全開口鋼桶桶口卷邊工藝研究

辛巧娟

加入WTO后，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上就是企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)。近來(lái)筆者有幸對(duì)新疆的制桶企業(yè)進(jìn)行了一次考察。通過(guò)考察，我們發(fā)現(xiàn)新疆制桶企業(yè)的發(fā)展出人意料，可以毫無(wú)疑問(wèn)地說(shuō)，新疆鋼桶業(yè)的發(fā)展，整體上已經(jīng)走在了全國(guó)同行業(yè)的前列。他不僅代表了行業(yè)的發(fā)展方向，而且使我們對(duì)鋼桶行業(yè)的發(fā)展充滿了信心。

近年來(lái)，制桶行業(yè)整體發(fā)展勢(shì)頭不盡人意。為了拓寬市場(chǎng)，各制桶廠家都在想法開發(fā)新產(chǎn)品。除了向小桶（如4升桶、5升桶、12升桶、16升桶、18升桶、20升桶等）包裝發(fā)展外，還向200升大桶方向開拓（如200升全開口錐形桶、200升中開口瀝青桶、208升全開口桶等）。目前，新疆市場(chǎng)上的桶產(chǎn)品比較專一，主要集中在200升錐形全開口桶和中開口盛裝瀝青的桶，這兩大產(chǎn)品上，這也是近年來(lái)鋼桶業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。由于新疆石油化工業(yè)較為發(fā)達(dá)，而200升鋼桶在石化方面的用途始終保持平穩(wěn)的發(fā)展勢(shì)頭，又由于近年來(lái)我國(guó)大量進(jìn)行道路建設(shè)和建筑業(yè)發(fā)展的需要，瀝青的需求量大大增加，故此，對(duì)瀝青的包裝桶也就隨著市場(chǎng)的發(fā)展而產(chǎn)生了。然而在建筑方面，新型瀝青（金石瀝青）的用量更大，它要求采用錐形桶進(jìn)行包裝，普通瀝青也開始采用錐形桶包裝，這是未來(lái)制桶業(yè)的發(fā)展方向。另外新疆是我國(guó)對(duì)外開放口岸最多的地區(qū)（15個(gè)開放陸路口岸），所以對(duì)外貿(mào)易日益頻繁，加之新疆地理環(huán)境優(yōu)勢(shì)，是國(guó)家大量種植優(yōu)質(zhì)蕃茄基地和蕃茄醬的加工基地，而加工好的蕃茄醬一般都是用200升錐形全開口鋼桶盛裝出口，為此在新疆地區(qū)除了需要大量的200升小開口鋼桶和200升中開口鋼桶外，還需要大量的200升錐形全開口鋼桶。據(jù)估計(jì)，新疆地區(qū)今年用于蕃茄醬包裝的錐形桶總需求量在150萬(wàn)只以上。在新疆，還有大量的錐形桶用于包裝瀝青，據(jù)說(shuō)在使用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用非常方便。新疆的瀝青桶需求量每年在100萬(wàn)只左右。其它小開口桶的總需求量也在100萬(wàn)只左右。

新疆目前有26家制桶企業(yè)，他們都在不同程度的生產(chǎn)200升小開口鋼桶、 200升錐形全開口鋼桶和200升中開口鋼桶。對(duì)于小開口和中開口鋼桶，生產(chǎn)工藝基本上已經(jīng)成熟，而對(duì)于200升錐形全開口鋼桶和200升全開口鋼桶，由于其結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，所以在生產(chǎn)過(guò)程中，總是存在著一些問(wèn)題，而200升全開口桶桶口的卷邊工藝一直存在著較多的問(wèn)題，所以我們重點(diǎn)對(duì)此工藝問(wèn)題進(jìn)行探討。

