实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。
（三）塑性变形时金属的流动方向
最小阻力定律
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§4-2
自由锻工序特点
一、镦粗 定义：在外力作用下，使坯料高度减小 ，横截面增大的锻造工序。
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（二）镦粗的作用：
⑴ 获得横截面较大而高度较小的锻件（饼块件）。
⑵ 用作冲孔前的准备工序(增大坯料的横截面积以便于
二、自由锻工序分类
自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序
⑴基本工序
指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸
的工序，是主要变形工序。
如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割
、芯轴扩孔等。
⑵辅助工序 的工序。
指在坯料进入基本工序前预先变形
如钢锭倒棱和缩颈倒棱、预压钳把、阶梯轴分段压痕等。
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⑶修整工序
即后续工序。指用来精整锻件尺寸和
形状使完全达到锻件图要求的工序。一般是在某一
基本工序完成后进行。
如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆，凸起、凹下及不 平和有压痕面的平整，拔长后的弯曲校直和锻斜后的校正 等。
自由锻件的成形都是这三类工序的组合
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辅助工序
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c 使用软金属垫镦粗
软金属垫镦粗
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d 叠料镦粗
f 反复镦粗拔长工艺
叠料镦粗
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单垫环镦粗
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局部镦粗
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二、拔长
（一）定义：使坯料横截面减小，以增加其长度的 锻造工序 （二）拔长作用：⑴ 由横截面积较大的坯料得到横 截面积较小、而轴向较长的轴类锻件； ⑵ 作为辅助工序进行局部变形； ⑶“反复镦拔”工序。
i. 这样三个区域的变形不均匀使金属内部晶粒粗细不一。大变形区变 形充分，得到细晶粒；难变形区，还保留粗大的铸态组织。 ii.（Ⅱ）（Ⅲ）区变形的不均，又引起了侧表面裂纹的产生。 Seite 17
II
h
III III I I
平砧镦粗变形分布与应力状态分析
r
II
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（2）不同高径比坯料的镦粗
冲孔)。 ⑶ “反复镦拔法”，镦粗与拔长相结合，可提高锻造比 ，同时击碎合金工具钢中的块状碳化物，并使其分布均 匀以提高锻件的使用性能。 ⑷ 提高锻件的横向力学性能以减小力学性能的异向性。
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（三）主要方法: 平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。 （四）主要质量问题和变形流动特点
-------针对圆截面坯料 的镦粗讨论
第四章 自由锻主要工序分析
材料科学与工程学院
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空气锤
一、定义
自由锻——利用冲击力或压力使金属在上下两个平板 之间产生变形，从而得到所需形状及尺寸的锻件。 或者说：只用简单的工具，或在锻造设备的上下砧间 直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需形 状及内部质量的锻件的加工方法。
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拔长工序是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩 变形，耗费工时最多。
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拔长操作方法
（三）拔长时主要质量问题和变形流动特点： 1．质量问题：裂纹，表面折叠，端面内凹，组织 与性能不均。 2．拔长时的变形特点 拔长时坯料变形情况与镦粗变形有某些相似之处， 它是两端带有不变形金属的镦粗。
（五）空心件拔长(芯轴拔长)
在拔长时孔中穿一根芯轴，是一种减小空心坯料
的壁厚而增加其长度的锻造工序。 适用于锻造长筒形锻件 主要质量问题：孔内壁开裂和壁厚不均
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三、冲孔 （一）定义：采用冲子将坯料冲出透孔或盲孔( 不透孔)的锻造工序称为冲孔。
实心冲子冲孔 1毛坯 2冲垫 3冲子 4 心料
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较薄的坯料通常采用单面冲孔； 厚度较大的锻件，一般采用双面冲孔法
（二）冲孔常用于：⑴ 大于Ф30的盲孔或透孔锻件； ⑵ 需要扩孔的锻件需要预冲孔； ⑶ 需拔长的空心件需要预冲孔。
具有透孔或盲孔的零件，在锻造时应尽量采用冲孔工序将 孔锻出，以求节约原材料和减少机械加工工作量。
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坯料形状和尺寸对镦粗时不均匀变形也有影响。 H0/D0=2.5 Ⅰ Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅰ H0/D0=1～0.67 Ⅰ Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅰ
HO/D0=1.45 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ
H0/D0=0.22 ⅢⅡ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ
