●特點：

1）工具簡單、通用性強、靈活性大，適合單件和小批量鍛件，大型鍛件生產(chǎn)。2）工具與毛坯部分接觸，逐漸變形，所需設(shè)備功率比模鍛小得多，可鍛造大型鍛件，也可鍛造多種多樣、變形程度相差很大的鍛件。

3）靠人工操作控制鍛件的形狀和尺寸，精度差，效率低，勞動強度大。自由鍛主要工序：鐓粗、拔長、沖孔、擴孔第1頁/共40頁第一節(jié)鐓粗

使坯料高度減小，橫截面增大的成形工序稱為鐓粗。鐓粗用于：●由小橫截面積坯料得到較大橫截面積而高度較小的鍛件；●沖孔前增大坯料橫截面積和平整坯料端面；●反復(fù)鐓粗和拔長，提高下一步拔長時的鍛造比；●提高鍛件的力學(xué)性能和減小力學(xué)性能的異向性；●反復(fù)進(jìn)行鐓粗和拔長可以破碎合金工具鋼中的碳化物，并使其均勻分布。第2頁/共40頁1)完全鐓粗：將坯料豎直放在砧面上，在上砧的錘擊下,使坯料產(chǎn)生高度減小,橫截面積增大的塑性變形。

2)端部鐓粗：將坯料加熱后,一端放在漏盤或胎模內(nèi),限制這一部分的塑性變形,然后錘擊坯料的另一端,使之鐓粗成形。

3)中間鐓粗：用于鍛造中間斷面大,兩端斷面小的鍛件。鐓粗前,先將坯料兩端拔細(xì),然后使坯料直立在兩個漏盤中間進(jìn)行錘擊,使坯料中間部分鐓粗。鐓粗分類:

第3頁/共40頁一、鐓粗的變形分析

一般坯料：H0/D0=0.8~2.0。其特點是：

外形呈鼓形，即中間直徑大，兩端直徑小。1、平砧鐓粗變形分析

通過網(wǎng)格實驗（對試件變形前后網(wǎng)格的測量和計算）可以看出鐓粗時坯料內(nèi)部的變形是不均勻的。第4頁/共40頁Ⅰ區(qū)變形程度最小—難變形區(qū)；Ⅱ區(qū)變形程度最大—大變形區(qū)；Ⅲ區(qū)變形程度居中—小變形區(qū)。Ⅰ區(qū)：①、工具與坯料端面之間摩擦力最大，該區(qū)變形十分困難，稱為“難變形區(qū)”。②、在接觸面上，由于中心處的金屬流動還受到外層的阻礙，愈靠近中心部分受到的摩擦阻力愈大，變形愈困難。③、在平板間熱鐓粗坯料時，與工具結(jié)觸的上下端金屬由于溫度降低快，變形抗力大，變形愈困難。Ⅱ區(qū)：受摩擦的影響小，溫度降低也慢，“大變形區(qū)”。應(yīng)力狀態(tài)也有利于變形。Ⅲ區(qū)：受摩擦的影響小，溫度降低稍慢，介于Ⅰ、Ⅱ之間，稱為“小變形區(qū)”。第5頁/共40頁

2、不同高徑比坯料的鐓粗分析較高坯料：

H0/D0≈3.0高坯料：H0/D0﹥3.0矮坯料：H0/D0﹤0.5第6頁/共40頁第7頁/共40頁二、鐓粗工序主要質(zhì)量問題及防止措施

●錠料鐓粗后上、下端常保留鑄態(tài)組織；

Ⅰ區(qū)金屬變形程度小、溫度低，故鐓粗錠料時此區(qū)鑄態(tài)組織不易破碎和再結(jié)晶，結(jié)果仍保留粗大的鑄態(tài)組織。●側(cè)表面易產(chǎn)生縱向或呈45度方向的裂紋；Ⅱ區(qū)變形大，Ⅲ區(qū)變形小，Ⅱ區(qū)金屬向外流動時便對Ⅲ區(qū)金屬作用有徑向壓應(yīng)力，并使其在切向受拉應(yīng)力。當(dāng)切向拉應(yīng)力超過材料的強度極限或切向變形超過材料允許的變形程度時，便引起縱向裂紋。低塑性材料由于抗剪切的能力弱，常在側(cè)表面產(chǎn)生45°方向的裂紋。●高坯料鐓粗時常由于失穩(wěn)而彎曲。控制高徑比：圓鋼H/D不超過2.5~3，方形或矩形截面毛坯的高徑比不大于3.5~4。主要質(zhì)量問題：第8頁/共40頁1、使用潤滑劑和預(yù)熱工具

