锻造工艺学4自由锻主要工序分析

1第四章自由锻主要工序分析2齿轮（盘形件）：某省市料34-1镦粗一、定义使坯料截面增加，高度减小的锻造工序。4二、用途1)由高径比大的坯料得到高径比小的锻件；2)在冲孔之前增大坯料截面并平整端面；3)提高下一步拔长工序的锻造比；4)提高锻件的横向机械性能，减小机械性能的异向性；5)反复镦拔可打碎合金工具钢中的碳化物，并使其均布。5三、金属变形流动特点变形的不均匀性（变形分布不均匀，变形不同时性）。

变形不均匀的形成原因：坯料上下端接触模具处的摩擦阻力及模具对工件的冷却。61、网格变化注意观察网格的变化：镦粗过程中坯料的侧表面逐渐向上翻转成为端面。7变形的分区82、变形分区1)困难变形区（I区）该区域由于存在摩擦且低，不屈服条件，很难产生塑性变形。92)区（II区）

该区域在III区的包围下变形，受强大的三向压应力作用生塑性变形，铸态组织被充分打碎，再结晶充分（变形是再结晶的动力），得到细晶锻态组织，锭料中原有孔隙被焊合。103)变形居中区（III区）

该区域相当于一个受内压的圆环，该内压来自于II区的作用，在内压的作用下，该区域裂。113、变形不均的后果组织不均匀，表面裂纹12四、主要质量问题1)上下端部分保留铸态组织；2)表面纵向裂纹或45度方向裂纹；3)失稳弯曲，发展成折叠。13141516五、解决措施I区：润滑（摩擦）；预热工具（低温）；软金属垫（难变形）；III区：套环镦粗（内胀、纵裂）；铆墩、叠镦、擀铁→凹形毛坯（鼓肚）。1718六、其它镦粗形式前面讲的主要是针对一般坯料(高径比H/D=0.8~2）的镦粗，而高坯料（H/D≥3）或矮坯料（H/D≤0.5）的镦粗，还有一些不同于一般坯料的特点）。191、高毛坯镦粗●变形的特点：

1)形成双鼓形；

2)弯曲，进而可能发展成为折叠。202122●双鼓形成的原因：

1)坯料与模具之间的摩擦，困难变形区象楔形刚性块向下运动，造成坯料两端的应力为一拉一压，屈服条件而产生塑性变形

2)惯性（锤上锻时，上部金属流动速度快）。232、矮毛坯镦粗

按变形程度大小也可分为三个区域，但变形较均匀。243、圆环镦粗

1)无摩擦时，圆环均匀压缩，均匀向外流动，其内径、外径均增大;2)摩擦很大时，与模具表面接触的金属象“粘”在模具上一样不能流动，结果部分金属向内流动，部分向外流动，造成内径减小（向内凸），外径增大（向外鼓）；253)摩擦介于二者之间时，与模具表面接触的金属也能流动。

向内、向外流动的金属之间存在着一个分界面，这就是“中性层”。中性层的径向流动速度为零，且其位置是随时间变化的。M=0M=0.9M=0.45M=0.9M=0.4529

思考：中性层半径与摩擦系数之间的关系？30圆环压缩应力分析：质点受三向压应力作用。其中环向应力对微元体有一个沿径向向外的分力，该力与金属向内流动时摩擦力的方向相同，共同阻碍金属向内流动，所以中性层以内的金属较少，更多的金属则位于中性层以外。314、反复镦拔工艺（打碎网状碳化物）

●单向镦拔●双向镦拔（十字镦拔）●三向镦拔（双十字镦拔）325、矩形坯料镦粗矩形截面在镦粗过程中的变化趋势：

由此引出下一个问题：“塑性变形时金属流动的方向”……

逐渐由矩形向圆形过渡（趋圆）。336、塑性变形时金属流动的方向古布金的最小阻力定律矩形坯料、方形坯料金属流动的方向分三种情况：●摩擦很大时金属沿最短的路径流动；●无摩擦时金属均匀向外流动；●一般摩擦时金属的流动介于二者之间。34

