3.3 自由鍛
自由鍛是將加熱好的金屬坯料，放在鍛造設備的上、下砧鐵之間，施加沖擊力或壓力，使之產生塑性變形，從而獲得所需鍛件的一種加工方法。坯料在鍛造過程中，除與上、下砧鐵或其他輔助工具接觸的部分表面外，都是自由表面，變形不受限制，故稱自由鍛。
自由鍛通常可分為手工自由鍛和機器自由鍛。手工自由鍛主要是依靠人力利用簡單工具對坯料進行鍛打，從而改變坯料的形狀和尺寸獲得所需鍛件。手工鍛造生產率低，勞動強度大，錘擊力小，在現代工業生產中已為機器鍛造所代替。機器自由鍛主要依靠專用的自由鍛設備和專用工具對坯料進行鍛打，改變坯料的形狀和尺寸，從而獲得所需鍛件。自由鍛的優點是：所用工具簡單、通用性強、靈活性大，適合單件和小批鍛件，特別是特大型鍛件的生產。自由鍛的缺點是：鍛件精度低、加工余量大、生產效率低、勞動強度大等。
3.3.1 自由鍛設備
根據鍛造設備的不同，又分為錘鍛自由鍛和水壓機自由鍛兩種。前者用于鍛造中、小自由鍛件，后者主要用以鍛造大型自由鍛件。
1.錘鍛自由鍛
錘鍛自由鍛的通用設備是空氣錘和蒸氣-空氣自由鍛錘。
（1）空氣錘 空氣錘由自身攜帶的電動機直接驅動，落下部分重量在40～1000kg之間，錘擊能量較小，只能鍛造100kg以下的小型鍛件。空氣錘的結構如圖3.3.1所示，它主要由以下幾個主要部分組成。
圖3.3.1 空氣錘的結構和工作原理
1—踏桿；2—砧座；3—砧墊；4—下砧；5—上砧；6—錘桿；7—工作缸；8—下旋閥；9—上旋閥；10—壓縮氣缸；11—手柄；12—錘身；13—減速器；14—電動機；15—工作活塞；16—壓縮活塞；17—連桿；18—曲柄
①機架。機架又稱錘體，由工作缸、壓縮缸、錘身和底座組成。
②傳動部分。由電動機、減速器、曲柄連桿及壓縮活塞等組成。
③操縱部分。由上、下旋閥、旋閥套和操縱手柄（踏桿）等組成。
④工作部分。包括落下部分（工作活塞、錘桿和上砧塊）和錘砧（下砧、砧墊、砧座）。為滿足鍛造的穩定性，砧座的質量要求不小于落下部分質量的12～15倍。砧座安裝在堅固的鋼筋水泥基礎上，而且在砧座與基礎之間墊有墊木，以消除打擊時產生的震動。
（2）蒸氣-空氣錘 蒸氣-空氣錘利用壓力為0.6～0.9MPa的蒸氣或壓縮空氣作為動力，蒸氣或壓縮空氣由單獨的鍋爐或空氣壓縮機供應，投資比較大。常用的雙柱式蒸氣-空氣錘的構造如圖3.3.2所示，其主要組成部分如下。
圖3.3.2 雙柱式蒸氣-空氣自由鍛錘
1—砧座；2—砧墊；3—下砧；4—上砧；5—錘頭；6—導軌；7—錘桿；8—活塞；9—氣缸；10—緩沖氣缸；11—滑閥；12—節氣閥；13—滑閥操縱桿；14—節氣閥操縱桿；15—立柱；16—底座；17—拉桿
①機架。機架又稱錘身，由鑄鐵或鑄鋼鑄成的左右立柱15組成，并由螺栓緊固在底座16上，再用前后拉桿將兩立柱連接起來，以增強剛性。
②氣缸及緩沖機構。氣缸9是將蒸氣或壓縮空氣所具有的能量轉變為打擊功能的結構，在上部安裝有緩沖氣缸10，以防活塞8沖擊氣缸蓋。
③落下部分。落下部分包括活塞8、錘桿7、錘頭5和上砧4等。
④配氣-操縱機構。配氣機構位于氣缸側面，由滑閥11和節氣閥12組成。操縱機構由節氣閥操縱桿14、滑閥操縱桿13等組成。操縱機構的作用是通過操作節氣閥和滑閥，使錘頭實現懸空、壓緊工件、單次打擊和連續打擊等動作。
⑤砧座。砧座由下砧3、砧墊2和砧座1組成。砧座的質量是落下部分質量的10～15倍，足夠的質量可保證打擊時不會產生彈跳和減弱打擊，也不易產生下沉。
2.水壓機自由鍛
自由鍛水壓機是鍛造大型鍛件的主要設備。大型鍛造水壓機的制造和擁有量是一個國家工業水平的重要標志。我國已經能自行設計制造125000kN以下的各種規格的自由鍛水壓機。水壓機是根據液體的靜壓力傳遞原理（即帕斯卡原理）設計制造的。水壓機主要由本體和附屬設備組成。水壓機本體的典型結構如圖3.3.3所示，它由固定系統和活動系統兩部分組成。
