目前, 钢筋连接套的生产方式主要有4种:切削加工棒料;加工管材;热成型;采用挤压加工的近净成型技术。前3种方式具有成本高、质量低的缺点^[1,2,3], 已经无法适用建筑业快速发展的现状^[4]。挤压加工有零件精度高、表面粗糙度较好、节省原材料、零件力学性能好等优点, 其应用越来越受到重视。按照金属材料变形温度区分, 挤压工艺主要分为3类:冷挤压、温挤压和热挤压^[5,6]。其中冷挤压用料少、精度高、零件强度大, 无需切削或少切削, 但是冷挤压加工必须在较大的变形力下完成, 变形难度较大, 对模具的磨损较大。相比冷挤压技术, 热挤压所需变形力小很多, 无需高性能的挤压设备, 因此成本较低, 但是热挤压过程一般在温度900℃以上完成, 该温度下会导致材料产生一定的氧化、脱碳、膨胀等现象, 从而影响了连接套的表面粗糙度和加工精度^[7]。温挤压同时具有前两者的优点, 并在一定程度上克服了两者的缺点, 其变形温度为200~900℃, 对模具磨损小, 适用于45钢的毛坯, 即适用于钢筋连接套筒制造^[8]。本文提出采用近净成型技术来实现钢筋连接套的批量制造, 重点对其制造工艺流程中的温挤压工艺及其成形规律进行研究分析。当加热温度为550~900℃时, 在不同温度条件下, 对温度挤压成型的钢筋连接套筒挤压力变化、硬度和零件表面质量进行分析。

图1为连接套的结构示意图。

通过上节的分析结论, 采用温挤压的近净成型加工技术来实现钢筋连接套的批量制造, 其制造工艺流程如图2所示。

采用的工件材料为45钢。此工件为管状件且具有较厚壁, 需求量大。由于棒料的采购简单容易, 并具有较高的挤压生产率, 因此使用棒料来完成挤压成型。具体工艺方案为:首先将棒料切割, 然后根据要求按照所需挤压的尺寸进行墩粗, 然后进行挤压成型, 将坯料挤压成桶形件, 最后进行冲孔完成整个工件的加工。根据上述对冷挤压, 温挤压及热挤压的优缺点分析, 并根据零件的加工形状, 本文选择采用反挤压方式实现温挤压成型。

在20~700℃温度范围内, 温挤压成型采用的45钢热膨胀系数α为15.08×10^-6 mm/℃。

加热后工件内径的大小为:

式中:d为热膨胀后的内直径, d₀为热膨胀前的内直径, Δd为热膨胀引起的直径变化量, 单位均为mm。α为热膨胀系数。ΔT为温度变化量。

代入数据后得到d=30.6 mm。同理, 加热后工件外直径:

由于零件高度上会留有较大的余量, 因此在高度方向上, 可忽略热膨胀影响。加工零件体积为:

式中:V₁为零件体积, h为零件高度。导入前面计算的结果, 可以得到V₁=77 748 mm³。

挤压件的体积的计算公式为:

式中:V_j为挤压件的体积, t为挤压余边厚度, 是d的0.1到0.2倍, 在此取其为5 mm。因此, 可以得出:

挤压前坯料的体积V_d的计算方式为:

式中:δ为导热损耗率, 查表可知其为0.8%。因此, 挤前体积为:

墩粗后制件外直径是47 mm, 所以挤压坯料高度, 其中为坯料横截面面积, 则可以得出:

取其为47 mm。

作为原材料的棒料直径为40 mm, 则坯料长度为:

式中:V_d为挤压前坯料的体积, d为棒料直径。带入数据后L=63 mm。因此, 锻比为L/H_d=1.34。

金属塑性变形量的大小可以使用挤压时变形程度来体现, 常用断面缩减率ε_f来表示:

式中:A₀为挤压前坯料的横截面积, A₁为挤压后坯料的横截面积。根据《挤压模具简明设计手册》的说明^[9], 在200~800℃范围时为了满足45钢的温挤压允许变形程度要求, 断面收缩率要小于0.70~0.75。本研究制件的断面收缩率为36.8%, 满足要求, 也就是说可一次挤压成型, 其计算过程为:

使用图表法计算所需的挤压力, 根据《挤压模具简明设计手册》, 45钢的反挤压力, 即温挤压力P为:

式中:p为单位挤压力。经计算, 得P=956 k N。

墩粗力的计算公式为:

式中, σ_s为屈服强度, d为墩粗后制件的直径。经计算, 墩粗力P₁=246 k N。冲孔力的计算公式为:

式中:d为冲孔直径, t为板料厚度, τ为材料抗剪强度。通过查表, 可以得出700℃时45钢的抗剪强度约为120 MPa, 经计算, 实验所需的冲孔力P₂为58 k N。

由于实验所需的总压力为1 260 k N, 选用JH21系列开式固定台压力机^[10]。公称压力为200 k N, 滑块行程为130 mm, 速度为40次/min, 能够满足大批量生产需求。此外, 选用石墨作为45钢的温挤压的润滑剂。在温挤压时, 选用的加热设备为高温箱式电阻炉, 其功率为14 k W。挤压冲孔设备是四柱式万能液压机, 其公称压力为315 t。为了能够更好的测量出挤压温度, 使用手持式红外线测温仪。图2为整个实验过程流程图。首先, 将石墨分别涂刷在实验坯料与模具的表面, 将坯料在加热炉内加热到一定温度后取出完成墩粗, 再涂刷石墨并放置到加热炉内, 加热至所需温度。通过控温仪将炉温控制在550、640、800和900℃这几个温度。保温15~30 min后开始实施挤压变形, 在挤压的同时完成挤压温度测量, 最后在挤压完成后进行冲孔 (模腔内) 。

对挤压实验的过程的数据进行完整记录, 并在各个加热温度条件下随机挑取10组数据, 分析比较了随挤压温度变化时相应挤压力的变化结果, 如图3所示。由于45钢的导热率在800℃以上时与温度成正比, 在800℃以下时成反比, 因此当加热温度为800℃或者900℃时, 相对其加热温度, 挤压温度下降了大约100℃, 而当加热温度在640℃以下时, 相对其加热温度, 挤压温度下降范围较小。

在挤压件室温恢复常温后, 采用表面洛氏硬度计在零件表面上6个点进行硬度测量。图4为测量点位置示意图。测量结果列于表1。可以看出, 相同温度时挤压件表面上不同点的硬度基本一致。此外, 随着温度的提高, 挤压件的表面硬度会随之降低。但是上部区域的硬度较低, 这是因为变形时上部首先流出, 即其物理变形程度较其他部分低。

表2为实验结果汇总表。可以看出, 虽然随着挤压温度的提高, 所需挤压力会不断降低, 但是硬度和光亮度会随之降低。为了满足标准工件要求, 必须达到所需工件的表面氧化程度和硬度。因此, 对于45钢筋连接套筒的最佳挤压温度为550~640℃。当加热温度为640℃时, 挤压冲孔后的真实套筒实物, 如图5所示, 测量后其尺寸误差为0~0.6 mm, 且表面光滑, 因此无需再加工, 能够满足标准工件要求, 验证了连接套筒温挤压制造的可行性。

(1) 随着挤压温度 (550~800℃) 的提高, 连接套筒温挤压过程所需挤压力会不断降低, 硬度和光亮度会随之降低。

(2) 45钢筋连接套筒的最佳挤压温度为550~640℃, 此时得到工件的表面氧化程度和硬度最好, 能够满足标准工件要求。