自由锻造的基本工序

第三章 自由锻造的基本工序

3.1自由锻造的基本特征

3.1.1.自由锻造的技术特征

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。

自由锻应用设备和工具有很大的通用性，且工具简单，所以只能锻造形状简单的锻件，

操作强度大，生产率低；

自由锻可以锻出质量从不到1kg到200～３00t的锻件。对大型锻件，自由锻是唯一的

加工方法，因此自由锻在重型机械制造中有特别重要的意义；

自由锻依靠操作者控制其形状和尺寸，锻件精度低，表面质量差，金属消耗也较多。

所以，自由锻主要用于品种多，产量不大的单件小批量生产，也可用于模锻前的制坯工

序。

自由锻造加工与其他加工方法相比，具有以下特点：

(1) 改善金属的组织、提高力学性能。金属材料经锻造加工后，其组织、性能都得到

改善和提高，锻压加工能消除金属铸锭内部的气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，并由于金属的

塑性变形和再结晶，可使粗大晶粒细化，得到致密的金属组织，从而提高金属的力学性能。

在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，可以提高零件的抗冲击性能。

(2) 材料的利用率高。金属塑性成形主要是靠金属的形体组织相对位置重新排列，而不

需要切除金属。

(3) 较高的生产率。锻造加工一般是利用压力机和模具进行成形加工的。例如，利用多

工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比用棒料切削加工工效提高约400倍以上。

(4) 锻压所用的金属材料应具有良好的塑性，以便在外力作用下，能产生塑性变形而不

破裂。常用的金属材料中，铸铁属脆性材料，塑性差，不能用于锻造。钢和非铁金属中的铜、

铝及其合金等可以在冷态或热态下压力加工。

(5) 不适合成形形状较复杂的零件。锻造加工是在固态下成形的，与铸造相比，金属的

流动受到限制，一般需要采取加热等工艺措施才能实现。对制造形状复杂，特别是具有复杂

内腔的零件或毛坯较困难。

由于锻压具有上述特点，因此承受冲击或交变应力的重要零件(如机床主轴、齿轮、曲

轴、连杆等 ) ，都应采用锻件毛坯加工。所以锻造加工在机械制造、军工、航空、轻工、

家用电器等行业得到广泛应用。例如，飞机上的塑性成形零件的质量分数占85%；汽车，拖

拉机上的锻件质量分数约占60%～80%。

3.1.2.自由锻造材料及加热特征

锻造用材料涉及面很宽，既有多种牌号的钢及高温合金，又有铝、镁、钛、铜等有色金

属；既有经过一次加工成不同尺寸的棒材和型材，又有多种规格的锭料；除了大量采用适合

我国资源的国产材料外，又有来自国外的材料。所锻材料大多数是已列入国家标准的，也有

不少是研制、试用及推广的新材料。众所周知，产品的质量往往与原材料的质量密切相关，

因此对锻造工作者来说，必需具有必备的材料知识，要善于根据工艺要求选择最合适的材料。

加热的目的是为了降低锻造变形力和提高金属塑性。但加热也带来一系列问题，如氧化、

脱碳、过热及过烧等。准确控制始锻及终锻温度，对产品组织与性能有极大影响。

根据热源不同，在锻压生产中金属的加热方法可分为两大类：

（一）火焰加热

火焰加热是利用燃料（煤、油、煤气等）燃烧所产生的热能直接加热金属的方法。由于

燃料来源方便，炉子修造较容易，费用较低，加热的适应性强等原因，所以应用较为普遍。

缺点是劳动条件差，加热速度较慢，加热质量较难控制等。

（二）电加热

它是利用电能转换为热能来加热金属的方法。与火焰炉加热相比，它具有很多优点；升

温快（如感应加热和接触加热），炉温易于控制（如电阻炉），氧化和脱碳少，劳动条件好，

便于实现机械化和自动化。缺点是对毛坯尺寸形状变化的适应性不够强，设备结构复杂，投

资费用较大。

3.1.3.自由锻造的锻后冷却特征

锻件的冷却是指锻件从终锻温度出模冷却到室温，它是锻造生产中的重要环节之一。如

果冷却方法选择不当，有可能将其粗大的锻造组织遗传给其后的热处理组织或影响以后的热

处理组织，也可能由于应力过大造成裂纹或产生白点影响产品质量，甚至使锻件报废。因此，

选择冷却方法，制订冷却规范对于防止锻件缺陷是非常重要。

坯料在加热过程中会产生内应力，同样，锻件在冷却过程中也会引起内应力。由于锻件

冷却后期温度较低而呈弹性状态，因此冷却内应力的危险性比加热内应力更大。内应力有温

度应力、组织应力和锻造变形不均匀引起的残余应力。

钢中非平衡组织具有遗传性已被人们认识。所谓钢的组织遗传性是指原始的非平衡组织

（马氏体，贝氏体和魏氏组织等）在一定的加热条件下，所形成的奥氏体晶粒继承和恢复原

始粗大晶粒的现象。例如渗碳钢20CrMnTi锻件，当锻后空冷至室温得到由铁素体、珠光体、

魏氏组织及贝氏体等所组成的混合组织时，加热到930℃渗碳后降温至850℃淬火仍出现大

奥氏体晶粒，呈明显的组织遗传性，但若锻后在特别的冷却箱里冷却，得到铁素体和珠光体

的混合组织，经渗碳淬火后，组织明显细化，不再出现组织遗传性。所以终端后采用控制冷

却，获得接近平衡的组织，是防止组织遗传性的有效办法。

按照冷却速度的不同，锻件的冷却方法主要有：在空气中冷却；在灰箱或砂箱中冷却，

冷却；在保温坑中冷却；在炉内冷却。

3.2自由锻的基本工序

3.2.1.概述

任何一个锻件的成形过程，都是由一系列变形工步所组成的。自由锻工序一般可分为：

基本工序、辅助工序和修整工序三类。

（1）基本工序 指能够较大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，也是自由锻造过程中

主要变形工序。如镦粗、拔长、芯棒拔长、冲孔、扩孔、马架扩孔、弯曲、剁切等工步。

（2）辅助工序 指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如钢锭倒棱、压钳把、阶

梯轴分段压痕等工步。

（3）修整工序 指用来精整锻件尺寸和形状使其完全达到锻件图纸要求的工序。一般

是在某一基本工步完成后进行。如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆、端面平整、弯曲较直等工

