金属属性成型工艺

1、第三章 自由锻成形第一节 自由锻的分类第二节 自由锻工艺方法第三节 自由锻件变形方案的确定第四节 自由锻工艺过程的制订1自由锻成形：利用简单的工具如平砧、型砧等，在自由锻设备的冲击或压力作用下，使加热好的坯料变形获得所需几何形状及性能的锻件的方法，称为自由锻成形。适用场合：单件、小批量生产；大型锻件生产。优点：工艺灵活，适用范围广，设备简单。缺点：加工余量大，劳动强度高，工作环境差。2自由锻件的分类 自由锻是通用性很强的工艺方法，它可以锻造出多种多样的锻件，锻件复杂程度差别很大，为便于安排生产和制定工艺规程，应按锻造工艺特点将锻件分类，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

2、按工艺特点分为七类：第一节 自由锻件的分类3第类：包括光滑的实心圆柱体和有台阶的实心圆柱体锻件。这类锻件包括各种传动轴、推力轴、机车轴、偏心轴、立柱，其它如螺栓、铆钉等也属于这一类。如图3-1a。 图3-1a 自由锻件分类图 4第类：包括各种实心的矩形断面锻件，例如方杆、砧块、锤头、模块、方铁，各类连杆、摇杆、杠杆等，如图3-1b。图3-1b 自由锻件分类图5 图3-1c 自由锻件分类图第类：包括各种曲轴和曲柄轴如图3-1c。6 图3-1d 自由锻件分类图第类：包括各种带孔和不带孔的盘形锻件，如圆盘、凸缘盘、汽轮机叶轮、齿轮等3-1d。7 图3-1e 自由锻件分类图第类：包括各种空心锻件，例如

3、圆环、空心容器、圆筒、炮筒、汽缸、空心轴等。如图3-1e。8 图3-6 自由锻件分类图第类：包括各种弯曲的锻件如各种吊钩、弯杆、铁锚、船尾架、船架等如图3-1f。9 图3-7 自由锻件分类图第类：包括其它各种复杂形状的锻件，例如高压容器的封头、十字头、半角、吊环螺钉等如图3-1g。10第二节 自由锻工艺方法 自由锻造的工艺方法包括基本工序、辅助工序和修整工序。基本工序有镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转、错衣、切割及锻焊等。辅助工序是配合基本工序使坯料预先变形的工序，如钢锭倒棱、分段压痕、预压钳把等。修整工序安排在基本工序之后，用于修整锻件的形状。 因此，自由锻造的工艺顺序为：辅助工序-基本工

4、序-修整工序。11一、镦粗镦粗：使坯料高度减小，横截面积增大的锻造工序。局部镦粗：在坯料局部进行的镦粗，称为局部镦粗。1213镦粗的过程：1.坯料高度减小的同时，侧面变成鼓形，如图3-2所示。2.坯料在镦粗过程中，分为三个变性区，如图3-3所示。第变形区：受三个方向的压应力。第变形区：受三个方向的压应力。第变形区：受两个方向压应力及一个方向拉应力。原因：坯料与上、下砧子接触的部分降温快，变形抗力大；坯料上、下端面在径向方向变形时与砧面存在摩擦。以上原因导致坯料上、下端面变形缓慢。3.第变形区拉应力的负面影响：材料塑性差时，侧面容易出现裂纹。144.高径比：坯料高度H与直径D之比。 （1）H/D

5、3时，坯料镦粗后容易出现双鼓形。其原因在于，打击能量首先被坯料上、下两端金属吸收，上、下两端变形大，中间变形小。 （2）H/D3时，坯料容易产生纵向弯曲。 （3）通常， H/D=0.82.0。5.适用场合：锻造盘饼类锻件；冲孔前增加截面积；平整锻件；提高锻造比；提高力学性能，减小力学性能的方向性。6.锻造比：拔长或墩村前后锻件的截面比或高度比。若经过多次锻造，则总锻造比为多次锻造比之和。0-代表锻造前参数，1-代表锻造后参数。1516二、拔长拔长：使坯料横截面积减小而使长度增减的锻造工序，称为拔长。拔长按照坯料截面形状不同分为矩形断面拔长、圆形断面拔长和心轴拔长三种。拔长工艺参数：送进量和压下

