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6.1.3自由锻造
自由锻造(简称自由锻)是金属塑性加工的一种简单而灵活的基本成形方法。
它是利用锻压设备上下砧块和一些简单通用工具,使坯料在压力作用下产生塑性变形。
自由锻有手工锻造和机器锻造之分。
随着机器制造工业的迅速发展,现在生产中主要采用机器锻造。
根据锻造设备类型不同,机器锻造可分为锻锤自由锻和水压机自由锻两种。
前者用以锻造中小锻件,后者主要锻造大型锻件。
由于自由锻所用的工具简单,通用性强,灵活性大,因此适合单件和小批量锻件的生产。
自由锻件是由坯料逐步变形而成,工具只与坯料部分接触,故所需设备功率比模锻要小得多,所以自由锻也适于锻造大型锻件。
如万吨模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件,而万吨自由锻水压机却可锻造重达百吨以上大型锻件。
可见,对于大型锻件的锻造,只能采取自由锻成形技术。
但是,自由锻是靠工人的操作来控制锻件的形状和尺寸,所以锻件的精度差,锻造生产率低,劳动强度较大。
针对以上不足,近些年来自由锻生产在提高锻件精度和实现机械化方面,正在不断得到改善和发展。
6.1.3.1自由锻工序与锻件分类
任何锻件的自由锻造成形过程,均由一系列变形工序组成。
根据工序的变形特点和变形程度的不同,自由锻的工序可以分为基本工序、辅助工序和修整工序三类。
改变坯料的形状和尺寸以获得锻件的工序称为基本工序。
自由锻的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转、锻接等。
为了完成基本工序而使坯料预先产生某一变形的工序叫做辅助工序,如钢锭倒棱、预压钳把、分段压痕等。
用来精整锻件尺寸和形状,消除锻件表面不平、歪扭等,使锻件完全达到锻件图要求的工序叫做修整工序,如鼓形滚圆、端面平整、弯曲校直等。
修整工序的变形量通常都很小。
上述各种自由锻工序的简图,见表6-1。
自由锻是一种通用性很强的成形方法,它可以锻造多种多样的锻件,锻件形状复杂程度相差很大。
为了便于安排生产和制订工艺规范,应按照锻造工艺特点给锻件分类,即把形状特征相同、变形过程类似的锻件归为一类。
按此,自由锻锻件可分为六类:
饼块类锻件、空心类锻件、轴轩类锻件、曲轴类锻件、弯曲类锻件和复杂形状锻件。
锻件分类简图见表6-2。
表6-1自由锻件工序简图
表6-2自由锻件分类图
本书以镦粗和拔长为例对自由锻基本工序进行分析。
6.1.3.2镦粗
使坯料高度减小而截面增大的锻造工序为镦粗。
镦粗用于:
将高径(宽)比大的坯料锻成高径(宽)比小的饼块锻件;
锻造空心锻件在冲孔前使坯料横截面增大和平整;
锻造轴杆锻件可以提高后续拔长工序的锻造比;
提高锻件的横向机械性能和减小机械性能的异向性等。
镦粗的主要方法有平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。
1.平砧镦粗坯料在上下平砧间或镦粗平板间进行的镦粗称为平砧镦粗,如图6-1所示。
镦粗的变形程度除用压下量ΔH(ΔH=H0-H)、相对变形
、对数变形
表示之外,常以坯料镦粗前后的高度之比——镦粗比KH来表示,即:
(6-1)
或
(6-2)
式中H0、H——镦粗前、后坯料的高度
——坯料高度方向的对数变形
(6-3)
——坯料高度方向的相对变形,
(6-4)
镦粗是自由锻最基本的工序。
不仅一些锻件(如饼块锻件、空心锻件)必需采用镦粗成形,在其它锻造工序(如拔长、冲孔等)中也都包含镦粗因素。