由此可推知在有摩擦的情况下要想增加某个方向的尺寸，必须使多数金属向这个方向流动。

由此引出下一节的内容“拔长”……354-2拔长一、定义使坯料长度增加而截面减小的工序，分为矩形截面、圆截面及空心坯料的拔长。36二、受力及变形特点局部加载、局部受力、局部变形。371、变形特点与镦粗的异同变形区的变形和流动与镦粗相近（变形分区、变形分布），但又区别于自由镦粗：

拔长是两端带有不变形区域（外端）的镦粗，金属的变形流动既受工具的影响（摩擦、降温），又受外端的影响（限制横向展宽）。382、外端及外端对变形区的影响外端：与变形区相连但又不变形的区域外端对拔长时金属变形流动的影响：

限制横向展宽，有利于金属轴向流动39三、矩形截面拔长的生产率1、压下量的确定

压下量大，压缩次数可减少，生产率高，但必须考虑下面两个因素：⑴考虑金属的塑性⑵考虑翻转90度再压时坯料是否弯曲，应保证宽度与高度之比a/h<2.5。（拔长要打击多次，以消除鼓肚和满足截面尺寸）40412、送进量的确定●送进量小，金属向流动，但压缩次数多；●送进量大，金属不向流动，但压缩次数少通常送进量l=(0.4~0.8)b，b平砧的宽度42四、矩形截面拔长可能出现的质量问题、产生原因及解决方法1、表面横向裂纹原因：上表面：由于外端的影响，变形区拉着外端变形，变形过度则开裂；侧表面：鼓肚发展成裂纹43措施：上表面：控制压下量、凸弧砧；侧表面：控制压下量442、角裂(主要出现在高合金工具钢、耐热合金)

合金成分复杂、塑性差、导热性差←┚原因：引起塑性下降措施：操作时注意经常倒角453、对角线裂纹原因：对角线附近强烈的剪切变形。●热成形塑性功转化为热量，可能过烧；●未热透或冷成形工件，因强烈的剪切变形和加工硬化，造成开裂。4647484950措施：“两轻一重”打击法●在始锻及接近终端轻击；●在900~1050℃刚材塑性好时重击，打碎钢中的大块碳化物；●避免在同一个地方反复重击。514、倒角时的裂纹（对角裂纹）原因：不均匀变形、附加拉应力措施：轻击、圆形砧内倒角525、横向裂纹原因：变形不均引起附加拉应力措施：增加送进量536、折叠原因：1）送进量过小造成只有表层变形；

2）压下量过大翻转90度打击时，由弯曲发展成折叠。措施：增加送进量、控制压下量5455567、端面内凹原因：送进量过小造成只有表层变形措施：增加送进量578、锻不透（镦粗、拔长）└→变形难以深入到金属原因：送进量过小造成只有表层变形由于钢锭轴心部分有疏松、气孔、微裂纹等缺陷，钢锭越大缺陷越严重，若锻不透则不能消除这些缺陷，影响锻件质量。58措施：⑴采用宽砧、大送进量，用走扁方的方法进行锻造；⑵表面降法（中心压实法）。使心部处于高水压状态，焊合缺陷。59五、圆截面拔长可能出现的质量问题、

产生原因及解决方法1、纵裂原因：附加拉应力+困难变形区（刚性楔子）的作用606162措施：⑴圆→扁、方→圆；⑵型砧拔长（摔子，限制横向流动）。圆形砧V形砧632、其余质量问题同矩形截面拔长64六、空心件拔长减小坯料外径，增加其长度，也叫芯轴拔长。图中A区为直接受力区，B区为间接受力区。65思考：空心件为何不？661、外端对变形的影响●外端的存在限制了A区的切向流动，有利于金属的轴向流动，这是对拔长有利的；●无外端则变成扩孔（椭圆形孔）；●A区轴向流动时又拉着外端一起伸长。672、质量问题：孔壁裂纹（尤其是在端部）原因：经一次压缩后内孔扩大，转一定角度再压时，孔壁与芯轴间存在间隙，在弯矩的作用下，产生切向拉应力导致开裂。切向流动越多越。注意：坯料端部更容孔壁裂纹（该处外侧无外端限制、间隙大、）6869措施：1）用V型砧；2）提高此处终锻预热芯轴;3）提高相对壁厚t/d（t为空心件壁厚，d为芯轴直径)。

