自由锻工艺设计
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。
锻造工艺设计学复习知识点
1.体积成形〔锻造、热锻〕：利用外力，通过工具或模具使金属毛坯产生塑性变形，发生金属材料的转移和分配，从而获得具有一定形状、尺寸和内在质量的毛坯或零件的一种加工方法。
2.自由锻：只用简单的通用性工具，或在锻压设备的上、下砧间直接使坯料成形而获得所需锻件的方法。
特点： 1、工具简单，通用性强，操作灵活性大，适合单件和小批锻件，特别是特大型锻件的生产。
2、工具与毛坯局部接触，所需设备功率比生产同尺寸锻件的模锻设备小得多，适应与锻造大型锻件。
3、锻件精度低，加工余量大，生产效率低，劳动强度大3.模锻：利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法。
通过冲击力或压力使毛坯在一定形状和尺寸的锻模模腔内产生塑性模锻特点： (1)锻件形状较复杂，尺寸精度高; (2)切削余量小，材料利用率高，模锻件本钱较低； (3)与自由锻相比，操作简单，生产率高；(4) 设备投资大，锻模本钱高，生产准备周期长，且模锻件受到模锻设备吨位的限制，适于小型锻件的成批和大量生产。
变形获得锻件4.锻造工艺流程：备料---加热---模锻---切边、冲孔—热处理—酸洗、清理---校正5.锻造用料：碳素钢和合金钢、铝、镁、铜、钛等及其合金。
材料的原始状态：棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。
6.一般加热方法：可分为燃料〔火焰〕加热和电加热两大类。
7.钢在加热时的常见缺陷：氧化、脱碳、过热、过烧、裂纹8.自由锻主要工序：镦粗、拔长、冲孔、扩孔9.使坯料高度减小，横截面增大的成形工序称为镦粗。
镦粗分类：完全镦粗、端部镦粗、中间镦粗10.镦粗的变形分析：难变形区、大变形区、小变形区11.镦粗工序主要质量问题：①锭料镦粗后上、下端常保存铸态组织②侧外表易产生纵向或呈45度方向的裂纹③高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲。
防止措施: 1、使用润滑剂和预热工具 2、采用凹形毛坯 3、采用软金属垫 4、采用叠镦和套环内镦粗 5、采用反复镦粗拔长的锻造工艺12.使坯料横截面积减小而长度增加的成形工序叫拔长13.在坯料上锻制出透孔或不透孔的工序叫冲孔14.冲孔的质量分析：走样、裂纹、孔冲偏15.减小空心坯料壁厚而增加其内、外径的锻造工序叫扩孔16.采用一定的工模具将坯料弯成所规定的外形的锻造工序称为弯曲17.扭转是将坯料的一局部相对于另一局部绕其轴线旋转一定角度的锻造工序18.按成形方法的不同，模锻工艺可分为开式模锻、闭式模锻、挤压和顶镦四类19.模具形状对金属变形流动的影响：⑴控制锻件的最终形状和尺寸⑵控制金属的流动方向⑶控制塑性变形区⑷提高金属的塑性⑸控制坯料失稳提高成形极限20.开式模锻变形过程：第Ⅰ阶段是由开场模压到金属与模具侧壁接触为止；第Ⅰ阶段完毕到金属充满模膛为止是第Ⅱ阶段；金属充满模膛后，多余金属由桥口流出，此为第Ⅲ阶段。
自由锻
a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构
4．合理采用组合结构锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，如图2-17所示。每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械联接方式构成整体零件。
图2-17复杂件结构
a)工艺性差的结构b)工艺性好的结构
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3．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。
图2-11锻件余量及敷料
1—敷料2—锻件余量
自由锻件余量和锻件公差可查有关手册。钢轴自由锻件的余量和锻件公差，见表2-1。
表2-1钢轴自由锻件余量和锻件公差（双边）（mm）
零件长度
零件直径
<50
50~80
30CrMnSiA、50CrVA、18Cr2Ni4WA、20CrNi3A
1180
850
0.3～0.8
40CrMnA
1150
800
0.3～0.8
铜合金
800~900
650~700
—
铝合金
450~500
350~380
—
（六）填写工艺卡片
半轴的自由锻造工艺卡片见表2-5。
表2-5半轴自由锻工艺卡
锻件名称
半轴
自由锻工艺规程：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。
（一）绘制自由锻件图
以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成的图形，它是工艺规程的核心内容，是制定锻造工艺过程和锻件检验的依据。锻件图必须准确而全面反映锻件的特殊内容，如圆角、斜度等，以及对产品的技术要求，如性能、组织等。
锻造成形-自由锻(32)讲解
敷料是为了简化锻件形状、便于锻造而增添的金属部 分。由于自由锻只适宜于锻制形状简单的锻件，故对零件 上一些较小的凹挡、台阶、凸肩、小孔、斜面和锥面等都 应进行适当的简化，以减少锻造的困难，提高生产率。
加工余量 由于自由锻件的尺寸精度低、表面品质较 差，需要再切削，所以应在零件的加工表面增加供切削加 工用的金属部分，称为加工余量。
自由锻的工序可分为基本工序（镦粗 拔长 冲孔）、辅助工序和精整工序三大类。
（1）基本工序 它是使金属坯料实现主要的变 形要求，达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的 工序。主要有以下几个：