因此,了解镦粗时的变形规律,对掌握锻造工艺具有重要意义。
图6-1平砧镦粗图6-2圆柱坯料镦粗时的变形分布
I—难变形区II—大变形区III—小变形区
用平砧镦粗圆柱坯料时,随着高度的减小,金属不断向四周流动。
由于坯料和工具之间存在摩擦,镦粗后坯料的侧表面将变成鼓形,同时造成坯料内部变形分布不均。
通过采用网格法的镦粗实验可以看到(图6-2),根据镦粗后网格的变形程度大小,沿坯料对称面可分为三个变形区。
区域I:
由于摩擦影响最大,该区变形十分困难,称为“难变形区”。
区域II:
不但受摩擦的影响较小,应力状态也有利于变形,因此该区变形程度最大,称为“大变形区”。
区域III:
其变形程度介于区域I与区域II之间,称为“小变形区”。
因鼓形部分存在切向拉应力,容易引起表面产生纵向裂纹。
对不同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也不同,如图6-3所示。
镦粗高径比
的坯料时,开始在坯料的两端先产生双鼓形,形成I、II、III、IV四个变形区。
其中,区域I、II、III同前所述,坯料中部为均匀变形区IV,该区受摩擦影响小,内部变形均匀分布,侧表面保持圆柱形。
如果继续镦粗到
,则由双鼓形变为单鼓形。
镦粗高径比≤1的坯料时,只产生单鼓形,形成三个变形区。
当镦粗高径比≤0.5的坯料时,变形区I中的I′也产生一定变形,鼓形逐渐减小。
上述平砧镦粗时的金属流动特点,对锻造工艺和锻件质量都很不利。
由于坯料侧面出现鼓形,不但要增加修整工序,并且可能引起表面纵裂,对低塑性材料尤为敏感。
此外,由于坯料内部变形的不均匀,必然引起锻件晶粒大小不均,从而导致锻件的性能也不均,这对晶粒度要求严格的锻件影响极大。
如镦粗圆盘锻件时,在锻件的中部(相当II区),变形程度很大,为三向压应力状态,不但有利于焊合缺陷,还可得到细晶粒组织。
而在锻件两端(相当I区),因为属于难变形区,所得组织晶粒粗大。
因此,为了保证锻件质量,要求尽量减小鼓形,提高变形的均匀性。
在锻造生产中可以采用以下工艺措施。
图6-4凹形坯料镦粗图6-5软金属垫镦粗图6-6坯料叠起镦粗
1—坯料2—板状软垫3—环形软垫
(1)凹形坯料镦粗
如图6-4所示,镦前对坯料端部局部变形,镦成侧表面向内凹的形状。
对小坯料可用倾斜旋转倒棱方法锻成图6-4a形状,而大坯料可用擀铁使端部局部变形成图6-4b形状。
然后进行镦粗,将内凹部分锻出,这样可以减小鼓形,使变形均匀。
(2)软金属垫镦粗
这种方法是将坯料放在两个软金属垫之间进行镦粗,如图6-5所示。
由于容易变形的软金属垫的流动,对坯料产生了向外的主动摩擦力,促使坯料端部的金属向四周流动。
因此,坯料镦粗时不会形成鼓形,没有难变形区,变形比较均匀。
金属软垫形式有两种,一种是板状软垫,镦后锻件端面内凹(图6-5a);
另一种是环形软垫,镦后锻件端面外凸(图6-5b)。
两者相比,后者较好。
(3)坯料叠起镦粗
在镦粗成形薄饼类锻件时,可将两个坯料叠起来镦粗,镦到侧面出现鼓形后,把坯料翻转180º
再叠起镦粗,镦到侧面为圆柱面止,如图6-6所示。
这种方法不但可以获得没有鼓形的锻件,由于上下端部先后均位于II区变形,因此消除了难变形区而使变形均匀。
另外,为了锻合坯料内部的缺陷和减小镦粗的变形力,在镦粗时应将坯料加热到最高允许的加热温度。
2.垫环镦粗坯料在单个垫环上或
在两个垫环间进行的镦粗称为垫环镦粗,
如图6-7所示。
这种镦粗方法,用于锻
造带有单边或双边凸肩的饼块锻件。
由
于锻件凸肩直径和高度比较小,采用的
