范淑琴，王可心，丘铭军,2，赵升吨,，王永飞，陈超

先进成形技术与装备专题

建筑用钢筋端头螺纹的高效精密滚压工艺及设备特性的研究现状

范淑琴1，王可心1，丘铭军1,2，赵升吨1,3，王永飞1，陈超3

（1.西安交通大学 机械工程学院，西安 710049；2.中国重型机械研究院股份公司，西安 710032；3.中南大学 轻合金研究院，长沙 410083）

钢筋混凝土结构在大型建筑、道路桥梁、机场码头、核电等领域应用广泛，市场上高大工程建筑对大直径、超长钢筋的需求持续增加，超长钢筋由多根钢筋通过螺纹连接构成，实现每根钢筋连接端头螺纹的高效精密成形至关重要，是目前迫切需要解决的难题。分析了国内外钢筋两端螺纹的制造工艺，论述了钢筋端头螺纹滚压塑性成形的基本原理和工艺过程，对钢筋连接端头的剥肋尺寸、滚压模具的结构、工件与滚压模具之间的轴向运动以及滚压成形前模具的相位要求等多方面的问题进行了总结；对目前国内外钢筋端头螺纹滚压设备的基本原理、工作过程及其特点进行了总结，从而为建筑用钢筋两端螺纹的高效精密滚压成形工艺和设备技术的提升与推广奠定良好的基础。

建筑工业；钢筋；螺纹；滚压工艺；设备

2009年，我国的钢铁产量跃居到了世界第1位。我国每年都会消耗大量的钢材，其中，钢筋的消耗量于2020年达到了26 639.1万t。与其他的建筑结构相比，钢筋混凝土结构具有较好的抗震、抗腐蚀以及抗疲劳性能，且成本更低、质量稳定性更好。近年来，钢筋混凝土结构在我国获得了广泛应用（如图1所示），采用钢筋混凝土结构的房屋建筑比例高达90%以上[1]。

图1 钢筋的应用

在使用钢筋搭建混凝土结构时，为了保证力传递的连续性，需要将钢筋进行连接，以形成完整的受力体系，钢筋连接形式有绑扎搭接、焊接和机械连接。在机械连接方式中，只有螺纹连接可以适应不同方向上钢筋高性能快速连接的需求[2]，满足粗钢筋的传力性能要求。而在相同的强度要求下，采用大直径钢筋能够有效地减少钢筋的消耗量[3]，提高建筑空间的利用率，提升工程质量，从而提高经济效益，加速钢筋产业升级。因此，目前市场上高大工程建筑对大直径、超长钢筋的需求持续增加[4-8]。

传统切削加工螺纹割断了钢材纤维传力的方向，影响了钢筋端头强度，难以满足大直径钢筋螺纹的加工要求，迫切需要一种高效精密的钢筋端头螺纹塑性成形工艺及设备[9]。为此，文中论述了钢筋端头螺纹滚压塑性成形工艺的基本原理和工艺过程，针对钢筋剥肋、滚压模具结构、工件与滚压模具之间的轴向运动、滚压成形前模具的相位要求等问题进行了系统研究，并对目前国内外钢筋端头螺纹滚压设备的基本原理、工作过程及其特点进行了分析，从而为建筑钢筋端头螺纹的高效精密滚压成形工艺和设备技术的推广与提升奠定良好的基础。

1 钢筋端头螺纹连接方式

目前，国内常见的钢筋机械连接方式有锥螺纹连接、镦粗直螺纹连接和滚压直螺纹连接[10]，如图2所示。其中，滚压直螺纹连接比另外2种更具优势，其原理是在钢筋端头滚压制作直螺纹并和套筒螺纹咬合形成接头，滚压直螺纹包括直接滚压螺纹、挤压肋滚压螺纹和剥肋滚压螺纹3种类型[11]。

1.1 锥螺纹连接

锥螺纹连接依靠钢筋端部的锥状外螺纹以及套筒内相应的锥状内螺纹实现咬合传力，可以适应不同条件下的钢筋连接，例如正反丝扣型、异径型等接头形式，提高了施工适应性，如图2a所示。但是锥螺纹的螺纹直径不是定值而是渐变的，螺纹加工的形状和尺寸偏差较难控制，配合精度较差，且在锥螺纹连接时对拧紧力矩的要求较高。此外，切削加工切断了金属材料的纤维组织，也影响了螺纹处材料的强度。因此锥螺纹传力的可靠性差，易发生“倒牙”和“拔出”等情况。