圖3.3.3 水壓機本體的典型結構
1—下橫梁；2—下砧；3—立柱；4—上砧；5—活動橫梁；6—上橫梁；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—回程橫梁；15—回程拉桿
（1）固定系統 主要由下橫梁1、立柱3、上橫梁6、工作缸9和回程缸10等組成，下橫梁固定在基礎上。
（2）活動系統 主要由活動橫梁5、工作柱塞8、回程柱塞11、回程橫梁14和回程拉桿15等部分組成。
水壓機的附屬設備主要有水泵、蓄壓器、充水罐和水箱等。
在水壓機上鍛造時，以壓力代替錘鍛時的沖擊力，大型水壓機能夠產生數萬千牛甚至更大的鍛造壓力，坯料變形的壓下量大，鍛透深度大，從而可改善鍛件內部的質量，這對于以鋼錠為坯料的大型鍛件是很必要的。此外，水壓機在鍛造時振動和噪聲小，工作條件好。
3.3.2 自由鍛工序
根據作用與變形要求不同，自由鍛的工序分為基本工序、輔助工序和修整工序三類。
（1）基本工序 指改變坯料的形狀和尺寸以達到鍛件基本成形的工序，稱為基本工序。包括鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、切割、扭轉、錯移等工步。
（2）輔助工序 是為了方便基本工序的操作，而使坯料預先產生某些局部變形的工序。如倒棱、壓肩等工步。
（3）修整工序 修整鍛件的最后尺寸和形狀，提高鍛件表面質量，使鍛件達到圖紙要求的工序叫修整工序。如修整鼓形、平整端面、校直彎曲等工步。
任何一個自由鍛件的成形過程，上述三類工序中的各工步可以按需要單獨使用或進行組合。自由鍛各工序和所包含的工步簡圖見表3.3.1。
表3.3.1 自由鍛工步簡圖
3.3.3 自由鍛件的分類和鍛造過程
按自由鍛件的外形及其成形方法，可將自由鍛件分為六類：餅塊類、空心類、軸桿類、曲軸類、彎曲類和復雜形狀類鍛件。自由鍛件分類見表3.3.2。
表3.3.2 自由鍛件分類
1.餅塊類鍛件
這類鍛件主要有圓盤、葉輪、齒輪等零件的毛坯。其所采用的基本工序是鐓粗工步。隨后的輔助工序和修整工序有：倒棱、滾圓、平整等工步。餅塊類鍛件鍛造過程如圖3.3.4所示。
圖3.3.4 餅塊類鍛件齒坯鍛造過程
2.空心類鍛件
這類鍛件主要有各種圓環、齒圈、軸承環、缸體、空心軸等零件的毛坯。所采用的基本工序有鐓粗、沖孔、擴孔或芯軸拔長等工步。輔助工序和修整工序有：倒棱、滾圓、校正等工步。空心類鍛件鍛造過程如圖3.3.5所示。
圖3.3.5 空心類鍛件鍛造過程
3.軸桿類鍛件
這類鍛件可以是直軸或階梯軸，如傳動軸、軋輥、立柱、拉桿等；也可以是矩形、方形、工字形或其他截面的桿件，如連桿、搖桿、杠桿等。鍛造軸桿類鍛件的基本工序有拔長或鐓粗+拔長工步。輔助工序和修整工序有倒棱和滾圓工步。軸桿類零件鍛造過程如圖3.3.6所示。
圖3.3.6 軸桿類鍛件鍛造過程
4.曲軸類鍛件
鍛造曲軸類鍛件的基本工序有拔長、錯移和扭轉等工步。輔助和修整工序有：分段壓痕、局部倒棱、滾圓和校正等工步。曲軸類零件鍛造過程如圖3.3.7所示。
圖3.3.7 三拐曲軸鍛造過程
5.彎曲類鍛件
鍛造這類鍛件的基本工序有拔長、彎曲工步。輔助工序和修整工序有：分段壓痕、滾圓和平整等工步。彎曲類鍛件的鍛造過程如圖3.3.8所示。
圖3.3.8 彎曲類鍛件鍛造過程
6.復雜形狀類鍛件
這類鍛件主要有閥體、叉桿、吊環體、十字軸等。其形狀較復雜，鍛造難度比較大，所用輔助工具也較多。因此在鍛造時應選擇合理的鍛造工序，保證鍛件順利成形。