6、量。拔长主要问题：生产率和质量。171.矩形截面拔长 （1）相对进送量：送进长度l与坯料宽度a之比。 （2）绝对进送量：送进长度l与型砧宽度b之比。 相对进送量小，金属沿着轴向流动多；但是过小时，会增加送进次数。 绝对进送量过小时，坯料上部和下部变形大，中间变形小，中间部分受轴向拉应力，在拔长锭料或低塑性毛坯时，容易产生横向裂纹，如图36、38所示。 18 绝对送进量较大时，拔长高合金钢材料并在同一部位反复重击，经常由于金属沿着对角线的激烈相对流动，从而产生对角线裂纹。如图39、37所示。 经验表明，l/h=0.50.8较为合适。19 （3）拔长翻料方法：大坯料，先沿着一面压一遍；小坯料，可以

7、采用左右90C来回翻料方法即可。2.圆端面坯料拔长 （1）平砧拔长。容易产生裂纹，如图311、312、313所示。20 （2）型砧拔长，如图314所示。 （3）芯轴拔长，如图315所示。2122三、冲孔冲孔：将坯料冲出透孔或不通孔的锻造工序称为冲孔。 （1）走样：冲孔时毛坯高度减小，外径上小下大，而且上端凹进，下端凸出的现象，称为走样。走样与D/d有关，比值越小，走样越明显，一般取D/d0.3。23 （2）裂纹。低塑性材料的内孔圆角处和外侧表面容易产生裂纹，如图3-18所示。该种现象与D/d有关。一般取D/d2.53。24四、扩孔扩孔：减小空心坯料壁厚而增加其外径的锻造工序，称为扩孔。常用的扩

8、孔方法有冲头扩孔和马杠扩孔。如图319,320所示。25五、弯曲弯曲：将毛坯弯成所规定的形状的锻造工序，称为弯曲。弯曲的方法分为角度弯曲和成形弯曲。多次弯曲时，先从端部以及与直线相连接的部位开始弯曲。然后在弯曲其他部分。26六、扭转扭转：将坯料的一部分相对另外一部分扭转一定角度的工序称为扭转。如图324所示。七、错移错移：使坯料一部分相对另一部分错开，但仍然保持轴线平行的工序称为错移。如图325所示。27 第三节 自由锻件变形方案的确定1.变形方案要考虑的因素 各基本工序变形和流动的特点 锻件的基本特点和技术要求 工人操作经验、生产管理水平、车间设备条件、工具辅具情况 坯料供应状态生产批量大小

9、 根据以上情况全面考虑工艺方案的可能性，锻造质量的可靠性和经济上的合理性。282.不同形状锻件的变形方案的确定 由于长期实践经验的积累，对某些典型锻件的成型过程已渐趋一致，或者可能有的几个方案也大致已定，掌握这些基本知识，结合实际工作经验就可以掌握任何锻件变形方案的制定。 、类锻件的变形工艺：(长轴或方形截面的杆类)主要采用拔长变形工艺，当坯料直接拔长不能满足锻比要求时，或锻件要求横向力学性能时，则应采用镦粗拔长变形工艺。图3-26、 3-27为这类件的锻造过程。29图3-26 传动轴的锻造过程1-下料 2-拔长 3-镦出法兰 4-拔出锻件要给学生解释出为什么不能直接拔长获得。图3-27 摇杆

