锻造工艺与模具设计-自由锻造工序.

第四章自由锻造工序1谢利[e-mail]材料工程学院23空气锤4§4-1概述一、定义自由锻——利用冲击力或压力使金属在上下两个平板之间产生塑性变形,从而得到所需形状及尺寸的锻件.或者说：只用简单的工具，或在锻造设备的上下砧间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需形状及内部质量的锻件的加工方法.5自由锻造：手工自由锻造和机械自由锻造（自由锻）锻锤自由锻——产生冲击力使金属坯料变形（中小型）水压机自由锻——靠压力使坯料变形（大型）优点：所用工具简单，通用性强、灵活性大，因此适合单件和小批锻件。缺点：锻件精度低，加工余量大，生产率低，劳动强度大。6§4-2自由锻工序及自由锻件分类一、自由锻工序:基本工序、辅助工序和修整工序⑴基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割、芯轴扩孔等。⑵辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如钢锭倒棱和缩颈倒棱、预压钳把、阶梯轴分段压痕等。7⑶修整工序即后续工序。指用来精整锻件尺寸和形状使完全达到锻件图要求的工序。一般是在某一基本工序完成后进行。如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆，凸起、凹下及不平和有压痕面的平整，拔长后的弯曲校直和锻斜后的校正等。自由锻件的成形都是这三类工序的组合89辅助工序预压夹钳把阶梯轴分段压痕钢锭倒棱10修整工序鼓形面滚圆压痕面平整弯曲后矫直和校正11二、自由锻件分类按工艺特点分为七类（把形状特征相同、变形过程类似的锻件归为一类）实心圆柱体轴杆类锻件；实心矩形截面类锻件；盘饼类锻件；曲轴类锻件；空心类锻件；弯曲类锻件；复杂形状类锻件.12§4-3自由锻基本工序分类1、定义：在外力作用下，使坯料高度减小，横截面增大的锻造工序。一、镦粗132、镦粗的作用：⑴获得横截面较大而高度较小的锻件（饼块件）;⑵用作冲孔前的准备工序(增大坯料的横截面积以便于冲孔);⑶“反复镦拔法”，镦粗与拔长相结合，可提高锻造比;⑷反复镦粗和拔长击碎合金工具钢中的块状碳化物，并使其分布均匀以提高锻件的使用性能;(5)提高锻件的横向力学性能以减小力学性能的异向性。143镦粗方式:平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗（1）平砧镦粗与镦粗比坯料完全在上下平砧间或镦粗平板间进行的压制称为平砧镦粗；镦粗比：坯料镦粗前后的高度之比（＞1）15(2)平砧间镦粗的变形分析镦粗时由于坯料两端面与工具存在摩擦力而导致金属变形不均匀;坯料上下端面及其表层金属因受摩擦力影响成为难变形区（Ⅰ）；区域（Ⅱ）为大变形区;区域（Ⅲ）为小变形区。因此，镦粗结果，坯料由圆柱形变为鼓形。另外，（I）区与工具接触，温度降低快，也是难变形的原因之一。16(3)缺陷分析1)三个区域的变形不均匀使金属内部晶粒粗细不一。大变形区变形充分，得到细晶粒；难变形区，还保留粗大的铸态组织。2)（Ⅱ）（Ⅲ）区变形的不均，又引起了侧表面裂纹的产生。3)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。17(4)减少缺陷的措施a采用润滑，预热工具;b用侧凹形毛坯镦粗;C采用软金属垫镦粗;d采用铆镦、叠料镦粗；e套环内镦粗；f反复镦粗与侧面修直软金属垫/环镦粗18铆镦与端面碾压叠料镦粗19Ⅲ（5）镦粗与高径比的关系坯料高径比H0/D0＞3时，易发生失稳，导致纵向弯曲；高径比H0/D0=1.5-2.5时，产生双鼓形和均匀变形区Ⅳ；高径比H0/D0=1.0-1.5时，双鼓形逐渐向单鼓形过度；高径比H0/D0＜0.5时，难变形区相接触，鼓肚较小ⅠⅡⅢⅣⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅡⅡⅡⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅣH0/