2.3　自由锻

2.3.1　概述

自由锻是将加热好的金属坯料，放在锻造设备的上、下砧铁之间，再施加冲击力或压力，使之产生塑性变形，从而获得所需锻件的一种加工方法。坯料在锻造过程中，除与上、下砧铁或其他辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，故称自由锻。

自由锻通常可分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻主要是依靠人力利用简单工具对坯料进行锻打，从而改变坯料的形状和尺寸获得所需锻件。手工锻造生产率低，劳动强度大，锤击力小，在现代工业生产中已为机器锻造所代替。机器自由锻主要依靠专用的自由锻设备和专用工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸，从而获得所需锻件。

自由锻所用工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批量锻件。自由锻的缺点是锻件精度低、加工余量大、生产效率低、劳动强度大等。

2.3.2　自由锻设备

根据锻造设备的不同，又分为锤锻自由锻和水压机自由锻两种。前者用于锻造中、小自由锻件，后者主要用以锻造大型自由锻件。

锤锻自由锻的通用设备是空气锤和蒸汽—空气自由锻锤。空气锤由自身携带的电动机直接驱动，落下部分重量在40～1000kg 之间，锤击能量较小，只能锻造100kg 以下的小型锻件。空气锤的结构如图2-4所示。

1.踏；2.砧座；3.砧垫；4.下砧；5.上砧；6.锤杆；7.工作缸；8.下旋阀；9.上旋阀；10.压缩气缸；11.手柄；12.锤身；13.减速器；14电机；15工作活塞；16压缩活塞；17连杆；18曲柄

图2-4　空气锤的结构和工作原理

为满足锻造的稳定性，砧座的质量要求不小于落下部分质量的12～15倍。砧座安装在坚固的钢筋水泥基础上，而且在砧座与基础之间垫有垫木，以消除打击时产生的振动。

另外，蒸汽—空气锤利用压力为0.6～0.9MPa 的蒸汽或压缩空气作为动力，蒸汽或压缩空气由单独的锅炉或空气压缩机供应，投资比较大。

自由锻水压机是锻造大型锻件的主要设备。大型锻造水压机的制造和拥有量是一个国家工业水平的重要标志。我国已经能自行设计制造125000kN 以下的各种规格的自由锻水压机。水压机是根据液体的静压力传递原理（即帕斯卡原理）设计制造的。水压机主要由本体和附属设备组成。水压机上锻造时，以压力代替锤锻时的冲击力，大型水压机能够产生数万 kN 甚至更大的锻造压力，坯料变形的压下量大，锻透深度大，从而可改善锻件内部的质量。此外，水压机在锻造时振动和噪音小，工作条件好。

2.3.3　自由锻工序

根据作用与变形要求不同，自由锻的工序分为基本工序、辅助工序和精整工序三类。

1.基本工序

指改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，称为基本工序。包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等工步。

2.辅助工序

辅助工序是为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如倒棱、压肩等工步。

3.精整工序

修整锻件的最后尺寸和形状，提高锻件表面质量，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等工步。

任何一个自由锻件的成形过程，上述三类工序中的各工步可以按需要单独使用或进行组合使用。

2.3.4　自由锻件的分类和锻造过程

按自由锻件的外形及其成形方法，可将自由锻件分为六类：饼块类、空心类、轴杆类、曲轴类、弯曲类和复杂形状类锻件。

1.饼块类锻件

这类锻件主要有圆盘、叶轮、齿轮、模块等零件的毛坯。其所采用的基本工序是镦粗工步。随后的辅助工序和修整工序有：倒棱、滚圆、平整等工步。饼块类锻件锻造过程如图2-5所示。

图2-5　饼块类锻件锻造过程

2.空心类锻件

这类锻件主要有各种圆环、齿圈、轴承环、缸体、空心轴等零件的毛坯。所采用的基本工序有镦粗、冲孔、扩孔或心轴拔长等工步。辅助工序和修整工序有：倒棱、滚圆、校正等工步。空心类锻件锻造过程如图2-6所示。

图2-6　空心类锻件锻造过程

3.轴杆类锻件

这类锻件可以是直轴或阶梯轴，如传动轴、轧辊、立柱等；也可以是矩形、方形、工字形或其他截面的杆件，如连杆、摇杆、杠杆等。锻造轴杆类锻件的基本工序有拔长或镦粗+拔长工步。辅助工序和修整工序有倒棱和滚圆工步。轴杆类零件锻造过程如图2-7所示。

图2-7　轴杆类锻件的锻造过程

4.曲轴类锻件

锻造曲轴类锻件的基本工序有拔长、错移和扭转等工步。辅助和修整工序有：分段压痕、局部倒棱、滚圆和校正等工步。

5.弯曲类锻件

锻造这类锻件的基本工序有拔长、弯曲工步。辅助工序和修整工序有：分段压痕、滚圆和平整等工步。

6.复杂形状类锻件

这类锻件主要有阀体、叉杆、吊环体、十字轴等。其形状较复杂，锻造难度比较大，所用辅助工具也较多。因此在锻造时应选择合理的锻造工序，保证锻件顺利成形。