材料成形技術(shù)基礎(chǔ)-自由鍛

1、自由鍛自由鍛：利用沖擊力或壓力，使金屬在上、下砧鐵之間，產(chǎn)生塑性變形而獲得所需形狀、尺寸以及內(nèi)部質(zhì)量鍛件的一種加工方法。自由鍛造時(shí)，除與上、下砧鐵接觸的金屬部分受到約束外，金屬坯料朝其它各個(gè)方向均能自由變形流動(dòng)，不受外部的限制，故無法精確控制變形的發(fā)展。率也較低。機(jī)器自由鍛分類：手工鍛造和機(jī)器鍛造兩種。手工鍛造只能生產(chǎn)小型鍛件，生產(chǎn) 鍛造是自由鍛的主要方法。自由鍛的特點(diǎn)：工具簡單、通用性強(qiáng)，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短。自由鍛件的質(zhì)量范 圍可由不及一千 克到二、三百噸，對(duì)于大型鍛件，自由鍛是唯一的加工方法，這使得自由鍛 在重型機(jī)械制造中具 有特別重要的作用，例如水輪機(jī)主軸、多拐曲軸、大型連桿、重要的齒輪等

2、零件在工作時(shí)都承受 很大的載荷，要求具有較高的力學(xué)性能，常采用自由鍛方法生產(chǎn)毛坯。由于自由鍛件的形狀與尺寸主要靠人工操作來控制，所以鍛件的精度較低，加工余量大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低。自由鍛主要應(yīng)用于單件、小批量生產(chǎn)，修配以及大型 鍛件的生產(chǎn)和新產(chǎn)品 的試制等。一、自由鍛工序自由鍛工序：基本工序、輔助工序和修整工序。（一）基本工序使金屬坯料產(chǎn)生一定程度的塑性變形，以得到所需形狀、尺寸或改善材質(zhì)性能的工藝過程。它是鍛件成形過程中必需的變形工序，如鍛粗、拔長、彎曲、沖孔、切割、 扭轉(zhuǎn)和錯(cuò)移等。實(shí)際 生產(chǎn)中最常用的是鍛粗、拔長和沖孔三個(gè)工序.鍛粗 沿工件軸向進(jìn)行鍛打，使其長度減小，橫截面積增大的操作過

3、程。常用來鍛造齒輪坯、凸緣、圓盤等零件，也可用來作為鍛造環(huán)、套筒等空心鍛件沖孔前的預(yù)備工序。 鍛粗可分為全鍛粗和局部鍛粗兩種形式，如圖 2-7所示。鍛粗時(shí)，坯料不能過長，高度與直 徑之比應(yīng)小于2.5,以免鍛彎，或出現(xiàn)細(xì)腰、夾層等現(xiàn)象。坯料鍛粗的部位必須均勻加熱，以防 止出現(xiàn)變形不均勻。4h)圖2-7辿a）全鍛粗b）局部鍛粗.拔長 拔長是沿垂直于工件的軸向進(jìn)行鍛打，以使其截面積減小，而長度增加的操作過程，如圖2-8所示。常用于鍛造軸類和桿類等零件。對(duì)于圓形坯料，一般先鍛打成方形后再進(jìn)行拔長，最后鍛成所需形狀，或使 用V型砧鐵進(jìn)行 拔長，如圖2-9所示，在鍛造過程中要將坯料繞軸線不斷翻轉(zhuǎn)。使用V型

4、砧鐵拔長圓坯料3 .沖孔 利用沖頭在工件上沖出通孔或盲孔的操作過程。常用于鍛造齒輪、套筒和圓環(huán)等空心鍛件，對(duì)于直徑小于25mm勺孔一般不鍛出，而是采用鉆削的方法進(jìn)行加工。在薄坯料上沖通孔時(shí)，可用沖頭一次沖出。若坯料較厚時(shí)，可先在坯料的一邊沖到孔深的2 /6、高度H0和3深度后，拔出沖頭，翻轉(zhuǎn)工件，從反面沖通，以避免在孔的周圍沖出毛刺，如圖 2-10所示。實(shí)心沖頭雙面沖孔時(shí)，圓柱形坯料會(huì)產(chǎn)生畸變。畸變程度與沖孔前坯料直徑孔徑di等有關(guān)。D0/d1愈小，畸變愈嚴(yán)重，另外沖孔高度過大時(shí)，易將孔沖偏，因此用于沖孔的坯料直徑D0與孔徑di之比（D0/d1）應(yīng)大于2.5,坯料高度應(yīng)小于坯料直徑圖2-10

