自由锻工艺ppt课件

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 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 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 预压钳把 钢锭倒棱 分段压痕 表4 1自由锻工序2 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 鼓形滚圆 端面平整 弯曲校正 表4 1自由锻工序3 表4 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 4 2 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 1 实心圆柱体轴杆类锻件 图4 2摇杆传动轴的锻造过程 2 实心矩形断面类锻件 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 3 盘饼类锻件 图4 4三拐曲轴的锻造过程 4 曲轴类锻件 图4 5195型单拐曲轴的全纤维锻造过程 5 空心类锻件 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 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 图4 8平砧镦粗 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 e 对数变形eH 镦粗比KH来表示 图4 9平砧镦粗时变形分布与应力状态 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 区域 难变形区 区域 大变形区 区域 小变形区 变形程度介于区域 与区域 之间 根据镦粗后网格的变形程度分为三个变形区 坯料侧面出现鼓形 可能引起表面纵裂 坯料上下两端出现粗大的铸造组织 坯料内部变形不均匀 晶粒大小不均匀 锻件性能也不均匀 高径比较大的坯料 易产生纵向弯曲 变形失稳 镦粗变形不均匀 坯料容易出现的缺陷 3 为减少缺陷采取的措施 预热模具 使用润滑剂 如玻璃粉 石墨粉等 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 软金属垫镦粗 图4 12软金属垫镦粗 图4 13铆镦 4 铆鐓 叠料鐓粗 图4 14叠料镦粗过程 图4 15套环内镦粗 5 套环内鐓粗适于低塑性高合金钢 图4 16不同高径比坯料镦粗时 4 鐓粗与高径比的关系 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 图4 18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 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 H 环孔斜度 及摩擦条件等 分流面的位置与下列因素有关 3 局部镦粗 图4 19局部镦粗 坯料只在局部长度上产生鐓粗变形 刚端 1 坯料局部鐓粗时 按杆部选择坯料直径2 H头 D0 3 图4 20头大杆细类锻件的局部镦粗 对于头部大杆部细小的杆件 选大于杆部直径的坯料 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 图4 49冲孔时的应力应变简图 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 50冲孔时坯料形状变化的情况 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 2 冲孔坯料尺寸计算 a 冲孔后坯料直径 b 坯料高度的计算 D0 d 5 H0 HD0 d 5 H0 1 1 1 2 H 图4 51冲孔缺陷示意图 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 实心冲孔的优点 D0 d 3 H0 D0 1 5 增大D0 d 小锥度冲子 多次加热 H0 D0 1 5 图4 52空心冲头冲孔 2 空心冲头冲孔 冲直径大于400mm的孔 芯料损失大 1 坯料2 冲垫3 冲子4 芯料 图4 53在垫环上冲孔 1 冲子2 坯料3 垫环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 4 3 4扩孔 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 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 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 一般用于D0 d 1 7 H 0 125D0且薄厚不太薄的锻件 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 利用直径比坯料内孔大的锥度冲子扩大坯料内孔的直径 径向受压 切向受拉 轴向压应力很小 