第4章 自由锻造工艺,4.1 概述 4.2 自由锻工序及自由锻件分类 4.3 自由锻基本工序分析 4.4 自由锻工艺规程的制订 4.5 大型锻件自由锻造工艺特点 4.6 胎模锻,4.1 概述,自由锻是利用简单的通用性工具，或在锻压设备的上下砧块之间使被加热的金属产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸和性能的锻件的一种加工方法。 根据锻造设备的类型及作用力性质的不同，自由锻可分为手工自由锻和机器自由锻。,4.2 自由锻工序及自由锻件分类,4.2.1 自由锻工序组成 4.2.2 自由锻件分类,4.2.1 自由锻工序组成,(1)基本工序 较大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是锻件变形与变性的核心工序，也是自由锻的主要变形工序，如镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转等。 (2)辅助工序 为了配合完成基本变形工序而做的工序。 (3)修整工序 当锻件在基本工序完成后，需要对其形状和尺寸作进一步精整，使其达所要求的形状和尺寸的工序。,表4-1 自由锻工序简图,4.2.2 自由锻件分类,1.实心圆柱体轴杆类锻件 2.实心矩形断面类锻件 3.盘饼类锻件 4.曲轴类锻件 5.空心类锻件 6.弯曲类锻件 7.复杂形状类锻件,表4-2 自由锻件分类,表4-2 自由锻件分类,图4-1 传动轴的锻造过程,图4-2 摇杆传动轴 的锻造过程,图4-3 盘饼类锻件的锻造过程 a)齿轮的锻造过程 b)锤头的锻造过程,图4-4 三拐曲轴的锻造过程,图4-5 195型单拐曲轴的全纤维锻造过程,图4-6 空心类锻件的锻造过程 a)圆环的锻造过程 b)圆筒的锻造过程,图4-7 弯曲类锻件的锻造过程 a) 20t吊钩的锻造过程 b)卡瓦的锻造过程,4.3 自由锻基本工序分析,4.3.1 镦粗 4.3.2 拔长 4.3.3 冲孔 4.3.4 扩孔 4.3.5 弯曲 4.3.6 错移,4.3.1 镦粗,使坯料高度减小而横截面增大的成形工序称为镦粗。 镦粗的目的在于： 1)由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小的坯料或锻件。 2)增大冲孔前坯料的横截面积以便于冲孔、平整端面。 3)反复镦粗、拔长，可提高下一步坯料拔长的锻造比。 4)反复镦粗和拔长可使合金钢中碳化物破碎，达到均匀分布。 5)提高锻件的力学性能和减小力学性能的异向性。,按镦粗方式分类： 1.平砧镦粗 2.垫环镦粗 3.局部镦粗,1.平砧镦粗,(1)平砧镦粗与镦粗比 坯料完全在上下平砧间或镦粗平板间进行的压制称为平砧镦粗。 (2)平砧间镦粗的变形分析 圆柱坯料在平砧间镦粗，随着压下量(轴向)的增加，径向尺寸不断增大。 (3)减小镦粗时产生鼓肚和裂纹的措施 (4)镦粗与高径比的关系 (5)镦粗时应注意的事项,图4-8 平砧镦粗,图4-9 平砧镦粗时变形分布与应力状态,图4-10 侧凹坯料镦粗时的受力情况,图4-11 铆镦与端面辗压,图4-12 软金属垫镦粗,图4-13 铆镦,图4-14 叠料镦粗过程,图4-15 套环内镦粗,图4-16 不同高径比坯料镦粗时,图4-17 不同高径比坯料镦粗过,2.垫环镦粗,图4-18 垫环镦粗,3.局部镦粗,图4-19 局部镦粗,图4-20 头大杆细类锻件的局部镦粗,4.3.2 拔长,1.拔长类型 2.拔长变形过程分析 3.坯料拔长时易产生的缺陷与防止措施 4.拔长操作方法 5.压痕与压肩,1.拔长类型,(1)平砧拔长 平砧拔长是生产中用得最多的一种拔长方法。 (2)型砧拔长 型砧拔长是指将坯料放在V型砧或圆弧型砧中进行的拔长。 (3)芯轴拔长 芯轴拔长也称空心件拔长，空心件通常为管件，这类坯料拔长时，在孔中穿一根芯轴。