自由锻工艺.

第四章自由锻工艺4.1概述4.2自由锻工序及自由锻件分类4.3自由锻基本工序分析4.4自由锻工艺规程的制订4.5大型锻件自由锻造工艺特点4.1概述自由锻是利用简单的通用性工具，或在锻压设备的上下砧块之间使被加热的金属产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸和性能的锻件的一种加工方法。根据锻造设备的类型及作用力性质的不同，自由锻可分为手工自由锻和机器自由锻。自由锻视频适用范围：1、中小型锻件的单件小批量生产；2、大型锻件生产优点：工具简单、通用性强、灵活性大缺点：锻件精度低，加工余量大，劳动强度大，生产率低中小型锻件，大型锻件。为模锻完成制坯工序。16000吨水压机上，重260吨的巨型钢锭4570毫米、长3450毫米的核电筒节B中国第二重型机械集团公司（以下简称中国二重或二重）4.2.1自由锻工序组成(1)基本工序较大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是锻件变形与变性的核心工序，也是自由锻的主要变形工序，如镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转等。表4—1自由锻工序1表4—1自由锻工序1表4—1自由锻工序1预压钳把钢锭倒棱分段压痕表4—1自由锻工序2(2)辅助工序为了配合完成基本变形工序而做的工序(3)修整工序当锻件在基本工序完成后，需要对其形状和尺寸作进一步精整，使其达所要求的形状和尺寸的工序。鼓形滚圆端面平整弯曲校正表4—1自由锻工序3表4-2自由锻件分类1.实心圆柱体轴杆类锻件、2.实心矩形断面类锻件、3.盘饼类锻件、4.曲轴类锻件5.空心类锻件、6.弯曲类锻件、7.复杂形状类锻件4.2.2自由锻件分类表4-2自由锻件分类图4-1传动轴的锻造过程1.实心圆柱体轴杆类锻件图4-2摇杆传动轴的锻造过程2.实心矩形断面类锻件图4-3盘饼类锻件的锻造过程a)齿轮的锻造过程b)锤头的锻造过程3.盘饼类锻件图4-4三拐曲轴的锻造过程4.曲轴类锻件图4-5195型单拐曲轴的全纤维锻造过程5.空心类锻件6.弯曲类锻件图4-7弯曲类锻件的锻造过程a)20t吊钩的锻造过程b)卡瓦的锻造过程7.复杂形状类锻件吊环螺钉羊角吊钩羊角锤头4.3自由锻基本工序分析自由锻基本工序？了解和掌握自由锻每种基本工序金属的流动规律和变形分布，对合理选择成形工序，准确分析锻件质量和制定锻件自由锻工艺规程非常重要4.3.1镦粗镦粗：使坯料高度减小而横截面增大的成形工序。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。墩粗的分类按原材料的形状分类：1、圆形截面墩粗2、方形截面墩粗3、矩形截面墩粗按镦粗方式分类：1.平砧镦粗2.垫环镦粗3.局部镦粗图4-8圆形截面平砧镦粗1.平砧镦粗(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。(2)平砧间镦粗的变形分析圆柱坯料在平砧间镦粗，随着压下量(轴向)的增加，径向尺寸不断增大。(3)减小镦粗时产生鼓肚和裂纹的措施(4)镦粗与高径比的关系(5)镦粗时应注意的事项图4-8平砧镦粗1.平砧镦粗1)平砧镦粗平砧镦粗：坯料完全在上下平砧间或镦粗平板间进行压制。镦粗的变形程度可以用：相对变形Ɛe，对数变形eH；镦粗比KH来表示000eHHHHH0HHeInH0HHKH图4-9平砧镦粗时变形分布与应力状态2)平砧间鐓粗的变形分析鐓粗时，坯料的变形不均匀，变形后呈鼓形。由网格法和有限元法模拟可知，在变形过程中，其应力和应变沿径向和轴向都分布不均。区域Ⅰ：难变形区；区域Ⅱ：大变形区；区域Ⅲ：小变形区，变形程度介于区域Ⅰ与区域Ⅱ之间。