自由锻(卷名：机械工程)
open die forging
利用简单的工具和开放式的模具（砧块）对金属进行锻造成形的方法。自由锻时，金属仅有部分表面与工具或砧块接触，其余部分为自由变形表面。自由锻使用的都是通用的模具和工具，灵活性大，费用低，生产准备周期短，适合于单件、小批量生产。但自由锻造的生产率低，工人劳动强度大，锻件的精度差，加工余量大，因此自由锻件在锻件总量中所占的比重随着生产技术的进步而日趋减少。自由锻造也是大型锻件的主要生产方法，在重型的冶金机械、动力机械、矿山机械、粉碎机械、锻压机械、船舶和机车制造工业中占有重要的地位。
自由锻造分为手工锻造和机器自由锻。手工锻造是靠手抡铁锤锻打金属使之成形，是最简单的自由锻。它是一种古老的锻造工艺，在某些零星修理或农具配件行业中仍然存在，但正逐渐被淘汰。机器自由锻是在锻锤或水压机上进行。锤上自由锻时金属变形速度快，可以较长时间保持金属的锻造温度，有利于锻出所需要的形状。锤上自由锻主要用轧制或锻压过的钢材作为坯料，用于生产小批量的中小型锻件。水压机上自由锻的锻压速度较慢，金属变形深入锻坯内部，主要用于钢锭开坯和大锻件（几吨以上）制造，如冷、热轧辊，低速大功率柴油机曲轴，汽轮发电机和汽轮机转子，核电站压力壳筒体和法兰等，锻件质量可达250吨。
自由锻工序 自由锻的基本成形工序有钢锭开坯、拔长、镦粗、冲孔、芯棒扩孔、芯棒拔长、弯曲、扭转和压实等（图1）。
钢锭开坯 把钢锭锻压成锻坯的工序。钢锭开坯的主要作用是：①在钢锭冒口端压出便于夹持操作的钳把；②倒棱、滚圆，把多棱锥形的钢锭压制成圆柱形的坯料；③将有缩孔和偏析缺陷的冒口和底部的料头切掉，这部分通常占钢锭重量的25～35％；④根据需要切成一定长度的坯料。
拔长 使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序。拔长是通过反复转动和送进坯料进行压缩来实现的，是自由锻生产中最常用的工序。它常用于锻造各类方、圆截面的轴、杆等。
镦粗 使坯料断面增大而高度减小的锻造工序。镦粗用于：①以较小断面的坯料制造断面大、高度小的锻件，如圆盘、法兰、齿轮等盘形锻件；②冲孔前的预备工序；③增加金属变形量，提高内部质量的预备工序，也是提高锻造比为下一步拔长的预备工序。
冲孔 在坯料上冲压出通孔或盲孔的锻造工序。冲孔用于制造带孔的盘形锻件，也用于芯棒拔长或扩孔的准备工序。
扩孔 减小空心坯料臂厚而增加其内外径的锻造工序。扩孔的方法有:①冲头扩孔，先在坯料上冲出孔，然后用直径较大的冲头将孔径逐步扩大到所需尺寸。②芯棒扩孔，利用芯棒在马架上将坯料壁厚减薄，内外径同时增加，而高度增加不多，可以锻制薄壁锻件。
芯棒拔长 使空心坯料外径减小、长度增加而内径不变的拔长工序。主要用于制造缸套、容器等筒形锻件。芯棒可以是实心的，也可以是空心带水冷的。
弯曲 将坯料弯成曲线形或一定角度的锻造工序，与其他锻造工序结合，可以锻成各种弯曲形状的锻件，如吊钩、叉子等。
扭转 使坯料的一部分相对于另一部分绕共同的中轴线旋转一个角度的工序。锻造时，可使锻件不在同一平面内的几部分，先在一个平面内锻制成坯，然后再扭转到所要求的位置。扭转用于制造多拐曲轴等锻件。
压实 在锻造过程中，为了避免大钢锭中心部位出现拉应力，采用宽平砧强压，使锻坯中心呈压应力状态，以达到压实和焊合内部孔穴和疏松的目的。也可采用表面强冷中心压实的综合锻造工艺：加热的坯料经过不对称宽砧强压之后，表面强冷到800℃左右，形成硬层，心部则仍保持在1000℃以上。这时采用平砧强压，可压实内部空穴和疏松等缺陷，使中心部分致密。
胎模锻造 一种在自由锻设备上用可移动模具和简单工具进行锻造的方法。属于自由锻性质，也带有局部模锻性质。由于锻件尺寸和形状可以局部用模具控制，可以获得比自由锻形状较为复杂、尺寸较为精确的锻件，并可减少后续的切削加工量和材料的消耗，提高生产率。胎模锻造所用模具一般比较简单，容易制造，工艺万能性强；但锻造工序较多，金属留在模子中的时间较长，模具抬上抬下的劳动强度较大，生产率一般仍低于模锻。锻件的表面质量也比模锻差。
由于胎模锻可分段逐步成形，所以同样的锻件可以在较小的锤上锻出。例如锻造中间齿轮轴，模锻时需要3吨模锻锤，但若配备胎模就可以在750千克空气锤上锻出。
胎模的种类很多，常用的有摔模、扣模、弯曲模、套模、垫模、合模、冲切模和漏模等（图2）。胎模锻造是中小批量生产的有效锻造方法。在实际锻造过程中，一般采用自由锻制坯、胎模最终成形的工艺。
展望 自由锻时，工人劳动强度比较大，只有实现辅助工作机械化，才能改善锻工的劳动条件，取得较好的经济效果。锻造机械化包括锻坯装出炉机械化、锻造操作机械化、坯料旋转调头机械化、工模具夹持机械化、胎模转换机械化、锻件尺寸测量和锻件搬运机械化等。为了提高锻件的质量和尺寸精度，自由锻造工序正向自动控制方向发展。现代化的水压机已实现程序控制，工作人员劳动强度大大减少。
参考书目
王祖唐著：《锻压工艺学》，机械工业出版社，北京，1983。
辛宗仁等编：《胎模锻工艺》，机械工业出版社，北京，1977。