盘圆料镦坯制造夹片研制与应用

摘要：我公司设计研制的盘圆料镦坯制造夹片产品主要高速铁路、重荷载、大跨度桥梁等结构预应力施工。该产品各项技术指标均满足（TB/T 3193-2008）（GB/T 14370-2007）等标准要求。目前产品已经成熟，生产工艺也比较稳定，并通过安徽省经济和信息化委员会组织的专家评审，技术水平国内领先，获得省科学技术研究成果证书。该产品在京沪高铁、南广贵广铁路枢纽、广珠铁路、杭长铁路等几十个国家重点工程中应用，质量稳定，效果良好，得到客户认可。

关键词：盘圆料镦坯；夹片；锚具；预应力

1、研制背景

夹片是高速铁路、重荷载、大跨度桥梁等结构预应力施工中关键的零部件，夹片质量的好坏直接影响到工程质量、结构安全。预应力施工中常见的质量问题是夹片在夹持钢绞线的过程中，出现滑丝、断丝、错位等现象。造成这些问题的原因有许多，如产品安装不当、选用的限位尺寸不合适、钢绞线存在缺陷等等。其中很重要的原因是：夹片的强度不适应钢绞线要求。随着我国经济的不断发展，预应力技术水平不断提高，我国已生产出1960MPa以上强度的预应力钢绞线，这种材料硬度高达HRC 52，而夹片采用20CrMnTi棒料作为原材料，机械加工完成后再进行碳氮共渗，夹片表面硬度达到HRC 58～64。据相关文献研究，当夹片与钢绞线的硬度差值≥HRC8时，夹片才能更好地夹持住钢绞线，不出现滑丝、错位等质量问题。由于我国钢绞线国家标准只规定了钢绞线强度下限，没限制其上限，导致钢厂生产的钢绞线硬度、强度普遍较高，同时，以目前夹片选用的材料和加工方法，无法提高夹片的硬度，强度。另外，我公司锚具每年市场需求量在2亿元左右，并且逐年增长，夹片目前的生产工艺已满足不了公司生产发展需要，急需扩大产能，因此，公司立项研发夹片新的生产方法，一方面能提高产品质量，一方面能提高公司的生产能力和市场竞争力。

2、技术原理

20CrMnTi属于合金结构钢，虽然韧性、塑性较好，但一般不作为镦压材料使用。为了使20CrMnTi材料具有更好的塑性，满足镦制要求，在镦坯前对盘圆线材要进行前期处理，具体步骤如下：

1）酸洗——从钢厂外购盘圆线材后，酸洗去除材料表面的氧化皮。

2）磷化——通过磷化，在材料表面形成磷化保护膜，在镦制能减少摩擦，避免出现加工裂纹和表面拉伤。

3）皂化——油脂水解，得到高级脂肪酸，为下一工序做准备。

4）拉丝?——利用拉丝机，把盘圆料的尺寸处理一致，这样切断工位后，得到的坯料体积基本相同，产品一致性好。

5）去应力退火——在气体保护下进行去应力退火，保证材料具有低硬度、高塑性，且组织均匀。

通过以上工序，能使盘圆线材的硬度保持在HRB72-76范围内，适合镦压和切削加工，并减少模具的磨损。

然后再进行多工位镦制：依次是线材截断、镦平、调头镦平、镦外锥、冲定位盲口、镦外锥、冲中心孔、镦外锥、冲压深孔、外锥成型、冲通孔、整端面。

这样逐步对毛坯进行拉伸镦制成型，外锥面和圆柱面、通孔、大端面及端面标记全部一次性完成，既能减少磨损，同时能保持高速度的生产效率。

在八工位镦外锥过程中，先镦出大斜度的锥面，再在下一镦压工位中，将毛坯的大斜度锥面逐步镦压成小斜度锥面，并将坯料拉长，这样能提高坯料表面的密度和强度，能充分保证锥面的光洁度，同时避免内孔出现过深的带状组织，影响夹片的质量。

3.性能指标

盘圆料镦坯制造夹片主要技术性能指标：

夹片式锚具的主要依照标准《铁路工程预应力用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件》（TB/T 3193-2008）和《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370-2007）。

1、夹片热处理要求：

夹片应进行化学处理，表面硬度不应小于HRA58。

2、静载锚固性能

锚固效率系数：ηa≥95%；

总应变：εapu≥2.0%；

3、疲劳荷载性能

组装件应满足试验应力上限为预应力钢绞线抗拉强度标准值的65%，疲劳应力幅度不小于100MPa的200万次的疲劳性能试验。

4、周期荷载性能

组装件应满足应力上限为预应力钢绞线抗拉强度标准值80%，下限为预应力钢绞线标准值40%的50次循环周期荷载试验。

5、辅能试验

a、锚具夹片的回缩量不应大于6mm；

b、锚具应满足分级张拉、补张拉和放松钢绞线的要求；

c、锚具的摩口损失和喇叭口摩阻损失合计不宜大于6%。

产品送到铁道部产品质量监督检验中心检验，各项指标满足《铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件（TB/T3193-2008）》和《CRCC产品认证实施规则 预应力筋用锚具（夹片式）》要求。

4、技术的创造性与先进性

目前，国内也有技术人员对夹片的加工方式进行研究改进。如中国专利CN1371770，“冷镦挤压法加工夹片的工艺方法”，其主要特点在于：用钢棒为原料，先下料，用油压装置及特征挤压模挤压出长度、内、外锥尺寸与夹片成品尺寸相同的毛坯，再进行钻孔、铰孔、车槽等工序。