步。

任何一个自由锻锻件的成形过程中，上述三类工序中的各工步可以单独使用或穿插组合

使用。

自由锻件在基本工序的变形中，均属敞开式、局部变形或局部连续变形。了解和掌握自

由锻基本工序的各个工步中的金属流动规律和变形分布，对合理制订锻件自由锻工艺规程，

准确分析质量是非常重要的。

3.2.2.镦粗

使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫做镦粗。在坯料上某一部分进行的

镦粗叫做局部镦粗。

镦粗用于：由横断面积较小的毛坯得到横断面积较大而高度较小的锻件；冲孔前增

大毛坯横断面积和平整毛坯端面；提高下一步拔长时的锻造比；提高锻件的力学性能和

减少力学性能的异向性；反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物，并使其

均匀分布。

镦粗和局部镦粗的主要方法和用途见表3-1

表3-1镦粗的方法和用途

序号 名称 简图 用途

1 平砧间镦粗

用于镦粗棒料和切去冒口，底

部后的锭料

用于锻造带凸座的齿轮，突缘

等锻件。当锻件直径较大，凸

座直径很小，而且所用的毛坯2

直径比凸座的直径要大得多时

采用

在带孔的垫环

间镦粗

3 类锻件的头部和凸缘等。这时

在漏盘或模子

内局部镦粗

用于锻造带凸座的齿轮和长杆

凸座的直径和高度都较大

（一） 平砧镦粗

坯料完全在上下平砧间或镦粗板间进行的镦粗称为平砧镦粗。

通过采用对称面网格法可以观察到坯料在平砧镦粗后其内部变形的情况（图3-1）从对

试件变形前后网格的测量和计算可以看出镦粗时坯料内部的变形是不均匀的。

图 3-1 平砧镦粗是变形分布与应力状态

Ⅰ—难变形区；Ⅱ—大变形区；Ⅲ—小变形区；

ε—高度变形程度；εr—径向变形程度

b

在常温下镦粗时产生这种变形不均匀的原因主要是工具与毛坯端面之间摩擦的影响。在

平砧热镦粗毛坯时，产生变形不均的原因除工具与毛坯接触面的摩擦影响外，温度不均也是

一个很重要的因素。与工具接触的上、下端金属由于温度降低快，变形抗力大，故较中间处

的金属变形困难。

按变形程度大小大致可分为三个区；

第Ⅰ区域—难变形区，受端面摩擦影响，变形十分困难；

第Ⅱ区域—大变形区，坯料中段，受摩擦影响小，应力状态有利于变形；

第Ⅲ区域—小变形区，变形程度介于区域Ⅰ和区域Ⅱ之间。

由于以上原因，使第Ⅰ区金属的变形程度小和温度低，故镦粗钢锭时此区铸态组织变形

不易破碎和再结晶，结果，仍保留粗大的铸态组织。而中间部分（即第Ⅱ区域）由于变形程

度大和温度高，铸态组织被破碎和再结晶，形成细小晶粒的锻态组织，而且锭料中部的原有

孔隙也被焊合了。

由于第Ⅱ金属变形程度大，第Ⅲ区变形程度小，于是第Ⅱ区金属向外流动时便对第Ⅲ区

金属作用有径向压应力，并使其在切向受拉应力。愈靠近坯料表面切向

拉应力愈大。当切向拉应力超过材料当时的强度极限或切向变形超过材

