自由锻-镦粗

自由锻是一种应用最为普遍的锻造工艺，它使用简单的锻压设备和一些通用工具，在上下砧块间对坯料施加压力，使其产生塑性变形，从而获得需要的形状和尺寸以及合乎要求的组织性能的锻件。它的特点是：生产准备周期短，应用范围广，适合于新产品试制和小批量生产。大型锻件的批生产有时也采用自由锻制造。
另外，自由锻虽然不需要专用模具，生产成本较低，但对工人的技术水平要求较高。
自由锻造的基本工序包括：镦粗、拔长、冲孔、扩孔、切断、弯曲等。

镦粗是使坯料高度减少、面积增加的一种锻造工序。它常用于原始坯料直径较小而要锻制横截面积较大的锻件（齿轮毛坯、饼坯、法兰盘毛坯等），也用于锻环冲孔前的辅助工序。其作用为：
（1)改变铸造组织，提高合金力学性能的预锻工序；
（2)提高下一步拔长时的锻造比的预备工作；
（3)在制造环形锻件时，作为冲孔工序前的预镦工序；
（4)作为制造盘形锻件的制坯工序。
1 镦粗时金属内部的变形区域
塑性变形时，变形体内任一质点金属的流动总是沿着阻力最小的方向进行。影响金属流动的因素有：变形金属与工具接触面上的摩擦、工具与变形金属间的相互作用、坯料的化学成分、组织和温度的均匀性等。镦粗时，变形区内金属的应力状态与金属流动大体分为3个区域（见图6-1).

I区：难变形区，位于接触表面中心部位。由于受摩擦力影响最大，该区受到强烈的三向压应力作用，而且静水压力最高，变形最难发生。当摩擦阻力大到某一极值时，变形金属可能与工具接触表面出现黏结，不发生变形。若坯料为铸造状态，即使冷镦，该区金属的金相组织仍为粗大的铸造枝晶组织，硬度值最低，说明该区变形量很小。
II区：易变形区，基本上处于变形金属的芯部。与锻压力成45°角的附近区域，受三向压应力作用，处于最有利的变形部位，且离接触表面较远，摩擦力的影响较小，因此，又称强变形区。热镦自由锻和胎模锻时此区最易发生再结晶，冷镦后此区的硬度值最高。
II区：自由变形区，靠近变形金属的侧面而处于II区以外的区域。此区由于不受摩擦影响以及处于易变形区的外围，所以变形较自由，其变形量较I区大，但比II区小。该区由于侧表面自由变形的结果，使该区受压缩后易形成凸鼓形，鼓形的出现标志着镦粗时产生了不均匀变形。此区为轴向受压而正弦向、径向受拉应力，拉应力的存在是镦粗成鼓形后产生纵向裂纹的原因。
2 镦粗力的计算和镦粗的分类
用液压机镦粗时，锭坯高度应比液压机最大空间小50mm.若用锻锤镦粗，为了充分发挥锻锤的能力，锭坯高度应用锻锤最大行程的75%.在所有锻造设备中，镦粗所需要的力量最大，镦粗力P(N)的大小由下式决定：
P=CσbF
式中

C--材料变形时的约束系数，由坯料和工具的几何形状以及摩擦条件决定，当摩擦系数为0.5时，C值由表6-1确定；
σb-材料在变形温度下的强度极限，MPa;
F-坯料与工具的接触面积，mm2.

任何镦粗时，毛坯的平均直径（见图6-2(a))）为：

镦粗的锻造比用镦粗后的面积Fn和镦粗前的面积Fn-1之比来计算：
Y=Fn/Fn-1
镦粗时的变形程度为：
ε=(h0-h)/h0=∆h/h0×100%

真实主应变为：
e=1n (h0/h)=-ln(1-ε)
当h0／h<1.2或ε<20％时，就工程实用来说，取e=ε已足够精确，误差不超过10%.在此种情况下，转移的体积可用下式来计算：
Vo=V(∆h/h0)
式中

D-镦粗毛坯的体积。
镦粗带尾柄的毛坯（见图6-2(b))是为了下道工序拔长。镦粗后毛坯端面呈凸起形，可避免在拔长时形成凹陷的端面。垫环上镦粗（见图6-2－2(c)）用于制造圆盘或其他带有直径不
大但有较高台阶的锻件毛坯。由于原始毛坯直径与锻件台阶部分直径相差太大，所以不宜由毛坯一端拔出台阶部分。垫环内表面斜度一般为5°~7°.仅一个凸起部分的锻件采用一个垫环。
环中镦粗（见图6-2(d))用于带头的杆形锻件，此时原始毛坯直径可以选得比环的内孔略小些（见图6-2(c)),也可以预先把毛坯拔至杆部直径。
对于钛合金镦粗，原始毛坯的高度仍不应大于其直径的2.5倍。若ho≥2.5d，毛坯会出现弯曲，而消除弯曲又需增加补充工序。
为了纠正镦粗后锻件侧表面上的鼓肚，需要采用滚圆工序修整。滚圆可以在平砧或半圆弧砧块上进行。

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