坯料直径要大于环孔直径,因此垫环镦
图6-7垫环镦粗
粗变形实质属于镦挤。
坯料在进行垫环镦粗时,金属可朝
两个方向流动,一部分是沿着径向流向四周,使锻件的外径增大;
另一部分沿着轴向流入环孔,增大锻件凸肩高度。
可以想象,在金属径向流动与轴向流动区间,存在一个不产生流动的分界面,称为分流面。
分流面的位置与下列因素有关:
坯料高度与直径之比
、环孔与坯料直径之比
、变形程度(
)、环孔斜度(
)及摩擦条件等。
3.局部镦粗坯料只是局部长度(端部或中间)进行镦粗称为局部镦粗,如图6-8所示。
这种镦粗方法可以锻造凸肩直径和高度较大的饼块锻件,也可锻造端部带有较大法兰的轴杆锻件。
局部镦粗时的金属
流动特征,与平砧镦粗
相似,但受不变形部分
的影响,即“刚端”影
响。
锻件以局部镦粗方
式成形时,坯料尺寸最
好是按杆部直径选取。
为了避免镦粗时产生纵
向弯曲,坯料变形部分
高径比应小于2.5~3。
因此,对于头部较大而杆部较细的锻件,只能采用大于杆部直径的坯料。
锻造时可先拔长杆部,然后再局部镦粗头部。
或者相反,先局部镦粗成形头部,然后再拔长得到杆部。
6.1.3.3拔长
使坯料横截面减小而长度增加的锻造工艺称为拔长。
拔长除了用于轴杆锻件成形,还常用来改善锻件内部质量。
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费工时最多的一种锻造工序。
因此,在研究拔长工序时,除了分析影响拔长质量的因素以外,还应分析影响拔长效率的有关因素。
1.拔长变形特点
坯料拔长时,每送进压下一次,
只有部分金属变形。
如图6-9所示,
拔长前变形区的长为l0、宽为b0、高
为h0。
l0又称送进量,
称为相对送
进量。
拔长后变形区的长为l、宽为b、
高为h。
Δh=h0-h称为压下量,Δb=b-b0
称为展宽量,Δl=l-l0称为拔长量。
拔长的变形程度是以坯料拔长前后的
截面积之比——锻造比(简称锻比)KL来表示,即:
(6-5)
式中F0——拔长前坯料的截面积,即F0=h0×
b0;
F——拔长后坯料的截面积,即F=h×
b。
拔长时的金属流动规律,根据最小阻力定律可知,当l0=b0时,考虑到未变形部分(刚端)的影响,Δl近似等于Δb;
当l0>
b0时,则Δl<
Δb;
当l0<
b0时,则Δl>
Δb。
由此可见,采用小送进量拔长时,拔长量大而展宽量小,有利于提高拔长效率。
因此,通常多以小送进量进行拔长。
但是送进量也不能过小,因为会增多压下次数,这在一定程度上将降低拔长效率。
如采用型砧拔长,由于金属横向流动受到限制,迫使金属主要沿着轴向流动,所以与平砧相比拔长效率可提高20~40%。
在坯料沿着轴向逐次送进拔长时,变形相当于一系列镦粗工序组合。
通过采用网格法的拔长实验可看到(图6-10),拔长具有与镦粗变形相类似的特征,即坯料侧表面产生鼓形,内部的变形分布不均匀。
所不同的是拔长有刚端的影响,横向展宽相对减小,轴向伸长得到增加。
但是必须指出,从拔长过程网格变化可看到(图6-11),坯料各个部分都能充分变形,因而拔长后锻件内部组织比较均匀。
这也就是拔长能够改善内部组织,提高锻件质量的原因所在。
2.拔长变形计算采用平砧拔长矩形截面坯料时,高度方向压缩减少的金属体积,一部分沿纵向转移使坯料伸长,一部分沿横向转移使坯料展宽。
拔长时坯料横截面的变化,如图6-25所示。
一般情况下:
FⅢ<
FI,上式也可写成:
FⅢ=fFI(6-6)
图6-10拔长过程中纵向剖面网格变化图6-11拔长过程中横向剖面网格变化
图6-12拔长时坯料横截面的变化
