1.自由锻工艺特征
1）成形过程中坯料整体或局部塑性成形，除与上下砧铁接触的金属部分受到约束外，金属坯料在水平方向能自由变形流动，不受限制，故无法精确控制变形程度。自由锻锻件的形状和尺寸取决于操作者的技术水平，自由锻可锻的锻件质量由不足1kg到300t。在重型机械制造中，也是生产大型和特大型锻件的唯一成形方法。
2）自由锻要求被成形材料具有良好的塑性，其精度和表面品质差，故自由锻适用于形状简单的单件或小批量生产，自由锻是重型、大型锻件唯一成形方法。
3）自由锻可使用多种锻压设备（空气锤、蒸汽锤、机械压力机、水压机等），其锻造所用工具简单且通用性大，操作性方便。但是，自由锻生产率低、金属损耗大、劳动条件较差等。
2.自由锻成形工艺过程
自由锻成形工艺流程如图3-19所示。
（1）绘制自由锻工艺图 自由锻工艺图是以零件图为基础结合自由锻过程特征绘制的技术资料。一个零件的毛坯若是用自由锻生产，则应根据零件图中所示零件的形状及尺寸、技术要求、生产批量以及所具有的生产条件和能力，结合自由锻过程中各种因素，用不同色彩线条直接绘制在图样上或用文字标注在图样上，这就得到自由锻工艺图，又叫锻件图。绘制锻件图是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，锻件图是组织生产过程、制订操作规范、控制和检查产品品质的依据。
图3-19 自由锻成形工艺流程
绘制锻件图要考虑下列几个因素。
1）敷料。敷料是为了简化锻件形状便于锻造而增添的金属部分。由于自由锻只适宜于锻制形状简单的锻件，故对零件上一些较小的凹档、台阶、凸肩、小孔、斜面、锥面等都应进行适当简化，以减少锻造的困难，提高生产率。
2）机加工余量。由于自由锻锻件的尺寸精度低、表面质量较差，需再经切削加工才能成为零件，所以在零件的加工表面上增加供切削加工用的金属部分，称为机加工余量。锻件机加工余量的大小与零件的形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等因素有关。通常中小型自由锻锻件的加工余量为5～8mm，它与生产的设备、工装精度、加热的控制和操作技术水平有关，零件越大，形状越复杂，则余量越大。
3）锻件公差。锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量。因为锻造操作中掌握尺寸有一定困难，外加金属的氧化和收缩等原因，使锻件的实际尺寸总有一定的误差。规定锻件的公差，有利于提高生产率。中小型自由锻锻件的公差一般为3～4mm。
自由锻锻件机加工余量和自由锻锻件公差的具体数据可查锻造手册。
为了使锻工了解零件的形状和尺寸，有些工厂或企业直接在零件图上绘制锻件图，有些则另绘制锻件图并在锻件图上用双点画线画出零件主要轮廓形状，并在锻件尺寸下面用括弧标注出零件的名义尺寸。
（2）选择锻造工序、确定锻造温度和冷却规范 包括以下3点：
1）选择锻造工序。自由锻中可进行的工序较多，通常分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。自由锻的基本工序是使坯料产生一定程度的热变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的成形过程。主要有以下几种：
镦粗：使坯料高度减小而截面增大的锻造工序，是自由锻中最常用的工序，适用于饼块、盘套类锻件的生产。
拔长：使坯料截面减小而长度增大锻造工序，适用于轴类、杆类锻件的生产。为达到规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻制以钢锭为坯料的锻件时，拔长经常与镦粗交替反复使用。
冲孔：在坯料上冲出通孔或不通孔（盲孔）的锻造工序。对环类件中的较大孔，冲孔后须进行扩孔工作。扩孔有实心冲子扩孔、空心冲子扩孔、马杠扩孔，如图3-20所示。
图3-20 扩孔方法
a）实心冲子扩孔 b）马杠扩孔
切割：将坯料分成几部分或部分地隔开，或从坯料的外部割掉一部分的锻造工序。
弯扭：将坯料的一部分相对另一部分绕其轴线旋转一定角度的锻造工序。
错移：将坯料的一部分相对另一部分错移开，但仍保持轴心平行的锻造工序，是生产曲拐或曲轴的必需工序。
