(完整word版)自由锻工艺设计
自由锻的工艺流程
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第4章 自由锻造工艺
3.局部镦粗
图4-19
局部镦粗
图4-20
头大杆细类锻件的局部镦粗
4.3.2 拔长
1.拔长类型
2.拔长变形过程分析 3.坯料拔长时易产生的缺陷与防止措施 4.拔长操作方法 5.压痕与压肩
1.拔长类型
(1)平砧拔长 平砧拔长是生产中用得最多的一种拔长方法。
(2)型砧拔长 型砧拔长是指将坯料放在V型砧或圆弧型砧中进 行的拔长。 (3)芯轴拔长 芯轴拔长也称空心件拔长，空心件通常为管件， 这类坯料拔长时，在孔中穿一根芯轴。
图4-8
平砧镦粗
图4-9 平砧镦粗时变形分布与应力状态
图4-10
侧凹坯料镦粗时的受力情况
图4-11
铆镦与端面辗压
图4-12
软金属垫镦粗
图4-13
铆镦
图4-14 叠料镦粗过程
图4-15
套环内镦粗
图4-16
不同高径比坯料镦粗时
图4-17
不同高径比坯料镦粗过
2.垫环镦粗
图4-18
垫环镦粗
4.3.1 镦粗
使坯料高度减小而横截面增大的成形工序称为镦粗。
镦粗的目的在于：
1)由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小的坯料或
锻件。 2)增大冲孔前坯料的横截面积以便于冲孔、平整端面。 3)反复镦粗、拔长，可提高下一步坯料拔长的锻造比。 4)反复镦粗和拔长可使合金钢中碳化物破碎，达到均匀分布。 5)提高锻件的力学性能和减小力学性能的异向性。
2.经验类比法
(1)镦粗时
(2)拔长时
表4-10 自由锻锤锻造能力
4.4.5 制订自由锻工艺规程举例
1.设计、绘制锻件图
2.确定变形工序及中间坯料尺寸
3.计算原坯料尺寸
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
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。
自由锻造工艺规程编制(DOCX 34页)
自由锻造工艺规程编制(DOCX 34页)当用钢锭作原毛坯时，上式中还应加上冒口重量G 冒口和底部重量G 底部。
锻件重量G 锻件根据锻件图决定。
对于复杂形状的锻件，一般先将锻件分成形状简单的几个单元体，然后按公称尺寸计算每个单元体的体积，G 锻件可按下式求得； G 锻件=γ（V 1+V 2+…+V n ）式中 γ----金属的密度；V 1+V 2+…+V n-----各单元体体积。
对轴类锻件需考虑台阶处之余面（图8.3、8.4）所需的重量。
图8.3 台阶轴类锻件余面其计算公式为：G 余面=0.2（D-d ）2（D+2d ）(尺寸以dm 计算);图8.4 曲轴类锻件余面其计算公式为：G 余面=h 2B(尺寸以dm 计算)。
G 切头包括修切锻件端部时的料头重量和冲孔芯料等，端部料头重量的计算方法见表8.1。
表8.1是一种最简单的端部切料情况的计算方法，而实际上切料的数值与锻件的复杂程度有关。
例如锻造台阶时，为防止内凹和夹层现象，压痕和压肩时端部所留的最短长度应大于0.3D。
如果台阶轴的轴颈较短时，则切区的料头重量便要较多。
因此，复杂件切料的数值根据具体工艺来定。
表8.1 端部料头的计算公式冲孔芯料决定于冲孔方法和锻件尺寸，计算方法见表8.2.表8.2冲孔芯料的计算注：表中d --------实心孔之直径（mm）H --------冲孔前坯料的高度（mm）表8.3 火耗与加热次数所占锻件重量的百分比烧损的重量G 烧损与炉子的类型，毛坯的性质和加热次数等有关，一般用所占的百分数表示。
见表8.3。
钢锭冒口和底部切区的重量G 冒口和G 底部占整个钢锭重量百分比见表8.4。
8.2.2.毛坯尺寸的确定毛坯尺寸的确定与所采用的第一个基本工步（镦粗或拔长）有关，所采用的工步不同，确定的方法也不一样。
表8.4钢锭冒口和底部切去的重量百分比（％）（1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H 不超过其直径D（或方形边长A）的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H不应小于1.25D（或A），即1.25D（A）≤H≤2.5D（A）对圆毛坯；D=（0.8～1）3坯V对方毛坯；A=（0.75～0.8）3坯V初步确定了D（或A）之后，应根据国家标准选用标准直径或边长。
自由锻造工艺规程的编制与举例(doc 12页)
自由锻造工艺规程的编制与举例(doc 12页)确定坯料的尺寸时，应满足对锻件的锻造比要求，并应考虑变形工序对坯料尺寸的限制。
采用镦粗法锻造时，为避免镦弯，坯料的高径比 (H 0 /D 0 <2.5)。
但为下料方便，坯料高径比还应大于1.25。
根据坯料质量，由下式求出坯料体积 V 坯。
V 坯 =m 坯/ ρρ——金属密度。
对于钢铁ρ =7.85kg/dm 3 。
然后，求出坯料横截面积A 0 。
采用拔长法锻造时，由公式：A 0 =R d A 1因锻后横截面积A 1 可知，故可求出A 0 ( 坯料为钢锭时，锻造比R d 取2.3～3.0；坯料为轧材时， R d 取l.3～1.5)，最后可求出坯料直径或边长。
（三）制定锻造工序根据不同类型的锻件选用不同的锻造工序。
工序确定后，尚须确定所用的工夹具、加热设备、加热和冷却规范及根据锻件质量确定锻造设备。
（四）自由锻件的锻造工艺规程举例。
自由锻件的锻造工艺规程举例见下表。
锻件名称齿轮坯工艺类别自由锻造材料45设备65kg空气锤加热火次１锻造温度范围1200～800℃锻件图坯料图序号工序名称变形简图１墩粗２冲孔３修整外圆４修整平面齿轮坯自由锻工艺过程锻件的结构工艺性绘制锻件图等工艺设计工作是解决如何锻造出合格锻件的问题，而锻件的结构工艺性，则是考虑什么样的结构容易优质高产地锻造出来的问题。
锻造方法不同，对零件的结构工艺性的要求也不同。
下面分别讨论自由锻、胎模锻和锤上模锻的零件结构工艺性。
( 一 ) 自由锻件的结构工艺性1、自由锻零件的特点自由锻主要生产形状简单、精度较低和表面粗糙度较高的毛坯。
这是设计锻件结构时要首先考虑的因素。
同时，还要在保证零件使用性能的前提下，考虑如何便于锻打，如何才能提高生产效率。
