线材镦粗技术发展趋势的研究

安 超 姚寅群

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

0 引言

镦粗是使坯料高度减小而横截面增大的锻造工序，如果使坯料局部截面增大则称为局部镦粗。镦粗在线材领域起到了非常重要的作用，特别是对于建筑用钢筋等线材，钢筋螺纹头加工的可靠性及适用性对建筑工业化的推进起到了举足轻重的作用。镦粗可以获得需要的头部外形以及结构，还可以通过头部的加工，实现与其他部件的连接。例如，可以将钢筋端部墩粗，镦粗的同时进行螺纹加工，或者镦粗后再利用专用机床对墩粗段进行套丝加工，利用带内螺纹的连接套筒，实现了将二根钢筋连接起来的技术效果。

1 线材的镦粗工艺分类

目前使用的镦粗方法工艺手段多种多样，根据镦粗温度，主要分为冷镦粗和热镦粗两大类。冷镦粗对钢筋的延性要求高，对延性较低的钢筋，镦粗质量较难控制，易产生脆断现象。热镦粗使用热力快速成型的方式，解决了传统冷加工造成的钢筋连接件抗拉强度减弱及螺纹薄弱处应力集中的问题。同时进行钢筋外径热力镦粗，大幅提升钢筋连接的力学性能。同时有利于钢筋加工自动化作业，大幅提高施工效率。

根据镦粗过程头部是否有模具限定外形来分，可以大体分为自由镦粗以及模锻镦粗以及二者结合的组合镦粗方式。自由镦粗其头部变形没有约束，成型质量较差。对于模锻镦粗方式，工件再模具的约束下进行变形，精度较高。此外，还有同时采用自由镦粗与模锻镦粗的组合镦粗方式。

目前存在的线材镦粗方法较多较杂，系统分析各种线材镦粗方法及其发展脉络具有较大的应用价值，能够为以后的实际工业生产提供理论支持。因此该文从专利库进行全面检索，对线材镦粗方法进行系统分析，总结其技术分支以及发展情况，分析该领域难点及解决方案，以期为该领域的技术发展提供一定的借鉴意义。

2 线材的镦粗技术专利申请状况分析

2.1 线材的镦粗技术全球/中国专利申请量数据变化

线材镦粗的申请量发展包括以下4 个阶段：1）起步阶段。专利数据库中已知最早的线材镦粗领域的专利申请出现在1906 年，但之后发展缓慢，随后的50 年内在领域仅申请了16 件专利，该阶段各国的专利政策并不成熟，影响了专利申请量的增长。2）平稳增长阶段。20 世纪60 年代开始到80 年代末，申请量开始上升，在70～80 年代，申请量开始稳步增长，且1976 年达到申请量的一个小高潮。3）回落阶段。19 世纪90 年代后直到2011 年之前，申请量出现回落，除了1999 年申请量出现一个小高峰之外，年申请量均不高，平均一年仅申请5 件专利。这个阶段各发达国家技术水平已经比较稳定，线材镦粗技术趋于成熟，很少有较新的专利技术出现。4）迅猛发展阶段。2011 年后，该领域专利申请数量出现了激增，在2017 年甚至达到了年申请量65 件。在这个阶段内，中国专利技术发展迅速，在全球专利申请中占据最重要的地位。

2.2 线材的镦粗技术专利申请国别分布

图1 为主要国家线材镦粗领域的专利申请分布情况，由图可知，日本、德国、美国、英国等欧洲各国以及前苏联作为老牌强国，专利申请量在上个世纪占了较大比重，具有举足轻重的地位，此外韩国后来居上也申请较多专利。中国虽然在该领域起步较晚，但是近年来的发展十分迅猛，专利申请数量遥遥领先。紧随中国之后的就是日本，得益于长期的技术积累，日本在这一领域仍然占据了重要的地位，与中国共同组成该项技术申请的主要来源国，中日两国申请量占据总申请量的61%。

2.3 线材的镦粗技术中国专利分析

进入21 世纪，国内在线材镦粗技术领域有了长足的发展，专利申请量急速上升并遥遥领先，因此有必要对国内专利的发展情况进行以下分析。

中国在该领域的起步非常晚，直到2000 年以后，中国线材镦粗技术申请数量才开始缓慢增长，并在2011 年后开始急速上升，2017 年申请量达到顶峰。21 世纪是中国专利申请的春天，并且在2010 年后迎来了发展的最佳时机，中国对专利的关注带给企业和个人非常好的专利申请氛围，促进了技术的进步。

3 线材的镦粗重点技术分布

根据镦粗前以及镦粗时的温度不同，可以分为冷镦粗和热镦粗。笔者分别选取各个年代具有代表性的重要专利，分析线材镦粗温度技术发展，找出线材镦粗温度技术重点关注的内容进行改进。

