自由锻.docx

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自由锻

第二节 自由锻

自由锻：

利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。

自由锻造时，除与上、下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。

自由锻分类：

手工锻造和机器锻造两种。

手工锻造只能生产小型锻件，生产率也较低。

机器锻造是自由锻的主要方法。

自由锻的特点：

工具简单、通用性强，生产准备周期短。

自由锻件的质量范围可由不及一千克到二、三百吨，对于大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，这使得自由锻在重型机械制造中具有特别重要的作用，例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件在工作时都承受很大的载荷，要求具有较高的力学性能，常采用自由锻方法生产毛坯。

由于自由锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，所以锻件的精度较低，加工余量大，劳动强度大，生产率低。

自由锻主要应用于单件、小批量生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等。

一、自由锻工序

自由锻工序：

基本工序、辅助工序和修整工序。

（一）基本工序

使金属坯料产生一定程度的塑性变形，以得到所需形状、尺寸或改善材质性能的工艺过程。

它是锻件成形过程中必需的变形工序，如镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等。

实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个工序。

１．镦粗沿工件轴向进行锻打，使其长度减小，横截面积增大的操作过程。

常用来锻造齿轮坯、凸缘、圆盘等零件，也可用来作为锻造环、套筒等空心锻件冲孔前的预备工序。

镦粗可分为全镦粗和局部镦粗两种形式，如图2-7所示。

镦粗时，坯料不能过长，高度与直径之比应小于2.5，以免镦弯，或出现细腰、夹层等现象。

坯料镦粗的部位必须均匀加热，以防止出现变形不均匀。

图2-7镦粗

a）全镦粗b）局部镦粗

２．拔长拔长是沿垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小，而长度增加的操作过程，如图2-8所示。

常用于锻造轴类和杆类等零件。

对于圆形坯料，一般先锻打成方形后再进行拔长，最后锻成所需形状，或使用V型砧铁进行拔长，如图2-9所示，在锻造过程中要将坯料绕轴线不断翻转。

          图2-8拔长       图2-9使用V型砧铁拔长圆坯料

３．冲孔利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。

常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件，对于直径小于25mm的孔一般不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。

在薄坯料上冲通孔时，可用冲头一次冲出。

若坯料较厚时，可先在坯料的一边冲到孔深的2／3深度后，拔出冲头，翻转工件，从反面冲通，以避免在孔的周围冲出毛刺，如图2-10所示。

实心冲头双面冲孔时，圆柱形坯料会产生畸变。

畸变程度与冲孔前坯料直径D0、高度H0和孔径d1等有关。

D0/d1愈小，畸变愈严重，另外冲孔高度过大时，易将孔冲偏，因此用于冲孔的坯料直径D0与孔径d1之比（D0/d1）应大于2.5，坯料高度应小于坯料直径。

图2-10冲孔

a）薄坯料冲孔b）厚坯料冲孔

1－冲头2－坯料3－垫环4－芯料 

冲孔               错移           扭转

（二）辅助工序

为使基本工序操作方便而进行的预变形工序称为辅助工序（压钳口、切肩等）。

（三）修整工序

用以减少锻件表面缺陷而进行的工序（如校正、滚圆、平整等）。

二、自由锻工艺规程的制定

制订工艺规程、编写工艺卡片是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，是组织生产、规范操作、控制和检查产品质量的依据。

制订工艺规程，必须结合生产条件、设备能力和技术水平等实际情况，力求技术上先进、经济上合理、操作上安全，以达到正确指导生产的目的。

自由锻工艺规程：

根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。

（一）绘制自由锻件图

以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成的图形，它是工艺规程的核心内容，是制定锻造工艺过程和锻件检验的依据。

