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1、3-3.自由锻（Open die forging）一General introduction1、分类：Manual hammering and machine机器自由锻根据锻造设备的不同，分为锤上自由锻和水压机自由锻。2、EquipmentsThe hammer and the press are the two general types of forging equipments.The commonly used equipment in open die forging is:（1）Air-lift hammer（空气锤）工作原理：电动机通过传动机构带动压缩缸内的压缩活塞做往复运动。其
2、吨位较小（50750 Kg),最大锻件质量100Kg,空气锤,（2）Steam-air-operated hammer（蒸气-空气锤）利用蒸气或压缩空气带动锤头工作，它的吨位稍大，最大锻件质量1500Kg,但需要一套辅助设备（蒸气锅炉或空气压缩机）。主要组成部分有工作气缸1、落下部分2、机架3、砧座4和操作手柄5等。,（3）Hydraulic press(液压机或水压机）利用高压水的压力代替锻锤的冲击力。其吨位用压力表示，可锻造300吨的铸锭，且锻透深度较大，但设备投资较大。,3.自由锻的工序（Forging operations）,1.Basic operations(基本工序）使金属材料产
3、生一定的塑性变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程。包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移等。2.Assistant operations(辅助工序）为方便基本工序操作而进行的预变形，如倒棱、压肩等。3.Finishing operations(精整工序）用以减少锻件表面的缺陷，包括修整鼓形、平整端面、校直弯曲。,基本工序拔长,基本工序镦粗,基本工序冲孔,基本工序 弯曲,基本工序 错移,基本工序 扭转,4.Characteristics and Applications,Advantages:(1)使用工具简单，不需昂贵的模具；(2)可以锻造各种重量的锻件，大型锻件，它几乎是唯一的方法；(3)所
4、需的设备吨位较低。Disadvantages:(1)锻件的尺寸精度较低，加工余量大；(2)锻件的形状受到一定的限制（比较简单）；(3)生产率较低，劳动强度大。应用：单件小批量生产。,二、工艺规程的制定1、Draw up a forging drawing（绘制锻件图）以零件图为基础并考虑下列因素绘制而成的：（1）余块为简化锻件形状、便于锻造而增加的一部分金属。（2）Machining allowance(锻件余量）为后续切削加工而留的加工余量。（3）Forging tolerance(锻件公差）锻件名义尺寸的允许偏差。锻件图的画法：如图2-34，以粗实线表示锻件的形状、双点划线表示零件的基本形
5、状；零件尺寸注在锻件相应尺寸下面的括号内。,2、The choice of forging operations（选择变形工步）,根据工步的特点及锻件的形状、尺寸、技术要求和生产批量等来确定。包括确定锻件成形所需的基本工序、辅助工序和精整工序的工步，以及所需的工具，确定工步的顺序及变形尺寸等。各类自由锻件的基本变形工步方案见表2-4。3、The calculation of blanks quantity and size（计算坯料重量和尺寸）锻造用的坯料有两类：钢材和钢坯，用于中、小型锻件；另一类为铸锭，用于大、中型锻件。,The quantity：G坯料=G锻件+G损=G锻件+G烧+G芯+
6、G切G烧计算方法列于表2-5The size:应考虑锻造比(forging ratio),保证有足够的变形程度.采用碳素钢锭作坯料时，Y2.55采用轧制的材料，Y1.31.5,（1）饼块类和空心类锻件通常采用镦粗法，坯料的高径比应为H/D2.53坯料的直径或边长可按下式计算：圆截面坯料：D计 0.8(V坯)1/3方截面坯料：A计0.74(V坯)1/3D计圆截面坯料计算直径，A计方截面坯料的计算边长（2）轴类锻件：通常采用拔长法，拔长后的最大截面应达到规定的锻造比要求。F坯yFmaxF坯坯料的截面积，Fmax拔长后的最大截面积圆截面坯料：D计(y)1/2Dmax,根据计算的坯料直径或边长后，参照
7、有关标准，确定坯料的实际直径或边长，然后计算出坯料的长度。热轧圆钢的标准直径见表2-6。采用钢锭为坯料的大型锻件，可根据实际经验估算钢锭重量。锻件的钢锭利用率约为0.500.65，锻造比通常取2.55。,4、选择锻造设备根据锻件的材料、尺寸和重量，并考虑实际生产的条件。按表27选择。5、确定锻造温度范围碳钢锻件，要将坯料加热到铁碳相图的GSE线以上，获得单一的奥氏体。需制定合适的锻造温度范围。Beginning temperature（始锻温度）as high as possibleFor carbon steel，the beginning temperature is 150250 bel
