自由鍛工藝課件

第五章自由鍛工藝材料科學(xué)與工程學(xué)院

自由鍛工藝過程的實質(zhì)是利用簡單和通用的工具逐步改變坯料的形狀和尺寸，從而獲得所要求形狀和性能的鍛件的加工過程。

特點：

1．逐步變形方式，其所需設(shè)備功率比模鍛要小得多，可以用較小設(shè)備鍛較大鍛件；

2．鍛件精度低，生產(chǎn)效率低，適合小批、單件、大型鍛件的生產(chǎn)。

自由鍛工藝要研究的內(nèi)容是：鍛件的成形規(guī)律和如何提高鍛件質(zhì)量兩方面。在重型機械中，自由鍛是生產(chǎn)大型鍛件和特大型鍛件唯一成型的方法。

§5-1自由鍛件的分類及變形方案的確定為了便于制訂工藝規(guī)程，自由鍛件可分為以下幾類：1．軸桿類鍛件：軸向尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸?；竟ば驗椋喊伍L或鐓粗＋拔長

2．矩形斷面鍛件：可歸為軸桿類

3．曲軸類鍛件：不僅沿軸線有截面形狀和面積變化，而且軸線有多方向彎曲。

基本工序為：拔長、錯移、扭轉(zhuǎn)4．盤形類（餅塊類）鍛件：橫向尺寸大于高度尺寸。基本工序為：鐓粗

5．空心類鍛件：有中心通孔?；竟ば驗椋虹叴?、沖孔、擴孔、或芯軸拔長等

6．彎曲類鍛件：具有彎曲的軸線，彎曲可以是對稱的，也可是不對稱的?；竟ば驗椋喊伍L、彎曲

7．復(fù)雜形狀鍛件不同工序的組合。

鍛件類別圖例鍛造工序盤類零件

鐓粗（或拔長－鐓粗），沖孔等軸類零件

拔長（或鐓粗－拔長），切肩，鍛臺階等筒類零件

鐓粗（或拔長－鐓粗），沖孔，在芯軸上拔長等環(huán)類零件

鐓粗（或拔長－鐓粗），沖孔，在芯軸上擴孔等彎曲類零件

拔長，彎曲等鍛件分類及所需鍛造工序

§5-2自由鍛工藝規(guī)程的制定

自由鍛工藝規(guī)程的內(nèi)容：

⑴根據(jù)零件圖繪制鍛件圖；

⑵確定坯料的質(zhì)量和尺寸；

⑶制訂變形工藝及選用工具；

⑷選擇設(shè)備噸位；

⑸確定鍛造溫度范圍，制訂坯料加熱和鍛件冷卻規(guī)范；

⑹制訂鍛件熱處理規(guī)范；

⑺提出鍛件的技術(shù)條件和檢驗要求；

⑻填寫工藝規(guī)程卡片等。

一、繪制鍛件圖鍛件圖是以零件圖為基礎(chǔ)，考慮了加工余量、鍛件公差、鍛造余塊、檢驗試樣及工藝夾頭等因素繪制而成。

1．加工余量當(dāng)鍛造不能達到零件的尺寸精度和粗糙度要求時，零件表面需增加一層供切削加工用的金屬，稱為機械加工余量，簡稱余量。

零件的公稱尺寸＋余量后的尺寸＝鍛件公稱尺寸

鍛件的余量、余塊

2．余塊為了簡化鍛件的外形或鍛造工藝的需要，通常需要添加金屬。這種加添的金屬部分叫做余塊。

鍛造時，有些零件上的小孔，尺寸不大的凹檔或臺階等，一般不鍛出，而加上余塊，以簡化鍛件形狀和操作。但簡化后的鍛件形狀，會增加金屬的消耗和機械加工工時。因此，是否要加放余塊應(yīng)根據(jù)零件的形狀、尺寸和鍛造技術(shù)水平及經(jīng)濟效益等具體情況而定。3．鍛造公差由于設(shè)備精度或技術(shù)差異，鍛件實際尺寸達不到公稱尺寸，允許存在一定的誤差，就是鍛造公差。

確定余量必須保證鍛件在機械加工時能獲得所需要的零件尺寸和粗糙度，選擇余量和公差時根據(jù)工廠的實際情況來定。

4．檢驗用試樣及工藝夾頭供鍛后組織性能檢驗以及方便鍛后熱處理的吊掛和機械加工的夾持等。

5．繪制鍛件圖在鍛造余量、公差和各種余塊確定后，便可繪制鍛件圖。

鍛件的外形用粗實線描繪，標(biāo)出鍛造公稱尺寸和公差，同時在公稱尺寸后面或下面標(biāo)出零件尺寸并加上括號以示區(qū)別。為了幫助了解成品零件的形狀和便于鍛后檢查余量，應(yīng)在鍛件圖上用假想線（雙點劃線或細(xì)實線），描繪出零件的輪廓形狀。

