自由锻工艺过程
锻造工艺过程及模具设计第5章自由锻工艺过程
锻造工艺过程及模具设计第5章自由锻工艺过程自由锻是一种常见的金属锻造工艺，其特点是材料在锻造过程中自由变形，不受模具限制，可以制造出形状复杂的零件。
在自由锻工艺过程中，对于模具的设计和选择非常重要，合理的模具设计可以提高产品质量和生产效率。
自由锻工艺过程分为以下几个主要步骤：1.材料准备：选择合适的金属材料，根据所需零件的要求进行预处理，如加热或降温处理，以提高材料的塑性和硬度。
2.模具设计：根据产品的形状和尺寸要求，设计合理的模具结构。
模具应该具有足够的强度和刚性，以承受锤击和材料的变形力。
3.热处理：对于一些特殊材料，需要进行热处理以改变其组织和性能。
热处理可以分为加热、保温和冷却三个阶段。
4.塔斯锻：将预处理后的材料放置在模具中，通过锤击将其塑性变形成所需形状。
根据材料的类型和形状要求，可采用单锻、多锻或自由锻等不同的锻造方式。
5.修整：在锻造过程中，可能会出现一些缺陷或不均匀性，需要通过修整来改善。
修整可以通过剪切、磨削、冲击等方式进行。
6.热处理：将锻造后的零件进行再次热处理，以消除残余应力，并使其形成稳定的组织和性能。
7.车床加工：根据产品的要求，对锻造后的零件进行车床加工，加工出精确的尺寸和表面质量。
8.表面处理：为了提高零件的耐腐蚀性和美观度，可以对锻造后的零件进行表面处理，如镀铬、喷涂等。
自由锻工艺过程中，模具设计起着至关重要的作用。
合理的模具设计可以提高产品质量和生产效率，避免或减少缺陷和废品的产生。
在模具设计过程中，需要考虑以下几个因素：1.材料的变形性能：不同金属材料具有不同的塑性和硬度，因此，在设计模具时需要考虑材料的变形性能，并合理选择模具的形状和尺寸。
2.零件的形状和尺寸要求：根据所需零件的形状和尺寸要求，设计相应的模具结构。
模具应该具有足够的强度和刚性，以承受锤击和材料的变形力。
3.生产效率和成本：考虑到生产效率和成本，模具设计应尽量简单化，减少加工和调整工序，提高生产效率和降低成本。
自由锻的工艺流程
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第3章2-自由锻工艺
程
拔长并 留出台阶
1
锻出凹挡 及拔长端部 并修整
实际生产自由锻加工录像-圆柱件锻造
实际生产自由锻加工录像-大型锻件锻造
八、自由锻件的结构工艺性
避免锥体和斜面结构
几何体间的交接处 不应形成空间曲线
截面变 化大的 锻件， 采用组 合连接
自由锻件上不应设计 出加强筋、凸台、工字形截面
思考题
➣
➣ ➣
工艺性分析
坯料质量 加热规范
绘制锻件图
确定工序 锻后热处理
参数选择
选择设备
1. 绘制锻件图
锻件图 1. 敷料
为简化 锻件形状、 便于进行锻造 而增加的一部 分金属。
2. 锻件余量
3. 锻件公差
为保证 切削加工的 精度而增加 的尺寸。
允许锻件 尺寸的变化 范围。
锻件的余块
锻件图
2．制订变形工艺过程及选用工具
➣ ➣
D d
冲子扩孔
b.心轴扩孔
孔径大而壁厚较薄的环形锻件，通常采用芯轴扩孔。 芯轴扩孔的变形实质是相当毛坯沿圆周方向拔长。
心轴扩孔(马架扩孔）
冲孔和扩孔动画
3. 弯曲：将坯料弯成所规定外形的锻造工 序，用以锻造各种弯曲类锻件。如起重吊 钩，弯曲轴杆等。
4. 错移：将坯料的一部分相对另一部分相 互平行错移的锻造工序。用以锻造曲轴类 锻件，错移前坯料需要压肩。
空心冲子冲孔 1坯料 2冲垫 3冲子 4心料
c 在垫环上冲孔