D0=2.5HO/D0=1.45H0/D0=1～0.67H0/D0=0.2220（6）镦粗时应注意的事项避免镦粗时产生纵向失稳弯曲，圆柱体坯料高径比不宜超过2.5，在2-2.2范围内最好；对于方形或矩形截面坯料，其高度和较小基边之比不宜超过3.5；镦粗前坯料断面应平整，端面与轴线要垂直，加热温度均匀……21（7）垫环镦粗坯料在单个垫环上或两个垫环间进行镦粗，又称镦挤单垫环镦粗双垫环镦粗22（8）局部镦粗坯料只在局部长度上（端部或中间）产生镦粗变形局部镦粗23二、拔长（1）定义：使坯料横截面减小，长度增加的锻造工序；通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形，耗费工时最多。（2）按拔长时所使用的工具不同，分为平砧拔长、型砧拔长和芯轴拔长三类。24（3）拔长变形过程分析1）锻造比(KL)：坯料拔长前后的截面积之比(＞1)；2）变形特点：拔长时坯料变形情况与镦粗变形有某些相似之处，它是两端带有不变形金属的镦粗。3）影响因素：送进量L0、压下量△h、砧面与坯料的形状、锤击的轻重与操作方法以及坯料的加热温度等等。矩形截面拔长254）送进量的大小，除影响生产率外，还影响锻件质量当送进量太小，而坯料厚度（h0）又比较大，即当l0/h00.5时会出现锻不透的现象，坯料内部变形小而产生轴向拉应力，有可能导致锻件内部产生裂纹,如图4-29（a）。送进量过大（l0/h0＞1），出现单鼓形，心部变形大，能锻透，但在鼓形的侧表面和棱角处受拉应力，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹。所以，实际生产时一般取l0/h0=(0.5～0.8)，绝对送进量常取l0/B=(0.4～0.8)，B为平砧的宽度。264）送进量的大小，除影响生产率外，还影响锻件质量当送进量太小，而坯料厚度（h0）又比较大，即当l0/h00.5时会出现锻不透的现象，坯料内部变形小而产生轴向拉应力，有可能导致锻件内部产生裂纹,如图4-29（a）。送进量过大（l0/h0＞1），出现单鼓形，心部变形大，能锻透，但在鼓形的侧表面和棱角处受拉应力，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹。所以，实际生产时一般取l0/h0=(0.5～0.8)，绝对送进量常取l0/B=(0.4～0.8)，B为平砧的宽度。275）压下量（Δh）是指变形前后坯料厚度之差，即Δh=h0-h。每次锤击的压下量不宜过大一般认为Δh=(0.1～0.2)h0，并且压后断面的宽高比（bi/hi）不应小于2.5，否则翻转90°再压第二次时就会产生弯曲以致形成折叠。28必须指出：选择压下量时应结合送进量来考虑。一般送进量应该足够大，即L0(0.5～0.75)Δh。否则，会产生折叠，表面折叠产生主要是送进量与压下量不合适，导致锻件报废。拔长时坯料温度应适中、均匀。锤击须快，锤击的轻重（打击力的大小）以能锻透坯料为准。29(4)型砧拔长坯料在V型砧或圆弧型砧中拔长。V型砧有两种情形:即“上平下V”型和“上下V”型。其作用是利用侧压限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。在型砧中拔长可提高生产率，防止内部纵向裂纹的产生。a)上下V形砧b)上平下V砧c)上下平砧30（5）芯轴拔长:在拔长时孔中穿一根芯轴，是一种减小空心坯料的壁厚而增加其长度的锻造工序;变形区分为A区和B区,其中A区是直接受力区,B区是间接受力区,B区的变形和受力由A区变形引起;适用于锻造长筒形锻件主要质量问题：孔内壁开裂和壁厚不均31(6)拔长时主要质量问题和防止措施：质量问题：裂纹,表面折叠,端面内凹,组织与性能不均。防止措施:（a）表面横向裂纹与角裂，前者是由于送进量过大同时压缩量也过大所引起的；后者除了变形原因外，主要是由于角部温度散失快，产生温度应力，引起表面拉力过大(应及时进行倒角);（b）表面折叠主要是由于送进量太小;32（c）内部横向裂纹也是由于送进量太小，出现双鼓形特征，引发轴心拉应力。（d）内部纵向裂纹送进量过大，压下量较小，所造成的中心拉应力。