,图4-21 方截面坯料拔长,图4-22 圆截面坯料拔长,图4-23 平砧拔长圆截面坯料时的截面变化过程,图4-24 在型砧中拔长 a)圆弧型砧 b)上平砧下V型砧 c)上下V型砧,图4-25 芯轴拔长 1上砧 2V型砧 3芯轴 4坯,2.拔长变形过程分析,(1)拔长时的变形参数 拔长是在长坯料上局部进行压缩(图4-26)，属于局部加载、局部受力、局部变形的情况。 (2)拔长时的变形分析 下面分别对不同形状的坯料在平砧间拔长、型砧内拔长和芯轴上拔长时的变形进行分析。,图4-26 拔长变形前后尺寸关系,图4-27 轴向与横向变形程度随相对送,图4-28 拔长时坯料截面的变化 a)拔长时坯料纵向剖面的网格变化 b) 拔长时坯料横向剖面的网格变化,图4-29 送进量对变形 和应力的影响 a)/1 1轴向应力 2轴向变形,图4-30 拔长时压下量对变形分布的影响 相对压下量,图4-31 拔长型砧形状及其对变形区分布的影响 a)上下V型砧 b)上平下V型砧 c)上下平砧 难变形区 大变形区 小变形区,表4-3 常用的型砧形状对拔长效率、变形程度和金属塑性等的影响,表4-3 常用的型砧形状对拔长效率、变形程度和金属塑性等的影响,图4-32 芯轴拔长时金属 的变形流动情况,图4-33 芯轴拔长时内壁 金属的受力情况,图4-34 芯轴拔长,3.坯料拔长时易产生的缺陷与防止措施,(1)表面横向裂纹与角部裂纹 在平砧上拔长低弹塑性材料和锭料时，在坯料外部常常引起表面横向裂纹和角部裂纹，如图4-35所示，其开裂部位主要是受拉应力作用，而造成这种拉应力的原因是压缩量过大和送进量过大(出现单鼓形)。 (2)表面折叠 表面折叠分为横向折叠与纵向折叠。 (3)内部纵向裂纹 内部纵向裂纹也称为中心开裂。 (4)内部横向裂纹 图4-40所示为拔长时锻件内部产生的横向裂纹，主要是由于相对压下量太小(l0h00.5)、拔长变形区出现双鼓形，而中心部位受到轴向拉应力的作用,如图4-29a所示,从而产生中心横向裂纹。,(5)对角线裂纹 在拔长高合金工具钢时，当送进量较大，并且在坯料同一部位反复重击时，常易产生对角线裂纹。 (6)端面缩口 端面缩口也叫“端面窝心”，它属于表面缺陷。 (7)孔壁端部裂纹 孔壁端部裂纹指在芯轴上拔长时，由于受到芯轴表面的摩擦影响，以及内表面由于与芯轴接触温度比外表面低，变形抗力较大，使空心件外表面金属比内表面流动快而造成的裂纹。,图4-35 表面裂纹与角部裂纹,图4-36 拔长横向折叠形成过程示意图(h2时),图4-37 纵向折叠形成过程示意图,图4-38 截面校正时折叠形成过程示意图,图4-39 拔长时内部纵向裂纹与坯料受力情况 a)锻件内部裂纹 b)方截面坯料倒角 c)圆截面坯料压扁,图4-40 拔长时锻件 的内部横向裂纹,图4-41 对角线裂纹与坯料变形情况,图4-42 拔长和侧面修直时坯料端面缩口 a)拔长 b)侧面修直后镦粗,图4-43 端部拔长时的坯料长度,图4-44 芯轴拔长时端部金属受力情况,4.拔长操作方法,(1)螺旋式翻转送进法 每压下一次，坯料翻转90，每次翻转为同一个方向，连续翻转，如图4-45a所示。 (2)往复翻转送进法 每次往复翻转90，如图4-45b所示。 (3)单面压缩法 即沿整个坯料长度方向压缩一面后，翻转90再压缩另一面，如图4-45c所示。,图4-45 拔长操作方法,图4-46 拔长送进位置,图4-47 分段拔长时压痕与压肩,4.3.3 冲孔,1.实心冲头冲孔 2.空心冲头冲孔 3.垫环上冲孔,1.实心冲头冲孔,(1)实心冲头冲孔时坯料变形特点 由于实心冲头冲孔时，坯料处于局部加载，整体受力和整体发生变形的状态。 (2)冲孔坯料尺寸计算 (3)冲孔时易产生的缺陷及防止措施 冲孔时如果操作不当、坯料尺寸不合适、坯料温度不均匀等，可能会使锻件形状“走样”，产生孔冲偏、斜孔、裂纹等缺陷。,图4-48 实心冲头冲孔 1坯料 2冲垫 3冲子 4芯料,图4-49 冲孔时的应力应变简图,图4-50 冲孔时坯料形状变化的情况,图4-51 冲孔缺陷示意图,图4-52 空心冲头冲孔,图4-53 在垫环上冲孔,4.3.4 扩孔,1.