图2 钢筋机械连接形式[12]

1.2 镦粗直螺纹连接

镦粗直螺纹连接是一种将钢筋端部进行镦粗，加大钢筋端部截面积23%～45%后再切削加工螺纹，最后将钢筋端部旋入带有与之配合的内螺纹的钢制套筒内实现钢筋连接的方法，如图2b所示。镦粗直螺纹连接可以克服锥螺纹连接的缺陷，由于预先采用了镦粗的方法，钢筋端头外径加大，克服了由于减小钢筋截面而造成的接头处钢筋强度下降的问题，从而提高了承载力。但是镦粗改变了钢材的微观组织，切削加工又切断了纤维组织，影响了传力性能，导致钢筋延性降低，易在接头区域的镦粗段发生脆断。

1.3 滚压直螺纹连接

滚压直螺纹连接是通过在钢筋端头滚压直螺纹并和套筒螺纹咬合形成接头的方法，如图2c所示。螺纹滚压是一种无切削加工方法，金属在滚压模具的作用下产生塑性变形。与传统的切削螺纹相比，滚压螺纹表面存在冷作硬化层，使疲劳强度提高了20%～40%，抗拉强度提高了20%～30%，抗剪强度提高了5%[12-13]。此外，滚压螺纹的表面质量较好，生产效率也较高，适合大批量生产。

目前，国内常见的钢筋连接接头的滚压直螺纹有3种类型：直接滚压螺纹、挤压肋滚压螺纹和剥肋滚压螺纹[14]。钢筋端头直螺纹连接实物见图3。

1）直接滚压直螺纹。直接滚压直螺纹成形技术是将2根待连接钢筋的两端直接滚压成形直螺纹，并与套筒内螺纹咬合形成连接的加工方法[15]。由于钢筋肋的存在，成形出的螺纹精度差，存在虚假螺纹现象，并且会降低滚压模具的使用寿命。此外，钢筋的实际直径与公称直径存在偏差，导致螺纹直径大小不一致，套筒与钢筋端头连接时松紧不一，影响连接质量。

2）挤压肋滚压直螺纹。挤压肋滚压直螺纹成形技术是预先对钢筋表面的纵、横肋压平后再进行滚压螺纹的加工方法。与直接滚压相比，它减轻了钢筋肋对成形螺纹精度和质量的影响[16]，但仍不能从根本上解决钢筋实际直径存在的偏差对螺纹质量的影响。

图3 钢筋端头直螺纹连接实物

3）剥肋滚压直螺纹。剥肋滚压直螺纹成形技术是先将钢筋端部的横肋和纵肋进行剥切处理，使钢筋滚丝前的柱体直径达到同一尺寸，然后再进行螺纹滚压成形的加工方法，如图4所示。其原理如下[17]：利用滚压模具的作用使钢筋端部产生塑性变形，在冷作硬化作用下，塑性变形后的钢筋端头强度比母材强度有所提高。该技术可广泛应用于直径16～50 mm的HRB400、HRB500高强钢筋的连接[18]。

图4 钢筋端头剥肋与螺纹滚压成形过程

剥肋滚压直螺纹与直接滚压直螺纹、挤压肋滚压直螺纹成形技术相比具有以下优点：（1）螺纹牙型好、精度高，螺纹直径大小一致，易于装配，连接质量高，螺纹具有良好的抗疲劳性能；（2）滚压模具寿命长，相比直接滚压工艺，其寿命可提高8～10倍；（3）抗低温性能好，在−40 ℃低温下试验时，接头仍可实现与母材等强度连接。

2 钢筋端头剥肋滚压直螺纹

2.1 剥肋尺寸求解方法

在钢筋端头剥肋与螺纹滚压成形中，剥肋尺寸（滚压螺纹前的端头光圆钢筋直径）对滚压成形过程中的稳定性和成形质量具有决定性影响。

剥肋尺寸过小，螺纹牙型填充不饱满，无法实现钢筋的等强度连接；剥肋尺寸过大，模具所受滚压力、滚压扭矩剧增，造成滚压模具寿命下降和设备损坏等问题。因此，滚压前的剥肋尺寸需满足一定条件。