3.1 线材冷镦粗

图1 主要国家专利申请分布情况

冷镦就是利用金属的塑性，采用冷态力学进行施压或冷拔，达到金属固态变形的目的，在室温下把棒材或线材的顶部加粗的锻造成形方法。锻坯材料可以是铜、铝、碳钢、合金钢、不锈钢和钛合金等，材料利用率可达80%～90%。冷镦多在专用的冷镦机上进行，能顺序完成切料、镦头、聚积、成形、倒角、搓丝、缩径和切边等工序。冷镦的线材表面比较光滑比较漂亮，没有氧化皮，且冷镦制造的生产效率比热镦高，因此在专利申请中也较为多见。

3.2 线材热镦粗

线材热镦粗是机械制造工业中一种少或无切屑的精密锻造工艺。该工艺材料利用率高，生产效率高，能源消耗低。它是原材料在经过加温后工件局部发热，然后在镦粗压力持续作用下变形。虽然其表面质量不如冷镦粗产品的表面质量好，效率也一般低于冷镦粗加工，但是对于较难变形的金属材料的加工以及较大尺寸线材产品的加工，热镦粗具有更好的加工效果。

线材热镦粗技术从最初的简单加热后进行镦粗，到采用加热后的多步镦粗以提高镦粗性能，再到精确控制镦粗过程的温度、压力等参数，发展越来越成熟，由于精细的参数控制技术的使用，线材镦粗质量得到了进一步的提高。

在线材镦粗技术中，冷镦粗和热镦粗均应用广泛，两者各有优缺点，且从19 世纪初开始发展到现在，均已发展得较为成熟。线材冷镦粗已经实现了整个镦粗过程的自动控制一体化生产，线材热镦粗也对工件的加热温度实现了精细控制，都能提高工作效率且得到质量较高的线材镦粗产品。

3.3 线材镦粗模具

线材镦粗模具种类繁多，经过近百年的发展，已经越来越完善。笔者分别选取各个年代具有代表性的重要专利，分析线材镦粗模具的发展，找出线材镦粗模具领域重点关注的内容以及做出的改进。

线材镦粗模具领域，早期采用简单的分体夹具对线材夹持后进行镦粗；随后出现的比较典型的电极加热镦粗模具，其采用了线材两端用电极进行夹持的方式，对线材进行夹持以及加热，并对端部电机施加压力进行镦粗；此后，自由镦粗模具盛行，其采用在夹具中设置通道放置线材，并在通道正上方设置中空的套筒的方式，冲头穿过套筒对线材进行镦粗，镦粗过程中线材的头部并未受约束，最终头部在套筒和夹具之间成型。这种成型方式冲头的运行较为稳定，但是线材头部的外形成型精度不高；此后出现的线材镦粗部位在模具的约束下进行模锻镦粗成型的技术方案，线材在成形上模和夹具的共同约束下加工成型，线材头部外形结构被模具进行了良好的约束，因此头部外形的精度更高，形状更加符合要求。

通过线材镦粗模具的发展过程分析可以发现，线材镦粗模具从开始的简单模具装夹后镦粗发展到模具装夹后进行头部自由镦粗，再发展到线材头部在模具约束下进行模锻成形，以及自由镦粗与模锻镦粗相结合的方式，其成形质量日益提高。随后发展为降低线材变形开裂与提高模具寿命而采用分步镦粗的方式进行线材头部成型，这种成型方式也降低了镦粗过程中失稳现象的发生。近几年的研究向精细化方向发展，例如对线材镦粗后的表面光滑度提出了更高的要求，对线材头部分步镦粗的每次镦粗变形都进行外形控制，提高变形后的表面质量[1]。且中国的研究倾向于在现有的镦粗模具技术基础上，进一步提高自动控制、一体化成型以及提高效率这一方面，为线材镦粗技术发展做出重要贡献。

4 结语

综上所述，线材冷镦粗技术出现得较早，且发展较为成熟。从最初的人工送料、手动控制镦锻，已经逐步实现了自动送料、电子控制以及一体化生产，大大提高了加工效率。线材热镦粗技术从最初的简单加热后进行镦粗，到采用加热后的多步镦粗以提高镦粗性能，再到精确控制镦粗过程的温度、压力等参数，发展越来越成熟。线材镦粗模具从开始的简单模具装夹，再发展到线材头部在模具约束下进行模锻成形，以及自由镦粗与模锻镦粗相结合的方式，其成型质量日益提高。近几年的研究向精细化方向发展，对线材头部分步镦粗的每次镦粗变形都进行外形控制，提高变形后的表面质量。且中国的研究倾向于在现有的镦粗模具技术基础上，进一步提高自动控制、一体化成型以及提高效率这一方面，为线材镦粗技术发展做出重要贡献。