第四章自由锻工序

●特点：
1）工具简单、通用性强、灵活性大，适合单 件和小批量锻件，大型锻件生产。 2）工具与毛坯部分接触，逐渐变形，所需 设备功率比模锻小得多，可锻造大型锻件，也可 锻造多种多样、变形程度相差很大的锻件。 3）靠人工操作控制锻件的形状和尺寸，精 度差，效率低，劳动强度大。
自由锻主要工序：镦粗、拔长、冲孔、扩孔
变形流动特点及影响拔长质量的工艺因素
矩形截面拔长时内部的变形情况与镦粗相似，但又受两端未变形部 分（外端、刚端）的牵制。拔长时的锻透程度，内外部裂纹及锻件成形 质量，均与拔长时的变形分布和应力状态直接有关，并取决于送进量 、压下量、砧子形状、拔长操作等因素。
1）送进量的影响
当送进量较大（L>0.5h）时，轴心部分变形大，处于三向压应力状 态，有利于焊合坯料内部的孔隙、疏松，而侧表面（切向）受拉应力。 当送进量过大（L>h）和压下量也很大时，此处可能因展宽过多而产生 较大的拉应力引起开裂。 同时，由于轴心区金属的变形显著，受刚端及工具摩擦的影响，外 层金属是被拉着伸长的。与外端相接近的部分受拉应力最大，变形也越 大，因而容易在此处产生表面横向裂纹。 同时，在边角部分，由于冷却较快，塑性降低，更易开裂。高合金 钢和某些耐热合金拔长时，常易产生角裂，操作时需注意经常倒角。
控制高径比：圆钢H/D不超过2.5~3，方形或矩形截面毛坯的高径比 不大于3.5~4。
防止措施:
1、使用润滑剂和预热工具
镦粗低塑性材料时常用的润滑剂有：玻璃粉、玻璃棉、石墨粉等， 为防止变形金属很快地冷却，镦粗用的工具均应预热200～300℃。
2、采用凹形毛坯
锻造低塑性材料的大型锻件时，镦粗前将坯料压成凹形，可以明显 提高镦粗时允许的变形程度。这是因为凹形坯料镦粗时沿径向有压应力 分量产生，对侧表面的纵向开裂起阻止作用。
L<0.5h时，坯料内部的变形也是不均匀的，上部和下 部变形大，中部变形小，中间部分锻不透，轴心部分沿轴 向受附加拉应力，轴心部分原有的缺陷进一步扩大，易产 生内部横向裂纹。 小节：送进量较大时，坯料可以很好地锻透，而且可以焊 合坯料中心部分原有的孔隙和微裂纹，但送进量过大也不 好，因为l/h过大时，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹的 可能性也增大。 综合考虑送进量对拔长效率和锻件质量两方面的影响， 一般认为，相对送进量L/h =0.5～0.8较为合适，或绝对送进 量取L=（0.4～0.8）b，b为砧宽。
3）砧子形状的影响
上下V形砧拔长时，毛坯的变形程度最大，又处于强烈的三向压应 力状态，能够很好锻合心部缺陷，且拔长效率也高，毛坯轴线不会偏 移。 上平下V形砧拔长时，最大的变形区不在毛坯中心，而在距中心1/2 ～3/4半径处，锻透性比较差，还由于毛坯上下变形深入程度不等，不 断翻转后会使轴线变成螺旋线，其结果将造成中心缺陷区的扩大。 上下平砧拔长矩形截面毛坯时，只要相对送进量选得合适，能使 毛坯的中心锻透。
4、采用叠镦和套环内镦粗
叠镦：将两件迭起来镦粗，形成鼓形，然后各自换成下图的形状继 续镦粗消除鼓形。迭锻不仅能使变形均匀，而且能显著地降低变形抗力。 在套环内镦粗：在坯料的外围加一个碳钢的外套，靠套环的径向压 力来减小由于变形不均而引起的附加拉应力。
5、采用反复镦粗拔长的锻造工艺
使镦粗时困难变形区在拔长时受到变形，使整个坯料各处变形都 比较均匀。
一、冲孔的受力变形分析
金属变形流动特点（以开式实心冲子冲孔为例） 冲孔时，毛坯分成两部分：冲头下面的圆柱体A和冲头 以外的圆环区B。 A区金属的变形相当于圆环包围下的镦粗，冲孔时的单 位压力比自由镦粗时要大，环壁愈厚时单位冲孔力也愈大。 B区金属的变形主要是由于A 区的变形引起的。总的变形趋势 是：径向压缩变形，切向伸长变 形，轴向应变则可能是伸长，也 可能是缩短，主要取决于径向压 应力的大小，即取决于环壁的厚 度：
1)开式冲孔时，冲头下部的A区金属被镦粗后径向
外流，使B区金属也随之变形；
2）当坯料较高时，无论A区或B区，塑性变形都是
由上向下逐步发展的； 3）环壁厚度对冲孔后坯料的高度有较大影响，环 壁较薄时，冲孔后的坯料高度降低较多，环壁较厚 （D/d≈5）时,高度降低较小或几乎不降低，环壁
