第三篇第一章锻造基础知识和自由锻

第二篇金属压力加工金属压力加工:利用金属材料在外力作用下所产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。大多数钢和多数有色金属及合金具有一定的塑性，因此它们均可在热态或冷态下进行压力加工。

压力加工的方式：

轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等轧制：在常温或高温下使金属材料通过两个回转轧辊之间的孔隙得到具有一定形状尺寸的板材、型材及管材的加工方法。

拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形的加工方法。挤压：将金属坯料放在挤压筒内，用强大的压力从一端的模孔中挤出而变形的加工方法。

锻造（一般锻件复杂程度不如铸件，但内部组织和力学性能却远优越于铸件。）冲压：利用冲床上的冲模使板料产生分离或变形的加工方法，通常在冷态下进行，又称冷冲压第一章锻造§1.1

金属的可锻性●金属的可锻性：材料经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。●可锻性的衡量：塑性（断面收缩率ψ，伸长率δ），变形抗力。塑性好，变形抗力小则可锻性好。

可锻性取决于：金属本质和加工条件。一、金属的本质

纯金属的可锻性比合金好；有些元素可使可锻性显著下降（如铬，钨，钒等）。钢的含碳量越低，可锻性越好。＊组织不同，可锻性有很大差异：

＊纯金属、固溶体（如奥氏体）可锻性好；碳化物可锻性差；＊铸态柱状组织和粗晶粒不如晶粒细小均匀。

金属组织的影响化学成分的影响二、加工条件（温度、速度、应力状态）

⒈变形温度的影响

＊温度↑→原子的运动能力↑→容易滑移→塑性↑,变形抗力↓，可锻性改善.

过热：超过一定温度，晶粒急剧长大，锻造性能↓，机械性能↓。已过热工件可通过锻造，控制冷却速度，热处理，使晶粒细化。

过烧：接近材料熔化温度，晶间的低熔点物质开始熔化，且氧化性气体进入晶界上形成氧化层，使晶间连接遭到破坏，金属失去锻造性能，一击便碎，无法挽回。

锻造温度：始锻温度：碳钢比AE线低200C°左右终锻温度：800C°过低难于锻造，若强行锻造，将导致锻件破裂报废。⒉变形速度的影响

＊变形速度u=dε/dtε—变形程度

＊变形速度u⒊应力状态影响三向应力中，压力应力数目愈多，则塑性越好。塑性↓.变形抗力↑热能↑→塑性↑，变形抗力↓§1.2

锻前加热与锻后冷却一.锻造前加热目的及方法

目的:

提高金属塑性,降低变形抗力.易于锻造成形并获得好的锻后组织.

按加热热源不同可分为:1.火焰加热,燃料来源方便,炉子修造简单,加热费用低适应范围广.用于各种大．中．小型坯料的加热。劳动条件差，加热速度慢，加热质量难于控制。

2.电加热感应加热．接触加热．电阻炉加热．盐浴加热。加热质量好，主要用在模锻上。

二.钢在加热过程中的物理．化学变化1.钢在加热过程中的氧化与脱碳

氧化—钢加热到高温,表层的铁与炉气中的氧化性气体发生化学反应,使钢表层变成氧化铁的现象.

氧化过程的化学反应:2Fe+O2=2FeOFe+CO2=Fe

O

+CO6FeO+O2=3Fe3O4Fe++H2O=FeO+H24Fe3O4+O2=6Fe2O3由于氧化扩散过程从外向内逐步减弱,故氧化皮由三层不同的氧化铁组成:表层为Fe2O3;中层为Fe3O4;内层为FeO

锻造时,钢每加热一次,有1.5~3.0%的金属被氧化烧损,

形成的氧化皮若被压入锻件表面,使表质量和尺寸精度下降.另在模锻时氧化皮硬而脆会使模具加快受损。快速加热，缩短高温下停留时间。

脱碳：

钢在高温加热时,表层中的碳和炉气中的氧化气体发生反应,碳发生氧化，从而使表层含碳量下降的现象.（碳在钢中以Fe3C的形式存在）

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2Fe3C+CO2=3Fe+COFe3C+O2=3Fe+CO2Fe3C+H2=3Fe+CH4