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 1 预冲孔直径d0D 锻件直径 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 K 展宽系数 表4 5锤上芯轴扩孔用最小芯轴直径 一次芯轴扩孔 一般可以换三次芯轴 3 辗压扩孔 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提高10 20 切削加工时间可减少15 25 3 劳动条件好 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 1 如图4 57辗压扩孔的工作原理 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 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 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 3 锻造余块4 检验试样及工艺夹头 图4 64齿轮零件图 5 绘制锻件图 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 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 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 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 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 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 复习 1 自由锻的基本工序有哪些 镦粗 拔长 冲孔 芯轴扩孔 芯轴拔长 弯曲 切割 错移 扭转等 2 按工艺特点 形状特征相同 变形过程相似 分 自由锻件分哪些种类 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3 自由锻工艺规程包含哪些内容 1 锻件图的制订与绘制2 制订变形工艺和确定锻造比3 坯料质量和尺寸的确定 4 选择锻造设备5 确定锻造温度范围 制定坯料加热和锻件冷却规范6 制定锻件的热处理规范7 制定技术条件和检验要求8 填写工艺规程卡片 第五次课 表4 1自由锻工序1 1 自由锻的基本工序有哪些 2 按工艺特点 形状特征相同 变形过程相似 分 自由锻件分哪些种类 1 实心圆柱体轴杆类锻件 3 盘饼类锻件 4 曲轴类锻件 2 实心矩形断面类锻件 5 空心类锻件 5 空心类锻件 6 弯曲类锻件 3 自由锻工艺规程包含哪些内容 1 锻件图的制订与绘制2 制订变形工艺和确定锻造比3 坯料质量和尺寸的确定 4 选择锻造设备5 确定锻造温度范围 制定坯料加热和锻件冷却规范6 制定锻件的热处理规范7 制定技术条件和检验要求8 填写工艺规程卡片 4 4 5制定自由锻工艺规程举例 第五次课 材料 45钢 生产数量 20件 小批量生产 采用自由锻锻制毛坯 1 设计 绘制齿轮锻件图 锻件图是在零件图的基础上考虑锻造余块 加工余量 锻造公差 检验试样及工艺夹头等因素绘制而成的 它是编制锻造工艺 设计工具 指导生产和验收锻件的主要依据 齿轮零件图 齿轮锻件图 1 锻造余块 齿形 狭窄环槽 30小孔难于锻造 加上余块 简化锻件外形便于锻造 2 加工余量和锻造公差 加工余量 由于锻件的尺寸精度和表面粗糙度达不到零件图要求 在零件的机械加工表面必须留有一定的金属层以待机械加工去除 该层金属称为机械加工余量 零件的公称尺寸 加工余量 锻件公称尺寸锻造公差 由于各种因素的影响 锻件的实际尺寸所允许的变动量 根据GB T21470 2008中 圆环类自由锻件机械加工余量和公差 查得 1 锻件外圆的双边余量和公差为a 12 5 mm 2 锻高度方向的的双边余量和公差为b 7 2 mm 3 锻件内孔的双边余量和公差为a 16 7 mm 零件的公称尺寸 加工余量 锻件公称尺寸 3 绘制锻件图 齿轮锻件图 1 锻件形状用粗实线绘制 2 零件形状用双点画线绘制 3 锻件尺寸及公差标注在尺寸线上方 4 零件公称尺寸加括号后标注在尺寸线下方 2 确定变形工艺 1 确定变形工序 用哪些基本变形工序呢 采用哪种的毛坯呢 盘饼类自由锻主要成形工序有哪些 怎样选择孔加工方案呢 教材图4 62 齿轮的自由锻工艺过程 2 各工序坯料尺寸的具体计算 1 鐓粗 A 确定垫环尺寸 取垫环高度H垫 40mm 根据体积不变原理求垫环内径 因为垫环内壁有7 斜度 上面直径大 下面直径小 所以取上端孔径为164mm 下端为154mm 因为自由墩粗的坯料要进行垫环局部鐓粗 所以自由鐓粗后的直径要小于垫环下端内径154mm 取153mm 2 鐓粗 3 垫环局部鐓粗 2 冲孔 冲孔拉缩走样 A 为了防止冲孔拉缩走样 B 为了节省材料 冲孔芯料的损失要小 冲孔直径越小越好 C 应考虑扩孔次数不能太多 所以选用d冲 60mm 2 扩孔 选用d冲 60mm 扩孔量 129 60 69mm 表4 4冲子扩孔每次允许的扩孔量 