鐓粗低塑性材料時常用的潤滑劑有：玻璃粉、玻璃棉、石墨粉等，為防止變形金屬很快地冷卻，鐓粗用的工具均應(yīng)預(yù)熱200～300℃。2、采用凹形毛坯

鍛造低塑性材料的大型鍛件時，鐓粗前將坯料壓成凹形，可以明顯提高鐓粗時允許的變形程度。這是因為凹形坯料鐓粗時沿徑向有壓應(yīng)力分量產(chǎn)生，對側(cè)表面的縱向開裂起阻止作用。防止措施:第9頁/共40頁

3、采用軟金屬墊變形金屬不直接受到工具的作用，由于軟墊的變形抗力較低，故先變形并拉著坯料作徑向流動，結(jié)果坯料的側(cè)面內(nèi)凹；當(dāng)繼續(xù)鐓粗時軟墊直徑增大，厚度變薄，溫度降低，變形抗力增大，而此時坯料明顯地鐓粗，側(cè)面內(nèi)凹消失，呈現(xiàn)圓柱形，再繼續(xù)鐓粗時，最后獲得程度不太大的鼓形。由于鐓粗過程中坯料側(cè)面內(nèi)凹，沿側(cè)表面有壓應(yīng)力分量產(chǎn)生，因此，產(chǎn)生裂紋的傾向顯著降低。又由于坯料上下端面部分也有了較大的變形，故不再保留鑄態(tài)組織了。

熱鐓粗大型和較大型的低塑性材料鍛件時，在工具和坯料之間放置一塊溫度不低于坯料溫度的軟金屬墊板（一般用碳素鋼）；第10頁/共40頁4、采用疊鐓和套環(huán)內(nèi)鐓粗5、采用反復(fù)鐓粗拔長的鍛造工藝疊鐓：將兩件迭起來鐓粗，形成鼓形，然后各自換成下圖的形狀繼續(xù)鐓粗消除鼓形。迭鍛不僅能使變形均勻，而且能顯著地降低變形抗力。在套環(huán)內(nèi)鐓粗：在坯料的外圍加一個碳鋼的外套，靠套環(huán)的徑向壓力來減小由于變形不均而引起的附加拉應(yīng)力。使鐓粗時困難變形區(qū)在拔長時受到變形，使整個坯料各處變形都比較均勻。第11頁/共40頁第二節(jié)拔長

使坯料橫截面積減小而長度增加的成形工序叫拔長。用于：軸桿類零件；改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量。

●矩形截面坯料拔長●圓截面坯料拔長●空心坯料拔長第12頁/共40頁第13頁/共40頁

當(dāng)毛坯沿軸向逐次送進(jìn)拔長時，變形相當(dāng)于一系列鐓粗工序的組合，但還受兩端不變形金屬的影響。矩形截面拔長時，當(dāng)相對送進(jìn)量（進(jìn)料長度L與寬度a之比，即L/a，也叫進(jìn)料比）較小時，金屬多沿軸向流動，軸向的變形程度較大，橫向的變形程度較小；隨著L/a的不斷增大，軸向變形程度逐漸減小，橫向變形程度逐漸增大。拔長變形特點：

由于拔長是通過逐次送進(jìn)和反復(fù)轉(zhuǎn)動坯料進(jìn)行壓縮變形，所以它是鍛造生產(chǎn)中耗時最多的一種工序。因此，在保證鍛件質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能提高拔長的效率。第14頁/共40頁拔長變形分析2）相對送進(jìn)量（l/h）