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不同髙径比坯料镦 粗的变形情况
3．为减少缺陷可采取的措施有： a 采用润滑，预热工具 b 用侧凹形毛坯镦粗
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四、扩孔
减小空心坯料壁厚，而增加其内、外径的锻造工序称为扩孔。
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心轴扩孔(马架扩孔）
冲子扩孔
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五、弯曲（局部加载，局部受力，局部变形）
弯曲是将坯料弯成所规定形状的锻造工序。它同其它工 序联合使用，可以得到各种弯曲形状的锻件，如吊钩、叉子 、夹钳等。
Seit金属塑性变形及流动的几个问题
（一）影响金属塑性变形流动的三个因素
加载情况、受力情况、变形情况
整体加载——整体受力
如镦粗
局部加载——整体受力——整体变形
如冲孔（D/d<5）
局部加载——局部受力——局部变形
如拔长、冲孔（D/d>5）
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（二）金属塑性变形的不均匀性
现锻不透的现象，坯料内部变形小而产生轴向拉应力，有可能导
致锻件内部产生裂纹。 送进量过大又会产生外部横向裂纹和内部纵向裂纹。所以，送进 量还需根据坯料厚度来考虑，一般取L0=(0.6～0.8)h0。
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（2）压下量（Δh）是指变形前后坯料厚度之差
，即Δh=h0-h。
每次锤击的压下量不宜过大 一般认为Δh=(0.1～0.2)h0，并且压后断面的宽高 比不应小于2～2.5倍，否则翻转90°再压第二次
弯曲时坯料的形状变化
六、错移 错移是将毛坯的一部分与另一部分错开一定距离而 保持轴心平行的锻造工序。
制造曲轴时常采用这种方法。
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错移 a) 在一个平面内的错移 b) 在两个平面内的错移
时就会产生弯曲以致形成折叠。
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必须指出：选择压下量时应结合送进量来考虑。 一般送进量应该足够大，即L0>(0.5～0.75)Δ h。 否则，会产生折叠，表面折叠产生主要是送进量与 压下量不合适，导致锻件报废。
拔长时坯料温度应适中、均匀。锤击须快，锤 击的轻重（打击力的大小）以能锻透坯料为准。
（三）冲孔时主要质量问题和变形特点
1．冲孔时，在冲头下的圆柱体区（A区）的金属受镦粗 作用，沿水平方向流动，但受到外围环形区金属的阻碍而处 于三向压应力状态。环形区（B区）则受到圆柱体区向外扩 张作用而处于切向拉应力状态。当切向拉应力超过材料强度 时，锻件孔壁就会产生纵向裂纹。 冲孔后，坯料的形状也会走样，即上端面凹进，下端面 凸出，高度减小和侧面产生鼓形。因此，冲孔后锻件尚需加 修整工序。
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§4-1 述
概
自由锻造：手工自由锻造和机械自由锻造（自由锻） 锻锤自由锻——产生冲击力使金属坯料变形（中小型） 水压机自由锻——靠压力使坯料变形（大型） 优点：所用工具简单，通用性强、灵活性大，因此适合单件 和小批锻件。 缺点：锻件精度低，加工余量大，生产率低，劳动强度大。
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3．坯料拔长时缺陷的防止措施
（1）表面横向裂纹与角裂，前者是由于送进量过
大同时压缩量也过大所引起的；后者除了变形原因 外，主要是由于角部温度散失快，产生温度应力， 引起表面拉力过大(应及时进行倒角)。 （2）表面折叠 主要是由于送进量太小
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（3）内部横向裂纹 也是由于送进量太小，出现 双鼓形特征，引发轴心拉应力。 （4）内部纵向裂纹 送进量过大，压下量较小， 所造成的中心拉应力。 （5）端面内凹 送进量太小，表面金属变形大、 轴心尚未来得及变形引起的。
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拔长时，最关注的是拔长速度和拔长对锻件质量 的影响。 影响这两项指标的主要因素有的：送进量L0、压 下量△h、砧面与坯料的形状、锤击的轻重与操作 方法以及坯料的加热温度等等。
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矩形截面拔长
（1）送进量的大小，除影响生产率外，还影响锻件质量
当送进量太小，而坯料厚度（h0）又比较大，即当L0<0.5h0时会出
1．质量问题：侧表面产生纵向或45º裂纹； 侧表面出现鼓形； 上下端存留铸态组 织； 高坯料镦粗易失稳 弯曲。
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2．变形流动特点
（1）镦粗时由于坯料两端面与工具存在摩擦力而导致金属 变形不均匀。 坯料上下端面及其表层金属因受摩擦力影响成为难变 形区（Ⅰ）；区域（Ⅱ）为大变形区; 区域（Ⅲ）为小变形 区。因此，镦粗结果，坯料由圆柱形变为鼓形。另外，（I ）区与工具接触，温度降低快，也是难变形的原因之一。
此外还有：对角线裂纹，端面裂纹，端部孔壁裂 纹
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（四）型砧拔长 坯料在V型砧或圆弧型砧中拔长。V型砧有两 种情形：即“上平下V”型和“上下V”型。其作用是利用侧压 限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。 在型砧中拔长可提高生产率，防止内部纵向裂纹的产生。
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拔长砧子形状及其对变形区分布的影响 a)上下V形砧 b)上平下V砧 c) 上下平砧
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2．冲孔时易产生的缺陷及防止措施
⑴ 走样 主要是由于坯料尺寸不合理。冲孔前 将坯料镦至D/d>3（越小，走样越严重）。 ⑵ 孔偏心 主要是由于定位不准或加热不均匀。 先压一浅印和使温度均匀后再冲。 ⑶ 斜孔 主要是由于操作不当或坯料及工具不 规范 ⑷ 裂纹 主要是由于材料塑性低，冲头锥度大 ，冲孔时走样大等。