3.2 自由锻
3.2.1 概述
自由锻造是指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。自由锻的优点是所用工具简单；设备和工具通用性强；成本低，适合单件和小批锻件，特别适合特大型锻件的生产。但锻件精度低、加工余量大、生产效率低、劳动强度大。
3.2.2 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、小型自由锻件，后者主要用于锻造大型自由锻件。
（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3-1所示。
图3-1 空气锤的结构和工作原理
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
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，投资较大。常用的双柱式蒸汽-空气锤的构造如图3-2所示。
图3-2 双柱式蒸汽-空气自由锻锤
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
（2）水压机自由锻
水压机自由锻是锻造大型锻件的主要设备。水压机是根据液体的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。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声小，工作条件好。
3.2.3 自由锻工艺
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
基本工序是指改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序。包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等工步。
（2）辅助工序
辅助工序是指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
修整工序是指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，如校正、滚圆、表面平整等工步。
自由锻各工序和所包含的工步简图见表3-1所示。
表3-1 自由锻工步简图
3.2.4 自由锻的分类和锻造过程
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。自由锻件分类简图见表3-2所示。
（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。采用的基本工序是镦粗。随后的辅助工序和修整工序有倒棱、滚圆、平整等。如图3-3所示。
图3-3 饼块类锻件齿轮锻造过程
表3-2 自由锻件分类表
续表
（2）空心类锻件
这类锻件主要有各种圆环、齿圈、轴承环、空心轴等零件的毛坯。采用的基本工序有镦粗、冲孔、扩孔或芯轴拔长等。辅助工序和修整工序有倒棱、滚圆、校正等。如图3-4所示。
图3-4 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。辅助工序和修整工序有倒棱和滚圆。如图3-5所示。
图3-5 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。辅助工序和修整工序有：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3-6所示。
图3-6 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。辅助工序和修整工序有分段压痕、滚圆和平整等。弯曲类锻件的锻造过程如图3-7所示。
图3-7 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。