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自由锻是在自由锻设备上利用通用工具使金属坯料产生变形而获得锻件的加工方法。金属坯料在铁砧之间受力变形时，朝各方向可以自由流动，不受限制，锻件的形状和尺寸由操作者的水平来保证。

根据对坯料作用力的性质，自由锻设备分为锻锤和液压机两大类。锻锤产生冲击力使金属变形，吨位的大小用其落下部分的质量来表示。锻锤又有空气锤和蒸汽－空气锤之分，主要用于生产中小锻件。空气锤的构造如图11－3所示。工作时，电动机5通过减速器6带动曲柄15转动，再通过连杆14带动压缩汽缸4内的活塞12做上下运动。在压缩汽缸与工作汽缸3之间有上、下两个气阀1、2，当压缩汽缸内活塞做上下运动时，压缩汽缸经过打开的气阀交替进入工作汽缸的上部或下部空间，推动工作汽缸内的活塞13连同锤杆16、上砧铁11一起上下运动。通过控制上、下气阀的不同位置，空气锤可以完成锤头悬空、单打、连打和压住锻件等四个动作。

1，2—气阀；3—工作汽缸；4—压缩汽缸；5—电动机；6—减速器；7—操纵脚踏板；8—机座；

9—砧座；10—下砧铁；11—上砧铁；12，13—活塞；14—连杆；15—曲柄；16—锤杆

生产中使用的液压机主要是水压机，它由固定系统和活动系统两部分组成。水压机产生静压力使金属产生变形，吨位的大小是用其产生的最大压力来表示。它可以对质量达数百吨的锻件进行锻造，是巨型锻件的唯一成形设备。

实际生产中，自由锻常用的基本工序有镦粗、拔长、冲孔和弯曲四种。

镦粗是使毛坯高度减小、横截面积增大的锻造工序。镦粗可分为完全镦粗、局部镦粗和垫环镦粗等。如图11－4所示，其中局部镦粗与垫环镦粗不同，局部镦粗时漏盘内的金属不变形，而垫环镦粗时工件的各个部分均有变形。

镦粗工序主要应用于制造高度小、截面大的工件，如齿轮、圆盘等。

拔长是使毛坯横截面积减小、长度增加的锻造工序。拔长可分为平砧拔长、赶铁拔长和芯棒拔长等，如图11－5所示。当拔长量较大时，采用赶铁拔长。芯棒拔长是指减小空心坯料的壁厚和外径尺寸，增加长度的工序。

拔长工序主要用于制造长度大、截面小的工件，如轴、拉杆、曲轴及制造长轴类空心件（如空筒、透平柱轴、圆环、套筒等）。

冲孔是在坯料上冲击通孔和不通孔的锻造工序。根据冲头形式不同，冲孔可分为实心冲头冲孔（孔径小于400mm）和空心冲头冲孔（孔径大于400mm），如图11－6所示。

冲孔主要用于制造空心件，如齿轮毛坯、圆环、套筒等。对于锻件质量要求高的大工件，可用空心冲孔去掉质量较低的铸锭中心部分。

弯曲是采用一定的工具模，将坯料弯成规定外形的锻造工序，如图11－7所示，弯曲用于锻制曲形零件，如吊钩、角尺、弯曲板等。

自由锻造结构设计的原则：在满足使用性能的条件下，锻件的形状应简单、合理、易于锻造。自由锻件工艺性要求如表11－1所示。

1．锻造温度范围的确定

锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度之间一段温度间隔。确定锻造温度范围的原则有如下两点：一是要保证金属应具有良好的锻造性能和合适的金相组织，二是要求在每一次加热之后完成更多成形工作，以节约能源和提高效率。

碳钢锻造温度范围的确定以Fe－Fe₃C相图为依据，如图11－8所示。始锻温度比AE低200℃左右，终锻温度约为800℃。图中的斜线部分区域为碳钢的锻造温度范围。过高的锻造温度会产生过热或过烧等缺陷，过低的锻造温度，变形抗力急剧升高，甚至导致锻件发生断裂。几种常用材料的始锻温度和终锻温度如表11－2所示。

2．锻件的冷却和热处理

钢在锻造后的冷却过程中，主要出现两种形式的内应力，即热应力和组织应力。当这两种应力超过金属的抗拉强度时锻件就会开裂。根据锻件的化学成分、形状和尺寸特点，应采用不同的冷却方法。

（1）对于低、中碳钢的中小锻件，可采用在干燥地面上空冷。

（2）一般的合金钢锻件，锻后放置在填有石灰、砂等绝热材料的坑中或箱中进行坑冷或箱冷。

（3）对于高碳、高合金钢及大锻件，应在500～700℃加热炉中随炉缓冷，即炉冷。

总之，锻件中碳及合金元素的质量分数越高，锻件体积越大，形状越复杂，冷却速度越缓慢，防止造成锻件硬化、变形或开裂。为消除锻造过程中产生的内应力，锻件应进行去应力退火、正火或球化退火处理，以保证锻件具有良好的切削加工性。