關(guān)于200升錐形全開口桶桶口的卷邊目前主要有兩種方法。其一是采用模具翻邊時(shí)一端翻邊，另一端卷圓，這種方法進(jìn)口生產(chǎn)線上應(yīng)用的較為普遍；其二是采用滾輪進(jìn)行擠壓卷圓。這種卷邊質(zhì)量由于要受到桶身翻邊寬度的影響，所以卷邊質(zhì)量不太穩(wěn)定；而采用模具進(jìn)行卷邊，其質(zhì)量性能穩(wěn)定，形狀美觀圓滑。但由于各個(gè)生產(chǎn)廠家設(shè)備技術(shù)裝備各有差異，所以在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了許多問(wèn)題，現(xiàn)在我們一起來(lái)從卷圓工藝上進(jìn)行分析。

一、使用模具卷圓

1、模具卷邊時(shí)桶口邊材料的受力分析

一般情況下，使用模具進(jìn)行桶口卷圓的廠家都同時(shí)使用模具翻邊。卷圓的初始過(guò)程實(shí)際上也是從模具對(duì)桶身料進(jìn)行翻邊開始的，只是直翻邊和卷圓翻邊時(shí)的模具槽型不同而已。而桶身的翻邊屬伸長(zhǎng)類曲面翻邊的一種形式。在翻邊時(shí)毛坯變形區(qū)的受力情況與變形特點(diǎn)如圖一所示。在翻邊前毛坯的直徑是do，翻邊變形區(qū)是內(nèi)徑為do而外徑為d1的環(huán)形部分。在翻邊過(guò)程中，變形區(qū)在翻邊力的作用下其外徑d不斷地增大。

桶身在卷圓翻邊時(shí)，桶口毛坯變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變值是不相同的。其切向變形在變形區(qū)外部邊緣位置上具有最大值(公式略)，而且隨變形過(guò)程的進(jìn)展而不斷地增大，當(dāng)翻邊結(jié)束時(shí)，其值為(公式略)。桶身翻邊變形區(qū)受兩向拉應(yīng)力和一切向拉應(yīng)力(公式略)和徑向拉應(yīng)力(公式略)的作用，其中切向拉應(yīng)力是最大的主應(yīng)力。最小主應(yīng)力為零。徑向拉應(yīng)力(公式略)是中間主應(yīng)力，其值遠(yuǎn)小于切向拉應(yīng)力(公式略)之值。

在桶口翻邊卷圓過(guò)程中桶身鋼板變形區(qū)的厚度在翻邊時(shí)是在不斷地變薄。其極限變形程度可用翻邊系數(shù)計(jì)算，其值為：

(公式略)

式中 K——為翻邊系數(shù)，故上式可寫為：

(公式略)

式中 b——為翻邊寬度

由于桶身在翻邊卷圓時(shí)，桶口變形區(qū)內(nèi)的金屬在切向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生切向的伸長(zhǎng)類變形，所以極限翻邊系數(shù)主要決定于桶身鋼板材料的塑性。桶口翻邊卷圓時(shí)，桶身鋼板變形區(qū)內(nèi)在半徑方向上各點(diǎn)的切向伸長(zhǎng)變形數(shù)值是不相同的，最大伸長(zhǎng)變形發(fā)生在桶身鋼板的兩端邊緣處。因此，在翻邊卷圓時(shí)應(yīng)保證桶身邊緣部位上金屬的伸長(zhǎng)變形小于金屬材料本身塑性所允許的極限值。

桶口翻邊卷圓時(shí)變形區(qū)外邊緣上產(chǎn)生的最大伸長(zhǎng)變形為：

(公式略)

由上式可見，桶口翻邊卷圓時(shí)的極限翻系數(shù)與鋼桶桶身材料的延伸率(公式略)成反比例關(guān)系。但實(shí)際上，上式中所用的延伸率δ的數(shù)值，通常要大于在簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)中所得到的均勻延伸率，其原因在于翻邊變形區(qū)內(nèi)直徑方向上各點(diǎn)的延長(zhǎng)變形大小不同：在邊緣上伸長(zhǎng)變形最大，而其余各點(diǎn)上的伸長(zhǎng)變形隨其與邊緣距離的增大而迅速地減小。由于伸長(zhǎng)變形較小的鄰區(qū)對(duì)具有最大伸長(zhǎng)變形的邊緣的影響，使后者塑性變形的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。抑制了翻邊邊緣部位上金屬產(chǎn)生局部集中變形的趨勢(shì)，因而翻邊時(shí)毛坯邊緣部分可能得到比簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)大得多的伸長(zhǎng)變形。