料允许的变形程度时，便引起纵向裂纹。低塑性材料由于抗剪切的能力

弱，常在侧表面产生45°方向的裂纹。

对不同高度高径比尺寸的坯料进行镦粗时，产生鼓形特征和内部变

形分布均不相同：

短毛坯（H/D≤0.5）镦粗时，按变形程度大小也可分为三区，但由

于相对高度较小，内部各处的变形条件相差不太大，内部变形较一般毛

坯（H/D=0.8～2.0）镦粗时均匀些，鼓形度也较小。这时，与工具接触

的上、下端金属也有一定程度的变形，并相对于工具表面向外滑动。而

一般毛坯镦粗初期端面尺寸的增大主要是靠侧表面的金属翻上去的。

镦粗较高的毛坯（H/D≈3）时，常常先要产生双鼓形（图3-2 ），

上部和下部变形大、中部变形小。在锤上、水压机上或热模锻压力机上镦粗时均可能产生双

鼓形，而在锤上镦粗时双鼓形更容易产生。

毛坯更高（H/D＞3）时镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛

坯有初弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更容易产生弯曲。弯曲了的毛坯如

不及时校正儿继续镦粗则要产生折迭。

为了减小镦粗时的鼓形，提高变形均匀性，在锻造生产中可以采 取以下工艺措施：

（1）侧凹坯料镦粗 侧凹坯料镦粗时在侧凹面上产生径向压应力分量，可以明显改善

镦粗时的变形效果，避免侧表面纵向开裂，减小鼓形使坯料变形均匀。（图3-3）

图3-3侧凹坯料镦粗变形过程

（2）软金属垫镦粗 坯料置于两软金属垫之间进行镦粗，以减小端面摩擦的影响，从

而减小镦粗时的难变形区，使坯料变形均匀。

（3）降低设备工作速度 当设备的工作速度降至0.01mm/s以下时，适当润滑，鼓形现

象几乎不发生。（在实际生产中很少采用）

（4）叠料镦粗 主要用于扁平的圆盘类锻件（图3-4）。

图3-4叠料镦粗变形过程

（5）反复镦粗与侧面俢直 在镦粗坯料产生鼓形时，可以通过圆周侧压将鼓形俢直。

再继续镦粗。（圆料镦粗常用工艺措施）

镦粗的一般规则、操作方法及注意事项如下：

⑴ 被镦粗坯料的高度与直径（或边长）之比应小于

2.5～3，否则会镦弯（图3-5a）。工件镦弯后应将其放平，

轻轻锤击矫正（图3-5b）。局部镦粗时，镦粗部分坯料的高

度与直径之比也应小于2.5～3。

⑵ 镦粗的始锻温度采用坯料允许的最高始锻温度，并

应烧透。坯料的加热要均匀，否则镦粗时工件变形不均匀，

对某些材料还可能锻裂。

⑶ 镦粗的两端面要平整且与轴线垂直，否则可能会产

生镦歪现象。矫正镦歪的方法是将坯料斜立，轻打镦歪的斜

角，然后放正，继续锻打（图3-6）。如果锤头或抵铁的工作面因磨损而变得不平直时，则

锻打时要不断将坯料旋转，以便获得均匀的变形而不致镦歪。

⑷ 锤击应力量足够，否则就可能产生细腰形，（图3-7a）。若不及时纠正，继续锻打下

去，则可能产生夹层，使工件报废，（图3-7b）。

(a) (b) (c) (a) (b)

