锻造工艺学

第五章自由锻工艺材料科学与工程学院Seite2自由锻工艺过程的实质是利用简单和通用的工具逐步改变坯料的形状和尺寸，从而获得所要求形状和性能的锻件的加工过程。Seite3特点：1．逐步变形方式，其所需设备功率比模锻要小得多，可以用较小设备锻较大锻件；2．锻件精度低，生产效率低，适合小批、单件、大型锻件的生产。自由锻工艺要研究的内容是：锻件的成形规律和如何提高锻件质量两方面。在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。Seite4Seite5§5-1自由锻件的分类及变形方案的确定为了便于制订工艺规程，自由锻件可分为以下几类：1．轴杆类锻件：轴向尺寸远大于横截面尺寸。基本工序为：拔长或镦粗＋拔长2．矩形断面锻件：可归为轴杆类3．曲轴类锻件：不仅沿轴线有截面形状和面积变化，而且轴线有多方向弯曲。基本工序为：拔长、错移、扭转Seite6Seite7Seite84．盘形类（饼块类）锻件：横向尺寸大于高度尺寸。基本工序为：镦粗5．空心类锻件：有中心通孔。基本工序为：镦粗、冲孔、扩孔、或芯轴拔长等6．弯曲类锻件：具有弯曲的轴线，弯曲可以是对称的，也可是不对称的。基本工序为：拔长、弯曲7．复杂形状锻件不同工序的组合。Seite9锻件类别图例锻造工序盘类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔等轴类零件拔长（或镦粗－拔长），切肩，锻台阶等筒类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等环类零件镦粗（或拔长－镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等弯曲类零件拔长，弯曲等锻件分类及所需锻造工序Seite10§5-2自由锻工艺规程的制定自由锻工艺规程的内容：⑴根据零件图绘制锻件图；⑵确定坯料的质量和尺寸；⑶制订变形工艺及选用工具；⑷选择设备吨位；⑸确定锻造温度范围，制订坯料加热和锻件冷却规范；⑹制订锻件热处理规范；⑺提出锻件的技术条件和检验要求；⑻填写工艺规程卡片等。Seite11一、绘制锻件图锻件图是以零件图为基础，考虑了加工余量、锻件公差、锻造余块、检验试样及工艺夹头等因素绘制而成。Seite121．加工余量当锻造不能达到零件的尺寸精度和粗糙度要求时，零件表面需增加一层供切削加工用的金属，称为机械加工余量，简称余量。零件的公称尺寸＋余量后的尺寸＝锻件公称尺寸锻件的余量、余块Seite132．余块为了简化锻件的外形或锻造工艺的需要，通常需要添加金属。这种加添的金属部分叫做余块。锻造时，有些零件上的小孔，尺寸不大的凹档或台阶等，一般不锻出，而加上余块，以简化锻件形状和操作。但简化后的锻件形状，会增加金属的消耗和机械加工工时。因此，是否要加放余块应根据零件的形状、尺寸和锻造技术水平及经济效益等具体情况而定。Seite143．锻造公差由于设备精度或技术差异，锻件实际尺寸达不到公称尺寸，允许存在一定的误差，就是锻造公差。确定余量必须保证锻件在机械加工时能获得所需要的零件尺寸和粗糙度，选择余量和公差时根据工厂的实际情况来定。Seite154．检验用试样及工艺夹头供锻后组织性能检验以及方便锻后热处理的吊挂和机械加工的夹持等。5．绘制锻件图在锻造余量、公差和各种余块确定后，便可绘制锻件图。锻件的外形用粗实线描绘，标出锻造公称尺寸和公差，同时在公称尺寸后面或下面标出零件尺寸并加上括号以示区别。为了帮助了解成品零件的形状和便于锻后检查余量，应在锻件图上用假想线（双点划线或细实线），描绘出零件的轮廓形状。Seite16一张完善的锻件图，除必须表明锻件的形状尺寸，余量公差，材料牌号，锻后热处理方法和要求外，个别重要零件，还应在锻件图中表明截取机械性能实验，金相组织试样的方向和位置以及其它特殊要求。