较厚时，坯料内壁高度略有增加。
镦粗分类 :
1)完全镦粗：将坯料竖直放在砧面上 ，在上砧的锤击下
, 使坯料产生高度减小 , 横截面积增大的塑性变形。
2)端部镦粗：将坯料加热后,一端放在漏盘或胎模内 ,
限制这一部分的塑性变形,然后锤击坯料的另一端,使之镦 粗成形。
3)中间镦粗：用于锻造中间断面大,两端断面小的锻件。
镦粗前,先将坯料两端拔细,然后使坯料直立在两个漏盘中 间进行锤击,使坯料中间部分镦粗。
第三节
冲孔
在坯料上锻制出透孔或不透孔的工序叫冲孔。
常用的冲孔方法：开式冲孔、实心冲子冲孔、空心冲 子冲孔、在垫环上冲孔和闭式冲孔
1）双面冲孔法：用冲头在坯料上冲至 2/3～3/4 深度时, 取出冲头，翻转坯料，再从反面对准位置，冲出孔来。 2）单面冲孔法：用于厚度小的坯料。冲孔时，坯料置于 垫环上，将一略带锥度的冲头大端对准冲孔位置，用锤击 方法打入坯料，直至孔穿透为止。
一、镦粗的变形分析
1、平砧镦粗变形分析
一般坯料：H0/D0=0.8~2.0。其特点是： 外形呈鼓形，即中 间直径大，两端直径小。 通过网格实验（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。
Ⅰ区变形程度最小—难变形区； Ⅱ区变形程度最大—大变形区； Ⅲ区变形程度居中—小变形区。
第一节 镦粗
使坯料高wk.baidu.com减小，横截面增大的成形工序称为 镦粗。
镦粗用于： ● 由小横截面积坯料得到较大横截面积而高度较小的锻件； ● 冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面；
● 反复镦粗和拔长，提高下一步拔长时的锻造比；
● 提高锻件的力学性能和减小力学性能的异向性； ● 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。
二、冲孔的质量分析
● ● ●
“走样” 裂纹 孔冲偏
“走样”：开式冲孔时坯料高度减小，外径上小下大，下 端面凸出，上端面凹进，这些现象统称为“走样”。其程 度大小与D/d有关，D/d愈小，“走样”愈严重，一般取 D/d≈3。
裂纹：低塑性材料开式冲孔时常易在侧表面和内孔圆角处产 生纵向裂纹。 外侧表面裂纹是由于A区金属向外流动时B区的外径被迫 地扩大，使外层金属受到切向拉应力，当超过金属当时的强 度极限时，便产生裂纹破坏。 冲孔时内孔圆角处的裂纹是由于此处温度降低较多，塑 性较低，加之冲子一般都有锥度，当冲子往下运动时，此处 便被涨裂。
二、空心件拔长
空心件拔长一般叫芯轴拔长。
锻造时，先把芯棒插入冲好孔的坯料中,然后当作 实心坯料进行拔长。拔长时,一般不是一次拔成,先将坯 料拔成六角形,锻到所需长度后,再倒角滚圆,取出芯棒 ，为便于取出芯棒,芯棒的工作部分应有 1:100 左右的 斜度。这种拔长方法可使空心坯料的长度增加,壁厚减 小,而内径不变,常用于锻造套筒类长空心锻件。
当送进量L/b 小时，轴向变形大，即在同样的相对压缩程度下， （横截面减小的程度大），可以减小所需的压缩次数；但是，送进量 小时，对于一定长度的毛坯，压缩一遍所需的送进次数增多。实际生 产中取L=（0.4～0.8）b，b 为平砧的宽度。
矩形截面坯料拔长时的质量分析
常见质量问题：
1）坯料外部表面横向裂纹 2）坯料外部表面角裂 3）在内部常引起组织和性能不均匀 4）内部的纵向裂纹和横向裂纹
2、不同高径比坯料的镦粗分析
较高坯料： H0/D0≈3.0 高坯料： H0/D0﹥3.0 矮坯料：H0/D0﹤0.5
二、镦粗工序主要质量问题及防止措施
主要质量问题：
● 锭料镦粗后上、下端常保留铸态组织；
Ⅰ区金属变形程度小、温度低，故镦粗锭料时此区铸态组织不易破 碎和再结晶，结果仍保留粗大的铸态组织。
拔长变形分析
1）相对压缩程度εn
压缩所需的遍数和总的压缩次数减少，生产率高。但在实际生产中 相对压缩程度受到一定的限制：如果金属的塑性差，应按金属塑性所允 许的数值确定；如果金属的塑性好，每次的变形程度可以大些，但是每 次压缩后应保证an/hn<2.5,否则，翻转90°再压时，坯料可能弯曲。
2）相对送进量（l/h）
2）压下量的影响
