挤压杆用于传递金属挤压变形所需的全部挤压力。不锈钢管挤压时,挤压杆的允许负荷限制了坯料金属可能达到的变形程度。因此,挤压杆材料和结构的选择,在挤压不锈钢管工艺中具有重要意义。
从理论上讲,挤压杆仅在压缩状态下工作。从使用的角度来看,任何钢种的压缩强度可采用其拉伸强度相同的指标。只要挤压杆材料的强度指标不超过其屈服极限,挤压时挤压杆就不会发生变形破坏。
但是,理论上的挤压杆仅在压缩状态下工作的情况,实际上并不存在。挤压杆使用前并没有按规定制度进行预热,挤压坯料的温度不均,挤压时施加的负荷产生偏心,冲击性负荷引起了附加应力等情况都表明,在挤压过程中,挤压杆除了承受压缩应力的作用之外,还存在纵向弯曲应力的作用。因此,对于挤压杆的强度校验,应该包括压缩应力和弯曲应力的强度校验。
同时,在选择挤压杆的材料时,除了强度指标之外,还应考虑材料的淬透性。当挤压杆工作时,由于有挤压垫将其与高温坯料隔离,其实际的工作温度一般在200~250℃,因此,对挤压杆材料的耐热性能的要求并不高。
一、挤压杆的种类
根据使用情况的不同,挤压杆的结构有多种多样,如图7-8所示。除了整体挤压杆(图7-8(a)、图7-8(b)、图7-8(e)、图7-8(f))之外,还有由工作杆、加粗杆和杆座组成的组合式挤压杆(图7-8(c)、图7-8(d)、图7-8(g)).一般在大吨位的卧式挤压机上使用组合式挤压杆比较普遍。
在特殊的情况下,还可以采用阶梯形的挤压杆(图7-8(b)、图7-8(d))。由于在整个挤压过程中,诸多因素综合作用,实际的挤压过程不是平稳进行的。因此,施加在挤压杆上的力也不是绝对稳定和均匀的。采用阶梯形挤压杆的目的,主要是为了提高挤压杆抗纵向弯曲的能力。其一般都使用在高强度、难度形材料生产小断面特殊产品的场合。
阶梯形挤压杆除了工作杆之外,还有加粗杆和杆座三部分组成(图7-8(b)).阶梯形挤压杆既可以做成整体的(图7-8(b)),也可以做成组合形的(图7-8(d)).在使用阶梯形挤压杆时,相应的挤压筒内衬也要做成阶梯形的。在无独立穿孔装的挤压机上挤压钢管时,采用带有固定芯棒的挤压杆,芯棒用螺纹拧在挤压杆的端部(图7-8(e)).
图7-9所示为60MN(6000t)卧式管棒型材挤压机整体结构的挤压杆。图7-10所示为31.5MN(3150t)卧式管棒型材挤压机组合式结构的挤压杆。
挤压杆的工作部分外径一般比挤压筒直径小5~30mm,其内孔比芯棒直径大5~30mm.不过有时考虑到提高大型工模具的共用性,其尺寸之差也可以超出此范围。
另外在挤压杆机加工时,其外径和内径必须保持同心,且其两端面和中心线必须精确地保持垂直。
同时挤压杆的硬度、强度及塑性要进行综合考虑,其硬度HRC为40~45。挤压杆所用的热模工具钢能承受1100MPa以下的负荷,马氏体时效钢能承受1600MPa的负荷。
二、造成挤压杆破坏的原因
造成挤压杆破坏的原因有如下几点:
1. 挤压杆过度快速地加热和冷却。
2. 工作时没有遵守热制度,工作前应预热。
3. 工作时施加的负荷偏心,可能引起弯曲力矩和应力集中。
4. 由于冲击负荷引起附加应力。
5. 挤压杆端部不可避免地被减径,因挤压杆表面出现裂纹时,会在直径上车削掉2~3mm.
6. 挤压杆在高压下与挤压垫接触,端部金属层出现加工硬化,产生开裂,导致挤压杆端部出现环状碎裂。
三、对于挤压杆材料的要求
对于挤压杆材料的要求如下:
1. 材料热处理前的强度极限应比最大挤压力时挤压杆中产生的应力大15%~25%.
2. 材料必须有足够的冲击韧性。
3. 挤压杆在工作温度下不会失去硬度,加热到200~250℃工作温度时,表面部分不应引起变形。
4. 根据挤压杆的外形结构特点,在热处理之后应使残余的热处理应力最小。
5. 应同时考虑到材料的经济性、加工性能以及高的使用寿命。一般推荐采用含碳量0.40%~0.45%,并含少量钨的铬一镍钢,如4CrNi2W,其热处理后的硬度HRC为44~48(相当于1450~1550).
挤压杆圆柱部分向宽底过渡半径要仔细加工,因急剧过渡和粗糙加工均可引起应力集中。
四、挤压杆的强度校核
在挤压杆的材料确定之后,就可以对挤压杆的强度进行校核。在强度校核时,挤压杆被作为受压缩应力的固定的悬壁梁,如图7-11所示。
因此,应根据这个压应力值来选择制造挤压杆的钢种,同时必须考虑到所选材料的淬透性。并且冲击性的加载或卸压时都会在挤压杆中产生附加应力。因此,材料也要有足够的冲击韧性。一般推荐可用含有4.0%~4.5%镍的钢来制作挤压杆。
为了增加挤压杆对纵向弯曲的抵抗能力,在许多情况下把挤压杆做成有加粗工作杆部分的阶梯形状。这种挤压杆也是既可以做成整体的(图7-8(b)),同时也可以是组合式的,在这种情况下,挤压杆由头部、中间加粗的部分和工作杆三部分组成(图7-8(d)).采用阶梯形的挤压杆时,需要应用相应的挤压筒内衬(图7-8(b)、图7-8(d)).
在型材挤压机上挤压不锈钢管时,采用带有固定芯棒的挤压杆,芯棒以螺纹拧在挤压杆的端部(图7-8(e))。