1）相對壓縮程度εn壓縮所需的遍數(shù)和總的壓縮次數(shù)減少，生產(chǎn)率高。但在實際生產(chǎn)中相對壓縮程度受到一定的限制：如果金屬的塑性差，應(yīng)按金屬塑性所允許的數(shù)值確定；如果金屬的塑性好，每次的變形程度可以大些，但是每次壓縮后應(yīng)保證an/hn<2.5,否則，翻轉(zhuǎn)90°再壓時，坯料可能彎曲。當(dāng)送進(jìn)量L/b小時，軸向變形大，即在同樣的相對壓縮程度下，（橫截面減小的程度大），可以減小所需的壓縮次數(shù)；但是，送進(jìn)量小時，對于一定長度的毛坯，壓縮一遍所需的送進(jìn)次數(shù)增多。實際生產(chǎn)中取L=（0.4～0.8）b，b為平砧的寬度。第15頁/共40頁矩形截面坯料拔長時的質(zhì)量分析常見質(zhì)量問題：1）坯料外部表面橫向裂紋2）坯料外部表面角裂3）在內(nèi)部常引起組織和性能不均勻4）內(nèi)部的縱向裂紋和橫向裂紋第16頁/共40頁變形流動特點及影響拔長質(zhì)量的工藝因素

矩形截面拔長時內(nèi)部的變形情況與鐓粗相似，但又受兩端未變形部分（外端、剛端）的牽制。拔長時的鍛透程度，內(nèi)外部裂紋及鍛件成形質(zhì)量，均與拔長時的變形分布和應(yīng)力狀態(tài)直接有關(guān)，并取決于送進(jìn)量、壓下量、砧子形狀、拔長操作等因素。

當(dāng)送進(jìn)量較大（L>0.5h）時，軸心部分變形大，處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于焊合坯料內(nèi)部的孔隙、疏松，而側(cè)表面（切向）受拉應(yīng)力。當(dāng)送進(jìn)量過大（L>h）和壓下量也很大時，此處可能因展寬過多而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力引起開裂。同時，由于軸心區(qū)金屬的變形顯著，受剛端及工具摩擦的影響，外層金屬是被拉著伸長的。與外端相接近的部分受拉應(yīng)力最大，變形也越大，因而容易在此處產(chǎn)生表面橫向裂紋。同時，在邊角部分，由于冷卻較快，塑性降低，更易開裂。高合金鋼和某些耐熱合金拔長時，常易產(chǎn)生角裂，操作時需注意經(jīng)常倒角。1）送進(jìn)量的影響第17頁/共40頁

拔長高合金工具鋼時，當(dāng)送進(jìn)量較大，并且在坯料同一部分反復(fù)重?fù)魰r，常易沿對角線產(chǎn)生裂紋。A區(qū)（困難變形區(qū)）金屬帶著靠著它的a區(qū)金屬向軸心方向移動，B區(qū)金屬帶著靠著它的b區(qū)金屬向增寬方向流動，a、b兩區(qū)的金屬向著兩個相反的方向流動；當(dāng)坯料翻轉(zhuǎn)90°再鍛打時，a、b兩區(qū)調(diào)換了一下，但其金屬的流動仍沿著兩個相反的方向，因而DD1和EE1便成為兩部分金屬最大的相對移動線，附近金屬的變形最大，反復(fù)翻轉(zhuǎn)鍛打時，a、b兩區(qū)的金屬劇烈的變形產(chǎn)生很大的熱量，使兩區(qū)溫度劇升，很快過熱，甚至發(fā)生局部融化現(xiàn)象，在剪應(yīng)力作用下，很快沿對角線產(chǎn)生破壞；坯料質(zhì)量不好，加熱時間較短，內(nèi)部溫度較低，或打擊過重時，由于沿對角線上金屬流動過于劇烈，產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，也促使金屬很快地沿對角線開裂第18頁/共40頁小節(jié)：送進(jìn)量較大時，坯料可以很好地鍛透，而且可以焊合坯料中心部分原有的孔隙和微裂紋，但送進(jìn)量過大也不好，因為l/h過大時，產(chǎn)生外部橫向裂紋和內(nèi)部縱向裂紋的可能性也增大。L<0.5h時，坯料內(nèi)部的變形也是不均勻的，上部和下部變形大，中部變形小，中間部分鍛不透，軸心部分沿軸向受附加拉應(yīng)力，軸心部分原有的缺陷進(jìn)一步擴大，易產(chǎn)生內(nèi)部橫向裂紋。綜合考慮送進(jìn)量對拔長效率和鍛件質(zhì)量兩方面的影響，一般認(rèn)為，相對送進(jìn)量L/h=0.5～0.8較為合適，或絕對送進(jìn)量取L=（0.4～0.8）b，b為砧寬。

