擠壓桿用于傳遞金屬擠壓變形所需的全部擠壓力。不銹鋼管擠壓時,擠壓桿的允許負荷限制了坯料金屬可能達到的變形程度。因此,擠壓桿材料和結構的選擇,在擠壓不銹鋼管工藝中具有重要意義。
從理論上講,擠壓桿僅在壓縮狀態下工作。從使用的角度來看,任何鋼種的壓縮強度可采用其拉伸強度相同的指標。只要擠壓桿材料的強度指標不超過其屈服極限,擠壓時擠壓桿就不會發生變形破壞。
但是,理論上的擠壓桿僅在壓縮狀態下工作的情況,實際上并不存在。擠壓桿使用前并沒有按規定制度進行預熱,擠壓坯料的溫度不均,擠壓時施加的負荷產生偏心,沖擊性負荷引起了附加應力等情況都表明,在擠壓過程中,擠壓桿除了承受壓縮應力的作用之外,還存在縱向彎曲應力的作用。因此,對于擠壓桿的強度校驗,應該包括壓縮應力和彎曲應力的強度校驗。
同時,在選擇擠壓桿的材料時,除了強度指標之外,還應考慮材料的淬透性。當擠壓桿工作時,由于有擠壓墊將其與高溫坯料隔離,其實際的工作溫度一般在200~250℃,因此,對擠壓桿材料的耐熱性能的要求并不高。
一、擠壓桿的種類
根據使用情況的不同,擠壓桿的結構有多種多樣,如圖7-8所示。除了整體擠壓桿(圖7-8(a)、圖7-8(b)、圖7-8(e)、圖7-8(f))之外,還有由工作桿、加粗桿和桿座組成的組合式擠壓桿(圖7-8(c)、圖7-8(d)、圖7-8(g)).一般在大噸位的臥式擠壓機上使用組合式擠壓桿比較普遍。
在特殊的情況下,還可以采用階梯形的擠壓桿(圖7-8(b)、圖7-8(d))。由于在整個擠壓過程中,諸多因素綜合作用,實際的擠壓過程不是平穩進行的。因此,施加在擠壓桿上的力也不是絕對穩定和均勻的。采用階梯形擠壓桿的目的,主要是為了提高擠壓桿抗縱向彎曲的能力。其一般都使用在高強度、難度形材料生產小斷面特殊產品的場合。
階梯形擠壓桿除了工作桿之外,還有加粗桿和桿座三部分組成(圖7-8(b)).階梯形擠壓桿既可以做成整體的(圖7-8(b)),也可以做成組合形的(圖7-8(d)).在使用階梯形擠壓桿時,相應的擠壓筒內襯也要做成階梯形的。在無獨立穿孔裝的擠壓機上擠壓鋼管時,采用帶有固定芯棒的擠壓桿,芯棒用螺紋擰在擠壓桿的端部(圖7-8(e)).
圖7-9所示為60MN(6000t)臥式管棒型材擠壓機整體結構的擠壓桿。圖7-10所示為31.5MN(3150t)臥式管棒型材擠壓機組合式結構的擠壓桿。
擠壓桿的工作部分外徑一般比擠壓筒直徑小5~30mm,其內孔比芯棒直徑大5~30mm.不過有時考慮到提高大型工模具的共用性,其尺寸之差也可以超出此范圍。
另外在擠壓桿機加工時,其外徑和內徑必須保持同心,且其兩端面和中心線必須精確地保持垂直。
同時擠壓桿的硬度、強度及塑性要進行綜合考慮,其硬度HRC為40~45。擠壓桿所用的熱模工具鋼能承受1100MPa以下的負荷,馬氏體時效鋼能承受1600MPa的負荷。
二、造成擠壓桿破壞的原因
造成擠壓桿破壞的原因有如下幾點:
1. 擠壓桿過度快速地加熱和冷卻。
2. 工作時沒有遵守熱制度,工作前應預熱。
3. 工作時施加的負荷偏心,可能引起彎曲力矩和應力集中。
4. 由于沖擊負荷引起附加應力。
5. 擠壓桿端部不可避免地被減徑,因擠壓桿表面出現裂紋時,會在直徑上車削掉2~3mm.
6. 擠壓桿在高壓下與擠壓墊接觸,端部金屬層出現加工硬化,產生開裂,導致擠壓桿端部出現環狀碎裂。
三、對于擠壓桿材料的要求
對于擠壓桿材料的要求如下:
1. 材料熱處理前的強度極限應比最大擠壓力時擠壓桿中產生的應力大15%~25%.
2. 材料必須有足夠的沖擊韌性。
3. 擠壓桿在工作溫度下不會失去硬度,加熱到200~250℃工作溫度時,表面部分不應引起變形。
4. 根據擠壓桿的外形結構特點,在熱處理之后應使殘余的熱處理應力最小。
5. 應同時考慮到材料的經濟性、加工性能以及高的使用壽命。一般推薦采用含碳量0.40%~0.45%,并含少量鎢的鉻一鎳鋼,如4CrNi2W,其熱處理后的硬度HRC為44~48(相當于1450~1550).
擠壓桿圓柱部分向寬底過渡半徑要仔細加工,因急劇過渡和粗糙加工均可引起應力集中。
四、擠壓桿的強度校核
在擠壓桿的材料確定之后,就可以對擠壓桿的強度進行校核。在強度校核時,擠壓桿被作為受壓縮應力的固定的懸壁梁,如圖7-11所示。
因此,應根據這個壓應力值來選擇制造擠壓桿的鋼種,同時必須考慮到所選材料的淬透性。并且沖擊性的加載或卸壓時都會在擠壓桿中產生附加應力。因此,材料也要有足夠的沖擊韌性。一般推薦可用含有4.0%~4.5%鎳的鋼來制作擠壓桿。
為了增加擠壓桿對縱向彎曲的抵抗能力,在許多情況下把擠壓桿做成有加粗工作桿部分的階梯形狀。這種擠壓桿也是既可以做成整體的(圖7-8(b)),同時也可以是組合式的,在這種情況下,擠壓桿由頭部、中間加粗的部分和工作桿三部分組成(圖7-8(d)).采用階梯形的擠壓桿時,需要應用相應的擠壓筒內襯(圖7-8(b)、圖7-8(d)).
在型材擠壓機上擠壓不銹鋼管時,采用帶有固定芯棒的擠壓桿,芯棒以螺紋擰在擠壓桿的端部(圖7-8(e))。