2、模具卷邊時(shí)翻邊（卷邊）機(jī)的工作原理

前面我們分析了桶身模具卷邊時(shí)在卷邊初期，桶身邊緣實(shí)際上是先進(jìn)行翻邊時(shí)所受應(yīng)力的情況。下面我們來(lái)看以下模具卷邊的形成過(guò)程。

使用模具卷邊機(jī)進(jìn)行桶身一端卷邊的同時(shí)，桶身的另一端都是隨著進(jìn)行翻邊。目前在國(guó)內(nèi)，還沒(méi)有一個(gè)制桶廠家專門為實(shí)現(xiàn)卷邊而購(gòu)買一臺(tái)模具翻邊機(jī)，而大部分都是利用現(xiàn)有的制桶設(shè)備，來(lái)完成開口桶生產(chǎn)的。所以一般情況下，具有模具翻邊機(jī)的生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)小開口鋼桶時(shí)，是用模具翻邊機(jī)同時(shí)翻兩端的桶邊，而生產(chǎn)開口桶時(shí)，都是更換一端的模具，在翻邊的同時(shí)，進(jìn)行桶口的卷邊工序。

模具翻邊、卷邊的示意圖如圖二所示。這種工作方法一般采用液壓傳動(dòng)。可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。它的工作原理一般是先由液壓（或氣動(dòng)）撥桶機(jī)構(gòu)將桶身?yè)苋敕厵C(jī)內(nèi)進(jìn)行粗定位，然后壓模頂桿在液壓缸的作用下向中間移動(dòng)，當(dāng)壓模頭部進(jìn)到桶身邊緣內(nèi)時(shí)，由壓盤的錐形斜面對(duì)桶身進(jìn)行精定位，定好位后，壓模在推力的作用下繼續(xù)向中間移動(dòng)，使兩端的壓模盤將桶身夾緊，接著桶身邊緣在液壓力的作用下沿壓模圓弧曲線面向外翻移和卷邊，當(dāng)翻邊寬度和卷邊圓弧達(dá)到工藝要求時(shí)，桶身翻邊的外緣被壓模外圈限位圈頂死，模具內(nèi)移受到大的阻力。而桶口卷邊處隨著卷圓度的形成，強(qiáng)度增大，從而也限制了模具的內(nèi)移。當(dāng)壓模受到的阻力達(dá)到設(shè)定液壓力時(shí)，液壓系統(tǒng)的電磁換向閥就開始換向，液壓缸退出，從而使壓模從桶身內(nèi)快速退出。撥桶機(jī)構(gòu)立即將桶身?yè)艹龇厵C(jī)。

3、模具卷邊時(shí)卷邊的形成過(guò)程

采用模具卷管技術(shù)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)是非常成熟的沖壓加工工藝，而把它應(yīng)用于鋼桶桶口卷圓，還是近幾年的事。這是因?yàn)榻陙?lái)，薄鋼板的超輕型（桶身板料厚度為δ=0.5mm、桶底頂板料厚度為δ=0.65mm ）全開口鋼桶已被廣泛的應(yīng)用于石油化工和食品等行業(yè)，由于其生產(chǎn)成本低，價(jià)格便宜，因此其市場(chǎng)前景不錯(cuò)。那些捷足先登者們?yōu)榱吮M快占領(lǐng)市場(chǎng)并擴(kuò)大市場(chǎng)份額，先后從國(guó)外引進(jìn)了幾條開口桶生產(chǎn)線。從這些進(jìn)口的生產(chǎn)線來(lái)看，全部都是采用模具卷邊，故國(guó)內(nèi)的許多制桶廠家紛紛效仿，但在生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)了各種各樣的卷邊結(jié)果，有些廠家卷出來(lái)的邊比工藝要求尺寸小的多；有的卷出來(lái)的甚至不是圓而是和桶蓋一樣為敞開的圓弧等等。下面我們來(lái)分析模具卷邊時(shí)的形成過(guò)程。

