不锈钢管挤压时,挤压垫置于坯料和挤压杆之间,起着保护挤压杆的作用,使挤压杆不与高温坯料直接接触,以免挤压杆受到高温坯料的热影响。并且,挤压垫和挤压筒及挤压芯棒之间的精确配合,减轻了挤压杆前进时的摩擦力和磨损,同时也防止了金属黏结在挤压杆上,使挤压垫和压余的分离更加容易进行。
在不锈钢管挤压过程中,挤压垫承受高的压缩应力,受到强烈的热作用,使挤压垫的工作温度达到600~800℃.
当挤压垫在挤压筒中移动时,挤压垫的侧表面由于滑动的结果而发生摩擦,挤压垫的前端面和侧表面的边缘受到最强烈的高温加热。在挤压的结束阶段,挤压垫侧面的尖锐边缘磨损特别明显,并且,在挤压垫的前端面也发生磨损。当挤压垫侧面尖锐边缘发生变形,不锈钢管进入挤压筒和挤压垫的间隙中,楔住挤压垫,挤压垫再向挤压金属的变形区移动并陷入金属变形锥“死区”内时,将进一步加剧挤压垫边缘的损坏。因此,一般都将挤压垫的边缘做成带有一定曲率半径的圆弧形状。而挤压垫前端平面的磨损,一般与坯料金属外层沿挤压垫从边缘向中心的流动的温度和速度条件有关。
1. 挤压垫的种类和结构形式
挤压垫的结构主要有在挤压实心型材时用的整体型挤压垫和在挤压钢管及空心型材时用的带有芯棒孔的挤压垫两种。
另外,挤压垫按其在挤压时和挤压杆的连接形式又有与挤压杆牢固连接和没有连接呈自由状态的挤压垫两种。
借助于连接螺纹和挤压杆牢固连接的挤压垫,通常用于小型挤压机或立式机械挤压机上。这种挤压垫也称为杆头,可连续使用直至磨损或破坏。
和挤压杆没有任何固定连接,完全呈自由状态的挤压垫,在现代大型卧式挤压机上一般都采用这种类型的挤压垫。而且使用时往往采用由5~8个挤压垫组成一组的套垫轮流使用。这样,在使用过程中可以通过空气或水浴进行冷却,使挤压垫的工作温度保持在150~200℃.提高了挤压垫的使用寿命。
按照挤压垫的结构形状,可分为平垫、锥形垫、凹形垫和带沟槽的挤压垫等五种结构形状,如图7-45和图7-46所示。图7-46所示为一般卧式管型材挤压机采用的挤压垫结构形式。为了减小挤压垫与挤压筒内衬之间的接触表面,采用带沟槽的挤压垫(图7-46(b)、图7-46(c)、图7-46(d));为了减小挤压余料的厚度,将挤压垫前端面做成具有与挤压模形状相适应的形状(图7-46(c)、图7-46(d))的锥形垫;在要求实现没有挤压缩尾的条件下,采用带有凸形端面的挤压垫(图7-46(b)、图7-46(e));为了防止在切压余前,挤压垫和压余过早分离,采用圆周刻槽的挤压垫(图7-45(b)).
带有沟槽的挤压垫除了避免高温坯料对于挤压杆的热作用,以及与挤压筒、挤压芯棒的紧密配合,降低了挤压杆对挤压筒内壁的摩擦力,减小了挤压杆的磨损,并防止压余黏在挤压杆上之外,更主要的是在自动化控制的挤压机上,防止压余和挤压垫过早地自动分离,而使挤压结束后压余紧贴在挤压模座上,导致当挤压筒回程50m时,无法带离压余并为压余的锯切留出下锯的空间,而影响到挤压机自动化操作的连续进行。采用带沟槽的挤压垫,能有效地防止压余和挤压垫的过早分离。
在设计带沟槽的挤压垫时,沟槽的深度和个数应适当。沟槽的个数太多和深度太深,都会导致压余和挤压垫的分离困难;而沟槽的数量太少,或深度太浅,则无法达到应有的效果。
2. 挤压垫的设计
挤压垫的主要工艺尺寸是其工作直径和高度。挤压垫的工作直径d,取挤压筒内衬的直径Dk减去工艺间隙a之差值,即: d=Dk-a
a 的大小取决于Dk和挤压金属的σt,可以在0.10~2.00mm之间变化。
挤压垫的高度h为: h≤d
在设计计算时,方法同挤压杆压缩端面的计算。允许的单位压应力是相应热强度钢的屈服极限或其强度极限的0.90~0.95倍,对于有大孔的大型挤压垫,计算时同时要考虑薄片的公式进行弯曲强度校核。
根据经验,挤压垫的尺寸可根据挤压筒和芯棒来决定。挤压垫和挤压筒之间的间隙取0.5~1.5mm;挤压垫和芯棒之间的间隙取0.5~2.0mm,尽可能取小值,这是保证钢管壁厚均匀的措施之一,但间隙太小或配合不当,会引起“卡垫”现象;挤压垫的厚度一般取50~120mm,约为挤压筒直径的三分之一;挤压垫两端平面必须平行;挤压垫应耐磨,硬度HRC为48~52.挤压筒直径与坯料直径,挤压垫直径之间的关系见表7-9.
3. 挤压垫的使用寿命
在现代卧式管型材挤压机上,采用热模钢(如3Cr2W8V或4CrW2Si)制作的挤压垫的使用寿命:
当挤压碳素钢管时约为500~600次/只,挤压不锈钢管时为150~200次/只。
a. 挤压垫制造时的机加工公差
挤压垫制造时的机加工公差:外径公差为±0.3mm;当d=40~100mm时内径公差为+0.2mm,当d>101mm时内径公差为+0.3mm;厚度公差为±0.1mm.
b. 挤压垫的损坏形式
挤压垫的使用寿命与挤压垫的材料、挤压坯料的性能和挤压工艺参数有关,一般为50~300次/只。
挤压过程中,挤压垫一直处在高温高压的条件下工作。挤压垫的前锥形端面长时间地与高温坯料接触,导致其机械强度丧失。同时受到坯料端面变形金属向中心流动时的强烈冲刷,引起挤压垫棱缘的变形和黏结。当挤压将近结束时,挤压垫的变形区移动至陷入变形锥的“死区”内,进一步加剧了边缘的损坏。同时,挤压垫的边缘金属逐渐向变形区的塑性金属的旁边弯曲。当挤压垫热处理后的硬度过高或遭受不均匀的急冷时,会引起挤压垫的开裂。
图7-47所示为卧式钢管型材挤压机的挤压垫。图7-48所示为挤压时挤压垫形状的改变状况。挤压垫工作温度最高的锥形顶部是裂纹的起源,经多次使用后,裂纹发展形成深沟。而挤压金属的摩擦磨损,则以径向划道和粗糙性形式留下痕迹。此外,在轴向挤压力的作用下,挤压垫被压缩,尺寸减小。
图7-49所示为挤压垫锥形表面的磨损和开裂情况。从图7-49可以看出,挤压垫工作最高的锥形顶部是裂纹的起源,挤压垫经多次使用后裂纹发展形成深沟,而挤压金属的摩擦和磨损则以划道和粗纹形式留下痕迹。此外,在轴向挤压力的作用下,挤压垫被压缩和尺寸变小。
挤压垫的边缘倒成圆角,有利于提高挤压垫的使用寿命。5~6个(或更多个)挤压垫轮流使用,使其在每次工作后能得到充分的冷却,也有利于挤压垫寿命的提高。
对于非开裂性损坏的挤压垫可以采用焊条焊接的方法进行修补。