这种方法只适用于高径比小于0.125的薄饼锻件。
在垫环上的冲孔 1冲子 2坯料 3垫环 4心料
2. 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。
a.冲子扩孔
2-自由锻模锻工艺
弯曲连杆旳模锻过程
三 锤上模锻工艺规程（锻件图）旳制定
1 绘制锻件图： 设计和制造锻模旳根据；计算坯料旳根据；检验锻件旳根据。 工艺参数旳拟定： (1)分模面： 即锻模上、下模或凸、凹模旳分界面。
选择分模面旳原则： 要确保锻件能从模膛中取出；
d
有利于发觉上下模错移，预防出废品；
a b
a 使模膛有最浅旳深度，便于充斥； b
四 模锻件旳构造工艺性
具有合理旳分模面、斜度和圆角半径，以便于从模膛中取出锻件； 非配合表面设计成不加工表面； 使模锻成形轻易，降低工序：
零件力求简朴、平直、对称； 截面差不要过大，Fmax/Fmin≤2 不宜过于扁薄； 应防止高旳凸起和深凹。 防止小孔、多孔构造，防止窄沟、深槽构造；
4 -φ20
c
c 分模面最佳是平面；
降低余块，节省金属。 d
a-a
b-b
c-c
d-d
(2)加工余量和铸造公差： 余量1～4mm，公差±0.3～3mm, 冲孔连皮4～8mm。 (3) 斜度： 斜度一般为5～12° (4) 圆角半径：在锻件上全部两平面交角处都需做成圆角，
目旳是降低模具旳磨损和便于金属旳充填。
2 拟定模锻工步 3 算料 4 选择模锻设备 5 模锻旳后续工序
（六）填写工艺卡
三 自由锻零件构造工艺性
1 尽量防止锥面和斜面以及不规则曲面；
2 两部分连接处不用弧面（采用截柱体）；
3 锻件上不得有加强筋和小凸台； 4 形状复杂件可分几种部分锻出。
§2-4 模锻
将金属坯料放在锻模旳模膛内，在锻压力旳作用下，迫 使金属料依模膛旳形状而变形旳一种铸造措施。
一 锻模和模膛
样旳要求。 如精整表面外形、鼓形滚圆、弯曲矫正等。
自由锻工艺过程
智能化发展趋势与挑战
1 2 3
数据驱动模型
基于大数据和机器学习技术，建立数据驱动模型， 实现自由锻工艺的智能化预测和优化。
智能传感器与控制系统
研发高精度、高稳定性的智能传感器和控制系统， 实时监测和调整自由锻工艺参数，提高产品质量 和生产效率。
多学科交叉融合
结合材料科学、力学、热力学等多学科知识，深 入研究自由锻工艺机理，为智能化发展提供理论 支撑。06自由锻数值模拟与 Nhomakorabea能 化发展
数值模拟技术应用现状
有限元法（FEM）应用
通过建立物理模型的数学方程，利用有限元法模拟自由锻过程中 的应力、应变和温度分布。
有限体积法（FVM）应用
有限体积法适用于处理复杂几何形状和边界条件，广泛应用于自由 锻工艺模拟。
粒子法（SPH）应用
光滑粒子流体动力学方法（SPH）适用于模拟大变形和自由表面流 动，为自由锻工艺提供了新的模拟手段。
辅助工序
为了保证锻件质量和提高生产效率，自由锻还包括一些辅助工序，如预锻、修整、校直等。预锻是为了减少终锻 时的变形量，提高锻件的精度和表面质量；修整是对锻件进行局部的加工和调整，以满足尺寸和形状要求；校直 是对弯曲的锻件进行矫正，以保证其直线度。
冷却与热处理
冷却
锻造完成后，需要对锻件进行冷却。冷却方式包括空冷、坑 冷、炉冷等。冷却速度对锻件的组织和性能有很大影响，因 此需要根据锻件材质和要求选择合适的冷却方式。
应变分析
应变是金属在自由锻过程中发生的形状和尺寸变化。通过应变分析，可以了解金属的变形程度和分布 情况，进而评估锻件的几何形状和尺寸精度。同时，应变分析还可以为后续的工艺优化提供重要依据 。