10、的锻造过程1-下料 2-扁方拔长 3-切扣大、小头 4-大头冲孔杆部压槽 5-小头冲孔切头图在工序2要先夹住一端，将其余部分锻扁；然后将中间部分翻转拔长；掉头，将另一端锻扁，然后模具锻圆。30 第类(曲轴类)锻件的锻造变形工艺 ：对于第类锻件其基本工序有拔长、错移和扭转。锻造曲轴时尽可能采用那些不切断纤维，不使钢锭中心部的材料露出表面，不扭转或扭转角度不大的方案，当批量较大和条件允许时，应尽可能采用全纤维锻造。图3-28为三拐曲轴的锻造过程，图2-1-50是H5型单拐曲轴的全纤维锻造过程。图3-28 三拐曲轴的锻造过程 1-下料 2-压槽（卡出段） 3-错移、压出拐扁方 4-压槽（、分段） 5

11、-压出、拐扁方 6-压槽（、与曲端分段）7-摔出中间、两端轴颈 8-扭转，、拐各扭3031W 3233第类(饼块类)锻件的变形方案: 一般均以镦粗成型。当锻件带有凸肩时，可以根据凸肩尺寸，选用垫环镦粗或局部镦粗，如锻件有孔且可以冲击时，还需采用冲孔工艺。图3-3034第类(空心类)锻件的变形工艺 :该类锻件一般均需镦粗、冲孔。有的稍加修正就可达到锻件尺寸，有的需扩大其内外径(图3-31)，有的还需芯轴拔长(图3-32)，以增加其长度。图3-3135图3-3236至于采用哪种变形方案，这将取决于锻件几何尺寸的相互关系，空心锻件主要尺寸是D、d及H，编制工艺时，可根据尺寸参照图3-33选择制定。图

12、3-3337 第类(弯曲类)锻件的锻造方案： 其基本工序是弯曲。弯曲前的制坯工艺一般采用拔长。当锻件有多处弯曲时，其弯曲次序是先弯端部及弯曲部分与直线部分交界处，然后再弯其余的圆弧部分。 为保证尺寸精确，并提高生产率，建议在生产中多采用垫模。 图3-35 20t吊钩的锻造过程 1-下料（105kg），2-用摔子拔杆并调头 拔头部 ，3-弯曲头部 4-弯曲根部，5-旋转180弯曲根部，6-弯曲端部， 7-弯曲中部 8-直立镦弯，9-锻出斜面。 38W 39图3-36 卡瓦的锻造过程1-下料（120kg） 2-压槽卡出两端 3-拔长中间部分 4-弯曲左端圆弧 5-弯曲右端圆弧 6-弯曲中间圆弧40

13、 第类(复杂形状类)锻件的变形方案： 该类锻件的锻造难度较大，应根据锻件的形状特点采用适当工序组合锻造。41第四节 自由锻工艺过程的制订 本节为本课程第一个重点及难点。 自由锻工艺过程的内容包括 （1）根据零件图绘制锻件图。 （2）确定坯料重量和尺寸。 （3）确定变形工艺和锻比。 （4）选择锻压设备。 （5）确定锻造温度范围、加热和冷却规范。 （6）确定热处理规范 （7）填写工艺卡片等。 在制定自由锻工艺过程，应结合生产条件、设备能力和技术水平等实际情况，力求经济上合理、技术上先进，以确保正确指导生产。42一、锻件图的制定 锻件图是编制锻造工艺、设计工具、指导生产和验收锻件的主要依据，也是联系

14、后续加工工艺的重要技术资料，它是根据零件图，考虑了加工余量、锻件公差、锻造余块、检验试样及工艺卡头等绘制而成的。1.机械加工余量 一般锻件的尺寸精度和表面光洁度达不到零件图的要求。所以锻件表面上留有供机械加工用的金属层称为机械加工余量(简称余量) 余量的大小取决于零件的形状、尺寸和加工精度表面粗糙度要求锻造加热质量设备工具精度操作技术水平等。 零件的公称尺寸加上余量，即为锻件公称尺寸。对于非加工面则无需加放余量。非加工表面，也称为“黑皮”。432.锻造公差 锻造生产中，由于各种因素的影响，锻件的实际尺寸达不到公称尺寸，允许有一定的误差，称为锻造公差。 锻件实际尺寸大于其公称尺寸的部分称为上偏差