该方法虽然简化了加工工艺，降低了材料的消耗，但也存在不足：一是用棒料作为原材料，棒料的长度一般只有6米长，不利用连续生产，而且会产生大量的料头和料尾，造成原料浪费；二是用锯床下料，生产效率低；三是冷镦成接近夹片外形的实体毛坯，中间通孔仍要通过钻孔等机械加工工序完成，不但浪费了材料而且效率低下；四是冷镦前后没有经过球化等处理，存在加工硬化，不利用后期攻丝、锯开等机械加工。

中国专利CN101172327“锚具夹片通孔毛坯冷挤压工艺”，其也是采用棒料备料，然后下料、喷砂处理、磷化皂化处理、预压成型、正火处理、喷砂处理、磷化皂化处理、挤压成型、冲裁成型等工序。工序冗长，生产成本高，同时也存在浪费材料、浪费能源、生产效率低等问题。

综合上述，盘圆料镦坯制造夹片，采用每盘2吨的线材代替棒料作为原材料，利用多工位镦压设备实现连续快速加工，每分钟可生产坯料60件，效率大幅提高；利用多工位设备不但镦压出夹片外锥形状，同时镦压出通孔，材料的利用率显著提高；在镦压前进行一次球化退火、酸洗、磷化、皂化、拉丝等处理，使夹片的坯料硬度在HRB72-76范围内，便于后续机械加工，与中国专利：CN101172327相比，材料前期处理工序也大幅简化，材料成本、能源消耗进一步降低，生产能力得到提升。

可见盘圆料镦坯制造夹片技术科学合理、创造性强。与传统加工方法相比，先进性表现在以下几个方面：

1）材料经过多道镦压后，坯料组织细密、产品质量更好

原材料经过多次镦压后，组织细密，后续经碳氮共渗、淬火、回火后，硬度值都能达到HRC61～64，保证比高强度低松弛钢绞线表面硬度高HRC8以上，从根本上解决因夹片硬度、强度而导致锚具滑丝、错位等质量问题。利用多工位设备，生产的夹片一致性好，质量容易保证。

2）用盘圆料作为原材料，料头少，材料利用率高

每盘盘圆线材重约2000Kg，镦制的夹片坯料重约0.096Kg，一盘线材可生产夹片约20833只，这就是说每生产20833只夹片坯料才会出现少许的料头。

而棒料的长度一般为6m，每根重约28.8Kg，夹片的坯料每件重0.206Kg，每生产138只就会出现2个料头。

由此可见，同样是2000Kg材料，用棒料加工夹片共产生140个料头，而用盘圆料生产，基本不产生料头。

把原材料镦制成与夹片尺寸相近的坯料，每件毛坯重0.096Kg；用棒料生产夹片，每件毛坯重0.206Kg。如果不考虑料头、废料等因素，用镦制方式生产夹片，每吨钢材可生产夹片10416只；用棒料方式生产夹片，每吨钢材可生产夹片4854只。可见，材料的利用率得到大幅度的提高，可为国家节约大量的钢材。

3）加工速度高，生产效率高

利用多工位专用设备，每台设备每分钟可生产坯料约60只，而用棒料生产到同样的尺寸，则需要锯床、六角车床、车床等设备5台，加工工时合计19.5分钟/只，生产效率提高近20倍。

4）工序简化、自动化程度高，便于大批量生产

原有生产工艺有20多道，工序多、设备多、用工量大，而新的工艺方法是利用设备一次成型，自动化程度高，适合批量生产，大大降低了生产成本，提高了产品的生产保障能力。

5、实际应用情况

盘圆料镦坯制造夹片的研制成功，为公司节约了大量的成本，使公司锚具产品在市场上更具竞争力，在投标中占尽优势，屡屡中标。

目前，盘圆料镦坯制造夹片技术已经成熟，主要表现为以下几个方面：

1）产品在铁道部科学研究院、国家建筑工程质量监督检测中心等多个权威部门检验，产品质量均满足国家及相关行业标准的要求。

2）2010年底，我公司开始推广使用盘圆料镦坯制造夹片技术，产品在京沪高铁、南广贵广铁路枢纽、广珠铁路、杭长铁路等几十个国家重点工程中应用，质量稳定，效果良好，得到客户认可。

3）产品通过安徽省经济和信息化委员会组织的专家评审，技术水平国内领先。获得省科学技术研究成果证书。

盘圆料镦坯制造夹片主要用来加工生产高速铁路等大跨度桥梁以及特种工程中的关键零件——夹片，不但可以生产M15系列的夹片，通过更换工装、模具，还可以生产M13、M18、M20、M22、M28等系列的夹片，应用范围广泛。产品在东北东部通道、贵广南广铁路广州枢纽、广州到珠海铁路复线、沪昆客运专线、宁安铁路、兰新铁路第二双线等工程得到应用。

该技术存在的主要问题是：材料在挤压变形中会产生加工硬化，给后道工序机械加工增加了难度，刀具消耗略有增加。为弥补了这一缺陷，我们后期将采用数控设备及涂层合金刀完成关键工序加工。

参考文献

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[2]GB/T 5224-2003 预应力混凝土用钢绞线[S].北京：中国标准出版社.

[3]ASTM A416-02 Standard specification for steel strand， uncoated seven-wire for pre-stressed concrete.

[4]FIP Recommendations for Acceptance and Application of post tensioning systems. March 1981

[5]FIP Recommendations for the acceptance of post-tensioning systems.June 1993

[6]冯大斌，裴彇，朱莹.关于当前预应力钢绞线硬度与锚具夹片的匹配建议[J]. 预应力技术，2010年第4期