自由锻工序

第四章自由锻主要工序分析自由锻是利用简单的工具逐步改变坯料的形状、尺寸和状态，以获得所需要形状、尺寸和性能的锻件的加工工序。●分类：手工自由锻锤上自由锻水压机上自由锻●特点：1）工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批量锻件，大型锻件生产。2）工具与毛坯部分接触，逐渐变形，所需设备功率比模锻小得多，可锻造大型锻件，也可锻造多种多样、变形程度相差很大的锻件。3）靠人工操作控制锻件的形状和尺寸，精度差，效率低，劳动强度大。自由锻主要工序：镦粗、拔长、冲孔、扩孔第一节镦粗使坯料高度减小，横截面增大的成形工序称为镦粗。镦粗用于：●由小横截面积坯料得到较大横截面积而高度较小的锻件；●冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面；●反复镦粗和拔长，提高下一步拔长时的锻造比；●提高锻件的力学性能和减小力学性能的异向性；●反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布。1)完全镦粗：将坯料竖直放在砧面上，在上砧的锤击下,使坯料产生高度减小,横截面积增大的塑性变形。2)端部镦粗：将坯料加热后,一端放在漏盘或胎模内,限制这一部分的塑性变形,然后锤击坯料的另一端,使之镦粗成形。3)中间镦粗：用于锻造中间断面大,两端断面小的锻件。镦粗前,先将坯料两端拔细,然后使坯料直立在两个漏盘中间进行锤击,使坯料中间部分镦粗。镦粗分类:一、镦粗的变形分析一般坯料：H0/D0=0.8~2.0。其特点是：外形呈鼓形，即中间直径大，两端直径小。1、平砧镦粗变形分析通过网格实验（对试件变形前后网格的测量和计算）可以看出镦粗时坯料内部的变形是不均匀的。Ⅰ区变形程度最小—难变形区；Ⅱ区变形程度最大—大变形区；Ⅲ区变形程度居中—小变形区。Ⅰ区：①、工具与坯料端面之间摩擦力最大，该区变形十分困难，称为“难变形区”。②、在接触面上，由于中心处的金属流动还受到外层的阻碍，愈靠近中心部分受到的摩擦阻力愈大，变形愈困难。③、在平板间热镦粗坯料时，与工具结触的上下端金属由于温度降低快，变形抗力大，变形愈困难。Ⅱ区：受摩擦的影响小，温度降低也慢，“大变形区”。应力状态也有利于变形。Ⅲ区：受摩擦的影响小，温度降低稍慢，介于Ⅰ、Ⅱ之间，称为“小变形区”。2、不同高径比坯料的镦粗分析较高坯料：H0/D0≈3.0高坯料：H0/D0﹥3.0矮坯料：H0/D0﹤0.5二、镦粗工序主要质量问题及防止措施●锭料镦粗后上、下端常保留铸态组织；Ⅰ区金属变形程度小、温度低，故镦粗锭料时此区铸态组织不易破碎和再结晶，结果仍保留粗大的铸态组织。●侧表面易产生纵向或呈45度方向的裂纹；Ⅱ区变形大，Ⅲ区变形小，Ⅱ区金属向外流动时便对Ⅲ区金属作用有径向压应力，并使其在切向受拉应力。当切向拉应力超过材料的强度极限或切向变形超过材料允许的变形程度时，便引起纵向裂纹。低塑性材料由于抗剪切的能力弱，常在侧表面产生45°方向的裂纹。●高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲。控制高径比：圆钢H/D不超过2.5~3，方形或矩形截面毛坯的高径比不大于3.5~4。主要质量问题：1、使用润滑剂和预热工具镦粗低塑性材料时常用的润滑剂有：玻璃粉、玻璃棉、石墨粉等，为防止变形金属很快地冷却，镦粗用的工具均应预热200～300℃。2、采用凹形毛坯锻造低塑性材料的大型锻件时，镦粗前将坯料压成凹形，可以明显提高镦粗时允许的变形程度。这是因为凹形坯料镦粗时沿径向有压应力分量产生，对侧表面的纵向开裂起阻止作用。