典型锻件图Seite17二、坯料重量和尺寸的计算1．坯料重量的计算坯料的重量包括锻件重量和损耗重量。损耗系数指火耗、切除料头与冲孔芯料等的损耗。即：G坯=(G锻+G芯+G切)(1+δ％)式中G锻─锻件重量(kg)，依公称尺寸确定；G芯─冲孔芯料损失，取决于冲孔方式；G切─拔长后切除料头的损失，取决于切除部位的尺寸；δ─钢料加热烧损率Seite182．坯料尺寸的计算⑴头道工序用镦粗法锻造时，为避免弯曲，高径比应小于2.5，为便于下料，高径比应大于1.25。即从而可得D0=(0.8～1.0)a0=(0.75～0.9)3V坯001.25H/D2.5G/V坯坯＝3V坯Seite19⑵当头道工序为拔长时，原坯料直径应按锻件最大截面积S锻,并考虑锻比KL和修整量等要求来确定：S坯＝KL·S锻即D0=1.13√KLS锻再按国家材料规格，选取标准直径或标准边长，然后计算坯料高度（下料长度）：圆坯料方坯料200H=V/a坯200H=V/(/4D)坯Seite203．钢锭规格选择⑴第一种方法：先根据各种损耗求出利用率η：η=[1-(δ冒口+δ锭底+δ烧损)]×100%式中碳素钢钢锭：δ冒口=18%～25%，δ锭底=5%～7%合金钢钢锭：δ冒口=25%～30%，δ锭底=7%～10%然后计算钢锭的计算G锭：G锭=(G锻+G损)／η式中G损─除冒口、锭底及烧损外的损耗量。最后按G锭参照有关钢锭规格表选取相应规格的钢锭。Seite21⑵第二种方法(经验法)：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质量G锭=G锻／η再从有关钢锭规格表中，选取所需的钢锭规格。Seite22三、变形工艺过程的制订内容：自由锻成形的基本工序、辅助工艺和修整工序，以及各变形工序的顺序和中间坯料尺寸等各类锻件变形工序的选择，应根据锻件的形状、尺寸和技术要求，结合各锻造工序的变形特点，参考有关典型工艺而具体确定。Seite23各工序坯料尺寸设计和工序选择是同时进行的，在确定各工序毛坯尺寸时应注意：⑴坯料尺寸必须符合变形规则。如镦粗时的高径比小于3等。⑵应考虑各工序变形时坯料尺寸的变化规律。如冲孔时坯料高度略有减小，扩孔时坯料高度略有增加等。⑶锻件最后需要精整时，应留有修整量。⑷大锻件须多火次完成时，应考虑中间各火次加热的可能性。Seite24四、锻造比的确定锻造比是表示锻件变形程度的一种方法，也是保证锻件质量的一个重要指标。应合理选择锻造比。型材一般经过大变形的锻轧，组织性能均得到改善，一般不须考虑锻造比。钢锭的锻造必须考虑锻造比。一般要求锻造比大于3。Seite25典型锻件的锻造比见表锻件名称计算部位锻造比锻件名称计算部位锻造比碳素钢轴类锻件最大截面2.0~2.5锤头最大截面≥2.5合金钢轴类锻件最大截面2.5~3.0水轮机主轴轴身≥2.5热轧辊辊身2.5~3.0水轮机立柱最大截面≥3.0冷轧辊辊身3.5~5.0模块最大截面≥3.0齿轮轴最大截面2.5~3.0航空用大型锻件最大截面6.0~8.0Seite26在使用锻锤进行锻造时，必须正确选择合适的设备。用小的设备锻造太大的锻件，锻件内部锻不透，而且生产率低。反之，小型锻件用太大的设备进行锻造速度慢，打击力不易控制，也是不适宜的。五、设备吨位的计算与选择根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备分为锻锤和液压机两大类。Seite27锻锤产生冲击力使金属坯料变形。锻锤的吨位是以落下部分的质量来表示的。生产中常使用的锻锤是空气锤和蒸汽－空气锤。空气锤利用电动机带动活塞产生压缩空气，使锤头上下往复运动进行锤击。它的特点是结构简单，操作方便，维护容易，但吨位较小，只能用来锻造100kg以下的小型锻件。