第19頁/共40頁

拔長時增大壓下量，不但可以提高生產(chǎn)率，還可強化心部變形，有利于鍛合內(nèi)部缺陷。因此，只要鋼的塑性允許，應(yīng)盡量采用大壓下量拔長。但壓下量也不是無止境的大，與變形工藝有關(guān)；為了避免鍛件產(chǎn)生折疊，單邊壓下△h/2應(yīng)小于送進(jìn)量L；還要考慮毛坯翻轉(zhuǎn)90°后拔長不產(chǎn)生彎曲，毛坯每次壓下后的寬高比應(yīng)小于2.5~3.0。2）壓下量的影響3）砧子形狀的影響上下V形砧拔長時，毛坯的變形程度最大，又處于強烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，能夠很好鍛合心部缺陷，且拔長效率也高，毛坯軸線不會偏移。上平下V形砧拔長時，最大的變形區(qū)不在毛坯中心，而在距中心1/2～3/4半徑處，鍛透性比較差，還由于毛坯上下變形深入程度不等，不斷翻轉(zhuǎn)后會使軸線變成螺旋線，其結(jié)果將造成中心缺陷區(qū)的擴大。上下平砧拔長矩形截面毛坯時，只要相對送進(jìn)量選得合適，能使毛坯的中心鍛透。第20頁/共40頁二、空心件拔長

空心件拔長一般叫芯軸拔長。鍛造時，先把芯棒插入沖好孔的坯料中,然后當(dāng)作實心坯料進(jìn)行拔長。拔長時,一般不是一次拔成,先將坯料拔成六角形,鍛到所需長度后,再倒角滾圓,取出芯棒，為便于取出芯棒,芯棒的工作部分應(yīng)有1:100左右的斜度。這種拔長方法可使空心坯料的長度增加,壁厚減小,而內(nèi)徑不變,常用于鍛造套筒類長空心鍛件。

第21頁/共40頁第三節(jié)沖孔

在坯料上鍛制出透孔或不透孔的工序叫沖孔。1）雙面沖孔法：用沖頭在坯料上沖至2/3～3/4深度時,取出沖頭，翻轉(zhuǎn)坯料，再從反面對準(zhǔn)位置，沖出孔來。2）單面沖孔法：用于厚度小的坯料。沖孔時，坯料置于墊環(huán)上，將一略帶錐度的沖頭大端對準(zhǔn)沖孔位置，用錘擊方法打入坯料，直至孔穿透為止。

常用的沖孔方法：開式?jīng)_孔、實心沖子沖孔、空心沖子沖孔、在墊環(huán)上沖孔和閉式?jīng)_孔第22頁/共40頁第23頁/共40頁第24頁/共40頁一、沖孔的受力變形分析

金屬變形流動特點（以開式實心沖子沖孔為例）沖孔時，毛坯分成兩部分：沖頭下面的圓柱體A和沖頭以外的圓環(huán)區(qū)B。A區(qū)金屬的變形相當(dāng)于圓環(huán)包圍下的鐓粗，沖孔時的單位壓力比自由鐓粗時要大，環(huán)壁愈厚時單位沖孔力也愈大。B區(qū)金屬的變形主要是由于A區(qū)的變形引起的。總的變形趨勢是：徑向壓縮變形，切向伸長變形，軸向應(yīng)變則可能是伸長，也可能是縮短，主要取決于徑向壓應(yīng)力的大小，即取決于環(huán)壁的厚度：第25頁/共40頁