图3-6 镦歪的产生和矫正 图3-7 细腰形及夹层的产生

a)细腰形 b)夹层

（二）垫环镦粗

坯料在单个垫环上或两个垫环之间进行的镦粗称为垫环镦粗（图3-8）。这种镦粗方法

可以锻造带有单边或双边凸肩的饼块锻件。由于锻件凸肩和高度比较小，采用的坯料直径要

大于环孔直径，因此，垫环镦粗变形实质属于镦挤（图3-9）。

图3-8 垫环镦粗 图3-9 垫环镦粗时的金属流动

（三）局部镦粗

坯料只是在局部长度（端部或中间）进行镦粗，称为局部镦粗（图3-10）

这种镦粗方法可以锻造凸肩直径和高度较大的饼块类锻件（图3-10a），也可以锻造端部

带有较大法兰的轴杆类锻件（图3-10b）。

图3-10 局部镦粗

3.2.3.拔长

使毛坯横断面积减小而长度增加的工序叫拔长。

有矩形断面毛坯的拔长和圆断面毛坯的拔长，拔长的主要问题是生产率和质量，主要的

工艺参数是送进量（l）和压下量（h)（图3-11）。

Δ

（一）矩形断面毛坯的拔长

矩形断面毛坯在平砧间技长，当相对送进量（送进长度l 与坯料宽度 a之比，即l/a

，

也叫进料比）较小时，金属多沿轴向流动，轴向的变形程度 较大，横向的变形程度

εε

la

较小，随着l/a的不断增大， 逐渐减小， 逐渐增大（图3-12）。可见，为提高技长时

εε

la

的生产率，应当采用较小的进料比。但送进量l也不宜过小·因为l 过小时总的送进次数要

增多。因此，通常取l=（0.4～0.8）b。式中b为平砧的宽度。

图3-11 拔长 图3-12 轴向和横向变形程度随相对送进量

的变化情况

εε—

la

—轴向变形程度横向变形程度

在平砧上拔长低塑性的坯料时，在毛坯的外部常常引起表面横向裂纹（图3-13）及角

裂（图 3-14），在内部常引起组织和性能不均匀，内部的纵向裂纹（图3-15）和横向裂纹（图

3-16）等。这些问题都由于拔长过程中的变形不均匀引起的。

矩形断面毛坯拔长时，送进量和压下量对质量

的影响是很大的。

拔长时，坯料内部的变形情况与镦粗很近似，

当送料量较大时（l＞0.5h），轴心部分变形大，处于

三向压应力状态，有利于焊合坯料内部的孔隙、疏

松，而侧表面（确切地说应是切向）受拉应力。当

送进量过大（l＞h ）和压下量也很大时，此处可能

因展宽过多产生大的拉应力而开裂（犹如镦粗时那样）。

但是，拔长时由于受两端未变形部分（或称外端）的牵制，

变形区内的变形分布与镦粗时也有一些差异，表现在每次

压缩时沿接触面A-A（图3-17a）也有较大的变形，由于工

具摩擦的影响，该接触面中间变形小，端变形大，其总的

变形程度与沿O-O是一样的。图 3-17b是一次压缩后A-A

及O-O面沿轴向的变形分布。但是，沿接触面A-A及其附

近的金属主要是由于轴心区金属的变形而被拉着伸长的。

因此，在压缩过程中一直受到拉应力，与外端相接近的部

分受拉应力最大，变形也最大，因而常易在此处产生表面

横向裂纹（图3-13）。尤其在边角部分，由于冷却较快，

塑性降低，更易开裂（图3-14）。高合金工具钢和某些耐

热合金拔长时，常易产生角裂，操作时需注意经常倒角。

拔长高合金工具钢时，当送进量较大，并且在毛坯同一部位

反复重击时，常易沿对角线产生裂纹（图3-15），其产生的原因一

般认为是这样的：毛坯被压缩时，沿横断面上金属流动的情况如

图3-18a所示。A区（难变形区）的金属带着靠着它的a区金属向

轴心方向移动，B区的金属带着靠着它的b区金属向增宽方向流

动，因此，a、b两区的金属向着两个相反的方向流动，当毛坯翻

转再锻打时，力两区金属流动的情况相互调换了一下（图3-18b），

但仍沿着两个相反的方向流动，因而DD和EE便成为两部分金

11

属最大的相对移动线，在线附近金属的变形最大，当多次反复地

锻打时，在两区金属流动的方向不断改变，两区金属的剧烈变形

产生了很大的热量，使得此两区的温度剧升，此处的金属很快过

