線材鐓粗技術發展趨勢的研究

安 超 姚寅群

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

鐓粗是使坯料高度減小而橫截面增大的鍛造工序，如果使坯料局部截面增大則稱為局部鐓粗。鐓粗在線材領域起到了非常重要的作用，特別是對于建筑用鋼筋等線材，鋼筋螺紋頭加工的可靠性及適用性對建筑工業化的推進起到了舉足輕重的作用。鐓粗可以獲得需要的頭部外形以及結構，還可以通過頭部的加工，實現與其他部件的連接。例如，可以將鋼筋端部墩粗，鐓粗的同時進行螺紋加工，或者鐓粗后再利用專用機床對墩粗段進行套絲加工，利用帶內螺紋的連接套筒，實現了將二根鋼筋連接起來的技術效果。

1 線材的鐓粗工藝分類

目前使用的鐓粗方法工藝手段多種多樣，根據鐓粗溫度，主要分為冷鐓粗和熱鐓粗兩大類。冷鐓粗對鋼筋的延性要求高，對延性較低的鋼筋，鐓粗質量較難控制，易產生脆斷現象。熱鐓粗使用熱力快速成型的方式，解決了傳統冷加工造成的鋼筋連接件抗拉強度減弱及螺紋薄弱處應力集中的問題。同時進行鋼筋外徑熱力鐓粗，大幅提升鋼筋連接的力學性能。同時有利于鋼筋加工自動化作業，大幅提高施工效率。

根據鐓粗過程頭部是否有模具限定外形來分，可以大體分為自由鐓粗以及模鍛鐓粗以及二者結合的組合鐓粗方式。自由鐓粗其頭部變形沒有約束，成型質量較差。對于模鍛鐓粗方式，工件再模具的約束下進行變形，精度較高。此外，還有同時采用自由鐓粗與模鍛鐓粗的組合鐓粗方式。

目前存在的線材鐓粗方法較多較雜，系統分析各種線材鐓粗方法及其發展脈絡具有較大的應用價值，能夠為以后的實際工業生產提供理論支持。因此該文從專利庫進行全面檢索，對線材鐓粗方法進行系統分析，總結其技術分支以及發展情況，分析該領域難點及解決方案，以期為該領域的技術發展提供一定的借鑒意義。

2 線材的鐓粗技術專利申請狀況分析

2.1 線材的鐓粗技術全球/中國專利申請量數據變化

線材鐓粗的申請量發展包括以下4 個階段：1）起步階段。專利數據庫中已知最早的線材鐓粗領域的專利申請出現在1906 年，但之后發展緩慢，隨后的50 年內在領域僅申請了16 件專利，該階段各國的專利政策并不成熟，影響了專利申請量的增長。2）平穩增長階段。20 世紀60 年代開始到80 年代末，申請量開始上升，在70～80 年代，申請量開始穩步增長，且1976 年達到申請量的一個小高潮。3）回落階段。19 世紀90 年代后直到2011 年之前，申請量出現回落，除了1999 年申請量出現一個小高峰之外，年申請量均不高，平均一年僅申請5 件專利。這個階段各發達國家技術水平已經比較穩定，線材鐓粗技術趨于成熟，很少有較新的專利技術出現。4）迅猛發展階段。2011 年后，該領域專利申請數量出現了激增，在2017 年甚至達到了年申請量65 件。在這個階段內，中國專利技術發展迅速，在全球專利申請中占據最重要的地位。

2.2 線材的鐓粗技術專利申請國別分布

圖1 為主要國家線材鐓粗領域的專利申請分布情況，由圖可知，日本、德國、美國、英國等歐洲各國以及前蘇聯作為老牌強國，專利申請量在上個世紀占了較大比重，具有舉足輕重的地位，此外韓國后來居上也申請較多專利。中國雖然在該領域起步較晚，但是近年來的發展十分迅猛，專利申請數量遙遙領先。緊隨中國之后的就是日本，得益于長期的技術積累，日本在這一領域仍然占據了重要的地位，與中國共同組成該項技術申請的主要來源國，中日兩國申請量占據總申請量的61%。

2.3 線材的鐓粗技術中國專利分析

進入21 世紀，國內在線材鐓粗技術領域有了長足的發展，專利申請量急速上升并遙遙領先，因此有必要對國內專利的發展情況進行以下分析。

中國在該領域的起步非常晚，直到2000 年以后，中國線材鐓粗技術申請數量才開始緩慢增長，并在2011 年后開始急速上升，2017 年申請量達到頂峰。21 世紀是中國專利申請的春天，并且在2010 年后迎來了發展的最佳時機，中國對專利的關注帶給企業和個人非常好的專利申請氛圍，促進了技術的進步。

3 線材的鐓粗重點技術分布

根據鐓粗前以及鐓粗時的溫度不同，可以分為冷鐓粗和熱鐓粗。筆者分別選取各個年代具有代表性的重要專利，分析線材鐓粗溫度技術發展，找出線材鐓粗溫度技術重點關注的內容進行改進。