8、ow the AE line.Ending temperature（终锻温度）as low as possible(ensure enough ductility),三、工艺规程举例图2-35齿轮坯自由锻工艺：（1）绘制锻件图：齿轮上的轮齿、小的凹槽、凸肩以及轮辐上的8个30的孔，自由锻难以锻出，需加余块；查表2-2的锻件的加工余量和公差为a=104,b=93,c=135,绘出锻件图。,（2）确定变形工步参照表2-4，主要变形工步是镦粗和冲孔和扩孔，凸肩采用垫环局部镦粗，内孔较大，应用冲子扩孔。注意：冲孔和扩孔时，金属会沿径向流动，并沿凸肩高度方向产生拉缩现象，因此，局部镦粗后的径向尺寸要小些
9、、凸肩的高度要大些。,（3）计算坯料的重量和尺寸G锻=V锻=17.8kg冲孔芯料的重量：取d=60mm,H=65mm,K2=1.3（见表2-5）G芯=K2 d2H=0.3kg烧损重量：需加热两次，系数K1=0.035G烧=G锻K1=0.6kgG坯=G锻+G芯+G烧=18.7kg坯料的计算直径：D计 0.8(V坯)1/3D计=0.9(V坯)1/3=0.9（18.7/7.85）1/3=120mm查表2-6，选择坯料直径120mm坯料长度=V坯/A=210mm因此确定坯料的尺寸为120210mm,（4）选定设备吨位参照表2-7，此锻件属圆环类，选择0.5吨的自由锻锤。,四、自由锻零件的结构工艺性（S
10、tructural design for open die forgings）1.应避免锻件上有圆锥体或斜面的结构。2.圆柱体与圆柱体的交接处锻造很困难，应改成平面与圆柱或平面与平面相连；3.加强筋与表面凸台难以用自由段的方法锻出，工字形截面或空间曲线形表面，也应避免；4.横截面有急剧变化或形状复杂的零件，应分成几个易锻造的简单部分，再用焊接或机械连接的方法组合成整体。,3.4、模锻（Closed die forging）模锻是将加热后的坯料放入锻模的模膛内锻压成型的方法。其特点是坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，因此获得与模膛形状一致的锻件。,一.The comparison be
11、tween closed die forging and open die forgingAdvantages:1.high production rates2.higher dimensional accuracy3.more complicated shapes can be produced.4.save materials,lower cost in mass production.,Disadvantages:not suitable for large parts，150Kghigher cost 应用：适于中、小型锻件的成批或大量生产。二.ClassificationDrop f
12、orging and Press forging.(包括曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻、液压机上模锻等）。锤上模锻（drop forging)主要用蒸气空气模锻锤。图2-21，其特点：1）模锻锤的锤头（ram)与导轨之间的间隙(gap)较小，通常其导轨较长；2）为使锤头运动准确，机架(frame)与砧座(anvil)相连接，且砧座比自由锻锤大得多；3）吨位较大，116t。自由锻锤为0.5-5t。,锤上模锻能完成镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻和终锻等变形工步的操作，锤击力量和锤击频率可自由控制和变换，可完成各种长轴类和短轴类锻件的模锻。其适用性较好，设备费用相对较低，是目前
13、用得最多的一种模锻方法。缺点是：振动和噪音大、劳动条件差、机械化程度不够高，生产率也不太高，在大批量生产中有被压力机模锻取代的趋势。,三.锤上模锻工艺（drop forging technology)（一）The procedures and die cavities模锻的变形工步分为制坯工步(preforming)和模锻工步(die foring)制坯工步使坯料初步成形，模锻工步完成锻件的最终成形。相应的模锻模膛分为制坯模膛、预锻模膛和终锻模膛。1.finishing die cavity(终锻模膛）：使坯料最后变形到锻件所需的形状和尺寸。特点：(1)形状与锻件相同，(2)尺寸放大一个收缩量