拔长时增大压下量，不但可以提高生产率，还可强化心部变形，有 利于锻合内部缺陷。因此，只要钢的塑性允许，应尽量采用大压下量拔 长。 但压下量也不是无止境的大，与变形工艺有关；为了避免锻件产生 折叠，单边压下△h/2应小于送进量L；还要考虑毛坯翻转90°后拔长不 产生弯曲，毛坯每次压下后的宽高比应小于2.5~3.0。
● 侧表面易产生纵向或呈45度方向的裂纹；
Ⅱ区变形大，Ⅲ区变形小，Ⅱ区金属向外流动时便对Ⅲ区金属作用 有径向压应力，并使其在切向受拉应力。当切向拉应力超过材料的强度 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。
● 高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲。
孔冲偏：冲子放偏、环形部分金属性质不同、冲头各处的圆 角、斜度不一致等，均可使孔冲偏。
改善质量问题的措施：
1）为减小“走样”，一般取D/d≈3，锥形冲头和椭圆形冲头 有助于减小“走样”。 2）为减小裂纹，冲子的锥度不宜过大，当冲低塑性材料时 ，如Cr12钢，不仅要求冲子锥度较小，而且要经过多次加热 逐步冲成。大型锻件在水压机上冲孔时，当孔径大于450mm 时，一般采用空心冲头冲孔，这样可以减小B区外层金属的 切向拉应力，避免产生侧表面裂纹，并能除掉锭料中心部分 质量不好的金属。
3、采用软金属垫
热镦粗大型和较大型的低塑性材料锻件时，在工具和坯料之间放置 一块温度不低于坯料温度的软金属垫板（一般用碳素钢）；
变形金属不直接受到工具的作用，由于软垫的变形抗力较低，故先 变形并拉着坯料作径向流动，结果坯料的侧面内凹； 当继续镦粗时软垫直径增大，厚度变薄，温度降低，变形抗力增 大，而此时坯料明显地镦粗，侧面内凹消失，呈现圆柱形，再继续镦粗 时，最后获得程度不太大的鼓形。 由于镦粗过程中坯料侧面内凹，沿侧表面有压应力分量产生，因 此，产生裂纹的倾向显著降低。又由于坯料上下端面部分也有了较大的 变形，故不再保留铸态组织了。
Ⅰ区：①、工具与坯料端面之间摩擦力最大，该区变形十分困 难，称为“难变形区”。 ②、在接触面上，由于中心处的金属流动还受到外层的阻碍， 愈靠近中心部分受到的摩擦阻力愈大，变形愈困难。 ③、在平板间热镦粗坯料时，与工具结触的上下端金属由于温 度降低快，变形抗力大，变形愈困难。 Ⅱ区：受摩擦的影响小，温度降低也慢，“大变形区”。应力 状态也有利于变形。 Ⅲ区：受摩擦的影响小，温度降低稍慢，介于Ⅰ、Ⅱ之间，称 为“小变形区”。
拔长高合金工具钢时，当送进量较大，并且在坯料同一部分反复重击 时，常易沿对角线产生裂纹。
A区（困难变形区）金属带着靠着它的a区金属向轴心方向移动，B区金 属带着靠着它的b区金属向增宽方向流动，a、b两区的金属向着两个相反的方 向流动； 当坯料翻转90°再锻打时，a、b两区调换了一下，但其金属的流动仍沿 着两个相反的方向，因而DD1和EE1便成为两部分金属最大的相对移动线，附 近金属的变形最大，反复翻转锻打时，a、b两区的金属剧烈的变形产生很大 的热量，使两区温度剧升，很快过热，甚至发生局部融化现象，在剪应力作 用下，很快沿对角线产生破坏； 坯料质量不好，加热时间较短，内部温度较低，或打击过重时，由于沿 对角线上金属流动过于剧烈，产生严重的加工硬化现象，也促使金属很快地 沿对角线开裂
第二节
拔长
使坯料横截面积减小而长度增加的成形工序 叫拔长。用于：轴杆类零件；改善锻件内部质量。
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矩形截面坯料拔长 圆截面坯料拔长 空心坯料拔长
拔长变形特点：
当毛坯沿轴向逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦粗 工序的组合，但还受两端不变形金属的影响。 矩形截面拔长时，当相对送进量（进料长度L与宽度a之 比，即L/a，也叫进料比）较小时，金属多沿轴向流动，轴 向的变形程度较大，横向的变形程度较小；随着L/a的不断 增大，轴向变形程度逐渐减小，横向变形程度逐渐增大。 由于拔长是通过逐次送进和反 复转动坯料进行压缩变形，所以它 是锻造生产中耗时最多的一种工序 。因此，在保证锻件质量的前提下 ，应尽可能提高拔长的效率。