根据镦粗后网格的变形程度分为三个变形区：（１)坯料侧面出现鼓形，可能引起表面纵裂；(２)坯料上下两端出现粗大的铸造组织；(３)坯料内部变形不均匀，晶粒大小不均匀，锻件性能也不均匀；（４)高径比较大的坯料，易产生纵向弯曲,变形失稳。镦粗变形不均匀，坯料容易出现的缺陷：3）为减少缺陷采取的措施１.预热模具，使用润滑剂：如玻璃粉、石墨粉等；２.凹形毛坯镦粗；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３.软金属垫镦粗；图4-12软金属垫镦粗图4-13铆镦4、铆鐓、叠料鐓粗图4-14叠料镦粗过程图4-15套环内镦粗5、套环内鐓粗适于低塑性高合金钢图4-16不同高径比坯料镦粗时（4）鐓粗与高径比的关系图4-17不同高径比坯料镦粗过（5）鐓粗时应注意事项教材P482.垫环镦粗图4-18垫环镦粗坯料在单个垫环镦粗或两个垫环镦粗间进行的鐓粗，又称鐓挤使金属分流的界面坯料高度与直径之比（H0/D0）、环孔与坯料直径之比(d/D0)、变形程度（εH）、环孔斜度（α）及摩擦条件等。分流面的位置与下列因素有关：α单垫环镦粗3.局部镦粗图4-19局部镦粗坯料只在局部长度上产生鐓粗变形。刚端1、坯料局部鐓粗时，按杆部选择坯料直径2、H头/D0≤3图4-20头大杆细类锻件的局部镦粗对于头部大杆部细小的杆件，选大于杆部直径的坯料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。冲孔的作用：冲出直径＞30mm的孔，或为扩孔等冲出预制孔。分类：1.实心冲头冲孔2.空心冲头冲孔3.垫环上冲孔1.实心冲头冲孔双面冲孔图4-48实心冲头冲孔1—坯料2—冲垫3—冲子4—芯料图4-49冲孔时的应力应变简图(1)实心冲头冲孔时坯料变形特点由于实心冲头冲孔时，坯料处于局部加载，整体受力和整体发生变形的状态。。图4-50冲孔时坯料形状变化的情况•冲孔坯料的形状与坯料直径D0与孔径d之比有关:当D0/d≤2～3时：拉缩严重，外径明显增大；当D0/d＝3～5时：几乎无拉缩，外径有所增大；当D0/d＞5时：多余金属挤向端面形成凸台。(2)冲孔坯料尺寸计算1.51.13[)-0.5HDvAHhA坯冲（a:冲孔后坯料直径b:坯料高度的计算D0/d≥5，H0=HD0/d＜5，H0=(1.1~1.2)H图4-51冲孔缺陷示意图(3)冲孔时易产生的缺陷及防止措施冲孔时如果操作不当、坯料尺寸不合适、坯料温度不均匀等，可能会使锻件形状“走样”，产生孔冲偏、斜孔、裂纹等缺陷实心冲孔的优点？D0/d＞3H0/D0≤1.5增大D0/d;小锥度冲子；多次加热H0/D0≤1.5图4-52空心冲头冲孔2.空心冲头冲孔冲直径大于400mm的孔，芯料损失大1—坯料2—冲垫3—冲子4—芯料图4-53在垫环上冲孔1—冲子2—坯料3—垫环4—芯料3.垫环上冲孔芯料损失大，芯料高度h=（0.7~0.75）H，适用于H/D＜0.125的薄饼类锻件4.3.4扩孔分类：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）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。图4-54冲子扩孔1.冲子扩孔表4-4冲子扩孔每次允许的扩孔量坯料预冲孔直径mm每次允许扩孔量mm30~11525120~27030一般用于D0/d＞1.7,H≥0.125D0且薄厚不太薄的锻件锻件质量小于30kg，冲孔后直接扩孔1~2次，再加热一火，允许扩孔2~3次；锻件质量大于30kg，冲孔后直接扩孔1次，再加热一火，允许扩孔2~3次；利用直径比坯料内孔大的锥度冲子扩大坯料内孔的直径径向受压，切向受拉。轴向压应力很小2.芯轴扩孔（马架扩孔）图4-55芯轴扩孔1—扩孔型砧2—锻件3—芯轴(杠)4—支架(架)局部加载，整体受力，局部变形，环形坯料沿圆周方向拔长金属向切向和宽度方向流动。切向阻力小，宽度方向阻力大，t/d越大，阻力越大。