第三章 自由锻造的基本工序3.1 自由锻造的基本特征3.1.1.自由锻造的技术特征按自由锻件的外形及其成形方法，可将自由锻件分为六类：饼块类、空心类、轴杆类、曲轴类、弯曲类和复杂形状类锻件。自由锻应用设备和工具有很大的通用性，且工具简单，所以只能锻造形状简单的锻件，操作强度大，生产率低；自由锻可以锻出质量从不到 1kg 到 20000t 的锻件。对大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，因此自由锻在重型机械制造中有特别重要的意义；自由锻依靠操作者控制其形状和尺寸，锻件精度低，表面质量差，金属消耗也较多。所以，自由锻主要用于品种多，产量不大的单件小批量生产，也可用于模锻前的制坯工序。自由锻造加工与其他加工方法相比，具有以下特点： (1) 改善金属的组织、提高力学性能。金属材料经锻造加工后，其组织、性能都得到改善和提高，锻压加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织，从而提高金属的力学性能。在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能。 (2) 材料的利用率高。金属塑性成形主要是靠金属的形体组织相对位置重新排列，而不需要切除金属。 (3) 较高的生产率。锻造加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的。例如，利用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约 400 倍以上。 (4) 锻压所用的金属材料应具有良好的塑性，以便在外力作用下，能产生塑性变形而不破裂。常用的金属材料中，铸铁属脆性材料，塑性差，不能用于锻造。钢和非铁金属中的铜、铝及其合金等可以在冷态或热态下压力加工。 (5) 不适合成形形状较复杂的零件。锻造加工是在固态下成形的，与铸造相比，金属的流动受到限制，一般需要采取加热等工艺措施才能实现。对制造形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件或毛坯较困难。由于锻压具有上述特点，因此承受冲击或交变应力的重要零件(如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等 ) ，都应采用锻件毛坯加工。所以锻造加工在机械制造、军工、航空、轻工、家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占 85%；汽车，拖拉机上的锻件质量分数约占 60%80%。3.1.2.自由锻造材料及加热特征锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金属；既有经过一次加工成不同尺寸的棒材和型材，又有多种规格的锭料；除了大量采用适合我国资源的国产材料外，又有来自国外的材料。所锻材料大多数是已列入国家标准的，也有不少是研制、试用及推广的新材料。众所周知，产品的质量往往与原材料的质量密切相关，因此对锻造工作者来说，必需具有必备的材料知识，要善于根据工艺要求选择最合适的材料。加热的目的是为了降低锻造变形力和提高金属塑性。但加热也带来一系列问题，如氧化、脱碳、过热及过烧等。准确控制始锻及终锻温度，对产品组织与性能有极大影响。根据热源不同，在锻压生产中金属的加热方法可分为两大类：（一）火焰加热火焰加热是利用燃料（煤、油、煤气等）燃烧所产生的热能直接加热金属的方法。由于燃料来源方便，炉子修造较容易，费用较低，加热的适应性强等原因，所以应用较为普遍。缺点是劳动条件差，加热速度较慢，加热质量较难控制等。（二）电加热它是利用电能转换为热能来加热金属的方法。与火焰炉加热相比，它具有很多优点；升温快（如感应加热和接触加热） ，炉温易于控制（如电阻炉） ，氧化和脱碳少，劳动条件好，便于实现机械化和自动化。缺点是对毛坯尺寸形状变化的适应性不够强，设备结构复杂，投资费用较大。3.1.3.