锻件图必须准确而全面反映锻件的特殊内容，如圆角、斜度等，以及对产品的技术要求，如性能、组织等。

绘制时主要考虑以下几个因素：

1．敷料对键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。

为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为敷料，如图2-11所示。

2．锻件余量在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件余量，如图2-11所示。

锻件余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有关。

零件越大，形状越复杂，则余量越大。

3．锻件公差锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受生产具体情况的影响。

图2-11锻件余量及敷料

1—敷料2—锻件余量

自由锻件余量和锻件公差可查有关手册。

钢轴自由锻件的余量和锻件公差，见表2-1。

表2-1钢轴自由锻件余量和锻件公差（双边）（mm）

零件长度

零件直径

<50

50~80

80~120

120~160

160~200

200~250

锻件余量和锻件公差

<315

5±2

6±2

7±2

8±3

—

—

315~630

6±2

7±2

8±3

9±3

10±3

11±4

630~1000

7±2

8±3

9±3

10±3

11±4

12±4

1000~1600

8±3

9±3

10±3

11±4

12±4

13±4

在锻件图上，锻件的外形用粗实线，如图2-12所示。

为了使操作者了解零件的形状和尺寸，在锻件图上用双点划线画出零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸线的上方标注锻件尺寸与公差，尺寸线下方用圆括弧标注出零件尺寸。

对于大型锻件，还必须在同一个坯料上锻造出供性能检验用的试样来，该试样的形状与尺寸也在锻件图上表示。

图2-12典型锻件图

（二）计算坯料质量与尺寸

1．确定坯料质量自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：

G坯料=G锻件+G烧损+G料头

式中G坯料——坯料质量，单位为kg；

G锻件——锻件质量，单位为kg；

G烧损——加热时坯料因表面氧化而烧损的质量，单位为kg；第一次加热取被加热金

属质量分数的2%~3%，以后各次加热取1.5%~2.0%；

G料头——锻造过程中被冲掉或切掉的那部分金属的质量，单位为kg；如冲孔时坯料

中部的料芯，修切端部产生的料头等。

对于大型锻件，当采用钢锭作坯料进行锻造时，还要考虑切掉的钢锭头部和尾部的质量。

2．确定坯料尺寸根据塑性加工过程中体积不变原则和采用的基本工序类型（如拔长、镦粗等）的锻造比、高度与直径之比等计算出坯料横截面积、直径或边长等尺寸。

典型锻件的锻造比见表2-2。

表2-2典型锻件的锻造比

锻件名称

计算部位

锻造比

锻件名称

计算部位

锻造比

碳素钢轴类锻件

最大截面

2.0~2.5

锤头

最大截面

≥2.5

合金钢轴类锻件

最大截面

2.5~3.0

水轮机主轴

轴身

≥2.5

热轧辊

辊身

2.5~3.0

水轮机立柱

最大截面

≥3.0

冷轧辊

辊身

3.5~5.0

模块

最大截面

≥3.0

齿轮轴

最大截面

2.5~3.0

航空用大型锻件

最大截面

6.0~8.0

（三）选择锻造工序

自由锻锻造工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定。

一般而言，盘类零件多采用镦粗（或拔长－镦粗）和冲孔等工序；轴类零件多采用拔长，切肩和锻台阶等工序。

一般锻件的分类及采用的工序见表2-3。

表2-3锻件分类及所需锻造工序

锻件类别

图例

锻造工序

盘类零件

 镦粗（或拔长－镦粗），冲孔等

轴类零件

 拔长（或镦粗－拔长），切肩，锻台阶等

筒类零件

 镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等

环类零件

 镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等

弯曲类零件

 拔长，弯曲等

自由锻工序的选择与整个锻造工艺过程中的火次（即坯料加热次数）和变形程度有关。

所需火次与每一火次中坯料成形所经历的工序都应明确规定出来，写在工艺卡片上。

（四）选择锻造设备

根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备分为锻锤和液压机两大类。

锻锤产生冲击力使金属坯料变形。

锻锤的吨位是以落下部分的质量来表示的。

生产中常使用的锻锤是空气锤和蒸汽－空气锤。

空气锤利用电动机带动活塞产生压缩空气，使锤头上下往复运动进行锤击。

它的特点是结构简单，操作方便，维护容易，但吨位较小，只能用来锻造100kg以下的小型锻件。

蒸汽－空气锤采用蒸汽和压缩空气作为动力，其吨位稍大，可用来生产质量小于1500kg的锻件，如图2-13所示。

图2-13蒸汽－空气锤示意图

液压机产生静压力使金属坯料变形。

目前大型水压机可达万吨以上，能锻造300吨的锻件。

由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深度，故液压机锻造可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。