(6-7)
式中FI——坯料高度方向减小的面积
;
FⅢ——坯料宽度方向增加的面积
h0、b0——坯料拔长前的高度和宽度;
h、b——坯料拔长后的高度和宽度。
系数f称为展宽强度系数(亦称恰列系数),它反映坯料拔长变形时展宽与伸长的关系。
如f=1,即全部展宽,伸长为零。
如f=0,即全部伸长,展宽为零。
拔长实际情况是既有伸长也有展宽,所以展宽强度系数f的变化范围为:
1>
f>
0。
根据实验,展宽强度系数f取决于送料比
、坯料尺寸
、即
。
具体数值可参考表6-3确定。
展宽强度系数f与锻比KL和高度相对变形程度
的关
系如下:
(6-8)
对一定尺寸坯料,当
与f已定时,可以算出锻比KL。
从而,便能确定每次拔长后的锻坯尺寸,以及确定拔长所需要的压下次数。
(6-9)
(6-10)
(6-11)
式中F0、F——为坯料拔长前后的横截面积;
l——为坯料压下一次后的变形区长度。
如沿坯料整个长度L0压了一遍,坯料拔长后全长为L,所需的压缩次数为n,则
(6-12)
(6-13)
6.1.3.4锻造设备吨位选择
在制订锻造工艺规程时,设备吨位选择也很重要。
如选的设备吨位太小,锻件内部锻不透,而且生产率低;
若设备吨位选的过大,不但浪费动力,提高锻造成本,操作也不灵便,还易打坏工具。
因此,锻造设备吨位大小要适当。
确定锻造设备吨位的方法有:
理论计算法和经验类比法两种。
1.理论计算法理论计算法是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),按此选取设备吨位。
尽管目前的一些理论计算公式还不够精确,但仍能给确定锻造设备的吨位提供一定依据。
在所有自由锻造工序中,镦粗工序的变形力(变形功)最大。
很多锻造过程与镦粗有关,因此,一般常以镦粗力(镦粗功)的大小来选择设备。
下面介绍工程上常用的主应力法关于变形力的计算方法。
用液压机锻造时,由于压下速度比较慢,通常是根据锻件成形所需的变形力P来选择设备吨位。
P=P·
F(6-14)
式中P——为坯料与工具接触面上的单位流动压力(也称平均单位压力);
F——为坯料与工具的接触面在水平方向的投影面积。
因此,只要算出单位流动压力P,便可确定变形力P。
(1)圆柱体坯料镦粗
当
时,单位流动压力可按下式计算:
(6-15)
式中D、H——为镦粗终了锻件的直径和高度;
——为屈服应力,是坯料在相应变形温度和速度条件下的真实应力;
——为摩擦系数,在热锻时μ=0.3~0.5,热锻如无润滑,一般取μ=0.5。
时,单位流动压力可用下式计算:
(6-16)
(2)长方体坯料镦粗
长为l、宽为a、高为H的锻件,单位流动压力的计算公式为:
(6-17)
如为长板锻件,即
较小时,则
(6-18)
若是方形锻件,即l=a时,则
(6-19)
(3)坯料进行拔长
采用上下平砧拔长矩形坯料时,可按下式计算单位流动压力:
(6-20)
式中l0——为送进量;
h——为锻件高度。
采用圆弧砧子拔长圆形坯料时,则按下式计算单位流动压力:
(6-21)
d——为锻件直径。
2.经验类比法经验类比法是在统计分析生产实践数据的基础上,整理出经验公式、表格和图线,根据锻件某些主要参数(如重量、尺寸、接触面积),直接通过公式、表格或图线选定所需锻压设备吨位。
锻锤吨位可按如下经验公式计算:
镦粗时G=(0.002~0.003)kF(公斤)(6-22)表6-4系数k
式中k——与坯料强度极限
有关的系数,按表6-4确定;
F——锻件镦粗后与锻锤的接触面积(毫米2)。
拔长时G=2.5F(公斤)(6-23)
式中F——坯料横截面面积(厘米2)