工艺参数优化方法
试验法
锻造工艺过程及模具设计课件：自由锻主要工序分析-
自由锻主要工序分析
4.4.3 彎曲：將坯料彎成所規定外形的鍛造 工序，用以鍛造各種彎曲類鍛件。
圖4.24 彎曲時坯料的形狀變化
自由锻主要工序分析
4.4.4 錯移：將坯料的一部分相對另一部 分相互平行錯移的鍛造工序。用以鍛造曲 軸類鍛件，錯移前坯料需要壓肩。
动画演示
圖4.25 錯移 a) 在一個平面內的錯移 b) 在兩個平面內的錯移
根據鐓粗後網格的變形程度分為三個變形區:
區域Ⅰ：難變形區； 區域Ⅱ：大變形區； 區域Ⅲ：小變形區，變形程度介於區域Ⅰ與區域Ⅱ之間。
➢變形結果：變形不均勻，易出現缺陷。
自由锻主要工序分析
2. 鐓粗坯料容易出現的缺陷：
(１) 坯料側面出現鼓形，可能引起表面縱裂； (２) 坯料上下兩端出現粗大的鑄造組織； (３) 坯料內部變形不均勻，晶粒大小不均勻，鍛件性 能也不 均勻； (４) 高徑比較大的坯料，易產生縱向彎曲, 變形失穩。
3. 鍛造軸杆鍛件可以提高後續拔長工序的鍛造比；
4. 提高鍛件的力學性能等。
自由锻主要工序分析
主要方法: 平砧鐓粗、墊環鐓粗和局部鐓粗。
4.2.1 平砧鐓粗
平砧镦粗动画
自由锻主要工序分析
1. 平砧鐓粗變形分析
II
h
III
III II I
I
r
圖4.2 平砧鐓粗變形分佈與應力狀態分析
自由锻主要工序分析
自由锻主要工序分析
4.2.3 局部鐓粗 :
•作用：鍛造凸肩直徑和高度較大的餅塊鍛件， 或端部帶有較大法蘭的軸杆鍛件。 •特點：與平砧鐓粗相似，但受“剛端”的 影響。
自由锻主要工序分析
4.10 局部鐓粗
自由锻主要工序分析
4.3 拔長
第5章自由锻工艺过程
3．钢锭规格的选择
1）首先确定钢锭的各种损耗，求钢锭的利用率
1 冒口 锭底 烧损 100%
碳素钢钢锭： 冒口 18% - 25%，锭底 5% - 7%
合金钢钢锭： 冒口 25% - 30%，锭底 7% -10%
计算钢锭质量：
G锭
G锻 G损
2）根据锻件类型，参照资料选取 G锭 G锻 /
•
每一次的加油，每一次的努力都是为 了下一 次更好 的自己 。20.12. 820.12. 8Tuesday, December 08, 2020
•
天生我材必有用，千金散尽还复来。0 5:51:04 05:51:0 405:51 12/8/20 20 5:51:04 AM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 12.805: 51:0405 :51Dec-208-De c-20
4.4.3. 选择锻造设备
•空气锤利用电动机带动活塞产生 压缩空气，使锤头上下往复运动 进行锤击。
特点:结构简单，操作方便，维护 容易，但吨位较小，只能用来锻 造100kg以下的小型锻件。
•蒸汽－空气锤采用蒸汽和压缩空 气作为动力，其吨位稍大，可用 来生产质量小于1500kg的锻件，
5.3 自由工艺过程规程的制定
5.3 自由工艺过程规程的制定
4.4.3. 选择锻造设备
（1)在水压机上锻造
最大变形力 F pA
平均单位压力p根据不同情况分别计算
1）圆形截面锻件镦粗
当
H D
0.5时，
p
s (1
3
当
H D
0.5
时，
p
s (1
4
D) H D) H
D、H分别是锻造终了锻件的直径和高度， s 在相应变 形温度和速度下的真实流动应力
第5章自由锻工艺
5. 绘制锻件图
