具体实施方式

下面将结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

根据本发明的实施例，提供了一种用于穿孔的顶杆，顶杆在工作过程中承受顶头传递过来的压力和扭转力，在匀速穿孔过程中主要是压力会对顶杆造成不稳影响。

顶杆为空心钢管。顶杆作为细长杆件，长度L远大于界面高度(壁厚) h，即L>>h，最大弯曲正应力远大于弯曲切应力。根据弯曲正应力强度条件公式(1)，可知抗弯截面系数W_z越大，所能承受的压力越大，越稳定。式中：σ_max指杆件所能承受的截面最大正应力强度(抗弯强度)(N/m²)，M指杆件所承受的弯曲力矩(N*m)，W_z指杆件的抗弯截面系数(m³)，[σ]指杆件所能承受的截面允许正应力(强度)(N/m²)。抗弯截面系数作为公式的分母直接影响抗弯强度的大小。

现有技术中常用的顶头规格为直径Φ102mm、Φ105mm、Φ108mm。现有顶杆的尺寸：外径D为89mm、壁厚h为16mm、内径d为57mm。根据设计规范，现有顶杆的直径比顶头的直径一般小2mm～15mm，顶杆直径范围为Φ87mm～Φ100mm。

采取顶杆前部加工斜面，斜面为长400mm前端小4mm(单边)，顶杆的直径与顶头的直径相等，试用与使用正常未发生毛管内擦伤情况。抗弯截面系数公式(2)，为提高W_z值，尽可能选择大的顶杆外径D，选择外径D为102mm，校核顶杆回水。顶杆内有一进水管作为冷却水管，以实现顶头内水冷，顶杆与冷却水管的间隙面积必须要大于冷却水管内腔面积的1.2倍(1.2～1.5倍为宜)，顶杆回水才符合要求。校核顶杆回水后确定顶杆内径d为58mm，顶杆壁厚计算为22mm。抗弯强度可以用公式(1)来计算。抗弯截面系数作为公式的分母直接影响抗弯强度的大小。

本发明中将顶杆的尺寸通过增加顶杆的直径和壁厚进行优化改进，本发明中顶杆的尺寸确定为：外径D为102mm、壁厚h为22mm、内径d为58mm。现有技术中由于顶杆前部擦毛管内壁较小，使顶杆回水等受到限制，本发明通过上述尺寸设计突破了上述限制，并使抗弯截面系数得到了意料不到的提高。抗弯截面系数发生变化，具体如下表1所示。

表1顶杆(钢管)的抗弯截面系数

由表1可知，本发明顶杆的抗弯截面系数W_z增加了62％，增加幅度较大，属于预料不到的技术效果。如果大于本申请中的尺寸(外径D为102mm、壁厚h为22mm、内径d为58mm)，会出现顶杆前部擦毛管内腔的情况，如果小于本申请中的尺寸，抗弯强度的提高不能发挥到极致。

本发明还提供一种顶杆的制备方法，包括下述工艺步骤：

1)提料生产：使用尺寸为108*25的毛料钢管进行生产，毛料钢管比顶杆的成品长度多1米，即增加1米切头量。毛料钢管外径比顶杆外径D大6mm，以保证后续剥皮加工具有足够加工余量。毛料钢管长放了1米，以保证两端壁厚均匀性不好段的足够切除余量。钢管热轧后采取自然空冷的冷却方式。钢管热轧生产后进行热矫直或再进行压矫，以保证有较好的原始直度，其弯曲控制在1mm/m以内。

顶杆的材质优选为1Cr5Mo，顶杆的材料状态为热轧态。

2)剥皮加工：将步骤1)中的毛料钢管采用无心剥皮加工到102*22成品顶杆尺寸。无心剥皮加工，对长杆件加工方便，又消除了钢管的椭圆度，钢管的圆度较好，顶杆外径D即Φ可控在102±0.2mm内，同时消除了钢管表面氧化铁皮，表面质量好。

另一方面，采用无心剥皮加工，较有效地消除了热轧矫直态的弯曲度，保证顶杆弯曲控制在0.5mm/m以内，全长3mm内。现有热轧矫直态顶杆弯曲只能控制在1mm/m，全长5mm内。

现有顶杆中大小顶杆的材料均用42CrMo材料，调质处理。42CrMo顶杆调质工艺为：830～850℃水淬，600～650℃回火，以获得回火索氏体的调质组织。

本发明中顶杆的材料从42CrMo优化到1Cr5Mo，二种材料的成分和性能特点如表2所示。

表2 42CrMo和1Cr5Mo的性能特点

42CrMo和1Cr5Mo的高温性能对比：

顶杆通常在300℃左右的温度(顶杆温度)下工作，承受顶头传递过来的较大的压力和扭转力，工作条件较为恶劣，更要保证好的刚性，对材料的耐热和热强性能要求较高。

弯曲变形除与抗弯截面系数W_z有关外，还与材料的弹性模量E有关，E 越大变形越小，虽然各种钢材的弹性模量大致相同，但是根据穿孔实际情况，在高温状态下各种材料的强度还是有差异的。顶杆材质宜选用一些耐热且强度高的材质。42CrMo和1Cr5Mo的高温性能对比请见表3，42CrMo顶杆的调质工艺为：830～850℃水淬，600～650℃回火，以获得回火索氏体的调质组织。

表3 42CrMo和1Cr5Mo的高温性能对比

热轧态和调质态的处理过程的区别为：热轧态热轧后直接自然空冷下线，调质态还要进行淬火和高温回火。

与42CrMo相比较，1Cr5Mo的主要优点如下：

1)660℃以下有较好的热强性、650℃左右有较好的抗氧化性、300℃时仍保持高的强度降幅小(5％)、强度常温下高出42CrMo的14％，300℃时高出42CrMo约30％。

2)高温性能较稳定、300℃时弹性模量E降幅小(2％)、高出42CrMo 的18％。

1Cr5Mo的性能热轧态即可满足要求，通过发明人进行的试验和分析后发现，1Cr5Mo调质态的强度并没有增加，所以，1Cr5Mo只需热轧态即可，节约程序和成本。

本发明在应用于四种芯棒系列的在线生产时，实现了减少切头长度，提高了成材率。切损由10.5％降低到7.73％，切损降低2.77％；成材率由84.11％提升至88.87％，成材率提升4.76％，取得显著的经济效益。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过深入的内部现状分析等努力，形成了如下顶杆刚性强化的处理方法。因顶杆弯曲变形与抗弯截面系数和弹性模量有关，顶杆刚性强化包括通过对顶杆最大限度增加外径和壁厚尺寸，同步达到内冷却水回水(顶杆回水)良好的目的，来设计顶杆尺寸；以及选择在300℃左右(顶杆温度)工作温度下的高强度材质以提高顶杆使用强度。同时，通过顶杆从热轧态变为剥皮加工态，较好提高了顶杆直度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。