模具卷邊過(guò)程其實(shí)和模具翻邊過(guò)程一樣的，只是翻邊模具的槽型和卷邊時(shí)模具槽型不同而已。翻邊時(shí)，翻邊模具的槽型如圖三（a ）所示；圖中R為桶身翻邊時(shí)的圓角半徑；b為桶身翻邊寬度；而卷邊時(shí)，卷邊槽型如圖三（b） 所示。從圖中我們可以看出，卷邊時(shí)卷邊槽型是由兩個(gè)大小不同的R1和R2圓弧與半徑為R的圓相切而組成，半徑R的大小等于桶身卷圓直徑的一半。一般情況下，在卷邊時(shí)R1小于R，而R2大于R。其大于或小于R的數(shù)值由鋼桶桶身卷邊時(shí)桶身材料的屈服極限、桶口卷邊時(shí)的曲率半徑等因素決定的；所以，對(duì)于不同厚度材料的桶身來(lái)說(shuō)，盡管卷邊的直徑大小要求是一樣的，但由于材料厚度不同，因此卷邊槽型內(nèi)的R1和R2圓弧與半徑為R的值也不是完全相同的；但當(dāng)桶身材料的屈服極限、材料厚度和卷邊時(shí)的曲率半徑達(dá)到一定值時(shí)，這三個(gè)值是相等的，即R1=R2=R。另外，圖中都有一斜面，桶身邊緣無(wú)論是翻邊還是卷圓，進(jìn)入模具槽形前首先接觸的就是這個(gè)面，所以這個(gè)斜面的角度(公式略)是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)于翻邊模具來(lái)說(shuō)，它主要起導(dǎo)向定位作用；而對(duì)于卷圓模具來(lái)說(shuō)，它不僅起導(dǎo)向作用，而且還決定桶身材料進(jìn)入卷邊槽型的多少。(公式略)角度過(guò)小，不利于進(jìn)料，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生“外卷圓”現(xiàn)象；(公式略)角度過(guò)大，則會(huì)影響卷邊圓的形成。一般情況下，(公式略)角度在5°~8°之間較為合適。

二、使用滾輪進(jìn)行擠壓卷邊

使用滾輪進(jìn)行卷邊的基本工作原理實(shí)際上與鋼桶桶底頂?shù)木矸馐且恢碌摹Ｋ幕驹砼c旋轉(zhuǎn)彎曲成形是一樣的。在卷邊過(guò)程中，材料的變形已超出了彈性范圍而出現(xiàn)塑性變形。材料的彎曲不是在某一個(gè)平面內(nèi)，而是沿著卷邊輥輪的曲線不斷變化；材料除有彎曲變形外，并且還有擠壓等變形。如圖四所示。一般情況下，卷邊力P可按空間直角坐標(biāo)分解成三個(gè)分力：Px、Py、Pz。其中，切向分力Px是卷邊輥輪繞桶身周邊推進(jìn)，為克服一定的變形摩擦阻抗所需的作用力；徑向分力Py是卷邊輥輪向桶身中心推進(jìn)，使桶身的周邊產(chǎn)生一定的徑向變形所需的作用力；軸向分力Pz是卷邊輥輪沿軸向緊壓卷邊所需的作用力，但其值較?。s為Px值的1/5），為簡(jiǎn)化分析計(jì)算可以忽略。這樣，對(duì)卷邊力來(lái)說(shuō)就可近似地看作平面力系來(lái)討論。

不過(guò)，采用滾輪擠壓卷邊，一般都是采用二個(gè)滾輪即頭道滾輪和二道滾輪進(jìn)行卷邊。而在卷邊過(guò)程中頭道滾輪和二道滾輪的卷邊情況是不完全相同的，前者主要使桶身翻邊處受擠壓而產(chǎn)生彎曲和壓緊鉤合，而后者主要使卷邊進(jìn)一步緊壓而產(chǎn)生塑性變形。因此，可分兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行討論。