自由锻锻锤的锻造能力范围,可参照表6-5。
表6-5自由锻锻锤的锻造能力范围
锻锤吨位(千牛)
锻件类型
2.5
5
7.5
10
20
30
50
圆饼
D(mm)
<
200
250
300
≤400
≤500
≤600
≤750
H(mm)
35
100
150
≤300
圆环
350
400
≤1000
≤1200
≤60
≤75
≤200
圆筒
D(mm)
175
275
≤700
d(mm)
≥100
≥125
>
125
500
L(mm)
≤150
≤275
≤350
≤550
圆轴
80
≤175
≤225
G(公斤)
≤1500
方块
H=B(mm)
≤80
≤250
≤450
25
70
≤100
≤800
扁方
B(mm)
≤160
H(mm)
≥7
≥15
≥20
≥25
≥40
≥50
≥70
成型锻件
吊钩
起重量(吨)
3
75
钢锭直径(mm)
450
600
钢坯边长(mm)
225
550
注:
D—锻件外径、d—锻件内径、H—锻件高度、B—锻件宽度、L—锻件长度、G—锻件重量。
6.1.3.5制订自由锻工艺过程举例
现以齿轮为例,制订该零件锻造工艺过程如下:
图6-13为齿轮零件图,材料为45号钢,生产数量20件。
由于生产批量小,应采取自由锻造。
1.绘制锻件图齿轮件采用自由锻方法,要锻出齿形技术上是不可能的,应加上余块,
简化锻件外形以便锻造。
根据“锤上自由锻造锻件机械加工余量和公差标准”查得,锻件余量和公差为:
,内孔余量为1.2a,取
,于是便可绘出齿轮的锻件图,为图6-14。
2.计算坯料重量和尺寸
锻件重量:
公斤
芯料重量:
=(1.18~1.57)602×
65
≈0.3公斤
烧损重量:
所以,坯料重量等于
由于采用镦粗成形,坯料尺寸按下式计算:
毫米,取D0=120毫米
毫米
确定坯料尺寸为φ120×
202(毫米)。
3.确定变形工艺和工具根据锻件尺寸D=212、d=130、H=62,得到
、
变形过程为:
镦粗—冲孔—冲子扩孔。
由于锻件带有单面凸肩,坯料直径比凸肩直径小,因而采取垫环局部镦粗。
此件还可采取翻边锻造成形和套模冲切成形锻造方法。
前者操作过程复杂,要求技术水平较高,后者需专用工具,冲孔芯料损失较大。
经过分析比较,决定采取垫环局部镦粗—冲孔—冲子扩孔变形工艺方案。
工序顺序,工序尺寸,如图6-15所示。
图6-15齿轮锻造工艺过程
开始镦粗是为了去除氧化皮,考虑到以后冲孔扩孔时金属还会沿径向流动,垫环镦粗后的外径D′应小于锻件外径D,D′可按下经验公式确定。
,取D′=280毫米
式中d锻——锻件孔径;
d冲子——冲子直径。
为了避免扩孔产生裂纹,冲子扩孔前需再次加热。
扩孔分三次进行,每次扩孔量为:
20、25、25毫米。
最后,将锻件修整到锻件图尺寸。
垫环孔腔体积V盘孔应比锻件凸肩体积V凸肩增大10~15%,厚壁件取小值,薄壁件取大值。
V盘孔=1.12V凸肩=813000毫米3
垫环高度H盘考虑到冲孔产生拉缩现象,通常约比锻件凸肩高度H凸肩增大15~35%。
厚壁件取小值,薄壁件取大值。
H盘=1.2H凸肩≈40毫米
根据体积不变条件,算得垫环内径d盘为:
d盘≈160毫米
由于垫环内孔侧壁带有斜度,小端为φ154毫米,大端为φ163毫米。
4.选择锻造设备吨位参照表6-5选取0.5吨自由锻锤。
5.确定锻造温度范围45号钢的始锻温度为1200℃,终锻温度为800℃。
6.填写工艺卡片(从略)。
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