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1、,材料科学与工程学院,第四章 自由锻主要工序分析,空气锤,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。,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。,二、自由锻工序分类 自由锻工序：基本工序、辅助工序和
2、修整工序 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。 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。,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,辅助工序,修整工序,三、金属塑性变形及流动的几个问题 （一）影响金属塑性变形流动的三个因素 加载情况、受力情
3、况、变形情况 整体加载整体受力 如镦粗 局部加载整体受力整体变形 如冲孔（D/d5）,（二）金属塑性变形的不均匀性 实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。 （三）塑性变形时金属的流动方向 最小阻力定律,4-2 自由锻工序特点,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,（二）镦粗的作用： 获得横截面较大而高度较小的锻件（饼块件）。 用作冲孔前的准备工序(增大坯料的横截面积以便于冲孔)。 “反复镦拔法”，镦粗与拔长相结合，可提高锻造比，同时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。 提高锻件的横向力学性能以减小力学性能的异向性。,（四）主要质量问
4、题和变形流动特点 -针对圆截面坯料的镦粗讨论 1质量问题：侧表面产生纵向或45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。,（三）主要方法: 平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。,2变形流动特点 （1）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（）；区域（）为大变形区; 区域（）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。 i. 这样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。 i
5、i.（）（）区变形的不均，又引起了侧表面裂纹的产生。,平砧镦粗变形分布与应力状态分析,（2）不同高径比坯料的镦粗 坯料形状和尺寸对镦粗时不均匀变形也有影响。,3为减少缺陷可采取的措施有： a 采用润滑，预热工具 b 用侧凹形毛坯镦粗,c 使用软金属垫镦粗,d 叠料镦粗,f 反复镦粗拔长工艺,局部镦粗,二、拔长,（一）定义：使坯料横截面减小，以增加其长度的锻造工序 （二）拔长作用： 由横截面积较大的坯料得到横截面积较小、而轴向较长的轴类锻件； 作为辅助工序进行局部变形； “反复镦拔”工序。,拔长工序是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。,拔长操作方法,（三）拔长时主要质量问题和
6、变形流动特点： 1质量问题：裂纹，表面折叠，端面内凹，组织与性能不均。 2拔长时的变形特点 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。,拔长时，最关注的是拔长速度和拔长对锻件质量的影响。 影响这两项指标的主要因素有的：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,（1）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L00.5h0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。 送进量过大又会产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹。所以，送
7、进量还需根据坯料厚度来考虑，一般取L0=(0.60.8)h0。,（2）压下量（h）是指变形前后坯料厚度之差，即h=h0-h。 每次锤击的压下量不宜过大 一般认为h=(0.10.2)h0，并且压后断面的宽高比不应小于22.5倍，否则翻转90再压第二次时就会产生弯曲以致形成折叠。,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(0.50.75)h。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。,3坯料拔长时缺陷的防止措施 （1）表面横向裂纹与角裂，前者是由于送进量
8、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)。 （2）表面折叠 主要是由于送进量太小,（3）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。 （4）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。 （5）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,（四）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
9、率，防止内部纵向裂纹的产生。,拔长砧子形状及其对变形区分布的影响 a)上下V形砧 b)上平下V砧 c) 上下平砧,（五）空心件拔长(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。 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,三、冲孔 （一）定义：采用冲子将坯料冲出透孔或盲孔(不透孔)的锻造工序称为冲孔。,较薄的坯料通常采用单面冲孔； 厚度较大的锻件，一般采用双面冲孔法,实心冲子冲孔 1毛坯 2冲垫 3冲子 4 心料,（二）冲孔常用于： 大于30的盲孔或透孔锻件； 需要扩孔的锻件需要预冲孔； 需拔长的空心件需要预冲孔。 具有透孔或盲孔的零件，在
10、锻造时应尽量采用冲孔工序将孔锻出，以求节约原材料和减少机械加工工作量。,（三）冲孔时主要质量问题和变形特点 1冲孔时，在冲头下的圆柱体区（A区）的金属受镦粗作用，沿水平方向流动，但受到外围环形区金属的阻碍而处于三向压应力状态。环形区（B区）则受到圆柱体区向外扩张作用而处于切向拉应力状态。当切向拉应力超过材料强度时，锻件孔壁就会产生纵向裂纹。 冲孔后，坯料的形状也会走样，即上端面凹进，下端面凸出，高度减小和侧面产生鼓形。因此，冲孔后锻件尚需加修整工序。,2冲孔时易产生的缺陷及防止措施 走样 主要是由于坯料尺寸不合理。冲孔前将坯料镦至D/d3（越小，走样越严重）。 孔偏心 主要是由于定位不准或加热不均匀。先压一浅印和使温度均匀后再冲。 斜孔 主要是由于操作不当或坯料及工具不规范 裂纹 主要是由于材料塑性低，冲头锥度大，冲孔时走样大等。,四、扩孔 减小空心坯料壁厚，而增加其内、外径的锻造工序称为扩孔。,心轴扩孔(马架扩孔）,冲子扩孔,五、弯曲（局部加载，局部受力，局部变形） 弯曲是将坯料弯成所规定形状的锻造工序。它同其它工序联合使用，可以得到各种弯曲形状的锻件，如吊钩、叉子、夹钳等。,弯曲时坯料的形状变化,六、错移 错移是将毛坯的一部分与另一部分错开一定距离而保持轴心平行的锻造工序。 制造曲轴时常采用这种方法。,错移 a) 在一个平面内的错移 b) 在两个平面内的错移,