锻造成型工序中的自由锻、镦粗及芯棒扩孔

1.自由锻成型

自由锻是指只用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需几何形状及内部质量锻件的方法。自由锻可分为手工自由锻(简称手工锻)和机器自由锻(简称机锻)。

自由锻的工艺特点:

1)应用设备和工具有很大的通用性，且工具简单，所以只能锻造形状简单的锻件，操作强度大，生产效率低。

2)自由锻可以锻出质量从不到1 kg 到200～300 t 的锻件。对大型锻件，自由锻是唯一的加工方法，因此，自由锻在重型机械制造中有特别重要的意义。

3)自由锻依靠操作者控制其形状和尺寸，锻件精度低，表面质量差，金属消耗也较多。

所以，自由锻主要用于品种多、产量不大的单件小批量生产，也可用于模锻前的制坯工序。如自由锻是生产水轮发电机机轴、涡轮盘、船用柴油机曲轴、轧辊等重型锻件(质量可达250 t)唯一可行的方法，在重型机械制造厂中占有重要的地位。

自由锻的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲、扭转、切割和错移。

(1)镦粗

镦粗是使坯料的横截面积增大、高度减小的锻造工序。一般用来制造盘套类锻件，如法兰盘、齿轮坯等，在锻造套筒、环类等空心锻件时，镦粗是冲孔前的预备工序，以减小冲孔高度。

镦粗可分为完全镦粗(图10-4)和局部镦粗(图10-5)。

图10-4　完全镦粗

图10-5　局部镦粗

(a)漏盘上镦粗； (b)胎膜内镦粗； (c)中间镦粗

完全镦粗是指坯料沿整个高度产生变形； 局部镦粗是借助漏盘或胎模使坯料的一端镦粗或中间镦粗。对某些材料有可能锻裂。

镦粗时，坯料的两个端面与上下砧铁间产生的摩擦力具有阻止金属流动的作用，故圆柱形坯料经镦粗后成鼓形。为防止镦粗时坯料产生纵向弯曲，坯料的高度(H)与直径(D)之比应小于2.5～3.0，坯料两端面要平整，并垂直于轴线。

(2)拔长

拔长是使坯料横截面积减小、长度增加的锻造工序。拔长主要用来制造光轴、台阶轴、曲轴、拉杆和连杆等具有长轴线的锻件。拔长有平砥铁拔长、芯轴拔长等，如图10-6 所示。

图10-6　拔长

(a)拔长； (b)局部拔长； (c)芯轴拔长

在平砥铁上将直径较大的圆坯料拔长为直径较小的圆坯料时，应先将坯料锻打成方形截面后再进行拔长，当拔长到方形的边长接近工件的直径时，将方形锻成八角形，最后倒棱滚打成圆形，如图10-7 所示。锻造带台阶或凹档的锻件时，首先在坯料上用小直径圆棒压痕或用三角刀切肩，然后再局部拔长，锻打成所需形状，如图10-8 所示。锻造有孔的长轴线锻件，应将已冲孔的坯料套入接近孔径的芯轴中拔长，使壁厚减小、长度增加，为提高拔长效率，可在上平、下V 型砥铁或上、下V 型砥铁中锻打。

图10-7　大直径坯料拔长时的变形过程

图10-8　压肩

(a)方料压肩； (b)圆料压肩

(3)冲孔

冲孔是用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。冲孔主要用于制造带孔的锻件。冲孔可分为实心冲头冲孔和空心冲头冲孔。

实心冲头冲孔时，冲头为一实心体，主要用于冲直径较小的孔。对于薄的坯料常采用单面冲孔［图10-9 (a)］，较厚的坯料常采用双面冲孔［图10-9 (b)］。空心冲头冲孔时，冲头为一空心圆环，多用于冲孔径大于400 mm 的孔(图10-10)。