1、頭道卷邊力分析

如圖五所示，設(shè)頭道卷邊滾輪中心由O1移至O2時(shí)，它和桶身互相接觸的弧線ab。可將頭道卷邊力P’近似看作作用于該段圓弧的中點(diǎn)C。

根據(jù)上述分析，將P’分解成沿桶身切線方向的分力P’x和半徑方向的分力P’y。由圖可知：

(公式略)

式中 (公式略)——卷邊滾輪與桶身接觸的中心角；

(公式略)——向徑OC與中心連線OO2間的夾角；

(公式略)——桶身在接觸弧的平均半徑，即C點(diǎn)的向徑；

(公式略)——卷邊加輪的作用半徑。

將(公式略)值代入上式得：

(公式略)

設(shè)頭道卷邊滾輪從位置O1移至O2時(shí)，其轉(zhuǎn)角為(公式略)，沿桶身的周向行程為L(zhǎng)，向桶體中心O的向徑行程為y，單位徑向進(jìn)給量為(公式略)，則

(公式略)

故知這一過(guò)程卷邊滾輪所作的功包括兩個(gè)部分：

(公式略)

實(shí)際上，卷邊力所作的功應(yīng)與桶身被卷封部分達(dá)到應(yīng)有的變形所需的功相等。對(duì)頭道滾輪而言，若令U1為周邊彎曲變形所需的功，U2為周邊鉤合變形所需的功，則可取

(公式略)

進(jìn)而由A1+A2=U1+U2，解出頭道卷邊力

(公式略)

式中 (公式略)——與材料彈性有關(guān)的系數(shù)，一般可取1.2~1.5。

2、二道卷邊力分析

為了使桶邊卷圓后得到一個(gè)比較滿意的圓邊，以致卷邊結(jié)束后不再發(fā)生彈性變形。這樣二道滾輪只起到一個(gè)整形的作用，所以它的槽形一般情況下是一個(gè)半圓弧。

它的受力狀況如圖六所示，若將頭道卷圓形成的桶邊看作是連續(xù)的環(huán)狀金屬帶，其初始厚度為(公式略)，經(jīng)二道卷圓滾輪輾壓后變?yōu)?公式略)，其接觸弧所對(duì)應(yīng)的滾輪中心角為(公式略)。若在輾壓區(qū)取一單位卷邊寬與截面abdc所組成的微小示力體，設(shè)ac=hx,bd=hx+dhx,cd對(duì)應(yīng)的滾輪中心角為d(公式略),cd中點(diǎn)分別至滾輪中心O1及桶體中心O的連線與中心線O1O的夾角為(公式略)和(公式略)，滾輪的工作半徑為(公式略)，桶身在cd中點(diǎn)的向徑為(公式略)。

連cd中點(diǎn)與桶身中心O作為Y軸，再過(guò)C點(diǎn)作同該軸垂直線作為X軸，則cd沿X-Y 軸的投影長(zhǎng)度分別為ce和de。將二道單位卷邊力(公式略)分解為(公式略)和(公式略)，則作用在由cd與單位卷邊寬所組成的微面積上的卷邊力在坐標(biāo)軸上的投影分別為：

(公式略)

因 (公式略)

故 (公式略)

同理可得：(公式略)

因 (公式略)

故 (公式略)

作用在由 ab 與單位卷邊寬所組成的微面積上的摩擦力為：

(公式略)

式中 (公式略)——為摩擦系數(shù)， 一般可取0.08~0.12.

考慮到ac、bd兩側(cè)與單位卷邊寬組成的微面積上所作用的內(nèi)應(yīng)力(公式略)及(公式略)，并將上述諸力向X軸投影，得平衡式

(公式略)

即 (公式略)

其中高階微量(公式略)、(公式略)可以忽略，而且

(公式略)

亦即 (公式略)

代入上式，得

(公式略)

求解這個(gè)微分方程式必須首先找出(公式略)與(公式略)之間的參數(shù)關(guān)系，參考有關(guān)資料可知

(公式略)

式中 (公式略)——系數(shù)，一般可取1~1.15；(公式略)——屈服極限，可取23.5×103N/cm2.