所以分三次扩孔 扩孔量分别为 19 25 25 3 计算坯料尺寸 1 计算求V锻 2 计算V芯 V0为毛坯体积 为烧损率 取3 5 按锻件公称尺寸计算 齿轮毛坯体积V0为2332122mm3 3 计算V0 4 计算毛坯尺寸 为了防止坯料鐓粗弯曲 下料方便 取D0 120mm 取H0 206mm D0 120mm H0 206mm V0 2332122mm3 毛坯质量G 齿轮的自由锻工艺过程 1 下料 2 鐓粗 3 垫环局部鐓粗 4 双面冲孔 5 冲子扩孔 3次 6 整形 4 选择设备吨位 表4 10自由锻锤锻造能力 教材P74 选0 5T锻锤 选0 5T锻锤 5 确定锻造温度范围 始锻温度1200 终锻温度800 6 填写自由锻工艺卡片 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 图4 21方截面坯料拔长 图4 22圆截面坯料拔长 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 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 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 图4 25芯轴拔长1 上砧2 V型砧3 芯轴4 坯 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 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 图4 26拔长变形前后尺寸关系 a 变形参数 设拔长前变形区的长 宽 高分别为l0 b0 h0 拔长后变形区的长 宽 高分别为l b h 送进量l0 相对送进量l0 b0 压下量 h h0 h 展宽量 b b b0 拔长量 l l l0 图4 26拔长变形前后尺寸关系 图4 26拔长变形前后尺寸关系 b 变形程度表示 以坯料拔长前后截面积之比 锻造比KL表示 KL A0 A h0b0 hb 2 拔长时的变形分析 图4 26拔长变形前后尺寸关系 拔长变形实质 一系列镦粗工序的叠加组合 拔长效率 平砧拔长时 金属的流动受工具的影响 还受两端不变形金属的约束 其轴向变形和横向变形受送尽量l0影响 图4 27轴向与横向变形程度随相对送变化情况 图4 27轴向与横向变形程度随相对送变化情况 当l0 b0 1时 l b 轴向变形量大于横向变形量 当l0 b0 1时 l b 轴向变形量逐渐增大 大于横向变形量 采用小送进量 有利于拔长 但压下次数增加 拔长效率低 相对送进量 l0 b0 0 5 0 8 绝对送进量 l 0 4 0 8 B B为平砧宽度 相对压缩程度 h大时 压缩次数可以减小 可以提高生产率 但对于塑性差的材料 h要控制 对于塑性好的材料 防止翻转拔长时发生弯曲和折叠 相对压缩比 bi hi 2 5 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 拔长的变形与应力分布 图4 29送进量对变形和应力的影响a l0 h011 轴向应力2 轴向变形 A 当每次送进量小 l0 h0 0 5时 拔长变形区为双鼓形 变形集中在上下表面 中心基本不变形因而锻不透 中心受轴向拉应力 B 当每次送进量大 l0 h0 1时 拔长变形区为单鼓形 心部变形大 能锻透 中心受轴向压应力 但鼓形侧表面和棱角受拉应力 图4 30拔长时压下量对变形分布的影响 相对压下量 C 压下量对变形分布的影响 压下量大 变形大 有利于锻合心部缺陷 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 2 型砧拔长的变形特点 用于圆形截面坯料拔长 可以减小坯料横向流动 迫使金属轴向流动 提高拔长效率 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 3 芯轴拔长的特点 两个变形区 A区 直接受力区 和B区 间接变形区 A区金属作轴向和径向流动外端金属对A区金属的切向流动的限制越强 越有利于轴向伸长 t d越大 限制能力越强 t d较小时 可采用V型砧 图4 33芯轴拔长时内壁金属的受力情况 芯轴拔长过程中的质量问题 1 孔内壁裂纹 2 壁厚不均 孔内壁裂纹产生的原因 1 孔径扩大 内壁金属受力弯曲3后受切向拉应力 2 与芯棒长时间接触后温度降低 塑性差 图4 34芯轴拔长 防止裂纹产生的措施 1 预热芯棒250 250度 2 提高终端温度 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 l0 h0 0 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 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 3 坯料拔长时易产生的缺陷与防止措施 图4 36拔长横向折叠形成过程示意图 h 2时 2 表面折叠表面折叠分为横向折叠与纵向折叠 图4 37纵向折叠形成过程示意图 原因 送尽量过小 压下量过大 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