第四章自由锻工序

1、特点：特点： 1）工具简单、通用性强、灵活性大，适合单）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。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）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。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）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。度差，效率低，劳动强度大。自由锻主要工序：镦粗、拔长、冲孔、扩孔自由锻主要工序：镦粗、拔长、冲孔、扩孔第一节第

2、一节 镦粗镦粗1)1)完全镦粗完全镦粗：将坯料竖直放在砧面上将坯料竖直放在砧面上 ，在上砧的锤击下，在上砧的锤击下, , 使坯料产生高度减小使坯料产生高度减小 , , 横截面积增大的塑性变形。横截面积增大的塑性变形。 2)2)端部镦粗端部镦粗：将坯料加热后将坯料加热后, ,一端放在漏盘或胎模内一端放在漏盘或胎模内 , , 限制这一部分的塑性变形限制这一部分的塑性变形, ,然后锤击坯料的另一端然后锤击坯料的另一端, ,使之镦使之镦粗成形。粗成形。 3)3)中间镦粗中间镦粗：用于锻造中间断面大用于锻造中间断面大, ,两端断面小的锻件。两端断面小的锻件。镦粗前镦粗前, ,先将坯料两端拔细先将坯料两端

3、拔细, ,然后使坯料直立在两个漏盘中然后使坯料直立在两个漏盘中间进行锤击间进行锤击, ,使坯料中间部分镦粗。使坯料中间部分镦粗。镦粗分类镦粗分类 : : 一、镦粗的变形分析一、镦粗的变形分析一般坯料：一般坯料：H0/D0=0.82.0。其特点是：其特点是： 外形呈鼓形，即中间直径大，两端直径小。1 1、平砧镦粗变形分析、平砧镦粗变形分析 通过网格实验（对试件变形前后网格的测量和计算）可通过网格实验（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。以看出镦粗时坯料内部的变形是不均匀的。区变形程度最小区变形程度最小难变形区；难变形区；区变形程度最大区变形程度最大大变形区；大

4、变形区；区变形程度居中区变形程度居中小变形区。小变形区。区区：、工具与坯料端面之间摩擦力最大，该区变形十分困、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，称为“难变形区难变形区”。、在接触面上，由于中心处的金属流动还受到外层的阻碍，、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。愈靠近中心部分受到的摩擦阻力愈大，变形愈困难。 、在平板间热镦粗坯料时，与工具结触的上下端金属由于温、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。度降低快，变形抗力大，变形愈困难。区：区：受摩擦的影响小，温度降低也慢，

5、受摩擦的影响小，温度降低也慢，“大变形区大变形区”。应力。应力状态也有利于变形。状态也有利于变形。区：区：受摩擦的影响小，温度降低稍慢，介于受摩擦的影响小，温度降低稍慢，介于、之间，称之间，称为为“小变形区小变形区”。 2 2、不同高径比坯料的镦粗分析、不同高径比坯料的镦粗分析较高坯料：较高坯料： H0/D03.0高坯料：高坯料： H0/D03.0矮坯料：矮坯料：H0/D00.5 二、镦粗工序主要质量问题及防止措施二、镦粗工序主要质量问题及防止措施 锭料镦粗后上、下端常保留铸态组织；锭料镦粗后上、下端常保留铸态组织；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区金属变形程度小、温度

6、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。碎和再结晶，结果仍保留粗大的铸态组织。侧表面易产生纵向或呈侧表面易产生纵向或呈4545度方向的裂纹；度方向的裂纹； 区变形大，区变形大，区变形小，区变形小，区金属向外流动时便对区金属向外流动时便对区金属作用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，常在侧表面产生材料由于抗剪切的能力弱，常

7、在侧表面产生4545方向的裂纹。方向的裂纹。 高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲。高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲。 控制高径比：圆钢控制高径比：圆钢H/D不超过不超过2.53，方形或矩形截面毛坯的高径比，方形或矩形截面毛坯的高径比不大于不大于3.54。主要质量问题：主要质量问题：1 1、使用润滑剂和预热工具、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，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为防止变形金属很快地冷却，镦粗用的工具均应预热200200300300。2 2、采用凹形毛坯、采用凹形毛坯 锻造低

8、塑性材料的大型锻件时，镦粗前将坯料压成凹形，可以明显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。分量产生，对侧表面的纵向开裂起阻止作用。防止措施防止措施:3 3、采用软金属垫、采用软金属垫 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；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

9、大，厚度变薄，温度降低，变形抗力增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。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。变形，故不再保留铸态组织了。 热镦粗大型和较大型的低塑性材料

10、锻件时，在工具和坯料之间放置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）；一块温度不低于坯料温度的软金属垫板（一般用碳素钢）；4 4、采用叠镦和套环内镦粗、采用叠镦和套环内镦粗5 5、采用反复镦粗拔长的锻造工艺、采用反复镦粗拔长的锻造工艺 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。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

