自由锻工艺

2.芯轴扩孔（马架扩孔）
图4-55 芯轴扩孔 1—扩孔型砧 2—锻件 3—芯轴(杠) 4—支架(架)
局部加载，整体受力，局部变形，环形坯料沿圆周方向拔长
金属向切向和宽度方向流动。切向阻力小，宽度方向阻力大，t/d越 大，阻力越大。壁厚减薄，内外径扩大，宽度略有增加。
芯轴扩孔前坯料尺寸的计算方法：
预压钳把
钢锭倒棱
表4—1 自由锻工序2
分段压痕
(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。
鼓形滚圆
端面平整
弯曲校正
表4—1 自由锻工序3
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
提高10%~20%，切削加工时间可减 少15%~25%。
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)劳动条件好。
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。
图4-58 弯曲坯料截面变化情况
表4-2 自由锻件分类
表4-2
自由锻件分类
1.实心圆柱体轴杆类锻件
图4-1 传动轴的锻造过程
2.实心矩形断面类锻件
图4-2 摇杆传动轴的锻造过程
3.盘饼类锻件
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
4.曲轴类锻件
图4-4 三拐曲轴的锻造过程
5.空心类锻件
图4-5 195型单拐曲轴的全纤维锻造过程
6.弯曲类锻件
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
7.复杂形状类锻件
吊环螺钉
羊角吊钩
羊角锤头
4.3 自由锻基本工序分析
自由锻基本工序？
了解和掌握自由锻每种基本工序金属的流动 规律和变形分布，对合理选择成形工序，准 确分析锻件质量和制定锻件自由锻工艺规程 非常重要
自由锻视频
适用范围：1、中小型锻件的单件小批量生产； 2、大型锻件生产 优点：工具简单、通用性强、灵活性大 缺点：锻件精度低，加工余量大，劳动强度大，生产率低
中小型锻件，大型锻件。为模锻完成制坯工序。
16000吨水压机上， 重260吨的巨型钢锭4570毫米、 长3450毫米的核电筒节B 中国第二重型机械集团公司（以 下简称中国二重或二重）
第四章 自由锻工艺
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
4.1 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。
D0/d ＞ 3
H0/D0 ≤1.5
H0/D0 ≤1.5
增大D0/d;小锥度冲子； 多次加热
图4-51 冲孔缺陷示意图
2.空心冲头冲孔
冲直径大于400mm的孔，芯料损失大
图4-52 空心冲头冲孔
1—坯料 2—冲垫 3—冲子 4—芯料
3.垫环上冲孔
芯料损失大，芯料高度h=（0.7~0.75）H， 适用于H/D＜0.125的薄饼类锻件
图4-53 在垫环上冲孔 1—冲子 2—坯料 3—垫环 4—芯料
4.3.4 扩孔
扩孔：减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序， 用以锻造各种圆环锻件。
分类： 1.冲子扩孔（胀形扩孔） 2.芯轴扩孔（拔长扩孔）
3.辗压扩孔（拔长扩孔）
1.冲子扩孔
径向受压，切向受拉。 轴向压应力很小
利用直径比坯料内孔大的锥度冲子扩大坯料内孔的直径
表4-8 典型锻件的锻造比
表4-7 锻造工序锻造比和变形过程总锻造比的计算方法

重要锻件：采用镦粗拔长联合工艺，锻比要求 高达6～8。
4.4.4选择锻造设备
常用设备：锻锤和水压机
1.理论计算法
根据塑性成形原理建立的公式算出锻件成形所需的最大变 形力（或变形功），选取设备吨位。
(1)在水压机上锻造
锻锤吨 位t
芯轴最 小直径 mm
0.3~0.5 0.75
40 60
1.0
80
2.0
100
3.0
120
5.0
160
一次芯轴扩孔，一般可以换三次芯轴
3.辗压扩孔
（1）如图4-57辗压扩孔的 工作原理
（2）辗压扩孔的优点
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
1.平砧镦粗 1)平砧镦粗 平砧镦粗：坯料完全在上下平砧间或镦粗平板间 进行压制。 镦粗的变形程度可以用：相对变形Ɛe，对数变形eH； 镦粗比KH来表示
H 0 H H e H0 H0
H0 KH H
H0 eH In H
图4-8 平砧镦粗
2)平砧间鐓粗的变形分析
鐓粗时，坯料的变 形不均匀，变形后 呈鼓形。由网格法 和有限元法模拟可 知，在变形过程中， 其应力和应变沿径 向和轴向都分布不 均。 根据镦粗后网格 的变形程度分为 三个变形区：
图4-50 冲孔时坯料形状变化的情况