壁厚减薄，内外径扩大，宽度略有增加。芯轴扩孔前坯料尺寸的计算方法：(1)预冲孔直径d0D:锻件直径(2)坯料外径D0(3)坯料高度H0因扩孔后坯料高度略有增加，则坯料高度H0应比锻件高度略小。01.13VDH锻1.103dD0HHKK:展宽系数000//dddHKH锻锤吨位t0.3~0.50.751.02.03.05.0芯轴最小直径mm406080100120160表4-5锤上芯轴扩孔用最小芯轴直径一次芯轴扩孔，一般可以换三次芯轴3.辗压扩孔（2）辗压扩孔的优点1)锻件精度比其他自由锻方法高，金属流线分布均匀，零件的使用寿命较长。2)材料利用率比其他自由锻方法可提高10%~20%，切削加工时间可减少15%~25%。3)劳动条件好。图4-57辗压扩孔工作原理图1—环形坯料2—芯辊3—辗压辊4—导向辊5—信号辊（1）如图4-57辗压扩孔的工作原理4.3.5弯曲将坯料弯曲成规定外形的锻造工序称为弯曲，这种方法可用于锻造各种弯曲类锻件，如起重吊钩、弯曲轴杆等。图4-58弯曲坯料截面变化情况4.3.6错移1)在一个平面内错移，如图4-59a所示。2)在两个平面内错移，如图4-59b所示。图4-59错移a)在一个平面内错移b)在两个平面内错移4.4自由锻工艺规程的制订4.4.1锻件图的制订与绘制4.4.2坯料质量和尺寸的确定4.4.3制订变形工艺和确定锻造比4.4.4选择锻造设备4.4.5制订自由锻工艺规程举例4.4.1锻件图的制订与绘制1.加工余量2.锻造公差图4-60锻件的各种尺寸、余量和公差的关系图4-61锻件的各种余块3.锻造余块4.检验试样及工艺夹头图4-64齿轮零件图5.绘制锻件图图4-65齿轮锻件图4.4.2坯料质量和尺寸的确定1.坯料质量的计算2.坯料尺寸的确定3.钢锭规格的选择1)首先确定钢锭的各种损耗，求出钢锭的利用率η为2)根据锻件类型，参照经验资料先定出概略的钢锭利用率η，然后求得钢锭的计算质量G锭＝G锻／η，再从有关钢锭规格表中，选取所需的钢锭规格。表4-6不同加热炉中加热钢的一次火耗率4.4.3制订变形工艺和确定锻造比1.制订变形工艺主要内容：1、确定变形工序及其顺序2、计算坯料工序尺寸图4-62锤上锻造空心锻件的工艺方案选择图线图4-63水压机锻造空心锻件制订变形工艺应注意的问题1)坯料各工序的变形尺寸必须符合变形工艺规则。2)必须保持锻件各部分有足够的体积，锻件最后需要精整时，应留有充足的修整量。3)在多火次锻打较大锻件时，应考虑中间各火次加热的可能性。4)有些长轴类锻件的轴向尺寸要求精确，且因锻件太长不能镦粗(例如曲轴等)，必须预计到锻件在精修时轴向会略有伸长。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。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2200//LKAADD0/LKHH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。2.经验类比法(1)镦粗时(2)拔长时表4-10自由锻锤锻造能力复习1、自由锻的基本工序有哪些？镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转等。2、按工艺特点（形状特征相同、变形过程相似）分，自由锻件分哪些种类？1.实心圆柱体轴杆类锻件、2.实心矩形断面类锻件、3.盘饼类锻件、4.曲轴类锻件5.空心类锻件、6.弯曲类锻件、7.复杂形状类锻件3、自由锻工艺规程包含哪些内容？1）锻件图的制订与绘制2）制订变形工艺和确定锻造比3）坯料质量和尺寸的确定.4）选择锻造设备5）确定锻造温度范围，制定坯料加热和锻件冷却规范6）制定锻件的热处理规范7）制定技术条件和检验要求8）填写工艺规程卡片第五次课表4—1自由锻工序11、自由锻的基本工序有哪些？2、按工艺特点（形状