辅助工序是为了基本工序便于操作而进行的预先变形工序，如压钳口、压肩、倒棱等。
精整工序是用以改善锻件表面质量而进行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。精整工序用于要求较高的锻件，它在终锻温度以下进行。
选择自由锻工序是根据锻件形状和要求来确定的。对一般锻件的大致分类及所采用的工序见表3-1。
表3-1 锻件分类及锻造用工序
（续）
2）确定锻造温度和冷却规范。金属的锻造是在一定温度范围内进行的。一些常用金属材料的锻造温度范围见表3-2。(www.xing528.com)
表3-2 常用金属材料的锻造温度范围
各种坯料加热的常用设备为箱式加热炉（利用煤或重油等燃烧产生的热能或利用电能加热金属坯料）和结构简单的手锻炉（俗称小烘炉）。
为缩短加热时间，对塑性良好的中小型低碳钢坯料，把冷的坯料直接送入高温的加热炉中，尽快加热到始锻温度。这样不仅可以提高生产效率，还可以减小坯料的氧化和钢的表面脱碳，并防止过热。但快速加热会使坯料产生较大的热应力，甚至可能会导致内部裂纹。因此，对热导率和塑性较低的大型合金钢坯料，常采用分段加热，即先将坯料随炉升温至800℃左右，并适当保温以待坯料内部组织和内外温度均匀，然后再快速升温至始锻温度并在此温度保温，待坯料内外温度均匀后出炉锻造。
锻造后锻件的冷却也须注意。锻好的锻件仍有较高的温度，冷却时由于表面冷却快，内部冷却慢，使锻件表里收缩不一致，可能会使一些塑性较低或大型复杂锻件产生变形或开裂等缺陷。
锻件冷却方式常有以下3种方法：①直接在空气中冷却（简称空冷），此方法多用于低碳钢和中碳钢的锻造；②在炉灰或干砂中缓冷，多用于中碳钢、高碳钢和大多数低合金钢的中型锻件；③随炉缓冷，锻后随即将锻件放入500～700℃的炉中随炉缓冷，多用于中碳钢和低碳合金钢的大型锻件以及高合金钢的重要锻件。
3）锻造设备的选择。中、小型自由锻件所采用的锻造设备主要是空气锤。常用空气锤吨位的选择见表3-3或查锻造手册。
表3-3 常用空气锤吨位选择用参考表
（3）自由锻典型过程 盘类锻件的锻造过程和轴类锻件的锻造过程如下：
1）盘类锻件的锻造过程，以双联齿轮为例，其锻件图见表3-4。可知其属于盘类锻件，自由锻工艺的基本工序有镦粗、拔长、滚圆，辅助工序有压肩；坯料可计算，锻造温度和设备等可查表或锻造手册。其锻造工艺过程卡见表3-4。
表3-4 双联齿轮自由锻过程卡
注：火次是指坯料或半成品的加热次数。
2）轴类锻件的锻造过程，以齿轮轴为例，其锻件图见表3-5。可知其属于阶梯轴类锻件，自由锻工艺的基本工序有拔长、滚圆，辅助工序有压肩；坯料可计算，锻造温度和设备等可查表或锻造手册。其锻造工艺过程卡见表3-5。
表3-5 齿轮轴自由锻过程卡
注：火次是指坯料或半成品的加热次数。
3.自由锻件结构技术特征
自由锻造金属固态塑性成形的生产过程，由于受固态金属材料本身的塑性和外力的限制，加之自由锻过程的特点，使自由锻件的几何形状受到很大限制。因此，在保证使用性能的前提下，为简化锻造工艺过程，保证锻件质量，提高生产率，在零件结构设计时应尽量满足自由锻的技术特征要求。对于用自由锻制作毛坯的零件，其结构设计应注意以下原则：
1）自由锻件上应避免锥体、曲线或曲面交接以及椭圆形、工字形截面等结构。因为锻造这些结构须制备专用工具，锻件成形也比较困难，锻造过程复杂，操纵极不方便，如图3-21所示。
2）自由锻件上应避免加强筋、凸台等结构，因为这些结构难以用自由锻获得。若采用专用工具或技术措施来生产，必将大大增加锻件成本，降低生产效率，如图3-22所示。
图3-21 轴杆类锻件结构比较
a）成形性差的结构 b）成形性好的结构
图3-22 盘类锻件结构比较
a）成形性差的结构 b）成形性好的结构
当锻件的横截面有急剧变化或形状复杂时，可采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成几个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将几个简单锻件连成整体件，如图3-23所示。
图3-23 复杂件结构
a）成形性差的结构 b）成形性好结构
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