(2)冲孔坯料尺寸计算 a:冲孔后坯料直径
D 1.13
1.5 H
[v A冲 （H h)-0.5 A坯
b:坯料高度的计算 D0/d ≥5，H0=H D0/d ＜5，H0=(1.1~1.2)H
实心冲孔的优点？
(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
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
(1)预冲孔直径d0
d0 1.1 3 D
(2)坯料外径D0
D:锻件直径
V锻 D0 1.13 H
(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。
H H0 K
K:展宽系数
d0 / d d 0 / H K H 0
表4-5 锤上芯轴扩孔用最小芯轴直径
4.3.1 镦粗
镦粗：使坯料高度减小而横截面增大的成形工序。
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。
墩粗的分类 按原材料的形状分类： 1、圆形截面墩粗 2、方形截面墩粗
3、矩形截面墩粗
按镦粗方式分类：
1.平砧镦粗 2.垫环镦粗 3.局部镦粗
图4-8 圆形截面平砧镦粗
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
4.4.1 锻件图的制订与绘制
1.加工余量 2.锻造公差
图4-60 锻件的各种尺寸、 余量和公差的关系
3.锻造余块 4.检验试样及工艺夹头
图4-61 锻件的各种余块
5.绘制锻件图
图4-64 齿轮零件图
图4-65 齿轮锻件图
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η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η，然后 求得钢锭的计算质量G锭＝G锻／η，再从有关钢锭规格表中，选取 所需的钢锭规格。
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。
表4—1 自由锻工序1
表4—1 自由锻工序1
表4—1 自由锻工序1
(2)辅助工序
为了配合完成基本变形工序而做的工序
2.确定锻造比
锻造比：表示锻件在锻造成形时变形程度，锻造 比以金属变形前后的横断面积的比值或高度的比 值来表示锻比大小。
KL A0 / A D0 / D
2
2
KL H0 / H
锻造比反映了锻造对锻件组织和力学性能的影响， 是保证锻件品质的一个重要指标。 锻造比大：力学性能好；太大会造成力学性能各 向异性
α
单垫环镦粗
3.局部镦粗
坯料只在局部长度上产生鐓粗变形。
刚端
图4-19
局部镦粗
1、坯料局部鐓粗时， 按杆部选择坯料直径 2、H头/D0≤3
对于头部大杆部细小的杆件，选大于杆部直径的坯料
图4-20 头大杆细类锻件的局部镦粗
4.3.3 冲孔
在坯料上用冲子冲出通孔或不通孔（盲孔）的锻造工序。 冲孔的 作用：冲出直径＞30mm的孔，或为扩孔等冲出预制孔。 分类： 1.实心冲头冲孔 2.空心冲头冲孔
ห้องสมุดไป่ตู้
3） 为减少缺陷采取的措施
１.预热模具，使用润滑剂：如玻璃粉、石墨粉等； ２.凹形毛坯镦粗 ；
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
３.软金属垫镦粗；
图4-12 软金属垫镦粗
4、铆鐓、叠料鐓粗
图4-13 铆镦
图4-14 叠料镦粗过程
5、套环内鐓粗 适于低塑性高合金钢
表4-4 冲子扩孔每次允许的扩孔量 坯料预冲孔直径mm 30~115 120~270 每次允许扩孔量mm 25 30
图4-54 冲子扩孔
锻件质量小于30kg，冲孔后直接 扩孔1~2次，再加热一火，允许 扩孔2~3次； 锻件质量大于30kg，冲孔后直接 扩孔1次，再加热一火，允许扩 孔2~3次；
一般用于D0/d ＞1.7, H ≥0.125D0且薄厚不太薄的锻件
3.垫环上冲孔
1.实心冲头冲孔
双面冲孔
图4-48 实心冲头冲孔
1—坯料 2—冲垫 3—冲子 4—芯料
(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。 。
图4-49 冲孔时的应力应变简图
•冲孔坯料的形状与坯料直径D0与孔径d之比有关: 当D0/d≤2～3时：拉缩严重，外径明显增大； 当D0/d＝3～5时：几乎无拉缩，外径有所增大； 当D0/d＞5时：多余金属挤向端面形成凸台。
区域Ⅰ：难变形区； 区域Ⅱ：大变形区； 区域Ⅲ：小变形区，变形程度 介于区域Ⅰ与区域Ⅱ之间。
图4-9 平砧镦粗时变形分布与应力状态
镦粗变形不均匀，坯料容易出现的缺陷：
（１) 坯料侧面出现鼓形，可能引起表面纵裂； (２) 坯料上下两端出现粗大的铸造组织； (３) 坯料内部变形不均匀，晶粒大小不均匀，锻件性 能也不 均匀； （４) 高径比较大的坯料，易产生纵向弯曲, 变形失 稳。
(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，
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
主要内容：1、确定变形工序及其顺序 2、计算坯料工序尺寸
图4-62 锤上锻造空心锻件的工艺方案选择图线
图4-63 水压机锻造空心锻件
制订变形工艺应注意的问题
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4-15
套环内镦粗
（4）鐓粗与高径比的关系
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
（5）鐓粗时应注意事项 教材P48
2.垫环镦粗
坯料在单个垫环镦粗或两个垫环镦粗间进行的鐓粗，又称鐓挤
使金属分 流的界面
图4-18 垫环镦粗
分流面的位置与下列因素有关：
坯料高度与直径之比（H0/D0）、环孔与坯 料直径之比(d/D0)、变形程度（εH）、环孔斜 度（α）及摩擦条件等。