向异性增加。

2.拔长时变形特点 1）平砧间拔长特点（1）拔长效率拔长前： h0、l0、b0；拔长后： h、l、b 拔长参数示意图

压下量：△h＝h0－h； 展宽量：△b＝b－b0；拔长量：△l＝l－l0；相对送进量：l0/h0 拔长效率与送进量有关l0有关。当l0＝b0时， △l≈△b，轴向横向位移相等。当l0＞b0时， △l＜△b，横向流动增加，宽度增加。当l0＜b0时， △l＞△b，轴向流动增加，展宽量小。因此，采用小变形量可以提高拔长效率。送进量太大，展宽量大，拔长效率低，送进量太小，压下次数多，效率低。

（2）拔长时变形与应力 拔长的每一次操作变形与镦粗相似。当 li/hi＜0.5，拔长变形区出现双鼓形，中心锻不透，变形出现在上下表层，中心出现拉应力（图a）。当li/hi＞1，出现单鼓形，心部变形大，能锻透，展宽量大，降低拔长效率，鼓形表面易产生拉应力。合适的l/h＝0.5～0.8，或l＝0.5B 相对压下量对拔长变形的影响

2）型砧内拔长 型砧内拔长，解决了圆形坯料在平砧间拔长轴向缩小、横向展宽大而采用的一种拔长方法。型砧内拔长由于受到侧向压力，减少坯料的横向流动，增加轴向流动，增加拔长效率。

型砧拔长对拔长效率。锻透深度合金属塑性的影响型砧拔长对拔长效率。锻透深度合金属塑性的影响

（1）定义：减小空心坯料外径（壁厚）增加其长度的锻造工艺。（1）定义：减小空心坯料外径（壁厚）增加其长度的锻造工艺。（2）变形特点：变形区分为直接受力A区和间接受力区B区。变形时A区金属轴向流动，借助与外端的作用力拉着B区一起伸长，实现拔长。 A区金属沿切向流动时受B区金属的限制，B区对A区金属切向流动限制愈强烈，愈有利于拔长。 3）空心件拔长的特点芯轴拔长受力与变形流动情况

（3）芯轴拔长时易出现问题 内孔裂纹:裂纹产生是由于坯料内壁产生切向拉应力超过材料强度而形成。压靠时由于芯轴与坯料存在一定间隙，内壁金属受到弯曲作用使内孔受到切向拉应力或由于压下量过大，温度低，塑性差造成，采用V型砧和捶击均匀、避免在一处捶击可减少裂纹。壁厚不均匀：坯料加热不均匀或受力不均匀造成壁厚不均匀。抽芯困难：拔长时用直芯拔长，没有润滑等造成抽芯困难。采用带锥度芯棒及采用石墨润滑和按照一定顺序拔长，有利于抽芯。（三）坯料拔长时易产生的缺陷和防止措施 1.表面横向裂纹与角裂

侧表面裂纹产生原因与预防：送进量和压下量过大，轴心部分变形大，侧表面沿轴向受拉应力造成。适当控制压下量可避免。侧表面裂纹产生原因与预防：送进量和压下量过大，轴心部分变形大，侧表面沿轴向受拉应力造成。适当控制压下量可避免。横表面裂纹形成原因与预防：轴心区变形过大，使上下表层金属沿轴向受附加拉应力造成，对于塑性较差材料和砧面摩擦系数过大时易形成。改善润滑条件、加大锤砧转角处的圆角可避免。角裂纹产生原因与预防：矩形坯料拔长，当送进量过大，心部金属变形过大，拉着表面金属轴向伸长，前后不变形部分的存在使沿轴向产生附加拉应力，再加上边角部分冷速较快，塑性降低易产生裂纹。操作上勤倒角，通过倒角变形。消除附加应力。

2.表面折叠 横向折叠纵向折叠表面折叠

横向折叠产生原因：送进量过小，压下量很大，上下两端金属局部变形引起的。通过增加送进量，使两次送进量与单边压缩量之比大于1～1.5（2l0/△h＞1~1.5）横向折叠产生原因：送进量过小，压下量很大，上下两端金属局部变形引起的。通过增加送进量，使两次送进量与单边压缩量之比大于1～1.5（2l0/△h＞1~1.5）纵向折叠产生原因：拔长时压缩量过大，90°反转再压时，高径比过大造成弯曲形成折叠。每一次压缩后锻件宽度与高度之比小于2～2.5可避免。表面折叠产生原因：纠正坯料棱形截面时过分压下，造成斜度增加，90°反转再压时，变形部分高径比过大造成折叠，合理的操作及增加锻件底面平整度可避免。

产生原因与防止：拔长大锭料时，进给量大，相对送进量小，拔长区出现双鼓形，中间锻不透，心部沿轴向出现附加拉应力，引发裂纹。正确地选择送进量、适当的操作和利用合适工具可避免。产生原因与防止：拔长大锭料时，进给量大，相对送进量小，拔长区出现双鼓形，中间锻不透，心部沿轴向出现附加拉应力，引发裂纹。正确地选择送进量、适当的操作和利用合适工具可避免。 3.内部横向裂纹 4.内部纵向裂纹产生原因与防止：拔长送进量很大，压下量较小，金属沿轴向流行小，横向流动大而引起。合理选择送进量，使轴向流动量大于横向流动量或采用型砧可避免。

5.对角线裂纹产生原因与防止： 当送进量较大，并且在同一部位连续翻转重击时产生。控制锻造温度和送进量可避免。 6.端面缩口坯料端面缩口

产生原因与防止：拔长时首次送进量太小，表面金属变形，中心部位金属未变形或变形较小引起。防止这种表面缺陷的方法为保证足够的被压缩长度和较大的压缩量，矩形截面坯料，B/H＞1.5时，A＞0.4B，当B/H＜1.5时，A＞0.5B，圆形截面：A＞0.3D。端部拔长时坯料长度

7.端部孔壁裂纹 孔壁裂纹产生原因与防止：受芯棒表面摩擦影响和内表面温度低原因，空心件外表面金属比内表面流动快，形成喇叭口，拔长时，端部金属内变形困难，在空心件变形的表面产生切向应力，产生裂纹。防止措施：采用型砧拔长，先拔长两端，芯轴预热（150～250℃）。

（四）拔长操作 拔长操作坯料在拔长时的送进和翻转方法主要有三种：螺旋式旋转送料法；往复翻转送料法；单面压缩法。

（五）压痕和压肩 轴类锻造时为了锻出台阶和凹挡，应先利用三角压棍或圆形棍压痕，切出所需要的长度，进行分段拔长，形成平齐的过渡面。H小于20mm，压痕即可，H大于20mm，先压痕后压肩，压肩深度h＝1/2～2/3H。

第三章 自由锻工艺