11、的径向压在套环内镦粗：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。力来减小由于变形不均而引起的附加拉应力。 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。比较均匀。 第二节第二节 拔长拔长 使坯料横截面积减小而长度增加的成形工序使坯料横截面积减小而长度增加的成形工序叫叫拔长拔长。用于：轴杆类零件；改善锻件内部质量。用于：轴杆类零件；改善锻件内部质量。矩形截面坯料拔长矩形截面坯料拔长圆截面坯料拔长圆截面坯料拔长空心坯料拔长空心坯料拔长 当毛坯沿轴向逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦

12、粗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。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（进料长度矩形截面拔长时，当相对送进量（进料长度L与宽度与宽度a之之比，即比，即L/a，也叫进料比）较小时，金属多沿轴向流动，轴，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；随着向的变形程度较大，横向的变形程度较小；随着L/a的不断的不断增大，轴向变形程度逐渐减小，横向变形程度逐渐增大。增大，轴向变形程度逐渐减小，横向变形程度逐渐增大。拔长变形特点：拔长变形特点： 由于拔长是通过逐次送进和反由于拔长是通

13、过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形，所以它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。因此，在保证锻件质量的前提下，应尽可能提高拔长的效率。，应尽可能提高拔长的效率。拔长变形分析拔长变形分析2 2）相对送进量（）相对送进量（l/l/h h） 1）相对压缩程度）相对压缩程度n 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

14、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次压缩后应保证an/hn0.5hL0.5h）时，轴心部分变形大，处于三向压应力状）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。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（当送进量过大（LhLh）和压下量也很大时，此处可能因展宽过多而产生）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。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

15、，外同时，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。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。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。1 1）送进量的影响）送进量的影响 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拔长高合

16、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。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，区金属向轴心方向移动，B区金区金属带着靠着它的属带着靠着它的b区金属向增宽方向流动，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两区的金属向着两个相反的方向流动；向流动； 当坯料翻转当坯料翻转90再锻打时，再锻打时，a、b两区调换了一下，但其金属的流动仍沿两区调换了一下，但其金属的流动仍沿着两个相反的方向，因而着两个相反的方向，因而DD1和和EE1便成为两部分金属最大的相对移动线，附便成为两

17、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，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；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

18、快地沿对角线开裂沿对角线开裂小节：送进量较大时，坯料可以很好地锻透，而且可以焊小节：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，因为好，因为l/h过大时，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹的过大时，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹的可能性也增大。可能性也增大。 L1.7和和H0.125D的壁不太薄的锻件。扩孔前的壁不太薄的锻件。扩孔前坯料的高度尺寸坯料的高度尺寸 H1=1.05H，（锻，（锻件高度）件高度）二、芯轴扩孔二、芯轴扩孔1）变形实质相当于毛坯沿圆周方向拔长。毛坯与工具（芯轴）接触弧长）变

19、形实质相当于毛坯沿圆周方向拔长。毛坯与工具（芯轴）接触弧长是变形区的长度，毛坯的高度是变形区的高度，按最小阻力定律，金属是变形区的长度，毛坯的高度是变形区的高度，按最小阻力定律，金属主要沿毛坯切向流动，高度方向流动很少，因此，芯轴扩孔时随着壁厚主要沿毛坯切向流动，高度方向流动很少，因此，芯轴扩孔时随着壁厚减薄，内外径同时扩大，高度稍有增加。芯轴扩孔时变形区金属主要沿减薄，内外径同时扩大，高度稍有增加。芯轴扩孔时变形区金属主要沿切向流动，并增大内外径。切向流动，并增大内外径。a、变形区沿切向的长度远小于宽度（锻件的、变形区沿切向的长度远小于宽度（锻件的高度）；高度）；b、芯轴扩孔的锻件一般壁较薄

20、，故外端对变、芯轴扩孔的锻件一般壁较薄，故外端对变形区金属切向流动形区金属切向流动 的阻力远比高度方向的的阻力远比高度方向的小；小；c、芯轴与锻件的接触面呈弧形，有利于金属、芯轴与锻件的接触面呈弧形，有利于金属沿切向流动。沿切向流动。2）变形区金属受三向压应力，故不易产生裂纹破坏。因）变形区金属受三向压应力，故不易产生裂纹破坏。因此，芯轴此，芯轴 扩孔可以锻制薄壁的锻件。扩孔可以锻制薄壁的锻件。3）扩孔用的芯轴，相当于一根受均布载荷的梁，随着锻）扩孔用的芯轴，相当于一根受均布载荷的梁，随着锻件壁厚的减薄，芯轴上所受的均布载荷变大（锻件高度增件壁厚的减薄，芯轴上所受的均布载荷变大（锻件高度增加）。为了保证芯轴的强度和刚度，以及不会使锻件内壁加）。为了保证芯轴的强度和刚度，以及不会使锻件内壁形成梅花压痕，芯轴直径应随孔径扩大而增大。形成梅花压痕，芯轴直径应随孔径扩大而增大。三、辗压扩孔三、辗压扩孔 环形坯料套