自由锻造的锻后冷却特征锻件的冷却是指锻件从终锻温度出模冷却到室温，它是锻造生产中的重要环节之一。如果冷却方法选择不当，有可能将其粗大的锻造组织遗传给其后的热处理组织或影响以后的热处理组织，也可能由于应力过大造成裂纹或产生白点影响产品质量，甚至使锻件报废。因此，选择冷却方法，制订冷却规范对于防止锻件缺陷是非常重要。坯料在加热过程中会产生内应力，同样，锻件在冷却过程中也会引起内应力。由于锻件冷却后期温度较低而呈弹性状态，因此冷却内应力的危险性比加热内应力更大。内应力有温度应力、组织应力和锻造变形不均匀引起的残余应力。钢中非平衡组织具有遗传性已被人们认识。所谓钢的组织遗传性是指原始的非平衡组织（马氏体，贝氏体和魏氏组织等）在一定的加热条件下，所形成的奥氏体晶粒继承和恢复原始粗大晶粒的现象。例如渗碳钢 20CrMnTi 锻件，当锻后空冷至室温得到由铁素体、珠光体、魏氏组织及贝氏体等所组成的混合组织时，加热到 930渗碳后降温至 850淬火仍出现大奥氏体晶粒，呈明显的组织遗传性，但若锻后在特别的冷却箱里冷却，得到铁素体和珠光体的混合组织，经渗碳淬火后，组织明显细化，不再出现组织遗传性。所以终端后采用控制冷却，获得接近平衡的组织，是防止组织遗传性的有效办法。按照冷却速度的不同，锻件的冷却方法主要有：在空气中冷却；在灰箱或砂箱中冷却，冷却；在保温坑中冷却；在炉内冷却。3.2 自由锻的基本工序3.2.1.概述任何一个锻件的成形过程，都是由一系列变形工步所组成的。自由锻工序一般可分为：基本工序、辅助工序和修整工序三类。（1）基本工序 指能够较大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，也是自由锻造过程中主要变形工序。如镦粗、拔长、芯棒拔长、冲孔、扩孔、马架扩孔、弯曲、剁切等工步。（2）辅助工序 指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如钢锭倒棱、压钳把、阶梯轴分段压痕等工步。（3）修整工序 指用来精整锻件尺寸和形状使其完全达到锻件图纸要求的工序。一般是在某一基本工步完成后进行。如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆、端面平整、弯曲较直等工步。任何一个自由锻锻件的成形过程中，上述三类工序中的各工步可以单独使用或穿插组合使用。自由锻件在基本工序的变形中，均属敞开式、局部变形或局部连续变形。了解和掌握自由锻基本工序的各个工步中的金属流动规律和变形分布，对合理制订锻件自由锻工艺规程，准确分析质量是非常重要的。3.2.2.镦粗使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫做镦粗。在坯料上某一部分进行的镦粗叫做局部镦粗。镦粗用于：由横断面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件；冲孔前增大毛坯横断面积和平整毛坯端面；提高下一步拔长时的锻造比；提高锻件的力学性能和减少力学性能的异向性；反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。镦粗和局部镦粗的主要方法和用途见表 3-1表 3-1 镦粗的方法和用途序号 名称 简图 用途1 平砧间镦粗 用于镦粗棒料和切去冒口，底部后的锭料2 在带孔的垫环 间镦粗用于锻造带凸座的齿轮，突缘等锻件。当锻件直径较大，凸座直径很小，而且所用的毛坯直径比凸座的直径要大得多时采用3 在漏盘或模子 内局部镦粗用于锻造带凸座的齿轮和长杆类锻件的头部和凸缘等。这时凸座的直径和高度都较大（一） 平砧镦粗坯料完全在上下平砧间或镦粗板间进行的镦粗称为平砧镦粗。通过采用对称面网格法可以观察到坯料在平砧镦粗后其内部变形的情况（图 3-1）从对试件变形前后网格的测量和计算可以看出镦粗时坯料内部的变形是不均匀的。图 3-1 平砧镦粗是变形分布与应力状态难变形区；大变形区；小变形区； b高度变形程度；r径向变形程度在常温下镦粗时产生这种变形不均匀的原因主要是工具与毛坯端面之间摩擦的影响。