1)開式?jīng)_孔時，沖頭下部的A區(qū)金屬被鐓粗后徑向外流，使B區(qū)金屬也隨之變形；2）當(dāng)坯料較高時，無論A區(qū)或B區(qū)，塑性變形都是由上向下逐步發(fā)展的；3）環(huán)壁厚度對沖孔后坯料的高度有較大影響，環(huán)壁較薄時，沖孔后的坯料高度降低較多，環(huán)壁較厚（D/d≈5）時,高度降低較小或幾乎不降低，環(huán)壁較厚時，坯料內(nèi)壁高度略有增加。第26頁/共40頁二、沖孔的質(zhì)量分析●“走樣”●裂紋●孔沖偏第27頁/共40頁“走樣”：開式?jīng)_孔時坯料高度減小，外徑上小下大，下端面凸出，上端面凹進(jìn)，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為“走樣”。其程度大小與D/d有關(guān)，D/d愈小，“走樣”愈嚴(yán)重，一般取D/d≈3。第28頁/共40頁裂紋：低塑性材料開式?jīng)_孔時常易在側(cè)表面和內(nèi)孔圓角處產(chǎn)生縱向裂紋。外側(cè)表面裂紋是由于A區(qū)金屬向外流動時B區(qū)的外徑被迫地擴大，使外層金屬受到切向拉應(yīng)力，當(dāng)超過金屬當(dāng)時的強度極限時，便產(chǎn)生裂紋破壞。沖孔時內(nèi)孔圓角處的裂紋是由于此處溫度降低較多，塑性較低，加之沖子一般都有錐度，當(dāng)沖子往下運動時，此處便被漲裂。孔沖偏：沖子放偏、環(huán)形部分金屬性質(zhì)不同、沖頭各處的圓角、斜度不一致等，均可使孔沖偏。

第29頁/共40頁改善質(zhì)量問題的措施：1）為減小“走樣”，一般取D/d≈3，錐形沖頭和橢圓形沖頭有助于減小“走樣”。2）為減小裂紋，沖子的錐度不宜過大，當(dāng)沖低塑性材料時，如Cr12鋼，不僅要求沖子錐度較小，而且要經(jīng)過多次加熱逐步?jīng)_成。大型鍛件在水壓機上沖孔時，當(dāng)孔徑大于450mm時，一般采用空心沖頭沖孔，這樣可以減小B區(qū)外層金屬的切向拉應(yīng)力，避免產(chǎn)生側(cè)表面裂紋，并能除掉錠料中心部分質(zhì)量不好的金屬。

第30頁/共40頁第四節(jié)擴孔減小空心坯料壁厚而增加其內(nèi)、外徑的鍛造工序叫擴孔。●沖子擴孔●芯軸擴孔（馬杠擴孔）●碾壓擴孔●楔擴孔●液壓擴孔●爆炸擴孔第31頁/共40頁一、沖子擴孔

用直徑比空心坯料內(nèi)孔大并帶有錐度的沖子進(jìn)行脹孔稱為沖子擴孔。擴孔時坯料徑向受壓應(yīng)力，切向受拉應(yīng)力，軸向受力很小。坯料壁厚減薄，內(nèi)外徑擴大，毛坯上端面略有“拉縮”現(xiàn)象。缺陷：由于擴孔時毛坯在切向有拉應(yīng)力，容易脹裂。為了防止其脹裂，首先要求每次擴孔變形量不宜過大，擴孔量的大小可查表選取。其次，應(yīng)避免擴孔時溫度過低，即每火擴孔次數(shù)不宜多。當(dāng)鍛件重量小于30㎏時，沖孔后可擴孔1~2次，再加熱一次，允許再擴孔2～3次；沖子擴孔適用于D/d>1.7和H≥0.125D的壁不太薄的鍛件。擴孔前坯料的高度尺寸H1=1.05H，Ｈ（鍛件高度）第32頁/共40頁二、芯軸擴孔1）變形實質(zhì)相當(dāng)于毛坯沿圓周方向拔長。毛坯與工具（芯軸）接觸弧長是變形區(qū)的長度，毛坯的高度是變形區(qū)的高度，按最小阻力定律，金屬主要沿毛坯切向流動，高度方向流動很少，因此，芯軸擴孔時隨著壁厚減薄，內(nèi)外徑同時擴大，高度稍有增加。芯軸擴孔時變形區(qū)金屬主要沿切向流動，并增大內(nèi)外徑。a、變形區(qū)沿切向的長度遠(yuǎn)小于寬度（鍛件的高度）；b、芯軸擴孔的鍛件一般壁較薄，故外端對變形區(qū)金屬切向流動的阻力遠(yuǎn)比高度方向的小；c、芯軸與鍛件的接觸面呈弧形，有利于金屬沿切