热，甚至发生局部熔化现象，因此，在剪应力作用下，很快地沿

对角线产生破坏。有时当毛坯质量不好，锻件加热时间较短，内

部温度较低，或打击过重，由于沿对角线上金属流动过于剧烈，

产生严重图拔长时坯料横截面上金属流动的情况的加工硬化现

象，这也促使金属很快地沿对角线开裂。拔长时，若

送进量过大，沿长度方向流动的金属减少；沿横断面

上金属的变形就更为剧烈，沿对角线产生纵向裂纹的

可能性也就更大。

由以上可见，送进量过大是不好的。l/h过大时易

产生外部横向裂纹、角裂和对角线裂纹。但是，送进

量过小了也不好。例如当时l/h=0.25时（图3-19），上

部和下部变形大，中部变形小，变形主要集中在上、

下部分，中间部分锻不透，而且轴心部分沿轴向受附

加拉应力，在拔长锭料和大截面的低塑性坯料时，易

产生内部横向裂纹（图3-16）。

综上所述，可以看出送进量过大和过小都是不好的，因此，正确地选择送进量极为必要。

根据试验和生产实践，一般认为l/h=0.5～0.8较为合适，但由于工具摩擦和两端不变形部分

的影响，一次压缩后沿轴向和横向的变形分布仍旧是不均匀的。为获得较为均匀的变形，使

锻件锻后的组织和性能均匀些，在拔长操作时，应使前后各遍压缩时的进料位置相互交错开。

（二） 圆断面毛坯的拔长

用平砧拔长圆断面毛坯时，若压下量较小，则接触面积较窄较长（图3-20），金属多作

横向流动，不仅生产效率低，而且常易在锻件内

部产生纵向裂纹（图3-21），其原因是：① 此

时困难变形区ABC好像刚性的楔子（图3-22），

能过AB及BC两个面将力传给毛坯的其它部分，

形成横向应力，② 由于作用力在坯料中沿高

σ

R

度方向分散地分布，上、下端的压应力 |σ| 大，

3

于是变形主要集中在上、下部分，轴心部分金属

变形很小（图3-23），因而变形金属便主要沿横

向流动，并对轴心部分作用以附加拉应力。

附加拉应力和横向应力的方向是一致的。愈靠近轴心部分受到的拉应力愈大。在此拉应

力的作用下，使坯料轴心部分原有的孔隙、微裂纹继续发展和扩大。当拉应力的数值大于金

属当时的抗拉强度时，金属就开始破坏，产生纵向裂纹。

拉应力的数值与相对压下量h/h有关，当变形量较大时

Δ

（h/h＞30%），困难变形区的形状也改变了（图3-24），这时

Δ

与矩形断面坯料在平砧下拨长相同。轴心部分处于三向压应力

状态

因此，拔长圆断面毛坯通常采用下述两种方法：

（1）在平砧上拔长时先将圆断面毛坯压成矩形断面，再将

矩形断面毛坯拔长到一定尺寸，然后再压成八角形，最后锻成

圆形（图3-25），其主要变形阶段是矩形断面毛坯在平砧下拔长。

（2）在型砧（或摔子）内进行拔长，利用工具的侧面压力限制金属的横向流动，迫使

金属沿轴向伸长。与平砧比可提高拔长生产率。在型砧内（或摔子内）拔长时的应力状态，

也能防止内部纵向裂纹产生。拔长用型砧有圆型砧和V型砧两类（图3-26）。以型砧为例，

当角较小时，拔长效率较高。

拔长的一般规则，操作方法及注意事项：

（1）拔长过程中要将毛坯料不断反复地翻转90°，并沿轴向送进操作（图3-27a）。螺

旋式翻转拔长（图3-27b），是将毛坯沿一个方向作90°翻转，并沿轴向送进的操作。单面

顺序拔长（图3-27c），是将毛坯沿整个长度方向锻打一遍后，再翻转90°，同样依次沿轴

向送进操作。用这种方法拔长时，应注意工件的宽度和厚度之比不要超过2.5，否则再次翻

转继续拔长时容易产生折叠。

(a) (b) (c)

图3-27 拔长时锻件的翻转方法

a)反复翻转拔长 b)螺旋式翻转拔长 c)单面顺序拔长

⑵ 拔长时，坯料应沿砧子的宽度方向送进，每次的送进量应为砧子宽度的0.3～0.7

倍（图3-28a）。送进量太大，金属主要向宽度方向流动，反而降低延伸效率（图3-28b）。

送进量太小，又容易产生夹层（图3-28c）。另外，每次压下量也不要太大，压下量应等于

或下于送进量，否则也容易产生夹层。

(a) (b) (c)

