自由锻造工艺规程

1第八章自由锻造工艺规程编制本章将主要介绍自由锻造工艺规程编制过程并举例进行说明。自由锻造工艺规程主要由锻件图的设计，计算锻件重量，确定坯料规格或钢锭规格；设计锻造工步，计算变形程度；确定锻造温度以及加热火次、确定锻件复杂程度；确定锻造设备、工装及工具；确定坯料加热规范、锻件冷却及热处理规范、锻件表面清理规范；确定锻件理化检验规范等等。编制工艺过程时应注意下述两个原则1）根据车间现有的条件，所编制的工艺技术先进，能满足产品的全部技术要求。2）在保证优质的基础上，提高生产率，节约金属材料消耗，经济合理。8.1.设计锻件图锻件图是编制锻造工艺、设计工具、指导生产和验收锻件的主要依据，也是联系其它后续加工工艺的重要技术资料，它是根据零件图考虑了加工余量，锻件公差、锻造余块、检验试样及工艺卡头等绘制而成。一般锻件的尺寸和表面粗糙度，达不到零件图的要求，锻件表面应留有一定的机械加工余量（以下简称余量）。余量的大小主要取决于：零件的形状尺寸和加工精度、表面粗糙度要求、锻件加热质量、设备工具精度和操作技术水平等。零件的公称尺寸加上余量即为锻件公称尺寸，对于非加工表面，则无需加放余量。在锻造生产实际中，由于各种因素的影响，如终锻温度的差异、锻压设备工具的精度和工人操作技术上的差异、锻件实际尺寸不可能达到公称尺寸，允许有一定的误差，称为锻造公差。锻件上不论是否需经机械加工，都应注明锻造公差。通常公差约为余量的1/4～1/3。锻件的余量和公差具体数值可查阅有关手册、标准或工厂标准确定。图8.1锻件的各种余块为了简化锻件外形或根据锻造工艺需要，在零件上较小的孔、狭窄的凹档、直径差较小而长度不大的台阶等余面余块余量余块余量余面余块余量试样试样热缓冲区或工艺夹头2112±4(90)32±4(20)零件与试样区分割线试样50φ350±6(φ335)φ300±6(φ273)φ170±8(φ227)难于锻造的地方，通常都需填满金属（这部分金属叫做锻造余块），但这样做增加了机械加工工时和金属损耗。因此，是否加放余块，应根据零件形状、锻造技术水平、加工成本等综合考虑确定。除了锻造工艺要求加放余块之外，对于有特殊要求的锻件，尚需在锻件的适当位置添加试样余块（供检验锻件内部组织和力学性能试验用等）、热处理或机械加工用夹头等。见图8.1示例。当余量、公差和余块等确定之后，便可绘制锻件图。锻件图上锻件形状用粗实线描绘。为了便于了解零件的形状和检查锻后的实际余量，在锻件图内用假想线画出零件简单形状。锻件的尺寸和公差标注在尺寸线上面。零件的尺寸加括号标注在尺寸线下面。如锻件带有检验试样、热处理夹头时，锻件图上应注明其尺寸和位置。在图上无法表示的某些条件，可以技术条件方式加以说明。图8.2为一法兰带试样的锻件图。图8.2法兰锻件图8.2计算锻件重量、确定锻造坯料规格自由锻用原材料有两种：一种是钢材、钢坯、多用于中小型锻件；另一种是钢锭，主要用于大中型锻件。8.2.1.毛坯重量的计算锻制锻件所需用的毛坯重量为锻件重量与锻造时金属损耗的重量之和，计算重量的公式如下；G毛坯=G锻件+G切头+G烧损式中G毛坯---所需的原毛坯重量；G锻件---锻件的重量；G切头---锻造过程中切掉的料头等重量；G烧损---烧损的重量；3余面hB≈15°当用钢锭作原毛坯时，上式中还应加上冒口重量G冒口和底部重量G底部。锻件重量G锻件根据锻件图决定。对于复杂形状的锻件，一般先将锻件分成形状简单的几个单元体，然后按公称尺寸计算每个单元体的体积，G锻件可按下式求得；G锻件=γ（V1+V2+…+Vn）式中γ----金属的密度；V1+V2+…+Vn-----各单元体体积。对轴类锻件需考虑台阶处之余面（图8.3、8.4）所需的重量。图8.3台阶轴类锻件余面其计算公式为：G余面=0.2（D-d）2（D+2d）(尺寸以dm计算);图8.4曲轴类锻件余面其计算公式为：G余面=h2B(尺寸以dm计算)。G切头包括修切锻件端部时的料头重量和冲孔芯料等，端部料头重量的计算方法见表8.1。