在平砧热镦粗毛坯时，产生变形不均的原因除工具与毛坯接触面的摩擦影响外，温度不均也是一个很重要的因素。与工具接触的上、下端金属由于温度降低快，变形抗力大，故较中间处的金属变形困难。按变形程度大小大致可分为三个区；第区域难变形区，受端面摩擦影响，变形十分困难；第区域大变形区，坯料中段，受摩擦影响小，应力状态有利于变形；第区域小变形区，变形程度介于区域和区域之间。由于以上原因，使第区金属的变形程度小和温度低，故镦粗钢锭时此区铸态组织变形不易破碎和再结晶，结果，仍保留粗大的铸态组织。而中间部分（即第区域）由于变形程度大和温度高，铸态组织被破碎和再结晶，形成细小晶粒的锻态组织，而且锭料中部的原有孔隙也被焊合了。由于第金属变形程度大，第区变形程度小，于是第区金属向外流动时便对第区金属作用有径向压应力，并使其在切向受拉应力。愈靠近坯料表面切向拉应力愈大。当切向拉应力超过材料当时的强度极限或切向变形超过材料允许的变形程度时，便引起纵向裂纹。低塑性材料由于抗剪切的能力弱，常在侧表面产生 45方向的裂纹。对不同高度高径比尺寸的坯料进行镦粗时，产生鼓形特征和内部变形分布均不相同：短毛坯（H/D0.5）镦粗时，按变形程度大小也可分为三区，但由于相对高度较小，内部各处的变形条件相差不太大，内部变形较一般毛坯（H/D=0.82.0）镦粗时均匀些，鼓形度也较小。这时，与工具接触的上、下端金属也有一定程度的变形，并相对于工具表面向外滑动。而一般毛坯镦粗初期端面尺寸的增大主要是靠侧表面的金属翻上去的。镦粗较高的毛坯（H/D3）时，常常先要产生双鼓形（图 3-2 ） ，上部和下部变形大、中部变形小。在锤上、水压机上或热模锻压力机上镦粗时均可能产生双鼓形，而在锤上镦粗时双鼓形更容易产生。毛坯更高（H/D3）时镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更容易产生弯曲。弯曲了的毛坯如不及时校正儿继续镦粗则要产生折迭。为了减小镦粗时的鼓形，提高变形均匀性，在锻造生产中可以采 取以下工艺措施： （1）侧凹坯料镦粗 侧凹坯料镦粗时在侧凹面上产生径向压应力分量，可以明显改善镦粗时的变形效果，避免侧表面纵向开裂，减小鼓形使坯料变形均匀。 （图 3-3） 图 3-3 侧凹坯料镦粗变形过程（2）软金属垫镦粗 坯料置于两软金属垫之间进行镦粗，以减小端面摩擦的影响，从而减小镦粗时的难变形区，使坯料变形均匀。（3）降低设备工作速度 当设备的工作速度降至 0.01mm/s 以下时，适当润滑，鼓形现象几乎不发生。 （在实际生产中很少采用）（4）叠料镦粗 主要用于扁平的圆盘类锻件（图 3-4） 。图 3-4 叠料镦粗变形过程（5）反复镦粗与侧面俢直 在镦粗坯料产生鼓形时，可以通过圆周侧压将鼓形俢直。再继续镦粗。 （圆料镦粗常用工艺措施）镦粗的一般规则、操作方法及注意事项如下： 被镦粗坯料的高度与直径（或边长）之比应小于2.53，否则会镦弯（图 3-5a） 。工件镦弯后应将其放平，轻轻锤击矫正（图 3-5b） 。局部镦粗时，镦粗部分坯料的高度与直径之比也应小于 2.53。 镦粗的始锻温度采用坯料允许的最高始锻温度，并应烧透。坯料的加热要均匀，否则镦粗时工件变形不均匀，对某些材料还可能锻裂。 镦粗的两端面要平整且与轴线垂直，否则可能会产生镦歪现象。矫正镦歪的方法是将坯料斜立，轻打镦歪的斜角，然后放正，继续锻打（图 3-6） 。如果锤头或抵铁的工作面因磨损而变得不平直时，则锻打时要不断将坯料旋转，以便获得均匀的变形而不致镦歪。 锤击应力量足够，否则就可能产生细腰形， （图 3-7a） 。若不及时纠正，继续锻打下去，则可能产生夹层，使工件报废， （图 3-7b） 。(a) (b) (c) (a) (b)图 3-6 镦歪的产生和矫正 图 3-7 细腰形及夹层的产生a)细腰形 b)夹层（二）垫环镦粗坯料在单个垫环上或两个垫环之间进行的镦粗称为垫环镦粗（图 3-8） 。这种镦粗方法可以锻造带有单边或双边凸肩的饼块锻件。由于锻件凸肩和高度比较小，采用的坯料直径要大于环孔直径，因此，垫环镦粗变形实质属于镦挤（图