冲子扩孔 2.芯轴扩孔 3.辗压扩孔,图4-54 冲子扩孔,1.冲子扩孔,表4-4 冲子扩孔每次允许的扩孔量,2.芯轴扩孔,(1)预冲孔直径d0 (2)坯料外径D0 (3)坯料高度H0 因扩孔后坯料高度略有增加，则坯料高度H0应比锻件高度略小。,图4-55 芯轴扩孔 1扩孔型砧 2锻件 3芯轴(杠) 4支架(架),图4-56 展宽量系数K的选择图,表4-5 锤上芯轴扩孔用最小芯轴直径,图4-57 辗压扩孔工作原理图 1环形坯料 2芯辊 3辗压辊 4导向辊 5信号辊,3.辗压扩孔,1)锻件精度比其他自由锻方法高，金属流线分布均匀，零件的使用寿命较长。 2)材料利用率比其他自由锻方法可提高10%20%，切削加工时间可减少15%25%。 3)劳动条件好。,图4-58 弯曲坯料截面变化情况,4.3.5 弯曲,将坯料弯曲成规定外形的锻造工序称为弯曲，这种方法可用于锻造各种弯曲类锻件，如起重吊钩、弯曲轴杆等。,4.3.6 错移,1)在一个平面内错移，如图4-59a所示。 2)在两个平面内错移，如图4-59b所示。,图4-59 错移 a)在一个平面内错移 b)在两个平面内错移,4.4 自由锻工艺规程的制订,4.4.1 锻件图的制订与绘制 4.4.2 坯料质量和尺寸的确定 4.4.3 制订变形工艺和确定锻造比 4.4.4 选择锻造设备 4.4.5 制订自由锻工艺规程举例,4.4.1 锻件图的制订与绘制,1.加工余量 2.锻造公差 3.锻造余块 4.检验试样及工艺夹头 5.绘制锻件图,图4-60 锻件的各种尺寸、 余量和公差的关系,图4-61 锻件的各种余块,4.4.2 坯料质量和尺寸的确定,1.坯料质量的计算 2.坯料尺寸的确定 3.钢锭规格的选择 1)首先确定钢锭的各种损耗，求出钢锭的利用率为 2)根据锻件类型，参照经验资料先定出概略的钢锭利用率，然后求得钢锭的计算质量G锭G锻，再从有关钢锭规格表中，选取所需的钢锭规格。,表4-6 不同加热炉中加热钢的一次火耗率,4.4.3 制订变形工艺和确定锻造比,1.制订变形工艺 2.确定锻造比,1.制订变形工艺,1) 坯料各工序的变形尺寸必须符合变形工艺规则。 2)必须保持锻件各部分有足够的体积，锻件最后需要精整时，应留有充足的修整量。 3)在多火次锻打较大锻件时，应考虑中间各火次加热的可能性。 4)有些长轴类锻件的轴向尺寸要求精确，且因锻件太长不能镦粗(例如曲轴等)，必须预计到锻件在精修时轴向会略有伸长。,图4-62 锤上锻造空心锻件的,图4-63 水压机锻造空心锻件,4.4.4 选择锻造设备,表4-7 锻造工序锻造比和变形过程总锻造比的计算方法,表4-8 典型锻件的锻造比,1.理论计算法,(1)在水压机上锻造 (2)在锻锤上锻造 在锻锤上自由锻时，由于其打击力是不定的，所以应根据锻件成形所需变形功来计算设备的打击能量或吨位。,2.经验类比法,(1)镦粗时 (2)拔长时,表4-10 自由锻锤锻造能力,4.4.5 制订自由锻工艺规程举例,1.设计、绘制锻件图 2.确定变形工序及中间坯料尺寸 3.计算原坯料尺寸 4.选择设备吨位 5.确定锻造温度范围 6.填写工艺卡片(略),图4-64 齿轮零件图,图4-65 齿轮锻件图,图4-66 齿轮锻造工艺过程,4.5 大型锻件自由锻造工艺特点,大型锻件生产的主要特点如下： (1)质量要求严格 由于大型锻件多数是机器中的关键件和重要件，一般工作条件特殊，承受载荷大，所以要求其质量必须可靠，性能必须优良，才能确保运行安全。 (2)工艺过程复杂 大型锻件的生产过程包括冶炼、铸锭、加热、锻造、粗加工、热处理等。 (3)生产费用高 大型锻件的原材料、能源、劳动力及工具消耗大，生产周期长，占用大型设备多，因而生产成本高。,4.5.1 钢锭冶金质量的提高 4.5.2 大型钢锭加热的特点 4.5.3 锻造对钢锭组织和性能的影响 4.5.4 大型锻件的变形工艺 4.5.5 大型锻件锻造工艺实例,4.5.1 钢锭冶金质量的提高,1)提高炼钢用炉料、辅料