冲孔前，一般须将坯料镦粗，以减小冲孔深度，并避免冲孔时坯料胀裂。坯料加热到始锻温度，内外均匀热透，以便在冲子冲入后，坯料仍有良好的塑性和低的变形抗力，避免冲裂。

图10-9　实心冲头冲孔

(a)薄坯料冲孔； (b)厚坯料冲孔
1—冲头； 2—坯料； 3—垫环； 4—芯料

图10-10　空心冲头冲孔

(4)扩孔

扩孔是指减小空心坯料的壁厚，增大其内、外径或只增大内径的锻造工序。扩孔主要用来制造环形锻件，如轴承圈等。扩孔基本方法可分为冲头扩孔和芯棒扩孔两种。

1)冲头扩孔是指用直径比坯料孔径大的冲头依次将坯料孔径扩大到所要求的尺寸，如图10-11 (a)所示。冲头扩孔适用于坯料外径与内径之比大于1.7 的情况。采用冲头扩孔时，每次孔径扩大量不宜太大，否则坯料易胀裂。

2)芯棒扩孔又称马架上扩孔，是指将带孔的坯料套在芯棒上，芯棒架在马架上，围绕圆周对坯料进行锤击，每锤击一、二次，必须旋转送进坯料，经进行多次圆周旋转锤击后，坯料的壁厚减小，内、外径增大，达到所要求的尺寸，如图10-11 (b)所示。芯棒扩孔时扩孔量大，可以锻造大孔径的薄壁锻件。

图10-11　扩孔

(a)冲头扩孔； (b)芯棒扩孔

(5)弯曲

使坯料弯成一定角度或形状的锻造工序称为弯曲。弯曲用于锻造吊钩、链环、弯板等锻件。弯曲时锻件的加热部分最好只限于被弯曲的一段，加热必须均匀。在空气锤上进行弯曲时，将坯料夹在上下砥铁间，使欲弯曲的部分露出，用手锤或大锤将坯料打弯，如图10-12 (a)所示，或借助于成型垫铁、成型压铁等辅助工具使其产生成型弯曲，如图10-12 (b)所示。

(6)扭转

扭转是将坯料的一部分相对于另一部分绕轴线旋转一定角度的锻造工序，如图10-13所示。采用扭转的方法，可使由几部分不同平面内组成的锻件，如曲轴等，先在一个平面内锻造成型，然后再分别扭转到所要求的位置，从而简化锻造工序。

图10-12　弯曲

图10-13　扭转

(a)角度弯曲； (b)成型弯曲

(7)切割

切割是使坯料分开的工序，如切去料头、下料和切割成一定形状等。用手工切割小毛坯时，把工件放在砧面上，錾子垂直于工件轴线，边錾边旋转工件，当快切断时，应将切口稍移至砧边处，轻轻将工件切断。大截面毛坯是在锻锤或压力机上切断的，方形截面的切割是先将剁刀垂直切入锻件，至快断开时，将工件翻转180°，再用剁刀或克棍把工件截断，如图10-14 (a)所示。切割圆形截面锻件时，要将锻件放在带有圆凹槽的剁垫上，边切边旋转锻件，如图10-14 (b)所示。

图10-14　切割

(a)方料的切割； (b)圆料的切割

(8)错移

错移是将坯料的一部分相对于另一部分错开，两部分的轴线仍保持平行的锻造工序。错移常用于锻造曲轴类锻件。错移前，毛坯须先进行压肩等辅助工序，如图10-15 所示。错移时应先在错移部位切肩，然后再锻打错开。

图10-15　错移

(a)压肩； (b)锻打； (c)修整

通过自由锻造基本工序可使金属坯料产生各种变形，以获得所需形状、尺寸及其他要求的锻件。在开始进行基本工序之前，有时也需要进行一些辅助性的工序，如切痕、压肩等。在基本工序完成之后，有时也需要一些精整工序，以消除锻件表面凹凸不平及毛刺等。上述三类工序配合起来应用，就可完成各种锻件的自由锻造。

2.模锻成型

将加热到锻造温度的金属坯料放到固定在锻造设备上的锻模模膛内，使坯料受压产生塑形变形，充满锻模模膛以成型锻件的方法称为模型锻造，也称为模锻。

模锻时坯料的变形完全在锻模模膛内进行，可以锻制形状较为复杂的锻件，锻件形状和尺寸较精确，加工余量小，材料消耗低，生产效率高，操作简单，劳动强度小，易实现机械化和自动化生产； 但锻模制造复杂，周期长、成本高，模锻设备昂贵而且能源消耗大，故适用于中、小型锻件的中批和大批生产。

生产中常用的模锻成型方法有锤上模锻、胎模锻及压力机上模锻等。其中锤上模锻工艺适用性广，可生产各种类型的模锻件，设备费用也相对较低，是我国模锻生产中应用最多的模锻方法。