15、(正偏差)，小于其公称尺寸的部分称为下偏差(负偏差)。锻件无论是否需机械加工的部分都应注明锻造公差，通常锻造公差为余量的1/31/4。44 机械加工余量与锻造工差的关系，如图3-37所示，余量和公差的具体数值可查阅有关手册。图3-37 锻件的各种尺寸和余量公差 453.锻造余块 为简化锻件外形或锻造工艺需要，在零件上较小的孔、狭窄的凹挡，直径差较小而长度不大的台阶(图3-18)等难于锻造的地方，都需填满金属，这部分金属叫做锻造余块。4.试样余块 除按锻造工艺要求加放余块外，对于有特殊要求的锻件，尚需在适当位置添加试样余块，如供检验内部组织和力学性能试验用余块，热处理或机械加工用夹头等。 可见，

16、当考虑了锻造成型特点和各种工艺余块之后，所设计的锻件形状与零件形状往往不一样。46 图3-18 锻件的各种余块475.锻件图 当余量、公差、余块等确定后，便可绘制锻件图。锻件图上的锻件形状用粗实线描绘，为了便于了解零件形状和检查锻后的实际余量，在锻件图内用虚线画出零件简单形状，锻件的尺寸和公差标注在尺寸线上面，零件的尺寸加括号，标注在尺寸线下面。 如锻件带有检验试样，热处理夹头时，在锻件图上应注明其尺寸和位置，在图上无法表示的某些条件，可以技术条件方式加以说明。4849锻件的机械加工余量与公差锤上钢质自由锻件的机械加工余量与公差 锤上钢质自由锻件的机械加工余量与公差(GB/T15826.1 1

17、995)适用于含碳量不超过0.9%和其他合金成分总含量不超过4%的碳素钢和合金钢的自由锻件。示图见图3.12。50标准中术语余块：指为简化锻件外形及锻造过程，在锻件的某些地方加添一些大于机械加工余量的金属。法兰：指在锻件上长度与直径比小于0.5倍，且此直径比其相邻直径均大于1.5倍的台阶。凹档：指在锻件上直径（或非圆形锻件的截面尺寸）小于其邻接两部分直径（或截面尺寸）的部分。机械加工余量与公差的等级等级分为两个：E级和F级。F级：用于一般精度锻件；E级：用于较高精度的锻件。E级往往需要特殊的工具和增加锻造费用，因此用于较大批量生产。51自由锻件的形状与位置公差无特殊要求时，均不得大于GB/T1

18、5826规定的公差值。GB/T15826的机械加工余量适合于轧材锻造的零件。采用钢锭锻造时，余量与上偏差（内孔和凹档为下偏差）允许按标准的数值增加50%。余量不包括机械加工夹头、热处理夹头、理化检验用料及最终热处理（调质等）要求粗加工的余量。这些余量应按需方另外增加。轴类零件（包括光轴、台阶轴和曲轴），锻件的长度尺寸可以按照3去3入，7退8进的原则，将尾数化整为0或5mm。锻件图的绘制方法如下图3-13所示，锻件的外形用粗实线表示，零件的轮廓线用双点划线表示。锻件的基本尺寸和公差标注在尺寸线52上面，零件的尺寸标注在尺寸线下面的括号内。53薄壁型圆环件 即零件尺寸符合 时，锻件的余量和公差按表

19、查出后，按照下列要求适当增加：1.要求F级锻件精度的零件，按表的余量增值系数f增加其高度H和内径d的余量，而外径的余量和公差不增加。2.要求E级锻件精度的零件，按表的余量增值系数f增加其外径D，高度H和内径d的余量。3.余量按增值系数增加后的锻件尺寸，其公差也要增加，公差的增值系数均为1.2。上述尺寸增加的数值以毫米为单位均按四舍五入化整。54表3-7 锤上钢质盘、柱类自由锻件机械加工余量与公差（GB/T15826.2-1995）5556表3-8 带孔圆盘类自由锻件机械加工余量与公差（GB/T15826.3-1995）575859606162636465666768例题1如图所示双联齿轮，批量

