自由锻造工艺

L<0.5h时，坯料内部的变形也是不均匀的，上部和下部变形大， 中部变形小，中间部分锻不透，轴心部分沿轴向受附加拉应力，轴 心部分原有的缺陷进一步扩大，易产生内部横向裂纹。
综合考虑送进量对拔长效率和锻件质量两方面的影响，一般认 为，相对送进量L/h =0.5～0.8较为合适，或绝对送进量取L=（0.4～ 0.8）b，b为砧宽。
冲孔时，毛坯分成两部分：冲头下面的园柱体A和冲头以外的 园环区B。应力应变简图，
A区金属的变形相当于园环包围下的镦粗，冲孔时的单位压力比 自由镦粗时要大，环壁愈厚时单位冲孔力也愈大。
B区金属的变形主要是由于A区的变形引起的。总的变形趋势是： 径向压缩变形，切向伸长变形，轴向应变则可能是伸长，也可能是 缩短，主要取决于径向压应力的大小，即取决于环壁的厚度：
③、砧子形状的影响：
上下V形砧拔长时，毛坯的变形程度最大，又处于强烈的三向压应 力状态，能够很好锻合心部缺陷，且拔长效率也高，毛坯轴线不会 偏移。
上平下V形砧拔长时，最大的变形区不在毛坯中心，而在距中心 1/2～3/4半径处，锻透性比较差，还由于毛坯上下变形深入程度不 等，不断翻转后会使轴线变成螺旋线，其结果将造成中心缺陷区的 扩大。
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），
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；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，呈现园柱形，再继续镦粗时，最后获 得程度不太大的鼓形。
这是因为坯料被压缩时，沿横截面上金属流动的情况如下图所示，
A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，B 区金属带着靠着它的b区金属向增宽方向流动，a、b两区的金属向 着两个相反的方向流动，当坯料翻转90°再锻打时，a、b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DD1和EE1便 成为两部分金属最大的相对移动线，在DD1和EE1线附近金属的变形 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；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，也促使金属很快地沿对角线开裂。
的锻件； ⑵、冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面； ⑶、提高下一步拔长时的锻造比； ⑷、提高锻件的机械性能和减小机械性能的异向性； ⑸、反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，
并使其均匀分布。
３、镦粗工序的主要质量问题和变形流动特点（以园截面坯料为例）
⑴、主要质量问题：侧表面易产生纵向或呈45°方向的裂纹；
6、局部镦粗
只在毛坯的局部长度（端部或中间）内进行镦粗称为局部镦粗。
金属流动特征与平砧镦粗相似，但受不变形部分“刚端”的影响。
局部镦粗成形时，毛坯尺寸最好按杆部直径选取，为了避免产生 纵向弯曲，毛坯变形部分高径比应小于2.5～3
二、拔长
1、定义：使毛坯横截面减小而长度增加的成形工序称为拔长。 2、用于：轴杆类零件；改善锻件内部质量。
上下平砧拔长矩形截面毛坯时，只要相对送进量选得合适，能使
毛坯的中心锻透。如采用大压下量，把毛坯压成扁方，则锻透的效
果更好，但用上下平砧拔长园形截面毛坯时，由于工件与砧子接触
面很窄，金属横向流动大，轴向流动小，与拔长的目的相反，拔长
效率低。同时，由于变形集中于上下表层，在心部产生拉应力，容
易引起中心裂纹，应按 → →
变化不大。
③、D/d很大，>5,环壁很厚时，由于外侧的， r z 均较
5、垫环镦粗
毛坯在单个垫环上或在两个垫环间进行的镦粗成为垫环镦粗，采 用的毛坯直径大于环孔直径——镦挤。
垫环镦粗时，金属可朝两个方向流动，即径向流动和轴向流动。 必然存在一个不产生流动的分界面（分流面）。分流面的位置是经
常变动的，与下列因素有关：H/D、d/D、变形程度H 、环孔斜度及
摩擦条件等。
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 大的变形，故不再保留铸态组织了。
④、采用铆镦、迭镦和套环内镦粗： 铆镦：预先将坯料端部局部成形，再重击镦粗把内凹部分镦出，然 后镦成园柱形。对于小坯料可先将坯料斜放，轻击，旋转打棱成下 图的形状。
锭料镦粗后上、下端常保留铸态组织；
高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲等。
⑵、变形流动特点：一般坯料（H/D=0.8～2）在平板间镦粗 时，外观呈现鼓形（中间直径大，两端直径小）。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。变形程度沿轴向和径向的分布如下图：