图3-28 拔长时的送进方向和进给量

a)送进量合适 b)送进量太大、拔长率降低 c)送进量太小、产生夹层

(3) 锻制台阶轴或带台阶的方形、矩形截面的锻件时，在拔长前应先压肩。压肩后对一

端进行局部拔长即可锻出台阶（图3-29）。

(4)锻件拔长后须进行修整，修整方形或矩形锻件时，应沿下砧子的长度方向送进（图

3-30a ），以增加工件与砧子的接触长度。拔长过程中若产生翘曲应及时翻转180°轻打校

平。圆形截面的锻件用型砧或摔子修整（图3-30b ）。

3.2.4.芯棒拔长

芯棒拔长是一种减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序，用于锻制长筒类

锻件（图3-31）。

长筒类锻件的锻造变形过程和对坯料尺寸的要求见图3-32。

预冲孔的直径如小于芯轴的直径时，拔长前需进行扩孔，这时坯料尺寸取HD为宜。

≈

在芯棒上拔长时的主要质量问题是内孔壁易产生裂纹、折叠，尤其是在两端。为保证锻

件质量和提高拔长的效率，对不同尺寸的锻件应采用不同的方法和工具：

1）对薄壁的空心件应在型砧内拔长。

2）对厚壁空心件，可用平砧，但必需先锻成六角形再进行拔长，达到一定尺寸后再锻

成圆形。

3）对H/d≤1.5的空心件，由于拔长时的变形量不大，可不用芯棒，直接用冲头拔长。

锻件两端部的终锻温度应比一般的终锻温度高100～150℃，锻造前芯棒应预热到150～

250℃。

为了使锻件壁厚均匀和端面平整，坯料加热温度应当均匀，操作时每次转动的角度应

均匀。

在锻造时如果芯棒被咬住，可将锻件放在平砧上，沿轴线轻压一遍，然后翻转再轻压，

使锻件内孔扩大一些，即可取出芯棒。

图3-31用芯棒拔长

图3-32长筒类锻件的锻造变形过程

3.2.5.冲孔

在坯料中冲出通孔或盲孔的锻造工序叫冲孔。

常用的冲孔方法和应用范围见表3-2。

表3-2冲孔方法和应用范围

根据冲孔所用的冲子的形状不同，冲孔分实心冲子冲孔和空心冲子冲孔。实心冲子冲孔

分单面冲孔和双面冲孔。

⑴ 单面冲孔：对于较薄工件，即工件高度与冲孔孔径之比小于0.125时，可采用单面

冲孔（图3-11）。冲孔时，将工件放在漏盘上，冲子大头朝下，漏盘的孔径和冲子的直径应

有一定的间隙，冲孔时应仔细校正，冲孔后稍加平整。

⑵ 双面冲孔：其操作过程为：镦粗；试冲（找正中心冲孔痕）；撒煤粉；冲孔，即冲孔

到锻件厚度的2/3～3/4；翻转180°找正中心；冲除连皮；如图3-12所示。修整内孔；修

整外圆。

(a) (b)

图3-11 单面冲孔 图3-12 双面冲孔

冲孔前的镦粗是为了减少冲孔深度并使端面平整。由于冲孔锻件的局部变形量很大，为

了提高塑性，防止冲裂，冲孔应在始锻温度下进行。冲孔时试冲的目的是为了保证孔的位置

正确，即先用冲子轻冲出孔位的凹痕，并检查孔的位置是否正确，如果有偏差，可将冲子放

在正确的位置上再试冲一次，加以纠正。孔位检查或修正无误后，向凹痕内撒放少许煤粉或

焦炭粒，其作用是便于拔出冲子，因可利用煤粉受热后产生的气体膨胀力将冲子顶出，但要

特别注意安全，防止冲子和气体冲出伤人，对大型锻件不用放煤粉，而是冲子冲入坯料后，

立即带着冲子滚外圆，直到冲子松动脱出。冲子拔出后可继续冲深，此时应注意保持冲子与

砧面垂直，防止冲歪，当冲到一定深度时，取出冲子，翻转锻件，然后从反面将孔冲透。

⑶空心冲子冲孔：当冲孔直径超过400mm时，多采用空心冲子冲孔。对于重要的锻件，

将其有缺陷的中心部分冲掉，有利于改善锻件的机械性能。

用实心冲于冲孔时，主要质量问题是：“走样”、裂纹和孔冲偏等，分别介绍如下：

1.“走样”

