自由锻工艺过程
自由锻造和模型锻造的工艺过程
自由锻造和模型锻造的工艺过程自由锻造和模型锻造的工艺过程2009-06-28 20:50第6章自由锻造和模型锻造的工艺过程采用通用工具或直接在锻造设备的上下砧之间进行的锻造，称为自由锻造，简称自由锻。
自由锻的工艺灵活，锻造时金屑坯料只有部分表面与工具或上下砧面接触，其余为自由表面，坯料在水平方向进行塑性变形时流动自由，因而要求设备功率比模锻小；锻件形状和尺寸全凭锻工掌握和控制，因此生产效率低，锻件复杂程度和精度较低。
随着锻造生产的发展，批量的增加，自由锻件必然被生产效率高、精度高、锻件形状复杂的模锻件所代替，但特大型锻件还必须靠自由锻生产，而且随着科学技术的发展，自由锻造的现代化，锻件的内部质量、精度与生产效率都将有很大的提高。
采用模具在锻造设备上进行的锻造称为模型锻造，简称模锻。
模锻时金属坯料表面与模具全面接触，坯料在进行塑性变形时流动不自由，受到模壁限制，因而要求设备功率大；锻件的尺寸和形状由终锻模膛控制，余量小，精度与效率都高，而且便于实现机械化和自动化。
自由锻造适合于单件、小批生产，模型锻造则适合于大批量的生产。
6．1 自由锻造6．1．1 自由锻造基本工序自由锻造的基本工序有拔长、镦粗、冲孔、扩孔、切断、弯第97页形、扭转和错移等。
(1)拔长是使锻件长度增长、横截面积减小的操作工序，主要用于锻造轴类锻件，如台阶轴、拉杆和连杆等。
①拔长的基本方法拔长时沿坯料的一面顺次锻打一遍后，坯料一般会发生翘曲，应将坯料翻转180°后轻击拉直，然后再翻转90°顺次锻打。
对塑性较差的高合金钢等锻件，应采用沿螺旋方向翻转90°的方法锻造，以保证锻造时变形均匀和温度均匀。
翻转方法如图6—1所示。
②拔长的操作要点a．拔长时坯料每次进给量不得小于单面压下量，否则容易产生折叠。
b．直径较大的坯料拔成较小的圆截面时，应先锻成方形截面，当拔长到接近锻件直径时，再倒棱滚圆。
如果用圆钢拔成方钢，圆钢的最小直径应在方钢边长的1．4倍以上，才能保证锻得出。
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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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。
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
自由锻工艺过程
例题
1、绘制锻件图
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）
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？其选择与
材料成型技术
金属的塑性成型工艺
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。 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。
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) 。
锻比的确定
锻比的确定
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。
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。
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。
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 /
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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
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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
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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
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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
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。
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
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2019/11/1
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%)
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
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。
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。
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 件、工具辅具情况、坯料供应状态、生产批量大小等。
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。
例题
1、绘制锻件图
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）
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
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 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
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。 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。
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。
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)。
锻比的确定
锻比的确定
材料成型技术
金属的塑性成型工艺
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。
应注意的主要问题：
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
D0 = 1.13(KLS锻)1/2
a0 = (KLS锻)1/2
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
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
与锻件大小有何关系？
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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。
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