(1)锤上模锻

锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头做上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。

锤上模锻使用的设备有蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。(www.xing528.com)

锤上模锻的工艺特点是: 金属在模膛中是在一定速度下经过多次连续锤击而逐步成型的； 锤头的行程、打击速度均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可进行制坯工作；由于惯性作用，金属在上模模膛中具有更好的充填效果； 锤上模锻的适应性广，可生产多种类型的锻件，可以单膛模锻，也可以多膛模锻。

由于锤上模锻打击速度较快，对变形速度较敏感的低塑性材料(如镁合金等)进行锤上模锻不如在压力机上模锻的效果好。

锤上模锻的锻模结构如图10-16 所示。锤上模锻用的锻模由带燕尾的上模2 和下模4 两部分组成，上、下模通过燕尾和楔铁分别紧固在锤头和模垫上，上、下模合在一起在内部形成完整的模膛。根据模膛功用不同，可将其分为制坯模膛和模锻模膛两大类。

1)制坯模膛。

对于形状复杂的模锻件，为了使坯料基本接近模锻件的形状，以便模锻时金属能合理分布，并很好地充满模膛，必须预先在制坯模膛内制坯。制坯模膛有以下几种:

①拔长模膛，减小坯料某部分的横截面积，增加其长度。如图10-17 所示。

②滚挤模膛，减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积，主要是使金属坯料能够按模锻件的形状来分布。滚挤模膛也分为开式和闭式两种，如图10-18 所示。

图10-16　锤上锻模

1—锤头； 2—上模； 3—飞边槽；4—下模； 5—模垫；6，7，10—紧固楔铁；8—分模面； 9—模膛

图10-17　拔长模膛

(a)开式； (b)闭式

图10-18　滚挤模膛

(a)开式； (b)闭式

③弯曲模膛，使坯料弯曲，如图10-19 所示。

④切断模膛，在上模与下模的角部组成一对刃口，用来切断金属，如图10-20 所示。可用于从坯料上切下锻件或从锻件上切钳口，也可用于多件锻造后分离成单个锻件。

图10-19　弯曲模膛

图10-20　切断模膛

此外，还有成型模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。

2)模锻模膛。

模锻模膛包括预锻模膛和终锻模膛。所有模锻件都要使用终锻模膛，预锻模膛则要根据实际情况决定是否采用。

①终锻模膛，使金属坯料最终变形到所要求的形状与尺寸。由于模锻需要加热后进行，锻件冷却后尺寸会有所缩减，所以终锻模膛的尺寸应比实际锻件尺寸放大一个收缩量，对于钢锻件收缩量可取1.5%。

飞边槽: 飞边槽用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满整个模膛，同时容纳多余的金属，还可以起到缓冲作用，减弱对上、下模的打击，防止锻模开裂。飞边槽的常见形式如图10-21 所示，图10-21 (a)为最常用的飞边槽形式； 图10-21 (b)用于不对称锻件，切边时须将锻件翻转180°； 图10-21 (c)用于锻件形状复杂，坯料体积偏大的情况；图10-21 (d)设有阻力沟，用于锻件难以充满的局部位置。飞边槽在锻后可利用压力机上的切边模去除。

对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的凸起部分把金属完全挤压掉，故终锻后会在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮。图10-22 所示为带有飞边槽与冲孔连皮的模锻件。

图10-21　飞边槽形式

图10-22　带有飞边槽与冲孔连皮的模锻件

1—飞边； 2—锻件； 3—冲孔连皮； 4—分模面

图10-23　工字型截面锻件的折叠

②预锻模膛，用于预锻的模膛称为预锻模膛。终锻时常见的缺陷有折叠和充不满等，工字型截面锻件的折叠如图10-23 所示。这些缺陷都是由于终锻时金属不合理的变形流动或变形阻力太大引起的。为此，对于外形较为复杂的锻件，常采用预锻工步，使坯料先变形到接近锻件的外形与尺寸，以便合理分配坯料各部分的体积，避免折叠的产生，并有利于金属的流动，易于充满模膛，同时可减小终锻模膛的磨损，延长锻模的寿命。预锻模膛和终锻模膛的主要区别是前者的圆角和模锻斜度较大，高度较大，一般不设飞边槽。只有当锻件形状复杂、成型困难，且批量较大的情况下，设置预锻模膛才是合理的。