表8.1是一种最简单的端部切料情况的计算方法，而实际上切料的数值与锻件的复杂程度有关。例如锻造台阶时，为防止内凹和夹层现象，压痕和压肩时端部所留的最短长度应大于0.3D。如果台阶轴的轴颈较短时，则切区的料头重量便要较多。因此，复杂件切料的数值根据具体工艺来定。余面Dd≈10°4表8.1端部料头的计算公式毛坯形状端部料头重量/kgDG=1.8D3HBG=2.36HB2冲孔芯料决定于冲孔方法和锻件尺寸，计算方法见表8.2.表8.2冲孔芯料的计算冲孔方法芯料体积（mm3）芯料重量（kg）实心孔冲孔V芯=（0.15～0.20）d2HG芯=（1.18～1.57）d2H在垫环上冲孔V芯=（0.55～0.60）d2HG芯=（4.32～4.71）d2H注：表中d--------实心孔之直径（mm）H--------冲孔前坯料的高度（mm）表8.3火耗与加热次数所占锻件重量的百分比材料加热介质加热次数第一火第二、三、……火一般碳钢及合金钢煤、天然气2.5%2%Cr12、Cr12Mo，高速钢、不锈钢煤、天然气1.5%1.0%烧损的重量G烧损与炉子的类型，毛坯的性质和加热次数等有关，一般用所占的百分数表示。见表8.3。钢锭冒口和底部切区的重量G冒口和G底部占整个钢锭重量百分比见表8.4。8.2.2.毛坯尺寸的确定5毛坯尺寸的确定与所采用的第一个基本工步（镦粗或拔长）有关，所采用的工步不同，确定的方法也不一样。表8.4钢锭冒口和底部切去的重量百分比（％）原材料种类切去重量碳素钢锭合金钢锭或锻重要零件时冒口14～2525～30底部5～77～10（1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H不超过其直径D（或方形边长A）的2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H不应小于1.25D（或A），即1.25D（A）≤H≤2.5D（A）对圆毛坯；D=（0.8～1）3坯V对方毛坯；A=（0.75～0.8）3坯V初步确定了D（或A）之后，应根据国家标准选用标准直径或边长。最后根据毛坯体积V坯和毛坯的截面积F坯，即可求得毛坯的高度（或长度）H=V坯/F坯对算的的毛坯H，还需按下式进行检验；H＜0.75H行程式中H行程-------锤头的行程。此外，毛坯高度，还应小于加热炉底的有效长度。对于锭料，根据所需的毛坯重量和钢锭规格来选择（2）采用拔长法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定对于钢坯，拔长时所用截面F坯的大小应保证能够得到所要求的锻造比。F坯=KLF锻即式中KL----锻造比。6F锻-------锻件的最大横截面积。按上式求出钢坯的最小横截面积，并可进一步求出钢坯的直径（或边长）。然后，根据国家标准或厂标选用标准直径（或边长），若没有所需的尺寸时，则取相邻的较大标准尺寸。最后，根据毛坯体积V坯和确定的毛坯横截面积求出钢坯的长度L坯L坯=V坯/F坯8.2.3.钢锭规格的选择当选用钢锭为原材料时，选择钢锭规格的方法有两种。第一种方法：首先确定各种金属损耗，求出钢锭利用率η：η=[1-(δ冒口+δ锭底+δ烧损)]×100%式中δ冒口、δ锭底分别为切去冒口和锭底的重量占钢锭重量的百分数；可参照表12-2估算。δ烧损为加热烧损率。然后计算钢锭的计算重量G锭=（G锻+G损）/η式中G锻为锻件重量，G损为除冒口、锭底及烧损以外的损耗重量。根据钢锭的计算重量，参照有关钢锭规格表，选取重量相等或稍大的钢锭规格即可。第二种方法：根据锻件类型参照经验资料先定出概略的钢锭利用率η，然后求得钢锭的计算重量G锭=G锻/η，再从有关钢锭规格表，选取所需的钢锭规格。8.3.设计锻造工步、计算变形程度设计锻造工步是编制工艺中最重要的部分，也是难度较大的部分，因为影响的因素很多，例如工人的经验、技术水平、车间设备条件、坯料情况、生产批量，工具辅具情况，锻件的技术要求等。