防止措施:3、采用软金属垫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，呈现圆柱形，再继续镦粗时，最后获得程度不太大的鼓形。由于镦粗过程中坯料侧面内凹，沿侧表面有压应力分量产生，因此，产生裂纹的倾向显著降低。又由于坯料上下端面部分也有了较大的变形，故不再保留铸态组织了。热镦粗大型和较大型的低塑性材料锻件时，在工具和坯料之间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）；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叠镦：将两件迭起来镦粗，形成鼓形，然后各自换成下图的形状继续镦粗消除鼓形。迭锻不仅能使变形均匀，而且能显著地降低变形抗力。在套环内镦粗：在坯料的外围加一个碳钢的外套，靠套环的径向压力来减小由于变形不均而引起的附加拉应力。使镦粗时困难变形区在拔长时受到变形，使整个坯料各处变形都比较均匀。第二节拔长使坯料横截面积减小而长度增加的成形工序叫拔长。用于：轴杆类零件；改善锻件内部质量。●矩形截面坯料拔长●圆截面坯料拔长●空心坯料拔长当毛坯沿轴向逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦粗工序的组合，但还受两端不变形金属的影响。矩形截面拔长时，当相对送进量（进料长度L与宽度a之比，即L/a，也叫进料比）较小时，金属多沿轴向流动，轴向的变形程度较大，横向的变形程度较小；随着L/a的不断增大，轴向变形程度逐渐减小，横向变形程度逐渐增大。拔长变形特点：由于拔长是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形，所以它是锻造生产中耗时最多的一种工序。因此，在保证锻件质量的前提下，应尽可能提高拔长的效率。拔长变形分析2）相对送进量（l/h）1）相对压缩程度εn压缩所需的遍数和总的压缩次数减少，生产率高。但在实际生产中相对压缩程度受到一定的限制：如果金属的塑性差，应按金属塑性所允许的数值确定；如果金属的塑性好，每次的变形程度可以大些，但是每次压缩后应保证an/hn2.5,否则，翻转90°再压时，坯料可能弯曲。当送进量L/b小时，轴向变形大，即在同样的相对压缩程度下，（横截面减小的程度大），可以减小所需的压缩次数；但是，送进量小时，对于一定长度的毛坯，压缩一遍所需的送进次数增多。实际生产中取L=（0.4～0.8）b，b为平砧的宽度。矩形截面坯料拔长时的质量分析常见质量问题：1）坯料外部表面横向裂纹2）坯料外部表面角裂3）在内部常引起组织和性能不均匀4）内部的纵向裂纹和横向裂纹变形流动特点及影响拔长质量的工艺因素矩形截面拔长时内部的变形情况与镦粗相似，但又受两端未变形部分（外端、刚端）的牵制。拔长时的锻透程度，内外部裂纹及锻件成形质量，均与拔长时的变形分布和应力状态直接有关，并取决于送进量、压下量、砧子形状、拔长操作等因素。当送进量较大（L0.5h）时，轴心部分变形大，处于三向压应力状态，有利于焊合坯料内部的孔隙、疏松，而侧表面（切向）受拉应力。当送进量过大（Lh）和压下量也很大时，此处可能因展宽过多而产生较大的拉应力引起开裂。同时，由于轴心区金属的变形显著，受刚端及工具摩擦的影响，外层金属是被拉着伸长的。与外端相接近的部分受拉应力最大，变形也越大，因而容易在此处产生表面横向裂纹。同时，在边角部分，由于冷却较快，塑性降低，更易开裂。高合金钢和某些耐热合金拔长时，常易产生角裂，操作时需注意经常倒角。1）送进量的影响拔长高合金工具钢时，当送进量较大，并且在坯料同一部分反复重击时，常易沿对角线产生裂纹。