• 在余量、公差和各种余块确定后，便可 绘制锻件图。 • 锻件图中，锻件形状用粗实线描绘。 • 为了便于了解零件的形状和检验锻后的 实际余量，在锻件图内，用假想线(双点 划线)画出零件形状。 • 锻件尺寸和公差标注在尺寸线上面，零 件的公称尺寸要加上括号，标注在相应 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。 • 在图形上无法表示的某些技术要求， 以技术条件的方式加以说明。
曲轴类锻件的锻造过程
5. 弯曲类锻件
• 外形特征是轴线有一处或多处弯曲，沿 弯曲轴线，截面可以是等截面，也可以 是变截面。弯曲可以是对称弯曲和非对 称弯曲。
弯曲类锻件的锻造过程
• 锻造弯曲锻件的基本工序是拔长、弯曲； 辅助工序和修整工序是分段压痕、滚圆 和平整。
(1)—下料(120kg) (2)—压槽卡出两端 (3)—拔出中间部分 (4)—弯曲左端圆弧 (5)—弯曲右端圆弧 (6)—弯曲中间圆弧
5.1 自由锻件的分类
按外形特征及其成形方法，为6 类： • 饼块类、 • 空心类、 • 轴杆类、 • 曲轴类、 • 弯曲类、 • 复杂形状类。
1. 饼块类锻件
• 外形特征为横向尺寸大于高度尺寸，或 两者相近，如圆盘、叶轮、齿轮、模块、 锤头等。
块类锻件的自由锻过程
• 所用基本工序为镦粗。随后的辅助工序 和修整工序为倒棱、滚圆、平整等。
轴类锻件的自由锻过程
• 基本工序是拔长，或镦粗加拔长；辅助 工序 和修整工序为倒棱、滚圆和校直。
4. 曲轴类锻件
• 外形特征不仅沿轴线有截面形状和面积 变化，而且轴线有多方向弯曲的实心长 轴，包括各种形式的曲轴，如单拐曲轴 和多拐曲轴等。
曲轴类锻件的锻造过程
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kg
2、尺寸计算
坯料体积确定：
V坯 = G坯 / ρ 截面尺寸确定（与所采用的锻造工序有关）：
⑴ 第一道工序采用镦粗时
为避免弯曲和便于下料，高径比应满足下式
1.25 ≤ H0 / D0 ≤ 2.5
圆截面坯料
D0 = （0.8～1.0) V坯1/3
方截面坯料
a0 = （0.75～0.9) V坯1/3
⑵第一道工序采用拔长时
应注意的主要问题：
中小锻件为成形问题。应掌握金属流动规律，灵活运 用各种变形工序。
大锻件为质量问题。应提高材料冶金质量，采取合理
的工艺措施。
精品课件
1、自由锻件的分类 按照工艺特点进行分类，即将形状特
征相同、变形过程类似的锻件归为一类。
精品课件
精品课件
2、自由锻件变形方案的确定
影响因素： 技术要求、操作经验、生产管理水平、车间设备条
精品课件
例题
精品课件
1、绘制锻件图
精品课件
2、确定变形工艺和工具（由D/d, H/d, H/D且依据于图5-9进 行）
精品课件
基本概念： 机械加工余量、锻造余块、试样余块、锻件工称尺寸、
锻造比
思考题： 1、自由锻工艺的特点及其主要用途是什么？不同材料
自由锻面临主要问题是什么？为什么？ 2、试述自由锻件的分类及其采用的基本工序。 3、自由锻工艺过程的制定包括哪些内容？ 4、锻造比对锻件组织和力学性能有哪些影响？其选择
D0 = 1.13(KLS锻)1/2
a0 = (KLS锻)1/2
精品课件
锻比 — 表示变形程度的一种方法。
KL = S0 / S1 = D02 / D12 KL = H0 / H1
拔长 镦粗
锻比KL对组织和力学性能的影响： 过小，铸态状枝晶未破碎，力学性能恶化； 过大，形成纤维组织使横向塑性、韧性急剧下降。