决定变形工艺时，在结合车间具体生产条件的情况下应尽量采用先进技术，以保证获得好的锻件质量、高的生产率和较少的材料消耗。各类锻件变形工步的选择可根据各变形工步的变形特点，锻件的形状、尺寸，技术要求和参考有关典型工艺具体确定。对具体工件确定锻造方法时应根据各厂的经验和工具情况具体确定。因为甚至对同一锻件，在同一车间各人的锻造方法也不完全一样，尤其对位于分界线上或其附近的空心锻件可能有几种锻造方法。例对批量较大、尺寸较小的空心锻件，也可以采用胎模锻造；对环形件还可以在冲口后用扩孔机扩孔。具体可参见前面章节。工步尺寸设计和工步选择是同时进行的，具体确定工步尺寸时应注意下列各点：（1）工步尺寸必须符合各工步的规则，例如镦粗时毛坯高度与直径比值应小于2.5～3。拔长时截面变换经验计算公式见表8.5。7表8.5拔长过程坯料截面变换经验计算公式截面变换内容变形简图计算公式由圆变方DA当l=b时：D=（1.35-1.45）A；l:送进量；b:砧宽。由方变圆ADA=（0.88-1.0）D由圆变扁方ABH（1）当H＜0.5B：D=（2B+H）/3;（2）当H≥0.5B：D=22B+H由方变扁方ABHA≥1.5H（HB8.11-1）由八角变圆CDD=1.03C由扁方变方BHA当H锻件宽砧宽b≥1-1.4时：B=（1.4-1.65）AH=（0.75-0.8）A8工步尺寸设计和工步选择是同时进行的，具体确定工步尺寸时应注意下列各点：（1）工步尺寸必须符合各工步的规则，例如镦粗时毛坯高度与直径比值应小于2.5～3。拔长时截面变换经验计算公式见表8.5（2）必须估计到各工步中毛坯尺寸的变化，例如冲孔时毛坯高度有些减小，扩孔时高度有些增加等等。（3）必须保证各部分有足够的体积，这在使用分锻工步（压痕、压肩）时必须估计到。（4）多火次锻打时必须注意中间各火次加热的可能性。（5）必须保证在最后修光时有足够的修整留量，因为在压肩、错移、冲孔等工步中毛坯上有拉缩现象，这就必须在中间工步中留有一定的修整留量。（6）有些长轴类零件长度方向尺寸要求很准确，但沿长度方向又不允许进行镦粗（例如曲轴等），设计工步尺寸时，必须估计到长度方向的尺寸在修整时会略有延伸。图8.5、8.6、8.7、8.8、8.8、8.10、8.11、简单的描述了一些典型锻件的锻造变形工步。图8.5齿轮锻造变形过程图8.6锤头锻造变形过程图8.7圆环锻造变形过程图8.8圆筒锻造变形过程9图8.8三拐曲轴锻造变形过程图8.1020吨吊钩锻造变形过程图8.11卡瓦锻造变形过程ⅡⅠⅢⅠⅡⅢⅢ30°ⅠⅡⅡⅠ30°ⅢⅡⅢⅠⅢⅡⅠ12348765ⅢⅠⅡⅢⅡⅠ转90°9）8）7）6）5）4）3）2）1）10表8.6锻造比的计算方法序号锻造工步变形简图工步锻造比1钢锭或坯料拔长D1D22221DDKL2拔长-镦粗-拔长或镦粗-拔长-镦粗l0D3l2l4D4D0D1D2h3l134122423222121llllDDDDKKKLLL或321021llllKKKNNL4芯轴拔长d1d0l0D1D0l10121212020lldDdDKL5马杠扩孔d0D0l0d1D1l1101100lldDdDKL6镦粗HH1H0H2轮缘10HHKH轮毂20HHKH11说明1.钢锭开坯倒棱锻造比不计入总锻比2.连续拔长或连续镦粗，总锻造比等于工步锻比的乘积321LLLKKKK，321NNNKKKK3.两次拔长之间有镦粗或两次镦粗之间有拔长，总锻造比等于两次拔长（或镦粗）工步锻造比之和，21LLLKKK或21NNLKKK并且要求工步锻造比1LK，2LK，1NK，2NK≥2锻造比是表示变形程度的一种方法，是衡量锻件质量的一个重要指标。锻件比的计算方法，各国家、各行业均不一致。锻造过程锻造比的我国的一般计算方法是按拔长或镦粗前后锻件的截面比或高度比计算，即锻比KL=0S/S=20D/21D或KL=0H/1H（0S、S、0D、1D、0H、1H分别是锻造前、后的截面积、直径和高度）。如果采用两次镦粗、拔长，或者两次镦粗间有拔长时，按总锻造比等于两次分锻造比之和计算，即