（e）端面内凹送进量太小，表面金属变形大、轴心尚未来得及变形引起的。此外还有：对角线裂纹，端面裂纹，端部孔壁裂纹33(7)拔长操作方法螺旋式翻转送进法往复翻转送进法单面压缩法(8)压痕与压肩:在锻造阶梯轴时,为了锻出台阶和凹档,应先用三角压棍压肩或用圆压棍压痕34课后作业第一章课后思考题1;第二章课后思考题1,3.第三章课后思考题3;第四章课后思考题1,5.35三、冲孔在坯料上锻制出透孔或不透孔的工序。用途：各种带孔锻件和空心锻件的锻造。方法：实心冲头冲孔、空心冲头冲孔和垫环上冲孔1、实心冲头冲孔高度70-80%翻转361）直接受力区（A区）变形视为环形金属包围下的镦粗。应力状态为三向受压。冲头附近为难变形区，且变形由上至下逐渐发展。2）间接受力区（B区）轴向受一定的压应力（1）受力变形分析37（2）坯料形状的变化D0/d≤2-3上端面拉缩现象严重，外径明显增大D0/d=3-5几乎没有拉缩现象，外径有所增大D0/d5环壁较厚，扩径困难，形成凸台381）冲孔后坯料尺寸的计算（见p61公式）2）冲孔前坯料高度确定：当D0/d≥5时,H0=H；当D0/d＜5时，H0=(1.1～1.2)H坯料冲孔后的高度总是小于或等于坯料原高度。（3）冲孔坯料尺寸的计算39（4）质量分析1）优点操作简单，芯料损失较少，芯料高度h≈0.25H；广泛用于孔径在30-400mm的冲孔锻件2）缺点a）“走样”：坯料高度减小，外径上小下大，下端面凸出，上端面凹进的现象。D0/d太小先镦粗至D0/d＞340b）孔冲偏c）斜孔d）裂纹低塑性材料常见缺陷。外侧纵向裂纹系由该处切向拉应力所致，D0/d愈小，最外层金属的切向伸长愈大，愈易产生裂纹。内孔圆角裂纹系由该处温降较大和冲头锥度所致。D0/d太小,外侧表面金属受到切应力;内孔圆角处温降大,塑性差增大D0/d＞;冲头锥度小,多次加热,逐步冲成41形状变化小、芯料损失大大锻件能将钢锭和质量差的部分冲掉，钢锭冒口向下适用于孔径大于400mm的锻件2、空心冲头冲孔42形状变化小、芯料损失较大、芯料(连皮)高度为h=（0.7-0.75%）H适用于D0/d＜0.125的薄饼锻件3、垫环上冲孔43§4-4自由锻工艺规程的制定自由锻工艺规程的内容：⑴根据零件图绘制锻件图；⑵确定坯料的质量和尺寸；⑶制订变形工艺及选用工具；⑷选择设备吨位；⑸确定锻造温度范围，制订坯料加热和锻件冷却规范；⑹制订锻件热处理规范；⑺提出锻件的技术条件和检验要求；⑻填写工艺规程卡片等。44一、锻件图的制订与绘制锻件图是以零件图为基础，考虑了加工余量、锻造公差、锻造余块、检验试样及工艺夹头等因素绘制而成。451．加工余量当锻造不能达到零件的尺寸精度和粗糙度要求时，零件表面需增加一层供切削加工用的金属，称为机械加工余量，简称余量。零件的公称尺寸＋余量后的尺寸＝锻件公称尺寸锻件的余量、余块462．锻造余块为了简化锻件的外形或锻造工艺的需要，通常需要添加金属。这种加添的金属部分叫做余块。锻造时，有些零件上的小孔，狭窄的凹槽或台阶等，一般不锻出，而加上余块，以简化锻件形状和操作。但简化后的锻件形状，会增加金属的消耗和机械加工工时。因此，是否要加放余块应根据零件的形状、尺寸和锻造技术水平及经济效益等具体情况而定。473．锻造公差由于设备精度或技术差异，锻件实际尺寸达不到公称尺寸，允许存在一定的误差，就是锻造公差。锻件上各部分不论是否需机械加工，都应注明锻造公差；通常，锻造公差为余量的1/4~1/3；确定余量必须保证锻件在机械加工时能获得所需要的零件尺寸和粗糙度；选择余量和公差时根据工厂的实际情况来定。484．检验用试样及工艺夹头供锻后组织性能检验以及方便锻后热处理的吊挂和机械加工的夹持等。5．绘制锻件图在锻造余量、公差和各种余块确定后，便可绘制锻件图。锻件的外形用粗实线描绘，标出锻造公称尺寸和公差，同时在公称尺寸后面或下面标出零件尺寸并加上括号以示区别。为了帮助了解成品零件的形状和便于锻后检查余量，应在锻件图上用假想线（双点划线或细实线），描绘出零件的轮廓形状。49一张完善的锻件图，除必须表明锻件的形状尺寸，余量公差，材料牌号，锻后热处理方法和要求外，个别重要零件，还应在锻件图中表明截取机械性能实验，