精品课件
一、 锻件图制定 基于零件图且考虑机械加工余量、锻件公差、锻造余块、检
验试样及工艺卡头等绘制而成。 机械加工余量 — 锻件表面留有供机械加工用的金属层。 锻件公称尺寸 — 零件公称尺寸加上机械加工余量。 锻件公差 — 锻件公称尺寸的允许变化范围。 锻造余块 — 为简化锻件外形或工艺需要，对难锻造处所 填满的金属。 试样余块 — 为进行检验锻件内部组织和力学性能的试验 所需填加的金属。 工艺卡头 — 热处理或机加工所需的夹持部位。
工序包括基本工序、辅助工序和修整工序。
工艺尺寸的设计原则： ⑴ 必须符合工艺特点； ⑵ 必须保证各部分有足够的体积； ⑶ 必须注意中间各火次加热的可能性； ⑷ 必须预计轴向修整时的伸长(轴向尺寸精确且不能镦粗
时)。
精品课件
锻比的确定
精品课件
锻比的确定
精品课件
四、确定锻造设备吨位 1、目的
内部锻透，提高生产率；节省动力，降低成本。 2、影响因素
钢材，经过了大变形，不需考虑锻比 钢锭，必须考虑锻比。
3、钢锭规格的选择 首先，确定各种金属损耗，求出（或按经验和资料得到）钢锭
利用率η；然后，求出钢锭重量，选取钢锭规格。
η= [1- (δ冒口+ δ锭底+δ烧损)]*100% G锭 =（G锻+ G损) /η
精品课件
三、 确定变形工艺和锻造比
选择工序，确定工序顺序，设计工艺尺寸等。
件、工具辅具情况、坯料供应状态、生产批量大小等。 应全面考虑实现工艺方案的可能性、锻件质量的
可靠性和经济上的合理性。 经验积累的一些典型锻件的工艺方案。
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3 自由锻工艺过程的制定
自由锻工艺过程制定的内容： 依据零件图绘制锻件图 确定坯料重量和尺寸 确定变形工艺和锻比、选用工具 选择设备 确定锻造温度范围、加热和冷却规范 确定热处理规范 提出技术条件和检验要求 填写工艺卡片
变形面积、锻件材质、变形温度等。 通常以镦粗力大小进行选择。 3、确定方法 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 需的最大的变形力，以此选取设备吨位。
镦粗 经验类比法 --在统计分析生产试验数据的基础上，整理出经验公
式、表格或图线，根据锻件某些主要参数（重量，尺寸，接触面积），直接 通过公式、表格或图线选定所需的设备吨位。
与锻件大小有何关系？
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材料成型技术
金属的塑性成型工艺
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七、自由锻工艺过程
自由锻工艺过程实质是利用简单的工具逐步改变坯料 形状、尺寸和状态，以获得所需形状、尺寸和性能（组织） 的锻件的加工工序。
自由锻工艺的特点及其用途：
特点:工具简单、通用性强、灵活性大、所需设备吨 位较
模锻小。
用途 : 单件、小批量生产；大锻件。
锻件图绘制的一些特殊规定： 锻件形状用粗实线绘制而零件形状由假想线（双点划线）
绘制；锻件尺寸和公差标注在尺寸线上面，零件尺寸标注在尺 寸线下面；检验试样和热处理夹头应注明其尺寸和位置；无法 表示的条件可在技术条件中说明。
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二、确定坯料重量和尺寸
1、重量计算
G坯 = (G锻 +G芯+G切)(1+δ%)