根据模锻件的复杂程度不同，所需的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。弯曲连杆模锻件所用多膛锻模如图10-24 所示。

(2)胎模锻

胎模锻是在自由锻造设备上使用可移动的简单模具生产锻件的一种介于自由锻与模锻间的锻造方法。对于形状较为复杂的锻件，通常是先采用自由锻方法使坯料初步成型，然后再在胎模中终锻成型。锻件的主要尺寸和形状是靠胎模的型腔来保证的。胎模不固定在设备上，根据工艺过程的需要随时放上或取下。

图10-24　弯曲连杆锻模(下模)与模锻工序

1—拔长模膛； 2—滚挤模膛； 3—终锻模膛；4—预锻模膛； 5—弯曲模膛

胎模锻与自由锻相比，可获得形状较为复杂、尺寸较为精确的锻件，节约金属，提高生产效率，但需准备专用工具——胎模； 与模锻相比，胎模锻可利用自由锻设备组织生产各类锻件，不需要昂贵的设备，胎模制造简单，使用方便，成本较低，但劳动强度大，辅助操作多，在锻件质量、生产效率、模具寿命等方面均低于模锻。胎模锻适用于小件批量不大的生产。

胎模结构可分为以下几类，如图10-25 所示。

图10-25　胎模种类

(a)摔模； (b)扣模； (c)开式套筒模； (d)闭式套筒模； (e)合模

摔模: 用于锻造回转体锻件；

扣模: 用于平整侧面；

套筒模: 用于镦粗锻件；

合模: 用于锻造比较复杂的锻件。

(3)压力机上模锻

目前在锻压生产中锤上模锻的锻造方法有广泛的应用，但是模锻锤在工作中存在振动和噪声大、劳动条件差、蒸汽效率低和能源消耗多等难以克服的缺点。因此，近年来大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代的趋势。

用于模锻生产的压力机有摩擦压力机、平锻机、水压机和曲柄压力机等，其工艺特点的比较见表10-2。

表10-2　压力机上模锻方法的工艺特点比较

续表

3.其他锻造成型方法

随着工业生产的发展和科学技术的进步，锻造的方法有了突破性的进展，并涌现出了许多新工艺、新技术，极大地提高了制品的精度和复杂度，突破了传统锻造只能成型毛坯的局限，可直接成型各种复杂形状的精密零件，实现了少、无切削的加工方法。

(1)精密锻造

精密锻造是在热模锻的工艺基础上增加精压工序，利用精锻模提高锻件的精度。精密锻造与一般模锻相比，具有锻件表面质量好、加工余量小、尺寸精度高、材料利用率高等优点。锻造时先用粗锻模锻造，粗锻件留有一定的精锻余量； 然后，切下粗锻件的飞边并清除氧化皮，重新加热到700 ℃～900 ℃，用精锻模终锻成型。

(2)辊锻

用一对装有模具的相反转向的锻辊使坯料产生塑性变形，从而获得所需锻件或锻坯的锻造工艺称为辊锻。辊锻的特点是振动小、噪声小、劳动环境好、成型力小、材料消耗少、生产效率高和易实现自动化生产。辊锻的成型过程如图10-26 所示。

(3)超塑性模锻

超塑性是指当材料具有超细的等轴晶粒(晶粒大小为0.5～5 μm)并在一定的成型温度［T＝ (0.5～0.7)T熔］下，以极低的应变速率(ε＝10-2 ～10-4/s)变形，某些金属或合金呈现出超高的塑性和极低的变形抗力的现象。超塑性模锻就是利用某些金属或合金具有的超塑性，使其在模具中成型的方法。超塑性模锻主要用于小批量生产高温合金和钛合金等难加工、难成型材料的高精度零件。

(4)挤压成型

挤压是指坯料在三向不均匀压应力作用下从模具的孔口或缝隙中挤出，使之横截面积减小、长度增加，成为所需制品的加工方法。挤压的生产率很高，锻造流线分布合理； 但变形抗力大，多用于有色金属件。

图10-26　辊锻成型过程

1—上锻辊； 2—辊锻上模； 3—毛坯；4—辊锻下模； 5—下锻辊