20、为10件/月，材料为45钢，试绘制锻件图。解题：（1）分析图纸。双联齿轮为全加工，总计7个加工 尺寸。 （2）直径25mm的孔不能锻出，需要加余块；直径53mm，高度为6mm的凹档不能锻出，需要合并在直径64mm部分，需要加余块。因此零件图上有4个尺寸需要配给加工余量：直径96mm，直径64mm，高度39mm，高度12mm。 （3）具体配置情况如下。根据GB/T15826.1-1995之锤上钢质盘、柱类自由锻件机械加工余量与公差规定，对于F级锻件，有： 直径96mm，高度39mm配给的机械加工余量为62， 62，因此以上尺寸为直径1032mm，452mm。69 12mm高度配给机械加工余量为6

21、2，因此该尺寸为182mm。 直径64mm配给机械加工余量为62，因此该尺寸为直径722mm。 锻件图如图所示。70例题2如图所示双联齿轮，试绘制锻件图。与同学一起做，并纠正 由于标准不同带来的误差。71例题3如图所示为齿轮轴，批量为15件/月，材料为40Cr，试绘制锻件图。72解题：（1）分析图纸。图纸上共有13个加工尺寸。 （2）直径35mm与直径30mm的台阶高度为2.5mm，根据GB/T15826.7-1995不具备锻出条件，可以加余块并入道直径35mm部分，平台也不能锻出。直径70mm与左侧直径35mm台阶高度为17.5mm，台阶长度20mm，也不符合锻出条件，可以合并到直径70mm

22、直径一体，但是如果现场条件具备，也可以锻出。直径70mm与右侧直径35mm部分可以锻出（最小锻出条件为70mm）。因此，零件图上有5个尺寸需要配给机械加工余量：直径70mm，直径35mm，台阶长度20mm，20mm，总长160mm。 （3）具体配置情况如下。根据GB/T15826.1-1995之锤上钢质台阶轴类自由锻件机械加工余量与公差规定，对于F级锻件，有：73 总长160mm配给93，总长为1786mm。 直径70mm配给93，为793mm；直径70mm台阶长度为20mm，配给93，为386mm； 直径35mm两处均配给93，为443mm；两处台阶的长度，左侧不变，右侧服从总长度。 锻件图

23、如下图所示。74w75W 76w77w78w79w80w81w82w83w84w85w86w87w88w89w90 1.坯料重量的计算 坯料重量m坯(Kg)应包括锻件重量和各种损耗重量 m坯=(m锻+m芯+m切) (1+%)或者： m坯= (1+K)m锻K值：实心圆盘类：2%3%；阶梯轴：8%10%；空心类：10%12%。自由锻用原材料有两种钢材、钢坯多用于中小型锻件钢锭主要用于大中型锻件。二、确定坯料重量和尺寸91 G锻锻件重量，由锻件公称尺寸计算而得 G芯冲孔芯料损失，取决于冲孔方式，冲孔直径和坯料高度（H0）具体计算为： 实心冲孔m芯（1.181.57）d2H0空心冲孔m芯（4.324.

24、71）d2H0垫环冲孔G芯6.16 d2H0m切锻件拔长端部由于不平整而应切除料头的重量（Kg）它与锻件拔长后的直径（D）或截面宽度（B），高度（H）有关，计算公式为：圆形件m切（1.651.8）D3矩形件m切（2.22.36）B2H 采用钢锭锻造时，为保证锻件重量，还应考虑必须切除的钢锭冒口和锭底的重量。92 表3-1 采用不同加热方法时钢的一次烧损率 炉 型 烧损率（%）炉 型烧损率（%）室式炉（煤炉）2.5-4电阻炉 1-1.5油炉2-3接触电加热和感应加热 1.53.0汽轮机转子发电机转子轴身轴身3.5-6.03.5-6.0水轮机主轴法 兰辊 身最好1.52.5汽轮机叶轮旋翼轴、涡轮轴