变形区按变形程度大小大致分为三个区：
→
→
毛坯的变形方案拔长，不但可以提高拔长效率，还能减小中心开裂 危险。
④、拔长操作的影响
拔长时毛坯送进与翻转的方法有3种，分别适合不同坯 料的拔长。
三、冲孔
定义：采用冲子将毛坯冲出透孔或不透孔的工序称为冲孔。 常用的冲孔方法：开式冲孔、实心冲子冲孔、空心冲子冲孔、在 垫环上冲孔和闭式冲孔 １、金属变形流动特点（以开式实心看出，在L/a=1处，L ＞ a ，
即拔长时沿横向流动的金属量少于沿轴向
流动的量；而在自由镦粗时，L =a ，这
是由于拔长时两端不变形金属的影响造成
的，它阻止了变形区金属横向的变形和流
动。
4、矩形截面坯料拔长时的生产率：
拔长时的生产率与相对压缩程度和进料比有关。
①、相对压缩程度 n ：
⑵、变形流动特点及影响拔长质量的工艺因素
矩形截面拔长时内部的变形情况与镦粗相似，但又受两端未变形 部分（外端、刚端）的牵制。拔长时的锻透程度，内外部裂纹及锻 件成形质量，均与拔长时的变形分布和应力状态直接有关，并取决 于送进量、压下量、砧子形状、拔长操作等因素。
①、送进量的影响；当送进量较大（L>0.5h）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。当送进量过大（L>h）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。
③、不同高径比尺寸的毛坯进行镦粗时，产生的鼓形特征和内部变 形分布也不同，参见下图。
当高径比H/D＞3的毛坯进行镦粗时，容易产生纵向弯曲，使变 形失去稳定。控制高径比：圆钢H/D不超过2.5～3，方形或矩形截 面毛坯的高径比不大于3.5～ 4 。
4、保证内部组织均匀，防止侧表面裂纹产生应采取的措施： ①、使用润滑剂和预热工具：镦粗低塑性材料时常用的润滑剂
对于较大的坯料可先用赶铁赶成上右图的形状。 迭镦：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。
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。
⑤、采用反复镦粗拔长的锻造工艺：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。
区域Ⅰ：①、工具与坯料端面之间摩擦力最大，该区变形十分困难， 称为“难变形区”。
②、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（ 、 大），变形愈困难。
③低快、，在变平形板抗间力热大镦，粗变坯形料愈时困，难与。工具结触 2的上下3端金属由于温度降
区域Ⅱ：受摩擦的影响小，温度降低也慢，“大变形区”。应力 状态也有利于变形。 区域Ⅲ：受摩擦的影响小，温度降低稍慢，介于Ⅰ、Ⅱ之间，称 为“小变形区”。
第十章 自由锻造工艺
自由锻造工艺特点：
⑴、所用工具简单，通用性强，灵活性大，适合单件和小批量锻 件的生产。
⑵、自由锻件工具只与毛坯部分接触，所需设备功率比模锻要小 得多，所以自由锻也适于锻造大型锻件。
⑶、能锻造多种多样、变形程度相差很大的锻件。
⑷、自由锻是靠人工操作来控制锻件形状和尺寸的，锻件的精度 与操作者的技术程度有很大关系，同时具有效率低，劳动强 度较大的特点。
①、D/d较小，≤2～3，即环壁薄时，|r|较小，| |较大，代数
值按顺序大小为：，、、 z r，且这时 z ≈ ，r 这时切向为正应变，
径向和轴向是负应变，出现“拉缩”现象，冲孔后坯料高度减小。
②况小、，D/d较z ≈大，12≈(3r～5，即)，环于壁是较轴厚向时应，变|很r小|，较冲大孔，后坯较料①高种度情
（横截面减小的程度大），可以减小所需的压缩次数；但是，进料 比小时，对于一定长度的毛坯，压缩一遍所需的送进次数增多。实 际生产中取L=（0.4～0.8）b，b 为平砧的宽度。
5、矩形截面拔长时的主要质量问题和变形流动特点。 ⑴、主要质量问题
①、坯料外部表面横向裂纹， ②、坯料外部表面角裂 ③、内部组织和性能的不均匀 ④、内部的纵向裂纹 ⑤、内部的横向裂纹
第一节 自由锻工序分类
基本工序：镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、 弯曲、切割、错移、扭转、锻接等。
辅助工序：钢锭倒棱、预压钳把、分段压痕 修整工序：鼓形滚圆、端面平整、弯曲校正
第二节 自由锻基本工序分析
一、镦粗： １、定义：使毛坯高度减小而横截面增大的成形工序。 ２、镦粗用于： ⑴、由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小
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。拔长高合金工具钢时，当送进量较大，并且在坯料同一部分 反复重击时，常易沿对角线产生裂纹。