14、，钢件取1.5%(3)沿模膛四周有飞边槽(flash gutter),其作用：(a)增加金属从模膛中流出的阻力；(b)容纳多余的金属；(c)减缓上、下模的冲击。,2.blocking die cavity(预锻模膛）：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸。特点：预锻模膛的圆角和斜度较大，且没有飞边槽。3.blank making die cavity(制坯模膛）：使坯料形状基本接近于锻件的形状。根据锻件复杂程度的不同，锻模分为：单膛锻模：在一副锻模上只有一个终锻模膛。多膛锻模：在一副锻模上具有两个或以上的模膛。,（二）Technological process of closed die for
15、ging（模锻件图的制定）1.Parting plane（分模面）：上、下锻模在模锻件上的分界面。Several rules(1)分模面应选在锻件最大尺寸的截面上；(2)为便于发现错模现象，应使上、下模的模膛外形一致；(3)为便于金属充满模膛，便于取出锻件和锻模的制造，最好把分模面选在使模膛具有最浅的方向上；(4)使零件所加的余块最少；(5)使分模面为平面，上、下模膛的深浅基本一致。,2.Machining allowance,tolerance（加工余量和公差）公差、余量、比自由锻小得多。确定的方法有两种：按照零件的形状尺寸和锻件的精度等级；或按照锻锤的吨位。后者较简便，按照此方法确定的锻件
16、加工余量和公差见表2-13。,3.Draf（模锻斜度）、Fillet and corner radii、冲孔连皮(wad)Draf:分为外模锻斜度和内模锻斜度，应选3、5、7、10、12等标准度数。内模锻斜度应比外模锻斜度大一级。模锻斜度与模膛深度、宽度有关。模膛深度与相应宽度的比值增大时，模锻斜度应取较大值。一般外模锻斜度取5或7，特殊部位取 10为简化模具加工，同一锻件的内外模锻斜度，一般各取同一数值。,Fillet and corner radii（圆角半径）模锻件上所有两平面的交角处应作成圆角，避免应力集中产生裂纹，并有利于金属充满模膛。锻件内圆角的作用是减少锻造时金属流动的摩擦阻力，
17、减少模具磨损，提高使用寿命。锻件外圆角的作用是使金属易于充满模膛，减小应力集中,外圆角半径 r=加工余量+零件的圆角半径内圆角半径 R=(23)r圆角半径应选1、1.5、2、3、4、5、6、8、10、12、15、20等标准数值。,冲孔连皮(wad)不能直接锻出通孔，孔内必须留有一定厚度的金属层，成为冲孔连皮.连皮太薄，则冲击力太大，会导致模膛突出部位加速磨损或压塌；连皮太厚，不仅浪费金属，而且冲除时会造成锻件的变形。连皮的厚度一般为48mm，可用下式计算：s=0.45(d-0.25h-5)1/2+0.6h 1/2注意：当孔径小于25mm或孔深大于冲头直径的3倍时，只在冲孔处压出凹穴。,锻件图的
18、绘制方法同自由锻的锻件图。4、变形工步的确定模锻件分为短轴类和长轴类两种。短轴类：锻造过程中锤击方向与锻件的轴线同向，通常是镦粗制坯(upsetting)和终锻成形(finishing)。形状简单的，也可直接终锻成形；形状复杂的，则要增加成形镦粗和预锻等工步；长轴类：锻造过程中锤击方向与锻件的轴线垂直。通常采用拔长、滚挤等工步。形状复杂时，要增加弯曲、成形、预锻等工步。,6、坯料尺寸的计算短轴类：V坯=（V锻+V连+V飞）（1+K1)V飞飞边的体积，按飞边槽容积的一半计算。D计=1.08(V坯/m)1/3 m坯料的高径比，可取1.82.2长轴类：根据锻件的最大截面积 D计=1.13(KFmax
19、)1/2 K模膛系数不制坯或有拔长工步时，K=1;有滚挤工步时，K=0.70.85。,6、锻锤吨位的确定吨位选择根据锻件重量参照表2-147、模锻件的精整（1）切边和冲孔(trimming and punching)切边模和冲孔模都是由凸模（冲头）和凹模组成的，所不同的是：切边时，凹模的刃口起剪切作用，凸模只起推压作用；冲孔时，凹模只起支撑作用，而带刃口的凸模起剪切作用。,切边和冲孔在压力机上进行，可热切或冷切。较大的锻件和高碳钢、高合金钢锻件常用热切，中碳钢和低合金钢的小型锻件常用冷切。(2)校正(sizing)有热校和冷校热校在终锻模膛内进行，终锻、热切、热校在同一火次内连续进行；冷校一般
20、在热处理及清理后，在专用的校正模内进行。,(3)精压(coining)提高锻件精度和降低表面粗糙度的方法，在校正后进行。精压后尺寸公差减少到0.100.25mm，Ra可降1.250.63um,精压在精压机或摩擦压力机上进行，分为平面精压或整体精压。平面精压用精压平板对锻件上一对或数对平行平面加压，一般在冷态下进行；整体精压在专用的精压模内进行，一般在热态下进行，所需设备吨位较大，只适用于小型锻件,特别是有色金属的小型锻件。,(三）Forging design设计模锻零件时，应使其结构符合下列原则：1.锻件应有合理的分模面；满足制模方便，金属易于充满模膛，锻件便于出模及减少余块等要求。2.锻件上与分模面垂直的非加工表面，应设有结构斜度；3.锻件形状应力求简化，避免薄壁、高筋和高台等结构；图2-49 为结构不合理的模锻件。4.应避免窄沟、深槽和深孔、多孔结构。便于模具制造和延长模具使用寿命。,凸缘高而薄,扁而薄,