蒸汽－空气锤采用蒸汽和压缩空气作为动力，其吨位稍大，可用来生产质量小于1500kg的锻件，Seite28正确选择锻锤的吨位，需要考虑变形面积、锻件的材质和变形温度。精确计算选择锻锤的吨位，需要计算材料的变形力。在实际工作中采用查表法，既快又方便。Seite29液压机产生静压力使金属坯料变形。目前大型水压机可达万吨以上，能锻造300吨的锻件。由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深度，故液压机锻造可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。液压机是大型锻件的唯一成形设备，大型先进液压机的生产常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。另外，液压机工作平稳，金属变形过程中无振动，噪音小，劳动条件较好。但液压机设备庞大、造价高。Seite30§5-3大型锻件锻造的特点大型锻件泛指在大吨位锻压设备上锻造的外形尺寸和重量较大的锻件，其中主要是大型自由锻件，通常把一万KN以上的锻造水压机或5t以上自由锻锤上锻造的重型锻件，称为大型锻件。Seite31大型锻件生产的主要特点：⑴质量要求严格质量可靠、性能优良等冶金质量、锻造、热处理技术的优化与控制、质量分析与测试技术等有关。⑵工艺过程复杂包括：冶炼、铸锭、加热、锻造、粗加工、热处理等。工艺环节多、周期长、连续性强、集体劳动、生产技术复杂。⑶生产费用高材料、能源、工具、设备等消耗大，所以提高材料利用率、降低消耗、减少废品率，在技术上和经济上具有重要的意义。Seite32几个主要问题：一、大型钢锭的加热特点横截面尺寸大，加热时内外温度差比中小型锻坯大得多，温度应力、组织应力和残余应力等问题要充分重视。加热时要保证充分均匀热透。Seite33二、热锻变形对金属组织和性能的影响1．破碎铸态组织，细化晶粒变形程度达到一定值，铸态的粗晶、树枝状晶以及晶界物质被击碎，经过随后的再结晶形成新的等轴细晶组织。这对于某些不能通过热处理方式改变晶粒尺寸的钢，如奥氏体钢，可以通过严格控制变形温度，并保证足够的变形量，通过锻造来细化晶粒。2．降低偏析程度，改善碳化物及夹杂物的分布Seite343．锻合内部孔隙钢锭越大，那么内部缺陷越多，致密性越低，内部的孔隙多，所以锻合压实孔隙就是大型锻造中存在的一个很重要的内容。通过大量生产经验和模型实验，发现具备以下条件有利于锻合孔隙的：①良好的应力状态，如足够的静水压力。②足够大的变形量③足够高的变形温度。孔隙锻合的机理：在上述变形条件下，首先发生屈服、变形，进而闭合，压紧，最后在高温高压作用下焊合、压实。经过合理的锻压，材料的致密性、连续性、力学性能显著改善。Seite354．形成纤维组织变形后，晶粒沿主应变方向拉长，晶界物质随之变化，造成变形后的组织性能具有一定的方向性，在低倍显微镜下可以明显的看到这种方向性。其中塑性夹杂呈条状，脆性物质呈链状。这种不均匀分布再结晶后也不会消失，这种方向性的热变形组织结构，称为“纤维组织”或“流线”。Seite36由于沿纤维方向的力学性能要高于垂直于纤维方向的力学性能，这就要根据锻件的受力情况和破坏情况，正确控制流线的分布。这样制订出合理的锻造工艺，改善制件的承载能力，防止失效破坏，提高使用性能。Seite375．锻造对锻件性能的影响经锻造压实、再结晶后，致密性、均匀性都大有提高，综合力学性能相应提高。而锻造比的大小对锻件力学性能影响最大。随着锻比的增加，纵向和横向的塑性和强度指标均有明显增长。继续增大锻造比，则增长缓慢，并形成纤维组织，横向塑性、韧性指标开始下降，明显低于纵向的，出现异向性。一般来说，大型锻件的锻造比在2～6的范围内。Seite38三、大型锻件变形工艺分析生产大锻件必须根据对锻件组织性能的具体要求。恰当地选用变形工艺。因此，有必要对大锻件锻造中常用变形工艺的特点进行具体分析。