脱碳会使钢表面变软,强度和耐磨性降低.2.钢在加热过程中的过热与过烧

(1)过热当钢加热超过某一温度,并在此温度停留的时间过长,会引起奥氏体晶粒迅速长大的现象.产生过热的钢冷却后晶粒仍粗大.(2)过烧当钢加热到接近熔化温度,并在此温度长时间停留时,不但奥氏体的晶粒粗大,同时由于氧化性气体渗入到晶界,使晶间物质Fe、C、S发生氧化的现象。使晶间连接遭到破坏，过烧的钢强度大降低。金属失去锻造性能，一击便碎，严重过烧的钢只能报废回炉重新熔炼。三.锻造温度范围的确定始锻温度---开始锻造的温度.始锻温度↑金属的塑性↑,变形抗力↓,便于加工,但过高会产生过烧或熔化现象.低碳钢的始锻温度为1200~1250℃

终锻温度---停止锻造的温度.要保证在终锻温度前具有足够的塑性,还要使锻件能够获得良好的组织.一般应高于再结晶温度.碳钢的锻造温度范围四.锻件的冷却冷却方法不当锻件可能产生裂纹或白点而报废,或影响生产率.(白点是钢的内部破裂的一种,在钢件的纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点)

1.锻件在冷却过程中产生内应力（锻件表层和心部冷却不一致而产生应力）；如果锻件在冷却时发生相变，也会由于相变前后组织比容发生变化而产生相变应力；如果各种应力叠加没有造成锻件破坏，冷却终了便保留下来称为锻件残余应力.应在机械加工之前进行热处理,以免在机械加工时或后变形.2.冷却方式空气中冷却．坑内冷却炉中冷却。2.冷却方式

空气中冷却．坑内冷却炉中冷却。应用：空冷：中小型碳钢和合金钢锻件坑冷或炉冷：合金成分复杂的合金钢锻件对于含碳量高的钢，若锻后缓慢冷却，在晶界会析出网状碳化物，影响锻件使用性能，因此在锻后先空冷到700℃，然后再在炉中或坑内缓冷。第二章自由锻自由锻

＊自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个抵铁之间变形。从而获得所需形状及尺寸的锻件。在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。

＊金属沿变形方向可以自由流动，不受限制。自由锻可分为：手工锻造：用于生产小锻件机器锻造：所用设备有空气锤（生产小件）；蒸气－空气锤（中）；水压机（大件）。

自由锻设备根据锻造类型的不同可分为两种：锻锤自由锻:

依靠冲击力使金属变形，只能锻造中小锻件。液压机自由锻：依靠静压力使金属变形，可加工大型锻件。其中水压机可产生很大作用力，是重型机械厂锻造生产的主要设备。

第一节自由锻设备

一.空气锤

我国中小型锻工车间中数量最多，使用方便．费用低．本身结构简单操作方便．可完成全部自由锻造工序和用于胎模锻。

空气锤规格用落下的重量表示，50~1000kg工作原理如图:1踏杆2砧垫3下砧铁4上砧铁5、9活塞６工作气缸７、１１气阀８压缩气缸１０减速器１２电动机

二.蒸气－空气锤

三.自由锻造水压机

水压机与锻锤相比具有以下特点:(1)水压机工作时没有振动,可改善工人的劳动条件.(2)水压机的静压力在锻件上的时间比锻锤的冲击力的作用时间长,

可使锻件达到较大的锻透深度,获得整个截面细粒组织的锻件.(3)在水压机上锻造,变形速度慢金属的再结晶进行的较完全,有利于提高塑性,降低变形抗力,高合金钢在水压机上锻造效果较好.Ｆ＝Ｐ＊Ａ第二节自由锻造工序一、自由锻工序分类：基本工序：使金属产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状及尺寸的工艺过程，完成锻件的基本工艺过程。辅助工序：为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。精整工序：为减少锻件表面缺陷而进行的工序基本工序

分割坯料，或去除锻件余量的工序。

辅助工序精整工序完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸和形状精度的工序。较正、滚圆、平整

镦粗拔长

弯曲

扭转错移切割适于饼块类，盘套类适于轴类、杆类拔长、镦粗经常交替反复使用。有时一头镦粗，另一头拔长。冲孔（通孔、盲孔）冲孔，常用方法：镦粗—冲孔镦粗—冲孔—扩孔工件轴线产生一定曲率。某一部分相对于另一部分转一定角度。坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序，例如曲轴。在基本工序之前的预变形工序如压肩、压钳口等。

