3.3 自由锻
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，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。自由锻的优点是：所用工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批锻件，特别是特大型锻件的生产。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。
3.3.1 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。
1.锤锻自由锻
锤锻自由锻的通用设备是空气锤和蒸气-空气自由锻锤。
（1）空气锤 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3.3.1所示，它主要由以下几个主要部分组成。
图3.3.1 空气锤的结构和工作原理
1—踏杆；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—电动机；15—工作活塞；16—压缩活塞；17—连杆；18—曲柄
①机架。机架又称锤体，由工作缸、压缩缸、锤身和底座组成。
②传动部分。由电动机、减速器、曲柄连杆及压缩活塞等组成。
③操纵部分。由上、下旋阀、旋阀套和操纵手柄（踏杆）等组成。
④工作部分。包括落下部分（工作活塞、锤杆和上砧块）和锤砧（下砧、砧垫、砧座）。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震动。
（2）蒸气-空气锤 蒸气-空气锤利用压力为0.6～0.9MPa的蒸气或压缩空气作为动力，蒸气或压缩空气由单独的锅炉或空气压缩机供应，投资比较大。常用的双柱式蒸气-空气锤的构造如图3.3.2所示，其主要组成部分如下。
图3.3.2 双柱式蒸气-空气自由锻锤
1—砧座；2—砧垫；3—下砧；4—上砧；5—锤头；6—导轨；7—锤杆；8—活塞；9—气缸；10—缓冲气缸；11—滑阀；12—节气阀；13—滑阀操纵杆；14—节气阀操纵杆；15—立柱；16—底座；17—拉杆
①机架。机架又称锤身，由铸铁或铸钢铸成的左右立柱15组成，并由螺栓紧固在底座16上，再用前后拉杆将两立柱连接起来，以增强刚性。
②气缸及缓冲机构。气缸9是将蒸气或压缩空气所具有的能量转变为打击功能的结构，在上部安装有缓冲气缸10，以防活塞8冲击气缸盖。
③落下部分。落下部分包括活塞8、锤杆7、锤头5和上砧4等。
④配气-操纵机构。配气机构位于气缸侧面，由滑阀11和节气阀12组成。操纵机构由节气阀操纵杆14、滑阀操纵杆13等组成。操纵机构的作用是通过操作节气阀和滑阀，使锤头实现悬空、压紧工件、单次打击和连续打击等动作。
⑤砧座。砧座由下砧3、砧垫2和砧座1组成。砧座的质量是落下部分质量的10～15倍，足够的质量可保证打击时不会产生弹跳和减弱打击，也不易产生下沉。
2.水压机自由锻
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。水压机本体的典型结构如图3.3.3所示，它由固定系统和活动系统两部分组成。
图3.3.3 水压机本体的典型结构
1—下横梁；2—下砧；3—立柱；4—上砧；5—活动横梁；6—上横梁；7—密封圈；8—工作柱塞；9—工作缸；10—回程缸；11—回程柱塞；12，13—管道；14—回程横梁；15—回程拉杆
（1）固定系统 主要由下横梁1、立柱3、上横梁6、工作缸9和回程缸10等组成，下横梁固定在基础上。
（2）活动系统 主要由活动横梁5、工作柱塞8、回程柱塞11、回程横梁14和回程拉杆15等部分组成。
水压机的附属设备主要有水泵、蓄压器、充水罐和水箱等。
在水压机上锻造时，以压力代替锤锻时的冲击力，大型水压机能够产生数万千牛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，这对于以钢锭为坯料的大型锻件是很必要的。此外，水压机在锻造时振动和噪声小，工作条件好。
3.3.2 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、辅助工序和修整工序三类。
（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 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）修整工序 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叫修整工序。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。自由锻各工序和所包含的工步简图见表3.3.1。
表3.3.1 自由锻工步简图
3.3.3 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。自由锻件分类见表3.3.2。
表3.3.2 自由锻件分类
1.饼块类锻件
这类锻件主要有圆盘、叶轮、齿轮等零件的毛坯。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3.3.4所示。
图3.3.4 饼块类锻件齿坯锻造过程
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、扩孔或芯轴拔长等工步。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3.3.5所示。
图3.3.5 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、拉杆等；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3.3.6所示。
图3.3.6 轴杆类锻件锻造过程
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。曲轴类零件锻造过程如图3.3.7所示。
图3.3.7 三拐曲轴锻造过程
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。弯曲类锻件的锻造过程如图3.3.8所示。
图3.3.8 弯曲类锻件锻造过程
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。