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，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小节：送进量较大时，坯料可以很好地锻透，而且可以焊合坯料中心部分原有的孔隙和微裂纹，但送进量过大也不好，因为l/h过大时，产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹的可能性也增大。L0.5h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。拔长时增大压下量，不但可以提高生产率，还可强化心部变形，有利于锻合内部缺陷。因此，只要钢的塑性允许，应尽量采用大压下量拔长。但压下量也不是无止境的大，与变形工艺有关；为了避免锻件产生折叠，单边压下△h/2应小于送进量L；还要考虑毛坯翻转90°后拔长不产生弯曲，毛坯每次压下后的宽高比应小于2.5~3.0。2）压下量的影响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。上下平砧拔长矩形截面毛坯时，只要相对送进量选得合适，能使毛坯的中心锻透。二、空心件拔长空心件拔长一般叫芯轴拔长。锻造时，先把芯棒插入冲好孔的坯料中,然后当作实心坯料进行拔长。拔长时,一般不是一次拔成,先将坯料拔成六角形,锻到所需长度后,再倒角滚圆,取出芯棒，为便于取出芯棒,芯棒的工作部分应有1:100左右的斜度。这种拔长方法可使空心坯料的长度增加,壁厚减小,而内径不变,常用于锻造套筒类长空心锻件。第三节冲孔在坯料上锻制出透孔或不透孔的工序叫冲孔。1）双面冲孔法：用冲头在坯料上冲至2/3～3/4深度时,取出冲头，翻转坯料，再从反面对准位置，冲出孔来。2）单面冲孔法：用于厚度小的坯料。冲孔时，坯料置于垫环上，将一略带锥度的冲头大端对准冲孔位置，用锤击方法打入坯料，直至孔穿透为止。常用的冲孔方法：开式冲孔、实心冲子冲孔、空心冲子冲孔、在垫环上冲孔和闭式冲孔一、冲孔的受力变形分析金属变形流动特点（以开式实心冲子冲孔为例）冲孔时，毛坯分成两部分：冲头下面的圆柱体A和冲头以外的圆环区B。A区金属的变形相当于圆环包围下的镦粗，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：1)开式冲孔时，冲头下部的A区金属被镦粗后径向外流，使B区金属也随之变形；2）当坯料较高时，无论A区或B区，塑性变形都是由上向下逐步发展的；3）环壁厚度对冲孔后坯料的高度有较大影响，环壁较薄时，冲孔后的坯料高度降低较多，环壁较厚（D/d≈5）时,高度降低较小或几乎不降低，环壁较厚时，坯料内壁高度略有增加。二、冲孔的质量分析●“走样”●裂纹●孔冲偏“走样”：开式冲孔时坯料高度减小，外径上小下大，下端面凸出，上端面凹进，这些现象统称为“走样”。其程度大小与D/d有关，D/d愈小，“走样”愈严重，一般取D/d≈3。裂纹：低塑性材料开式冲孔时常易在侧表面和内孔圆角处产生纵向裂纹。外侧表面裂纹是由于A区金属向外流动时B区的外径被迫地扩大，使外层金属受到切向拉应力，当超过金属当时的强度极限时，便产生裂纹破坏。冲孔时内孔圆角处的裂纹是由于此处温度降低较多，塑性较低，加之冲子一般都有锥度，当冲子往下运动时，此处便被涨裂。孔冲偏：冲子放偏、环形部分金属性质不同、冲头各处的圆角、斜度不一致等，均可使孔冲偏。改善质量问题的措施：1）为减小“走样”，一般取D/d≈3，锥形冲头和椭圆形冲头有助于减小“走样”。2）为减小裂纹，冲子的锥度不宜过大，当冲低塑性材料时，如Cr12钢，不仅要求冲子锥度较小，而且要经过多次加热逐步冲成。大型锻件在水压机上冲孔时，当孔径大于450mm时，一般采用空心冲头冲孔，这样可以减小B区外层金属的切向拉应力，避免产生侧表面裂纹，并能除掉锭料中心部分质量不好的金属。第四节扩孔减小空心坯料壁厚而