圆顶圆底滚压模具螺纹示意图如图5所示，根据塑性变形体积不变原则，认为处的材料被不断地移动到处[19-21]。为适应不同的生产条件和不同的螺纹滚压要求，滚压模具牙型分为圆顶平底形、平顶平底形和圆顶圆底形，剥肋尺寸的计算公式也有所不同[22-25]。

图5 圆顶圆底滚压模具螺纹示意图[21]

圆顶圆底滚丝轮剥肋尺寸的计算见式（1）。

式中：0为剥肋尺寸，mm；2为工件螺纹中径，mm；为工件螺距，mm；m为牙顶圆弧半径，mm；n为牙底圆弧半径，mm；w为工件螺纹大径，mm；为材料系数，对于钢筋材料=0.1；为被滚压螺纹毛坯直径公差，mm。

2.2 滚压模具设计

在滚压工艺系统中，模具数量对螺纹件成形质量、工作扭矩、模具寿命及成形稳定性等有一定影响[26-28]。在三滚丝轮滚压时，滚压模具沿坯料圆周均布，坯料在滚压过程中受力平衡，不需要定位支撑，具有自定心优势[29]。

当滚压模具个数≥3时，滚压模具直径会受到一定的尺寸限制，对于三滚丝轮滚压螺纹，可能在滚丝轮还没有达到工件牙底时，直径小的工件的滚丝轮就已经互相干涉[30]。如图6所示，三滚丝轮不发生干涉的条件为：

(4)

图6 三滚丝轮滚压示意图

2.3 工件与滚压模具的相对滑动

当采用有轴向送进的螺纹滚压方法时，滚压模具的螺纹升角和工件的螺纹升角必须不同，滚压模具与工件之间才会产生相对轴向运动[31-33]。

图7展示了工件与滚压模具之间的相对轴向运动，图中实线代表工件，虚线代表滚压模具，当工件的自转速度为s时，滚压模具自转速度的计算见式（5）[34]。

式中：nd为滚压模具自转速度，r/min；d2为工件螺纹中径，mm；D2为滚压模具中径，mm；ns为工件自转速度，r/min。

在钢筋端头螺纹滚压成形时，由于钢筋的长度较大，将钢筋固定不动更方便，此时上述工件自转速度s等效为滚压模具绕工件公转的速度，滚压模具与工件螺纹升角的差异使滚压成形过程中滚压模具在工件摩擦力的带动下做轴向自进给运动，滚压模具每公转一周与工件产生的轴向位移见式（6）。

式中：1为工件螺纹的头数；2为滚压模具螺纹的头数；为滚压模具与工件螺纹螺距，mm；1为工件螺纹升角；2为滚压模具螺纹升角。

滚压模具与工件之间的轴向进给速度的计算见式（7）。

2.4 滚压成形前模具的位置要求

当采用多模具螺纹滚压时，每个模具都会在工件表面滚压出一条螺旋线，如图8a所示，未对牙的滚压模具会在工件表面产生错齿，为了保证每个模具滚压的螺纹都能够良好衔接，滚压成形前需对模具进行初始位置的调整，即“对牙”，图8b为对牙后的模具滚压成形的螺纹[35]。

图8 不同滚压模具牙型位置下滚压出的螺纹成形结果[14]

当工件螺纹头数为w时，滚压模具上任意一点沿轴向移动一个螺距，则滚压模具的公转角度为：

个滚压模具沿工件圆周均匀分布，相邻两模具间的圆周角为：

滚压模具公转过角度后，相对于工件沿轴向产生的位移1的计算见式（10）。

为了使滚压模具公转过角度后，上一滚压模具的啮合点与下一滚压模具的啮合点重合，下一滚压模具相对上一滚压模具的螺纹应该沿工件轴线方向错开距离1。常用调整滚压模具初始位置的方法有轴向偏移法和模具旋转法2种[36-37]。轴向偏移法是在滚压模具端面放置厚度为1的垫片以改变不同模具的相对轴向位置[38]，这种方法操作简便，但当滚压模具螺距、头数、个数改变时，则需要准备不同厚度的垫片，且在加工过程中由于滚压模具受到轴向力，垫片产生一定的磨损，垫片厚度改变会影响加工精度[39]。模具旋转法是在多模具滚压中，在滚压成形开始前旋转滚压模具至一定角度，改变其相位使多个模具间产生一定的相位差，以实现对牙。范淑琴等[40]基于螺纹滚压成形过程中模具和工件螺纹啮合点的运动特征，推导出不同参数下滚丝轮相位调整角的计算公式，如式（11）所示，图9为模具相位调整位置图，其中实线表示滚压模具的初始位置、虚线表示调整后的最终滚压位置。