3.1 線材冷鐓粗

圖1 主要國家專利申請分布情況

冷鐓就是利用金屬的塑性，采用冷態力學進行施壓或冷拔，達到金屬固態變形的目的，在室溫下把棒材或線材的頂部加粗的鍛造成形方法。鍛坯材料可以是銅、鋁、碳鋼、合金鋼、不銹鋼和鈦合金等，材料利用率可達80%～90%。冷鐓多在專用的冷鐓機上進行，能順序完成切料、鐓頭、聚積、成形、倒角、搓絲、縮徑和切邊等工序。冷鐓的線材表面比較光滑比較漂亮，沒有氧化皮，且冷鐓制造的生產效率比熱鐓高，因此在專利申請中也較為多見。

3.2 線材熱鐓粗

線材熱鐓粗是機械制造工業中一種少或無切屑的精密鍛造工藝。該工藝材料利用率高，生產效率高，能源消耗低。它是原材料在經過加溫后工件局部發熱，然后在鐓粗壓力持續作用下變形。雖然其表面質量不如冷鐓粗產品的表面質量好，效率也一般低于冷鐓粗加工，但是對于較難變形的金屬材料的加工以及較大尺寸線材產品的加工，熱鐓粗具有更好的加工效果。

線材熱鐓粗技術從最初的簡單加熱后進行鐓粗，到采用加熱后的多步鐓粗以提高鐓粗性能，再到精確控制鐓粗過程的溫度、壓力等參數，發展越來越成熟，由于精細的參數控制技術的使用，線材鐓粗質量得到了進一步的提高。

在線材鐓粗技術中，冷鐓粗和熱鐓粗均應用廣泛，兩者各有優缺點，且從19 世紀初開始發展到現在，均已發展得較為成熟。線材冷鐓粗已經實現了整個鐓粗過程的自動控制一體化生產，線材熱鐓粗也對工件的加熱溫度實現了精細控制，都能提高工作效率且得到質量較高的線材鐓粗產品。

3.3 線材鐓粗模具

線材鐓粗模具種類繁多，經過近百年的發展，已經越來越完善。筆者分別選取各個年代具有代表性的重要專利，分析線材鐓粗模具的發展，找出線材鐓粗模具領域重點關注的內容以及做出的改進。

線材鐓粗模具領域，早期采用簡單的分體夾具對線材夾持后進行鐓粗；隨后出現的比較典型的電極加熱鐓粗模具，其采用了線材兩端用電極進行夾持的方式，對線材進行夾持以及加熱，并對端部電機施加壓力進行鐓粗；此后，自由鐓粗模具盛行，其采用在夾具中設置通道放置線材，并在通道正上方設置中空的套筒的方式，沖頭穿過套筒對線材進行鐓粗，鐓粗過程中線材的頭部并未受約束，最終頭部在套筒和夾具之間成型。這種成型方式沖頭的運行較為穩定，但是線材頭部的外形成型精度不高；此后出現的線材鐓粗部位在模具的約束下進行模鍛鐓粗成型的技術方案，線材在成形上模和夾具的共同約束下加工成型，線材頭部外形結構被模具進行了良好的約束，因此頭部外形的精度更高，形狀更加符合要求。

通過線材鐓粗模具的發展過程分析可以發現，線材鐓粗模具從開始的簡單模具裝夾后鐓粗發展到模具裝夾后進行頭部自由鐓粗，再發展到線材頭部在模具約束下進行模鍛成形，以及自由鐓粗與模鍛鐓粗相結合的方式，其成形質量日益提高。隨后發展為降低線材變形開裂與提高模具壽命而采用分步鐓粗的方式進行線材頭部成型，這種成型方式也降低了鐓粗過程中失穩現象的發生。近幾年的研究向精細化方向發展，例如對線材鐓粗后的表面光滑度提出了更高的要求，對線材頭部分步鐓粗的每次鐓粗變形都進行外形控制，提高變形后的表面質量[1]。且中國的研究傾向于在現有的鐓粗模具技術基礎上，進一步提高自動控制、一體化成型以及提高效率這一方面，為線材鐓粗技術發展做出重要貢獻。

4 結語

綜上所述，線材冷鐓粗技術出現得較早，且發展較為成熟。從最初的人工送料、手動控制鐓鍛，已經逐步實現了自動送料、電子控制以及一體化生產，大大提高了加工效率。線材熱鐓粗技術從最初的簡單加熱后進行鐓粗，到采用加熱后的多步鐓粗以提高鐓粗性能，再到精確控制鐓粗過程的溫度、壓力等參數，發展越來越成熟。線材鐓粗模具從開始的簡單模具裝夾，再發展到線材頭部在模具約束下進行模鍛成形，以及自由鐓粗與模鍛鐓粗相結合的方式，其成型質量日益提高。近幾年的研究向精細化方向發展，對線材頭部分步鐓粗的每次鐓粗變形都進行外形控制，提高變形后的表面質量。且中國的研究傾向于在現有的鐓粗模具技術基礎上，進一步提高自動控制、一體化成型以及提高效率這一方面，為線材鐓粗技術發展做出重要貢獻。