5、沖孔a）薄坯料沖孔b）厚坯料沖孔1一沖頭2-坯料 3-墊環(huán)4 一芯料沖孔錯(cuò)移扭轉(zhuǎn)（二）輔助工序?yàn)槭够竟ば虿僮鞣奖愣M(jìn)行的預(yù)變形工序稱為輔助工序（壓鉗口、切肩等 ）。（三）修整工序用以減少鍛件表面缺陷而進(jìn)行的工序（如校正、滾圓、平整等）。二、自由鍛工藝規(guī)程的制定制訂工藝規(guī)程、編寫工藝卡片是進(jìn)行自由鍛生產(chǎn)必不可少的技術(shù)準(zhǔn)備工作，是組織生產(chǎn)、規(guī)范操作、控制和檢查產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)。制訂工藝規(guī)程，必須結(jié)合生產(chǎn)條件、設(shè)備能力和技術(shù)水平等實(shí)際情況，力求技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、操作上安全，以達(dá)到正確指導(dǎo) 生產(chǎn)的目的。自由鍛工藝規(guī)程：根據(jù)零件圖繪制鍛件圖、計(jì)算坯料的質(zhì)量與尺寸、確定鍛 造工序、選擇鍛 造設(shè)備、確

6、定坯料加熱規(guī)范和填寫工藝卡片等。（一）繪制自由鍛件圖以零件圖為基礎(chǔ)，結(jié)合自由鍛工藝特點(diǎn)繪制而成的圖形，它是工藝規(guī)程的核心內(nèi)容，是制定鍛造工藝過程和鍛件檢驗(yàn)的依據(jù)。鍛件圖必須準(zhǔn)確而全面反映鍛件的特殊內(nèi)容，如圓角、斜度等，以及對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)要求，如性能、組織等。繪制時(shí)主要考慮以下幾個(gè)因素：.敷料 鍵鍵槽、齒槽、退刀槽以及小孔、盲孔、臺(tái)階等難以用自由鍛方法鍛出的結(jié)構(gòu)，必須暫時(shí)添加一部分金屬以簡化鍛件的形狀。為了簡化鍛件形狀以便于進(jìn)行自由鍛造而增加的這一部分金屬，稱為敷料，如圖2-11所示。.鍛件余量 在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，稱之為鍛件余量，如圖 2-11 所示。鍛件余量的大小與零件的

7、材料、形狀、尺寸、批量大小、生產(chǎn)實(shí)際條 件等因素有關(guān)。零件 越大，形狀越復(fù)雜，則余量越大。.鍛件公差 鍛件公差是鍛件名義尺寸的允許變動(dòng)量，其值的大小與鍛件形狀、尺寸有關(guān)，并受生產(chǎn)具體情況的影響。圖2-11鍛件余量及敷料見表2-11敷料2一鍛件余量自由鍛件余量和鍛件公差可查有關(guān)手冊。鋼軸自由鍛件的余量和鍛件公差,零件長度零件直徑50508080120120160160200200250鍛件余量和鍛件公差2.5合金鋼軸類鍛件取大截面2.53.0水輪機(jī)主軸軸 身2.5熱軋輾輾身2.53.0水輪機(jī)立柱取大截面3.0冷軋車?yán)ポ毶?.55.0模塊取大截面3.0齒輪軸取大截面2.53.0航空用大型鍛件取大截

8、面6.08.0（三）選擇鍛造工序自由鍛鍛造工序的選取應(yīng)根據(jù)工序特點(diǎn)和鍛件形狀來確定。一般而言，盤類零件多采用鍛粗（或拔長-鍛粗）和沖孔等工序；軸類零件多采用拔長，切肩和鍛臺(tái)階等工序。一般鍛件的分類及采用的工序見表2-3。表2-3 鍛件分類及所需鍛造工序鍛件類別圖例鍛造工序盤類零件j 徽粗（或拔長鍛粗），WL等軸類零件拔長（或鍛粗-拔長），切盲，鍛臺(tái)階等筒類零件一 T”工 x. rd鍛粗（或拔長鍛粗），桿L,在芯軸上拔長等環(huán)類零件r鍛粗（或拔長鍛粗），7桿L,在芯軸上擴(kuò)孔等彎曲類零件(y辭拔長，彎曲等自由鍛工序的選擇與整個(gè)鍛造工藝過程中的火次（即坯料加熱次數(shù)）和變形程度有關(guān)。所需火次與每一火次中

9、坯料成形所經(jīng)歷的工序都應(yīng)明確規(guī)定出來，寫在工藝卡片上。（四）選擇鍛造設(shè)備根據(jù)作用在坯料上力的性質(zhì)，自由鍛設(shè)備分為鍛錘和液壓機(jī)兩大類。鍛錘產(chǎn)生沖擊力使金屬坯料變形。鍛錘的噸位是以落下部分的質(zhì)量來表示的。生產(chǎn)中常使用使錘頭上下往復(fù)運(yùn)的鍛錘是空氣錘和蒸汽-空氣錘。空氣錘利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)活塞產(chǎn)生壓縮空氣動(dòng)進(jìn)行錘擊。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維護(hù)容易，但噸位較小，只能用來鍛造100kg以可用來生產(chǎn)質(zhì)量小于下的小型鍛件。蒸汽-空氣錘采用蒸汽和壓縮空氣作為動(dòng)力，具噸位稍大,1500kg的鍛件，如圖2-13所示個(gè)斷面為細(xì)晶粒組織著一個(gè)國家工業(yè)技術(shù)次鍛、拔操作，在鍛可前后移動(dòng)，鍛粗時(shí)溫度一般取固相線以圖2-1