难度较大，应采取适当工序组合锻造。自由锻件分类饼块类锻件按锻造工艺特点给锻件分类，即把形状相同、变形过程类似的锻件归为一类，一般分为6类。基本工序是镦粗，其中带孔的锻件需冲孔。空心类锻件基本工序有镦粗、冲孔、芯轴拔长。环形件锻造过程是镦粗---冲孔---芯轴扩孔；筒形件锻造过程是镦粗---冲孔---芯轴拔长；轴杆类锻件基本工序是拔长。曲轴类锻件大型曲轴采用自由锻，一般中、小型曲轴多采用模锻。基本工序有拔长、错移和扭转。弯曲类锻件基本工序是弯曲，弯曲前的制造工序是拔长。复杂形状锻件

第三节自由锻件结构工艺

要求简单的．对称的．直角的．平面的结构避免锥体．曲线形．工字形等表面，不允许有加强筋。

不合理

合理

说明圆锥体的锻造须用专门工具,锻造比较困难,应尽量避免.与此相似,锻件上的斜面也不易锻出,也应尽量避免圆锥体与圆柱体交接处的锻造很困难,应改成平面与圆柱体交接,或平面与平面交接

不合理

合理

说明加强筋与表面凸台等结构不能用自由锻方法获得,应避免这种设计对于椭圆形或工字形截面、弧线及曲线形表面,也应避免横截面有急剧变化或形状复杂的零件,应分成几个易锻造的简单部分,再用焊接或机械连接组合机整体第四节自由锻造工艺规程制订

1、根据零件图绘制锻件图：

2、决定坯料的重量和尺寸；

3、制订变形工艺；

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、填写工艺卡一.锻件图的制订

锻件图---在零件图的基础上加上加工余量和锻造公差而成的,当某些锻件带有凹档．凸肩．小孔锻不出时，可加上余块，来简化锻件的形状。

锻件图的绘制规则：

锻件图上的锻件形状用粗实线描绘，零件图用点划线或细实线描绘，锻件尺寸．公差注在尺寸线上面，相应的零件尺寸注在尺寸线下面，并加括号括起来。

锻件图是制定锻造工艺过程和锻件检验的依据。绘制时主要考虑以下几个因素：余块对键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属。余量在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件余量。锻件公差锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受生产具体情况的影响。

为了使操作者了解零件的形状和尺寸，在锻件图上用双点划线或细实线画出零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸线的上方标注锻件尺寸与公差，尺寸线下方用圆括弧标注出零件尺寸。

二.坯料的重量和尺寸1.坯料的重量

G坯=G锻+G烧+G料头+G芯料

G烧=(2~3)%G锻(烧损率可查表)

圆形料头:G料头=(1.65~1.8)D3(kg)(D锻件端部直径)

矩形料头:G料头=(2.2~2.36)B2H(kg)(B、H锻件端部的宽与高)

G芯料=(1.18~1.57)d2H(kg)（实心冲子直径和冲孔坯料高度2.坯料尺寸的确定

(1)用镦粗法锻造为避免产生弯曲,应满足:

1.25≤H/D≤2.5

H=(1.25~2.5)D

V坯=G坯/ρ

对于圆坯料,坯料直径D可按右式计算:

对于方坯料,边长L可按右式计算:一.锻件图的制订

初步确定的坯料直径(或边长)应按国家钢材规格来标准化.

然后,求得坯料高度:

(2)采用拔长法锻造时,坯料尺寸的确定A锻由锻件图求出，A坯求出后,可求出坯料直径D坯,Ｖ坯，再按国标选用标准直径,再计算L坯:

三.确定变形工序自由锻锻造工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定。1.饼块类锻件2.空心类锻件3.轴杆类锻件4.曲轴类锻件5.弯曲类锻件6.复杂形状类锻件

盘类件：镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔；轴类锻件：拔长(或镦粗及拔长)、切肩和锻台阶；筒类锻件：镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔、在心轴上拔长；环类锻件：镦粗(或拔长及镦粗)、冲孔、在心轴上扩孔；曲轴类锻件：拔长(或镦粗及拔长)、错移、锻台阶、扭转；弯曲类锻件：拔长、弯曲等。1.饼块类锻件齿轮毛坏的锻造过程2.空心类锻件3.轴杆类锻件传动轴的锻造过程下料拔长镦