2、自由锻件的结构工艺性要求自由锻件的结构工艺性要求见下表。
结构工艺性要求不合理合理锻件上应避免有锥形和楔形表面应避免出现加强肋，工字形截面等复杂结构应力求简化两球形面的交接应避免出现形状复杂的凸台及叉形件的内凸台等自由锻件的结构工艺性(二) 胎模锻件和模锻件的结构工艺性1. 胎模锻和模锻件的特点胎模锻和模锻允许零件上有较复杂的曲面、肋条和小凸台，甚至可以在锻件上制出花纹和文字。
第三章自由锻造工艺
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47
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平砧镦粗
平砧镦粗变形与应力状态分析
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2) 坯料尺寸的影响
Ⅰ—难变形区 Ⅱ—大变形区 Ⅲ—小变形区 Ⅳ—均匀变形
不同高径比坯料镦粗时鼓型情况与变形分布
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28
4 镦粗的质量问题及控制
质量问题： 侧表面产生纵向或45º裂纹；
侧表面出现鼓形； 上下端存留铸态组织； 高坯料镦粗易失稳弯曲；。 质量控制措施： a 采用润滑、预热工具
基本锻造工序：拔长、弯曲
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例：卡瓦的锻造过程
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非洲菊
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★
圆自
轴由
锻锻
锻 件 锻 造
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叉 杆 锻 件 锻 造
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大 型 锻 件 锻 造
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全纤维自由锻造
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第三节 自由锻基本工序分析
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一、 镦粗
使坯料整体或一部分高度减小截面积增大的工序 锻造比为：Y镦=H0/H 镦粗比为：H0/D0
3精整工序
在完成基本工序之后，用以提高锻件 尺寸及位置精度的工序。
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辅助工序
预压钳把
钢锭倒棱
分段压痕
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修整工序
鼓形滚圆
端面平整
弯曲校正
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二、自由锻件分类
饼块类 、空心类、轴杆类、 曲轴类、弯曲类、复杂形状类
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1 饼块类锻件
外形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。
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八 切割 将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序
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第四节 自由锻工艺规程的制定
一、概述 二、自由锻件的结构工艺性 三、自由锻工艺规程的制定
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。
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制定自由锻工艺规程
零件图
图示的为一轴类零件，制定自由锻工艺规程。
该零件使用材料为45钢，采用自由锻制坯，设计过程如下：
（1）绘制锻件图，根据零件图并考虑余量和公差绘出锻件图（参考李尚建—《锻造工艺及模具》）
ⅠⅡⅢⅣⅤ
（2）制定变形工艺
（3）由锻件图可知，该轴最大轴径D2=296mm，轴向长度L=1425mm。
参照类似锻件锻造工艺确定工艺方案如下：
坯料——预拔长——压肩——拔长制成品
（4）工序尺寸的计算
①预拔长：考虑拉缩问题，取保险量△=30mm，因此预拔长直径D拔=296+30=326mm
②分段压痕压肩：
轴Ⅰ，Ⅴ段，考虑到拔长后端面不平，切除料头质量，
下料体积
VⅠ0=1/4xπDⅠ2xL1+0.21D3 =12585218mm3
下料长度
LⅠ0= 4VⅠ0/(πD2拔)=150mm
轴ⅡⅣ段，根据经验应按大于工程尺寸并小于正公差下料
VⅡ0=1/4xπDⅡ2xLⅡ=8772435mm3
下料长度
LⅡ0= 4VⅡ0/(πD2拔)=105.2mm
轴Ⅲ段
VⅢ0=1/4xπDⅢ2xLⅢ=20286598mm3
下料长度
LⅢ0= 4VⅢ0/(πD2拔)=243.2mm
压肩深度按下时确定
h=（1/3~1/4）x（D-d）=（1/3~1/4）x（296-212）=21~28mm ⑸计算坯料尺寸
原坯料尺寸包括锻件尺寸及烧损，即
V0=(V锻+V切)x（1+δ）
V锻=59000168 mm3
V切=4001813 mm3
取烧损率δ=3.5%
得V0=65207051 mm3
选择圆柱坯料Φ340，即D0=340mm
H0=4V0/(πD20)=718mm
锻件重量G坯=ρx V0=515Kg
⑹选择设备吨位
根据锻件形状尺寸，查表3—10，选用3.0吨自由锻锤
⑺确定锻造火次及温度范围
45钢始锻温度为1200℃终锻温度为800℃
㈧热处理
为方便机加工，锻件热处理定为退火，随炉冷却
工艺卡片。