10、3 蒸汽一空氣錘示意圖液壓機(jī)產(chǎn)生靜壓力使金屬坯料變形。目前大型水壓機(jī)可達(dá)萬噸以上，能鍛造300噸的鍛件。由于靜壓力作用時(shí)間長，容易達(dá)到較大的鍛透深度，故液壓機(jī)鍛造可獲得整 的鍛件。液壓機(jī)是大型鍛件的唯一成形設(shè)備，大型先進(jìn)液壓機(jī)的生產(chǎn)常標(biāo)志 水平發(fā)達(dá)的程度。另外，液壓機(jī)工作平穩(wěn)，金屬變形過程中無振動(dòng)，噪音小 ，勞動(dòng)條件較好。但 液壓機(jī)設(shè)備龐大、造價(jià)高自由鍛設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)鍛件大小、質(zhì)量、形狀以及鍛造基本工序等因素，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際 條件來確定。例如，用鑄錠或大截面毛坯作為大型鍛件的坯料，可能需要多 錘上操作比較困難，并且心部不易鍛透，而在水壓機(jī)上因其行程較大，下砧 可換用鍛粗平臺(tái)，所以大多數(shù)大型鍛

11、件都在水壓機(jī)上生產(chǎn)。（五）確定鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度之間的溫度范圍。鍛造溫度范圍應(yīng)盡量選寬一些，以減少鍛造火次，提高生產(chǎn)率。加熱的始鍛下100200C,以保證金屬不發(fā)生過熱與過燒。終鍛溫度一般高于金屬的再結(jié)晶溫度50100C,以保證鍛后再結(jié)晶完全，鍛件內(nèi)部得到細(xì)晶粒組織。碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛造溫度范圍,般以鐵碳平衡相圖為基礎(chǔ)，且其終鍛溫度選在高于Ar3點(diǎn)，以避免鍛造時(shí)相變引起裂紋。高合金鋼因合金元素的影響，始鍛溫度下降，終鍛溫度提高，鍛造溫度范圍變窄。部分金屬材料的鍛造溫度范圍見表2-4。止匕外，鍛件終鍛溫度還與變形程度有 關(guān)，變形程度較小時(shí)，終鍛溫度可稍低 于規(guī)定

12、溫度。表2-4 部分金屬材料的鍛造溫度范圍材料類型鍛造溫度/c保溫時(shí)間始鍛終鍛/min . mm10、15、20、25、30、35、40、45、5012008000.25 0.715CrA、16Cr2MnTiA 38CrA 20MnA 20CrMnTiA12008000.3 0.812CrNi3A、12CrNi4A、38CrMoAlA 25CrMnNiTiA、30CrMnSiA 50CrVA 18Cr2Ni4WA 20CrNi3A11808500.3 0.840CrMnA11508000.3 0.8銅合金800900650700一鋁合金450500350380一（六）填寫工藝卡片半軸的自由鍛造

13、工藝卡片見表2-5表2-5 半軸自由鍛工藝卡鍛件名稱半軸圖例坯料質(zhì)量25kgT昌1-931坯料尺寸小 130X 240材 料18CrMnTi41J一 則 u”4 L140 )f冷j -火 次工序圖 例1鍛出頭部H 至才拔長*1_hSL拔長及修整臺(tái)階拔長并留出臺(tái)階定E現(xiàn)鍛出凹檔及拔長端部并修整三、自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性自由鍛件的設(shè)計(jì)原則是：在滿足使用性能的前提下，鍛件的形狀應(yīng)盡量簡單，易于鍛造.盡量避免錐體或斜面結(jié)構(gòu) 鍛造具有錐體或斜面結(jié)構(gòu)的鍛件，需制造專用工具，鍛 件成形也比較困難，從而使工藝過程復(fù)雜，不便于操作，影響設(shè)備使用效率 ，應(yīng)盡量避免， 如圖2-14所示。a）工藝性差的結(jié)構(gòu) b）工藝性好的結(jié)構(gòu).避免幾何體的交接處形成空間曲線 如圖2-15a所示的圓柱面與圓柱面相交，鍛件成形 十分困難。改成如圖2-15b所示的平面相交，消除了空間曲線，使鍛造成形 容易。三方-國巨密-囹QH白）b）圖2-15桿類鍛件結(jié)構(gòu)a）工藝性差的結(jié)構(gòu) b）工藝性好的結(jié)構(gòu).避免加強(qiáng)肋、凸臺(tái)，工字形、橢圓 形或其它非規(guī)則截面