一張完善的鍛件圖，除必須表明鍛件的形狀尺寸，余量公差，材料牌號，鍛后熱處理方法和要求外，個別重要零件，還應(yīng)在鍛件圖中表明截取機械性能實驗，金相組織試樣的方向和位置以及其它特殊要求。典型鍛件圖

二、坯料重量和尺寸的計算1．坯料重量的計算

坯料的重量包括鍛件重量和損耗重量。損耗系數(shù)指火耗、切除料頭與沖孔芯料等的損耗。即：

G坯=(G鍛+G芯+G切)(1+δ％)

式中G鍛─鍛件重量(kg)，依公稱尺寸確定；

G芯─沖孔芯料損失，取決于沖孔方式；

G切─拔長后切除料頭的損失，取決于切除部位的尺寸；

δ─鋼料加熱燒損率2．坯料尺寸的計算

⑴頭道工序用鐓粗法鍛造時，為避免彎曲，高徑比應(yīng)小于2.5，為便于下料，高徑比應(yīng)大于1.25。即

從而可得D0=(0.8～1.0)

a0=(0.75～0.9)⑵當(dāng)頭道工序為拔長時，原坯料直徑應(yīng)按鍛件最大截面積S鍛,并考慮鍛比KL和修整量等要求來確定：

S坯＝KL·S鍛

即D0=1.13√KLS鍛

再按國家材料規(guī)格，選取標(biāo)準(zhǔn)直徑或標(biāo)準(zhǔn)邊長，然后計算坯料高度（下料長度）：

圓坯料

方坯料3．鋼錠規(guī)格選擇

⑴第一種方法：先根據(jù)各種損耗求出利用率η：

η=[1-(δ冒口+δ錠底+δ燒損)]×100%

式中碳素鋼鋼錠：δ冒口=18%～25%，δ錠底=5%～7%

合金鋼鋼錠：δ冒口=25%～30%，δ錠底=7%～10%

然后計算鋼錠的計算G錠：

G錠=(G鍛+G損)／η

式中G損─除冒口、錠底及燒損外的損耗量。

最后按G錠參照有關(guān)鋼錠規(guī)格表選取相應(yīng)規(guī)格的鋼錠。

⑵第二種方法(經(jīng)驗法)：

根據(jù)鍛件類型，參照經(jīng)驗資料先定出概略的鋼錠利用率η，然后求得鋼錠的計算質(zhì)量

G錠=G鍛／η

再從有關(guān)鋼錠規(guī)格表中，選取所需的鋼錠規(guī)格。

三、變形工藝過程的制訂內(nèi)容：自由鍛成形的基本工序、輔助工藝和修整工序，以及各變形工序的順序和中間坯料尺寸等

各類鍛件變形工序的選擇，應(yīng)根據(jù)鍛件的形狀、尺寸和技術(shù)要求，結(jié)合各鍛造工序的變形特點，參考有關(guān)典型工藝而具體確定。各工序坯料尺寸設(shè)計和工序選擇是同時進行的，在確定各工序毛坯尺寸時應(yīng)注意：

⑴坯料尺寸必須符合變形規(guī)則。如鐓粗時的高徑比小于3等。

⑵應(yīng)考慮各工序變形時坯料尺寸的變化規(guī)律。如沖孔時坯料高度略有減小，擴孔時坯料高度略有增加等。

⑶鍛件最后需要精整時，應(yīng)留有修整量。

⑷大鍛件須多火次完成時，應(yīng)考慮中間各火次加熱的可能性。四、鍛造比的確定

鍛造比是表示鍛件變形程度的一種方法，也是保證鍛件質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。應(yīng)合理選擇鍛造比。

型材一般經(jīng)過大變形的鍛軋，組織性能均得到改善，一般不須考慮鍛造比。

鋼錠的鍛造必須考慮鍛造比。

一般要求鍛造比大于3。典型鍛件的鍛造比見表鍛件名稱計算部位鍛造比鍛件名稱計算部位鍛造比碳素鋼軸類鍛件最大截面2.0~2.5錘頭最大截面≥2.5合金鋼軸類鍛件最大截面2.5~3.0水輪機主軸軸身≥2.5熱軋輥輥身2.5~3.0水輪機立柱最大截面≥3.0冷軋輥輥身3.5~5.0模塊最大截面≥3.0齒輪軸最大截面2.5~3.0航空用大型鍛件最大截面6.0~8.0在使用鍛錘進行鍛造時，必須正確選擇合適的設(shè)備。用小的設(shè)備鍛造太大的鍛件，鍛件內(nèi)部鍛不透，而且生產(chǎn)率低。