t/d越大对金属切向流动的限制越强，一般说来：●t/d>0.5采用上平下V，●t/d<=0.5采用上V下V；70两端首先拔长？714-3

冲孔72压下量9mm压下量15mm压下量30mm73一、定义在坯料上制透孔或不透孔的工序。冲孔一般属于局部加载、整体受力、整体变形。二、冲孔的受力与变形分析1、各区域的应力应变状态可将坯料分为直接受力区（A区）和间接受力区(B区)，各区域的应力应变状态如图所示。7476A区：变形近似于在环形金属（B区）包围下的镦粗，处于三向受压的应力状态，具有镦粗的一些特点。由于摩擦及作用力的分散等因素的影响，A区金属不是同时进入塑性状态的，当坯料较高时，随着冲头的下移，变形区也逐渐下移（变形逐渐由上往下发展）。77B区：

B区的变形主要是由A区的变形引起的，该区域内层最塑性条件，所以变形从内向外逐次进入塑性状态，而随着冲头的下移，该区域的变形也逐渐由上向下发展。782、冲孔力的大小与自由镦粗进行比较。793、坯料轴向（Z方向）尺寸的变化●D/d较小，则εz<0，轴向缩短（“拉缩”）●D/d较大（D/d≈5），则εz≈0，轴向尺寸基本不变●D/d很大，则εz>0，轴向尺寸增大（坯料内侧高度增加）其中，D为坯料直径，d为冲头直径。804、冲孔前坯料高度H0的确定●D/d<5，则H0=1.1～1.2H●D/d≥5，则H0=H为何不取H0<H？81三、冲孔质量分析1、走样现象：冲孔后使坯料高度下降，外径上小下大，上端凹进，下端凸出。为减小走样，应使D0/d≥3。822、裂纹●外侧表面的裂纹

A区金属向外流动，迫使B区外径扩大，使外层金属受到切向拉应力作用而开裂。

D/d越小越容，为保证质量，一般要求D0/d≥3。对大型锻件进行冲孔时，若孔径较大（大于φ450mm），一般要采用空心冲头。8384●内孔圆角处开裂：胀裂（考虑、冲头锥度）853、孔冲偏原因：●冲头放偏；●冲头圆角锥度不均；●坯料性质不均；●坯料过高（应使H0/D0≤1.5，通常取：

H0/D0≤1）。864.4扩孔一、定义指减小空心坯料的壁厚，增加其内外径的工序。87二、常用的扩孔方法1、拔长类扩孔●芯轴扩孔（孔）●辗压扩孔

这类扩孔的变形特点类似于拔长。88辗轧轮芯辊工件89宽度方向与切向方向的速度大小对比图91●芯轴扩孔（孔）变形过程中金属主要沿环向流动，这是因为（根据矩形截面拔长进行分析）：⑴变形区沿环向的尺寸大，沿轴向的尺寸小⑵壁厚及外端对切向流动的阻力小⑶辗压轮呈弧形，有利于金属的切向流动92出现质量问题1、壁厚不均产生原因：坯料加热不均，锤击轻重不均，或转动时送进量不均等。解决办法：在芯棒上焊接一壁厚等于锻件壁厚的圆环作为挡铁。93●辗压扩孔应力应变状态与孔相同，不同之处在于辗压扩孔中工具是旋转的，变形连续进行，且有表面变形的特点，断面凹坑。凹坑（鱼尾）主要原因是环件壁厚与接触弧长(环件与轧辊接触