25、轮 毂法 兰4.0-6.06.0-8.0水压机立柱最大截面3.0航空用大型锻件最大截面6.0-8.0 表3-2典型锻件锻造比 104例题8计算例题6中的锻造比并制订锻造工艺。解题：KL=H0/H1=80.67/45=1.792锻造比不符合表3-2的规定，应该重新选择坯料尺寸。取KL=2.5，则H0=KL*H1=112.5mm由此计算得到D0=5.5cm=55mm锻造工艺见下页。105我106例题9计算例题7中的锻造比并确定锻造工艺。107 镦粗时锻件与工具的接触面积相对于其它变形工序要大得多，而很多锻造过程与镦粗有关，因此常以镦粗力大小来选择设备。过小则锻件内部锻不透，且生产效率低。 过大工作

26、速度低，同样也影响生产效率和锻件成本。四、确定锻造设备吨位自由锻常用设备锻锤水压机特点：无过载损坏问题 设备吨位选择自由锻设备吨位选择的主要依据变形温度、锻件材质、变形面积锻件大小变形工序性质（变形面积）108确定设备吨位的方法：理论计算法和经验类比法 。1.理论计算法 (1)水压机锻造时，由于压力变化平稳，可根据锻件成型必需的最大变形力来选择设备吨位。 最大变形力 F=pA A：锻件与工具的接触面在水平方向上的投影面积。 p：锻件与工具接触面上单位流动压力(即平均单位压力) 其中p可根据不同情况计算。109 a) 圆形锻件镦粗：当H/D0.5时，p=S(1+ ) 当H/D0.5时，p=S(1

27、+ ） b)方形件镦粗 p=1.15S1+ L、B、H为锻件长、宽、高D、H分别为锻造终了锻件的直径和高度S流动应力，是金属在相应变形温度、速度下的真应力。 摩擦系数，热锻时取0.30.5,无润滑一般取0.5110 c) 矩形坯料平砧拔长 p=1.15S1+ l送进量；h锻件高度 d)圆形坯料在圆弧砧上拔长时 p=S（1+ ） d:锻件直径111 (2)用锻锤锤造，由于其打击力是不定的，所以应根据锻件所需变形功来选择设备的打击能量吨位。 a）圆柱体锻件镦粗变形功： WSV D0、H0坯料直径和高度；D、H锻件直径和高度； V锻件体积。 b） 长板形锻件镦粗变形功为： WSV b0、H0坯料宽度

28、和高度；b、H镦粗后宽度和高度。112 c) 打击能量： 根据最后一锤的变形功W（变形程度取3%5%）考虑锤的打击效率，便可算出所需打击能量E(J) E=W/ d）锻锤的吨位 通常锻锤的吨位是以落下重量G(kg)表示，与打击能量有如下关系： G= g:重力加速度 g=9.8m/S； V：锻锤打击速度，一般取V=6-7m/S； :打击效率，一般=0.70.9； 如取V=6.5m/S,=0.8,则G=W/1.721132.经验类比法 这是用统计分析生产实践数据的基础上总结归纳出的经验公式或图表来估算锻造所需设备吨位的一种方法，应用时只需根据锻件的某些主要系数(如重量、尺寸、材质)便可迅速确定设备吨位。 镦粗时，G=(0.0020.003)KS(kg) K与钢料强度极限b有关的系数，由表3-3确定。 S材料镦粗后的横截面积(cm2) 拔长时 G=2.5S S坯料横截面积 自由锻用锻锤的锻造能力范围可参照表3-4114 表3-3系数 115设备吨位（t） 锻件类型0.250.50.751.02.03.05.0圆饼D(mm)200250300400500600750H(mm)3550100150250300300圆环D(mm)15035040050060010001200H(mm)6075100150200250300圆筒D(mm/p>