微分后得 (公式略)

將(公式略)、(公式略)值代入上式中，整理后得

(公式略)

對(duì)變量(公式略)近似取平均值(公式略)， 且設(shè)

(公式略)

這樣可將上式簡(jiǎn)化為：

(公式略)

即 (公式略)

兩邊取積分，整理得： (公式略)

積分常數(shù)C可由初始條件確定，當(dāng)hx=h0 時(shí)，(公式略)，故

(公式略)

解出： (公式略)

上式表示單位徑向壓力主要取決于(公式略)的大小。卷邊滾輪對(duì)桶卷邊邊緣B的徑向作用合力為：

(公式略)

同理，切向作用合力為：

(公式略)

因此，第二道卷邊所需的卷封力： (公式略)

通過(guò)計(jì)算，得知，(公式略)。

3、滾壓卷邊時(shí)滾輪的設(shè)計(jì)

要想得到理想的卷邊狀態(tài)，必須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝設(shè)計(jì)，才能達(dá)到所要求的卷邊形狀。影響卷邊形狀的主要因素是滾輪的形狀、凸輪的曲線和工作過(guò)程等。這里我們只討論滾輪的形狀和設(shè)計(jì)。

滾輪曲線的形狀對(duì)卷邊圓弧的形狀和尺寸起著決定性的作用。但是滾輪的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的。影響因素也較多，多數(shù)是經(jīng)驗(yàn)值。但有一點(diǎn)是可以肯定的，在卷邊圓的形成過(guò)程中，形成的弧線在理論上應(yīng)該是漸開線。而在實(shí)際應(yīng)用中，較為好用而且卷邊圓流線漂亮圓滑的，其滾輪形狀都接近于漸開線。由于真正的漸開線難于加工，所以，一般在生產(chǎn)實(shí)際中所用的滾輪曲線大都采用多個(gè)圓弧相切而成。圖七為一全開口鋼桶桶口卷邊時(shí)的頭道和二道滾輪曲線形狀。圖中ed 段為斜面，桶身邊緣首先接觸的就是這個(gè)面，(公式略)角度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)于頭道卷邊滾輪來(lái)說(shuō)，(公式略)角度過(guò)小，不利于進(jìn)料，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生“外卷圓”現(xiàn)象；(公式略)角度過(guò)大，則會(huì)影響卷邊圓的形成。一般情況下，(公式略)角度在5°~8°之間較為合適。

圖中cd段為卷邊圓的過(guò)渡段，應(yīng)使桶身邊緣順利通過(guò)發(fā)生變形。一般情況下，半徑R1不宜過(guò)大；cb段為卷邊圓的成形段，通過(guò)這段后桶身邊緣的圓邊就基本上形成了。所以半徑R2是一個(gè)較為重要的影響因素。它的大小，直接決定了卷邊圓的大小，所以一般情況下，R2略小于開口桶桶口邊緣圓的半徑；ab段為直線段，目的是使卷邊圓形成后滾輪易于退出。

二道滾輪的形狀較為簡(jiǎn)單，只是一個(gè)半徑R為卷邊圓直徑一半的圓弧。使用它的目的主要是對(duì)頭道滾輪卷邊后的桶邊曲線進(jìn)行整形，從而得到表面圓滑、平整的圓弧卷邊。

從上述分析可知，采用模具卷邊全開口桶邊和采用滾輪擠壓卷邊成形其變形過(guò)程是不一樣的，但最終結(jié)果差異不大。只是滾輪擠壓卷邊時(shí)，卷邊料的多少要受桶身翻邊尺寸的限制。因此，在生產(chǎn)全開口鋼桶過(guò)程中，桶口卷邊圓選用那種卷邊方式制作，除要滿足工藝要求外，還要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況，以最小的投入，獲得最大收益為目的。