式中：w为工件螺纹头数；d为滚压模具螺纹头数；为滚压模具个数。

图9 模具相位调整位置图

3 钢筋端头螺纹成形设备

现有大型钢筋滚丝机的工作原理是采用工件固定不动，剥肋机构和滚压机构分别由2个电动机驱动，依次完成剥肋和滚压2道工序。德国AKEA公司Akea GA全自动和Akea GEM系列半自动钢筋端头螺纹滚压设备如图10所示，Akea GEM系列是高效半自动金属加工设备，用于在管材、钢筋上进行倒角、剥肋、滚压和端面加工，可滚压12～56 mm直径的材料，工件经操作员手动装载后由机器自动执行车削和螺纹滚压操作，其中车削与螺纹滚压机构分别固定在可平移的机构上，完成车削工艺后车削装置退出，平台移动完成下一步的螺纹滚压工艺。Akea GA系列是高生产率全自动金属加工机，可滚压直径为12～100 mm的钢筋，工件经分拣装置自动分拣后分别完成车削与滚压操作，完成后自动码垛，该设备大大提高了螺纹滚压的自动化程度和生产效率。

图10 德国阿凯亚（AKEA）公司滚压设备

Fig.10Rolling equipment of Germany Akea (AKEA) Company

通过标准车床或加工中心也可实现钢筋端头螺纹的滚压加工，标准车床钢筋端头螺纹滚压设备如图11所示，工件由三爪卡盘夹持并旋转，车刀与滚压头安装在同一圆盘上沿直线向卡盘移动[41]。该设备适合加工短棒料，加工旋转长杆时安全性低，会产生机器损坏等问题，并且由于钢筋肋的存在，钢筋表面形状的不规则会产生动量冲击，即使在较低的转速下也无法保证加工质量。

图11 标准车床钢筋端头螺纹滚压设备

Wang等[42]设计了一种带有预压装置的钢筋剥肋滚丝机，预压装置通过在未加工钢筋的一端压缩形成预压环形槽，在控制单元的控制下，基座将车削与滚压机构移动到钢筋的端部，依次执行车削和滚丝工艺。预压环形槽有助于现场检查螺纹质量，并防止加工机构中的滚丝模具与钢筋发生肋接触而因此受到损坏。

我国在剥肋滚压直螺纹接头加工设备、工艺等方面也取得了较多创新成果[43-46]，研发的钢筋端头剥肋滚压直螺纹设备的质量及体积仅为国外的1/4～1/3，方便在施工现场对钢筋完成快速连接，可以有效缩短工期，在国际市场中具有较强竞争力。

由中国建筑科学研究院凯博公司研发的钢筋螺纹自动化成套加工生产线如图12所示，该生产线将钢筋剥肋和螺纹滚压2个工艺在不同的设备上完成，形成了自动化流水线作业，实现了每分钟加工4～6根丝头的高效自动化生产[47-48]。张敏等[49]就钢筋滚压直螺纹丝头长度精准控制技术进行了研究，在传统滚丝机基础上增加了气缸、限位卡具、电磁阀、PLC和继电器等装置，实现了直螺纹丝头智能化加工，解决了钢筋在滚压后直螺纹丝头长度不一的问题。

图12 钢筋螺纹自动化生产加工线[47]

我国邦程机械开发的HGS45型钢筋滚丝机如图13所示，剥肋机构和滚压机构安装在同一主轴上，电机、减速器带动剥肋滚压机构旋转，进给机构带动剥肋滚压机构移动对钢筋进行加工，可加工16～ 40 mm直径的钢筋[50]。大同市建航机械制造有限公司提供了一种外螺纹滚压设备及其螺纹滚压方法，能够满足不同直径工件（如钢筋滚丝）的加工需求。

图13 HGS45型钢筋剥肋滚丝机

图14为台湾LIKEST公司开发的钢筋端头滚压设备，该设备的剥肋机构和滚压机构是相互独立的，剥肋机构完成钢筋剥肋后就退出工位，滚压机构开始工作，完成钢筋螺纹滚压成形，螺纹滚压直径的加工范围为10～40 mm。