液压机是大型锻件的唯一成形设备，大型先进液压机的生产常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。

另外，液压机工作平稳，金属变形过程中无振动，噪音小，劳动条件较好。

但液压机设备庞大、造价高。

自由锻设备的选择应根据锻件大小、质量、形状以及锻造基本工序等因素，并结合生产实际条件来确定。

例如，用铸锭或大截面毛坯作为大型锻件的坯料，可能需要多次镦、拔操作，在锻锤上操作比较困难，并且心部不易锻透，而在水压机上因其行程较大，下砧可前后移动，镦粗时可换用镦粗平台，所以大多数大型锻件都在水压机上生产。

（五）确定锻造温度范围

锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。

锻造温度范围应尽量选宽一些，以减少锻造火次，提高生产率。

加热的始锻温度一般取固相线以下100~200℃，以保证金属不发生过热与过烧。

终锻温度一般高于金属的再结晶温度50~100℃，以保证锻后再结晶完全，锻件内部得到细晶粒组织。

碳素钢和低合金结构钢的锻造温度范围，一般以铁碳平衡相图为基础，且其终锻温度选在高于Ar3点，以避免锻造时相变引起裂纹。

高合金钢因合金元素的影响，始锻温度下降，终锻温度提高，锻造温度范围变窄。

部分金属材料的锻造温度范围见表2-4。

此外，锻件终锻温度还与变形程度有关，变形程度较小时，终锻温度可稍低于规定温度。

表2-4部分金属材料的锻造温度范围

材料类型

锻造温度/℃

保温时间

/min﹒mm-1

始锻

终锻

10、15、20、25、30、35、40、45、50

1200

800

0.25～0.7

15CrA、16Cr2MnTiA、38CrA、20MnA、20CrMnTiA

1200

800

0.3～0.8

12CrNi3A、12CrNi4A、38CrMoAlA、25CrMnNiTiA、

30CrMnSiA、50CrVA、18Cr2Ni4WA、20CrNi3A

1180

850

0.3～0.8

40CrMnA

1150

800

0.3～0.8

铜合金

800~900

650~700

—

铝合金

450~500

350~380

—

（六）填写工艺卡片

半轴的自由锻造工艺卡片见表2-5。

表2-5半轴自由锻工艺卡

锻件名称

半轴

图例

坯料质量

25kg

坯料尺寸

φ130×240

材料

18CrMnTi

火次

工序

图例

1

锻出头部

拔长

拔长及修整台阶

拔长并留出台阶

锻出凹档及拔长端部并修整

三、自由锻件的结构工艺性

自由锻件的设计原则是：

在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。

1．尽量避免锥体或斜面结构锻造具有锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率，应尽量避免，如图2-14所示。

图2-14轴类锻件结构

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

2．避免几何体的交接处形成空间曲线如图2-15a所示的圆柱面与圆柱面相交，锻件成形十分困难。

改成如图2-15b所示的平面相交，消除了空间曲线，使锻造成形容易。

图2-15杆类锻件结构

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

3．避免加强肋、凸台，工字形、椭圆形或其它非规则截面及外形如图2-16a所示的锻件结构，难以用自由锻方法获得，若采用特殊工具或特殊工艺来生产，会降低生产率，增加产品成本。

改进后的结构如图2-16b所示。

图2-16盘类锻件结构

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

4．合理采用组合结构锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，如图2-17所示。

每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械联接方式构成整体零件。

图2-17复杂件结构

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构