反之，小型鍛件用太大的設(shè)備進行鍛造速度慢，打擊力不易控制，也是不適宜的。五、設(shè)備噸位的計算與選擇

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)中常使用的鍛錘是空氣錘和蒸汽－空氣錘?？諝忮N利用電動機帶動活塞產(chǎn)生壓縮空氣，使錘頭上下往復(fù)運動進行錘擊。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維護容易，但噸位較小，只能用來鍛造100kg以下的小型鍛件。蒸汽－空氣錘采用蒸汽和壓縮空氣作為動力，其噸位稍大，可用來生產(chǎn)質(zhì)量小于1500kg的鍛件，正確選擇鍛錘的噸位，需要考慮變形面積、鍛件的材質(zhì)和變形溫度。精確計算選擇鍛錘的噸位，需要計算材料的變形力。

在實際工作中采用查表法，既快又方便。

液壓機產(chǎn)生靜壓力使金屬坯料變形。目前大型水壓機可達萬噸以上，能鍛造300噸的鍛件。由于靜壓力作用時間長，容易達到較大的鍛透深度，故液壓機鍛造可獲得整個斷面為細(xì)晶粒組織的鍛件。液壓機是大型鍛件的唯一成形設(shè)備，大型先進液壓機的生產(chǎn)常標(biāo)志著一個國家工業(yè)技術(shù)水平發(fā)達的程度。另外，液壓機工作平穩(wěn)，金屬變形過程中無振動，噪音小，勞動條件較好。但液壓機設(shè)備龐大、造價高。

§5-3大型鍛件鍛造的特點

大型鍛件泛指在大噸位鍛壓設(shè)備上鍛造的外形尺寸和重量較大的鍛件，其中主要是大型自由鍛件，通常把一萬KN以上的鍛造水壓機或5t以上自由鍛錘上鍛造的重型鍛件，稱為大型鍛件。

大型鍛件生產(chǎn)的主要特點：

⑴質(zhì)量要求嚴(yán)格質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良等冶金質(zhì)量、鍛造、熱處理技術(shù)的優(yōu)化與控制、質(zhì)量分析與測試技術(shù)等有關(guān)。

⑵工藝過程復(fù)雜包括：冶煉、鑄錠、加熱、鍛造、粗加工、熱處理等。工藝環(huán)節(jié)多、周期長、連續(xù)性強、集體勞動、生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜。

⑶生產(chǎn)費用高材料、能源、工具、設(shè)備等消耗大，所以提高材料利用率、降低消耗、減少廢品率，在技術(shù)上和經(jīng)濟上具有重要的意義。幾個主要問題：

一、大型鋼錠的加熱特點

橫截面尺寸大，加熱時內(nèi)外溫度差比中小型鍛坯大得多，溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力和殘余應(yīng)力等問題要充分重視。加熱時要保證充分均勻熱透。

二、熱鍛變形對金屬組織和性能的影響

1．破碎鑄態(tài)組織，細(xì)化晶粒變形程度達到一定值，鑄態(tài)的粗晶、樹枝狀晶以及晶界物質(zhì)被擊碎，經(jīng)過隨后的再結(jié)晶形成新的等軸細(xì)晶組織。這對于某些不能通過熱處理方式改變晶粒尺寸的鋼，如奧氏體鋼，可以通過嚴(yán)格控制變形溫度，并保證足夠的變形量，通過鍛造來細(xì)化晶粒。

2．降低偏析程度，改善碳化物及夾雜物的分布

3．鍛合內(nèi)部孔隙鋼錠越大，那么內(nèi)部缺陷越多，致密性越低，內(nèi)部的孔隙多，所以鍛合壓實孔隙就是大型鍛造中存在的一個很重要的內(nèi)容。

通過大量生產(chǎn)經(jīng)驗和模型實驗，發(fā)現(xiàn)具備以下條件有利于鍛合孔隙的：

①良好的應(yīng)力狀態(tài)，如足夠的靜水壓力。

②足夠大的變形量

③足夠高的變形溫度。

孔隙鍛合的機理：在上述變形條件下，首先發(fā)生屈服、變形，進而閉合，壓緊，最后在高溫高壓作用下焊合、壓實。經(jīng)過合理的鍛壓，材料的致密性、連續(xù)性、力學(xué)性能顯著改善。4．形成纖維組織變形后，晶粒沿主應(yīng)變方向拉長，晶界物質(zhì)隨之變化，造成變形后的組織性能具有一定的方向性，在低倍顯微鏡下可以明顯的看到這種方向性。其中塑性夾雜呈條狀，脆性物質(zhì)呈鏈狀。這種不均勻分布再結(jié)晶后也不會消失，這種方向性的熱變形組織結(jié)構(gòu)，稱為“纖維組織”或“流線”。

由于沿纖維方向的力學(xué)性能要高于垂直于纖維方向的力學(xué)性能，這就要根據(jù)鍛件的受力情況和破壞情況，正確控制流線的分布。這樣制訂出合理的鍛造工藝，改善制件的承載能力，防止失效破壞，提高使用性能。