对国内外典型设备的技术指标进行总结，如表1所示，可以看出，国外设备的自动化程度更高，集合了倒角、剥肋、滚压和端面加工工序，但设备庞大，不适合建筑工地的环境，并且对工人的技术要求更高，而我国研发的钢筋端头剥肋滚压直螺纹设备的质量及体积仅为国外的1/4～1/3，更适合建筑工地钢筋端头螺纹随用随滚的需求。

图14 台湾LIKEST公司的钢筋螺纹滚压设备

表1 国内外钢筋螺纹滚压设备的指标对比

Tab.1 Index comparison of steel bar thread rolling equipment at home and abroad

4 结论

1）与直接滚压直螺纹、挤压肋滚压直螺纹成形技术相比，钢筋端头剥肋滚压直螺纹成形工艺下的螺纹牙型好、精度高，具有更好的表面质量，螺纹直径大小一致性提高，易于装配，能够保证连接质量。

2）在钢筋端头剥肋与螺纹滚压成形时，滚压前的剥肋尺寸需满足一定条件，此外采用三滚丝轮滚压时，滚压模具沿坯料圆周均布，坯料在滚压过程中受力平衡，不需要定位支撑，具有自定心优势，设计模具时应满足滚丝轮不发生干涉的条件。

3）采用有轴向送进的螺纹滚压方法时，滚压模具的螺纹升角和工件的螺纹升角必须不同，滚压模具与工件之间才会产生相对轴向运动；采用多模具螺纹滚压时，为了保证每个模具滚压出的螺纹都能够良好衔接，滚压成形前需对模具进行初始位置的调整。

4）钢筋端头剥肋滚压直螺纹设备主要有2种类型：一种是将钢筋剥肋机构和螺纹滚压机构相互独立设置，剥肋机构完成钢筋剥肋后退出，然后滚压装置开始工作，完成钢筋端头的螺纹加工；另外一种是将剥肋机构和滚压机构安装在同一主轴上，电机、减速器带动剥肋滚压机构旋转，进给机构带动剥肋滚压机构移动，完成钢筋端头的剥肋滚压成形。

5）国外发达国家的半自动钢筋端头螺纹滚压设备对移动台行程精度要求较高，移动台需要精确地停在工件前面，这大大增加了设备成本，对建筑工业来说设备价格过于昂贵。此外，该设备复杂程度高，需要在建筑工地配备专业技术人员，且设备体积庞大，无法适应建筑工地的恶劣环境。我国钢筋端头剥肋滚压直螺纹设备的质量及体积仅为国外的1/4～1/3，方便在施工现场完成快速连接，有效缩短了工期，在国际市场中具有较强竞争力。

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Research Status of High-efficient and Precise Rolling Process and Equipment of Steel Bar End Threads for Construction

FAN Shu-qin1, WANG Ke-xin1, QIU Ming-jun1,2, ZHAO Sheng-dun1,3, WANG Yong-fei1, CHEN Chao3

(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 2. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032, China; 3. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

Reinforced concrete structures are widely used in large buildings, roads and bridges, airport terminals, nuclear power stations, and other famous architectural fields. With the continuous growth of the demand for large-diameter and extra-long steel bars in tall engineering buildings on the market, it is urgent and vital to realize the high-efficient and precise manufacturing of threads at both ends of each steel bar since multiple steel bars are connected through threads. The manufacturing process of threads at both ends of steel bar at home and abroad was analyzed. The basic principle and process of rolling and plastic forming of steel bar end threads were discussed. The problems such as the stripping rib size of steel bar connection end, the structure of rolling die, the axial movement between workpiece and rolling die, and the phase requirement of die before rolling forming were summarized. The basic principle, working process and characteristics of the rolling equipment for steel bar end threads at home and abroad were further concluded, thus laying a good foundation for the promotion and popularization of high-efficient and precise rolling forming technology and equipment technology for two end threads of building steel bars.

construction industry; steel bar; thread; rolling process; equipment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.001

TG335

A

1674-6457(2022)07-0001-10

2022–03–23

国家自然科学基金联合重点基金项目（U1937203）；国家自然科学基金青年项目（52105397）；西安交通大学金属材料强度国家重点实验室开放研究项目（1991DA105206）；湖南省“湖湘高层次人才”项目（2021RC5001）

范淑琴（1977—），女，博士，副教授，主要研究方向为塑性加工工艺与设备。

赵升吨（1962—），男，博士，教授，主要研究方向为塑性加工工艺与设备。

责任编辑：蒋红晨