实心冲子冲孔时毛坯高度减小，外径上小下大，而且下端面突出，上端面凹进（图3-33），

这些现象统称“走样”。“走样”的程度与有关D/d，其值愈小时，“走样”愈显著。为减小

“走样”一般取D/d≈3。

2裂纹

低塑性坯料冲孔时常易在外侧表面和内孔圆角处产生纵向裂纹（图3-34）。外侧表面裂

纹的产生是由于冲头下部金属向外流动时，使外层金属切向受到拉应力和拉应变而引起的。

D/d愈小时，最外层金属的切向伸长变形愈大，愈易产生裂纹，为避免产生这种裂纹，通常

取D/d≥（2.5～3）。

冲孔时内孔圆角处的裂纹是由于此处温度降低较多，塑性较低，加之冲子一般都有锥度，

当冲子往下运动时，此处便被胀裂。因此，从避免产生裂纹出发冲子的锥度不宜过大，当冲

低塑性材料时，不仅要求冲子锥度较小，而且要经过多次加热，逐步冲成。

3）孔冲偏

引起孔冲偏的原因很多，如冲子放偏，环形部分金属性质不均匀，冲头各处的圆角、斜

度不一致等。原毛坯愈高愈易冲偏。因此，冲孔时，毛坯高度H一般小于直径D，在个别

情况，采用H/D≤1.5。

坯料冲孔后的高度H通常小于或等于坯料原高度H由图3-35可看出，随着冲孔深度的

0

增加（即h/ H的减小），坯料高度将逐渐减小。但当超过某极限值后，坯料高度反而又增加，

0

这是由于坯料底部产生“突出”现象的缘故，从此图还可看出，当D/d越小，坯料高度减

0

小愈显著。因此，实心冲子冲孔时，坯料高度按以下考虑：

当D/d＜5时，取H=（1.1～1.2）H；

00

当D/d≥5时，取H=H；

00

式中 H——冲孔后要求的高度；

H——冲孔前坯料的高度。

0

冲孔时的注意事项：

1）冲孔前坯料必需镦粗，使端面平整，高度减小，直

径增大；

2）冲头必需放正，打击方向应和冲头端面垂直；

3）在冲出的初孔内应撒上煤末或木炭粉，以便取出冲头；

4）在冲孔过程中要不断地移动冲头并把毛坯绕轴心线转动，以免冲头卡在坯料内，并

可防止孔形位置的偏斜；

5）冲制深孔时要经常取出冲头在水中冷却。

3.2.6.扩孔

减小空心毛坯壁厚而增加其内外径的工序叫扩孔。

常用的扩孔方法和应用范围见表。

表3-3 自由锻扩孔方法和应用范围

序

号

扩孔方法 简 图 应用范围

1

冲头 用于D/d＞1.7和H≥0.125D的

扩孔 锻件

1

2 用于薄壁的环形件

在马架

上扩孔

注：1.扩孔前，如冲孔直径d1＜d，则应先用冲头扩孔，再用马架扩孔。

马杠

2.冲头扩孔前如孔冲偏了，应采用局部沾水等办法，使薄壁处变形抗力增大，以保证扩孔正常进

行。

3.在马架上扩孔时，为保证壁厚均匀，每次转动量和压缩量应尽可能一致，马架间距离亦不宜过

宽，还可以在马杠上加一整铁以控制壁厚。

冲头扩孔时，壁厚减薄，内、外径扩大，高度变化很小。由于冲头扩孔时坯料沿切向受

拉应力，容易胀裂，故每次扩孔量A不宜太大（A可参照表3-4选用）。

表3-4 每次允许的扩孔量

d2/mm A/mm

30-115 25

120-270 30

冲孔后可直接扩孔1～2次（重量小者扩两次），当需多次扩孔时，应中间加热，每中间

加热一次允许扩孔2～3次。

冲头扩孔前坯料的高度尺寸按下式计算:

H=1.05H

1

式中H——扩孔前坯料高度；

1

H——锻件高度;

1.05——考虑端面修整的系数。

3.2.7.马架扩孔

马架扩孔又称芯棒扩孔。马架扩孔时壁厚减薄，内、外径扩大，高度（宽度）稍有增

加。

马架扩孔时，由于变形区金属受三向压应力，故不易产生裂纹破坏。因此，马架扩孔

可以锻制薄壁的环形锻件。

马架上扩孔前坯料的高度按下式计算：

H=1.05K·H

0

式中H——扩孔前坯料高度；

0

H——锻件高度；

K——考虑扩孔时高度（宽度）增大的系数，可按图3-36选用；

1.05——修整系数。

图3-36 马架扩孔增宽系数

在马架扩孔时，芯棒直径取决于锻件高度和锻件壁厚与芯棒直径之比值，锤上扩孔时，

应随着壁厚减薄和高度增加，更换直径大一些的芯棒。

马架扩孔时，设备吨位是按锻件的外廓尺寸来确定。

锤上扩孔时锻锤吨位可按图3-37近似确定。

图中所规定的是一般扩孔的情况，在个别情况可以将下砧和砧垫取下来，将马架直接装

在砧座上进行扩孔。

图3-37锤上允许扩孔的锻件尺寸

3.2.8.弯曲

将毛坯弯成所规定的外形的锻造工序叫弯曲。

弯曲过程中弯曲区的内边金属受压缩，外边受拉伸，因而弯曲后毛坯的断面形状发生改

变（图3-38），弯曲区毛坯的断面积要减小，内边可能产生折叠，外边可能产生裂纹，圆角

半径越小，弯曲角越大时，上述现象越严重。

图3-38 坯料在弯曲时的变形

弯曲时的注意事项:

1)当锻件有数处弯曲时，弯曲的次序一般是先弯端部及弯曲部分与直线部分交界的地

方，然后再弯其余的圆弧部分（图3-39）。

2)为了抵消弯曲区断面积的减小，一般弯曲前在弯曲的地方预先聚集金属，或者取断面

尺寸稍大的原毛坯（约左右，视具体情况定），弯曲以后再把两端延伸到要求的尺寸。

3)被弯曲锻件的加热部分不宜太长，最好只限于被弯曲的一段，加热必需均匀。

最简单的弯曲方法是在砧角上用大锤弯曲，或毛坯夹在锤子上下砧间，用吊车来弯曲，

或采用断面相适应的垫模、冲头或万能辅具进行弯曲。

图3-39 带弯锻件的操作顺序

3.2.9.钢锭开坯

钢锭在不去除帽口与锭底，直接拔长成一定工艺形状（圆形、方形、六方等规则截面）

与尺寸的锻造工序叫钢锭开坯。

钢锭开坯是最重要的锻前辅助工步，是在钢锭不能被直接下料或锻造成锻件时的前期工

序。

钢锭开坯的作用：

1.初步改善钢锭组织和缺陷

部分钢锭（高合金钢，不锈钢）要求锻造前必须开坯，来锻合钢锭疏松、缩孔、微裂纹，

防止锻造时发生锻裂。

2.有些锻件直接下料后的毛坯将无法锻造（下料后毛坯的长与宽远远大于高度），钢锭

开坯可改变毛坯形状使，其有利于镦粗、拔长等基本工序。

3钢锭直接下料，因钢锭形状不规则，无法准确确定毛坯尺寸，所有一般毛坯偏大。钢

锭开坯后，形状规则，可确定毛坯准确尺寸，有利于节省材料。

图3-40 钢锭开坯截面变形过程

钢锭开坯注意事项：

1.开坯前钢锭加热必须均匀彻底，且采用材料锻造温度的上限温度。

2.钢锭开坯前需先利用帽口压钳把，再把锭身倒棱，压方找正，压方时相对压下量不宜

太大

以防锻裂。

3.锭身压方找正后，进行拔长工序。

4.钢锭开坯后需进行锻后热处理，热处理方法同锻件锻后热处理。

3.2.10.大锻件锻造

一、大型锻件生产和技术的主要特点

1、技术要求严格

由于大锻件多数是机器中的关键件，受力繁重、复杂，工作环境特殊，因而要求具有

优良的组织性能，以保证机器能安全、可靠、长寿命的工作。随着科技的进步，工业机器有

向高性能、高参数、大型化发展的趋势，所以对大型锻造过程和产品质量的严格控制，不断

提高大锻件的内在与外观质量，便成为生产当中的主要矛盾。

2、工艺过程复杂，生产制造难度大

大型锻件的生产涉及冶炼、铸锭、加热、锻压、粗加工、热处理、质量检测等诸多技

术环节。周期长，连续性强，劳动密集，科技含量高，生产难度很大，必须进行严格的管理

和科学地协调配合，才能制造出高质量的合格锻件。此外，大锻件形体巨大，热加工过程处

于高温、高压、不稳定状态，受多因素影响，很难进行检测与控制。传统的大型锻造中，存

在一些不科学的，落后的技术，亟待改革。同时，大型锻件生产性质，属单件、小批量，其

品种、等级经常发生变化，柔性较强。综上所述，在大锻件生产和科技工作中，应该把科学

化和现代化作为重要的研究课题。

3、投资大、消耗多、污染重

大型锻件生产周期长，占用大型设备多，原材料、能源、工辅具和劳动力消耗巨大，

环境污染严重，所以，依据市场需求，不断调整产业结构，提高材料利用率，降低消耗，节

材、节能，注重环保，降低生产成本，提高经济技术效益，对提高制造水平具有重要的意义。

由于我国十分重视大锻件制造业的发展，近期已经拥有相当规模和一定水平的生产系

统，具备了为国民经济发展提供各种大锻件的能力。比如，九十年代中期已能生产成套合格

的级600MW火电设备大锻件。在科技方面，已经从应用铅、塑性泥、密栅云纹、光塑性等

物理模拟技术，研究坯料中孔穴、疏松的锻合、压实，发展到对晶粒度变化等微观组织的研

究；从简单的塑性成形分析，到综合采用热力模拟、微观模拟、有限元数值模拟，对塑性加

工各种参量，提供全面的过程信息和场量信息。在钢锭凝晶、锻压变形、锻后处理诸方面取

得了许多新成果，并逐步开发了质量控制技术和短流程工艺，促进了大型锻造的科学化、现

代化进程。但是，大型锻造生产在质量、品种、成本、交货期、开发能力方面，还不能适应

国内外市场发展的需求。在产业结构调整，体制改革，经营管理，科技开发，节能降耗，提

高质量和效益等方面尚需努力赶上世界先进水平。

二、大型锻造实例

思考题

1. 自由锻造工序如何分类？

2. 各工步变形有何特点？

3. 平砧镦粗时，坯料的变形与应力分布有何特点？

4. 不同高径比的坯料镦粗结果有何不同？

5. 平砧拔长时，坯料易产生哪些缺陷？是什么原因造成的？

6. 实心冲头冲孔时，会产生哪些质量问题？为防止其产生要注意哪些？

7. 芯棒拔长与马架扩孔变形有何不同？

8. 如何提高拔长效率？

9. 弯曲时，要注意哪些？

10. 大锻件锻造有何特征？

参考文献

1. 赵明启，新编锻造生产新工艺新技术与质量验收规范实用手册，北方工业出版社，2006。

2. 张志文，锻造工艺学，机械工业出版社，1983。

3. 姚泽坤，锻造工艺学与模具设计，西北工业大学出版社，2008。