镦粗 是使坯料高度减小、横截面积增大的 工序。它是自由锻生产中最常用的工序，适用于 饼块、盘套类锻件的生产。
拔长 是使坯料横截面积减小、长度增大的 工序。它适用于轴类、杆类锻件的生产。为达到 规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻制以 钢锭为坯料的锻件时，拔长经常与镦粗交替反复 使用。
(2)自由锻件应避免加强筋、凸台等结构。因为这些 结构难以用自由锻获得。若采用特殊工具或技术措施来生 产，必将增加成本，降低生产率。
(3)当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时，可 采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成几个简单件 构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将其连成 整体件。
选择锻造工序
四、自由锻件结构的工艺性
设计锻造成形的零件时，除应满足使用性能要 求外，还必须考虑锻造工艺的特点，即锻造成形的 零件结构要具有良好的工艺性。这样可使锻造成形 方便，节约金属，保证质量和提高生产率。
(1)自由锻件应避免锥体、曲线或曲面交接以及 椭圆形、工字形截面等结构。因为锻造这些结构须 制备专用工具，锻件成形也比较困难，使锻造过程 复杂，操作极不方便。
锻造比
最新自由锻造工艺规程的编制及举例资料
自由锻造工艺规程的编制及举例制定自由锻工艺规程的过程就是自由锻工艺设计的过程。
主要有以下内容：(一)绘制锻件图自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图绘制自由锻件的锻件图可按以下步骤进行：1.简化锻件形状为了简化锻造工艺，零件上的小孔、凹档、台阶等部分，可加上余块而不予锻岀，如图a。
是否加余块要根据零件的形状、尺寸、锻造技术水平和经济效果来确定。
2.确定加工余量和锻件公差(1)机械加工余量【机械加工余量】为使零件具有一定的加工尺寸和表面粗糙度，在零件表面需要加工的部分，锻件上留一层供作机械加工用的金属，称作机械加工余量（见上图a）。
（2）余块【余块】为简化锻件外形及锻造过程，在锻件的某些地方和添一些大于机械加工余量的金属，种加添的金属称作余块（见上图a）。
（3 ）锻件公差【锻件公差】锻件实际尺寸与基本尺寸之间所允许的误差。
公差值的大小是根据锻件形状、寸并考虑生产的具体情况而定的。
3．绘制锻件图在锻件图上，规定用粗实线绘出锻件的形状。
为了便于了解零件的形状和检查锻件的实际加工余量，在锻件图上还要用双点划线绘出零件的主要形状，如图10-27b 。
（二）计算坯料质量与尺寸【坯料质量】坯料质量可按下式计算G 坯料=G 锻件+G 烧损+G 料头式中G 坯料——坯料质量G 锻件——锻件质量G 烧损——加热时由于坯料表面氧化而烧损的质量。
第一次加热取被加热金属的2~3%，以后每次加热取1.5~2.0%G 料头——在锻造过程中冲掉或切掉的那部分金属的质量。
如冲孔时坯料中部的料芯，修切端部的料头等。
当锻造大型锻件时，如采用钢锭作坯料，还要考虑应切掉的钢锭头部和尾部的质量。
2．坯料尺寸根据坯料质量即可确定坯料尺寸。
在计算坯料尺寸前，先要考虑锻造比。
【锻造比】是指坯料在锻造前后的断面积的比值。
对于拔长工序来说，其锻造比R d 可按下式计算:R d =A 0 /A 1 或L 1 /L 0式中A 0 、A 1 ——拔长前、后坯料的断面积；L 0 、L 1 ——拔长前、后坯料的长度。
自由锻工艺
2.确定锻造比
锻造比：表示锻件在锻造成形时变形程度，锻造 比以金属变形前后的横断面积的比值或高度的比 值来表示锻比大小。
KLA 0/AD 02/D 2
KL H0 /H
.
锻造比反映了锻造对锻件组织和力学性能的影响， 是保证锻件品质的一个重要指标。 锻造比大：力学性能好；太大会造成力学性能各 向异性
表4-8 典型锻件的锻造比
.
表4-7 锻造工序锻造比和变形过程总锻造比的计算方法
.
.
➢ 重要锻件：采用镦粗拔长联合工艺，锻比要求 高达6～8。
4.4.4选择锻造设备
常用设备：锻锤和水压机
.
1.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变 形力（或变形功），选取设备吨位。
(1)在水压机上锻造 (2)在锻锤上锻造 在锻锤上自由锻时，由于其打击力是不定的， 所以应根据锻件成形所需变形功来计算设备的打击能量或吨位。
.
α
单垫环镦粗
3.局部镦粗
坯料只在局部长度上产生鐓粗变形。
.
刚端
图4-19 局部镦粗
1、坯料局部鐓粗时， 按杆部选择坯料直径 2、H头/D0≤3
对于头部大杆部细小的杆件，选大于杆部直径的坯料
.
图4-20 头大杆细类锻件的局部镦粗
4.3.3 冲孔
在坯料上用冲子冲出通孔或不通孔（盲孔）的锻造工序。
.
图4-53 在垫环上冲孔 1—冲子 2—坯料 3—垫环 4—芯料
4.3.4 扩孔
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。
分类：
1.冲子扩孔（胀形扩孔）
2.芯轴扩孔（拔长扩孔）
3.辗压扩孔（拔长扩孔）
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。
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
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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。