全開口鋼桶桶口卷邊工藝研究

辛巧娟

加入WTO后，市場的競爭，實際上就是企業產品質量的競爭。近來筆者有幸對新疆的制桶企業進行了一次考察。通過考察，我們發現新疆制桶企業的發展出人意料，可以毫無疑問地說，新疆鋼桶業的發展，整體上已經走在了全國同行業的前列。他不僅代表了行業的發展方向，而且使我們對鋼桶行業的發展充滿了信心。

近年來，制桶行業整體發展勢頭不盡人意。為了拓寬市場，各制桶廠家都在想法開發新產品。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，新疆市場上的桶產品比較專一，主要集中在200升錐形全開口桶和中開口盛裝瀝青的桶，這兩大產品上，這也是近年來鋼桶業發展的新趨勢。由于新疆石油化工業較為發達，而200升鋼桶在石化方面的用途始終保持平穩的發展勢頭，又由于近年來我國大量進行道路建設和建筑業發展的需要，瀝青的需求量大大增加，故此，對瀝青的包裝桶也就隨著市場的發展而產生了。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行包裝，普通瀝青也開始采用錐形桶包裝，這是未來制桶業的發展方向。另外新疆是我國對外開放口岸最多的地區（15個開放陸路口岸），所以對外貿易日益頻繁，加之新疆地理環境優勢，是國家大量種植優質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。據估計，新疆地區今年用于蕃茄醬包裝的錐形桶總需求量在150萬只以上。在新疆，還有大量的錐形桶用于包裝瀝青，據說在使用現場應用非常方便。新疆的瀝青桶需求量每年在100萬只左右。其它小開口桶的總需求量也在100萬只左右。

新疆目前有26家制桶企業，他們都在不同程度的生產200升小開口鋼桶、 200升錐形全開口鋼桶和200升中開口鋼桶。對于小開口和中開口鋼桶，生產工藝基本上已經成熟，而對于200升錐形全開口鋼桶和200升全開口鋼桶，由于其結構具有一定的特殊性，所以在生產過程中，總是存在著一些問題，而200升全開口桶桶口的卷邊工藝一直存在著較多的問題，所以我們重點對此工藝問題進行探討。

關于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一端翻邊，另一端卷圓，這種方法進口生產線上應用的較為普遍；其二是采用滾輪進行擠壓卷圓。這種卷邊質量由于要受到桶身翻邊寬度的影響，所以卷邊質量不太穩定；而采用模具進行卷邊，其質量性能穩定，形狀美觀圓滑。但由于各個生產廠家設備技術裝備各有差異，所以在生產過程中出現了許多問題，現在我們一起來從卷圓工藝上進行分析。

一、使用模具卷圓

1、模具卷邊時桶口邊材料的受力分析

一般情況下，使用模具進行桶口卷圓的廠家都同時使用模具翻邊。卷圓的初始過程實際上也是從模具對桶身料進行翻邊開始的，只是直翻邊和卷圓翻邊時的模具槽型不同而已。而桶身的翻邊屬伸長類曲面翻邊的一種形式。在翻邊時毛坯變形區的受力情況與變形特點如圖一所示。在翻邊前毛坯的直徑是do，翻邊變形區是內徑為do而外徑為d1的環形部分。在翻邊過程中，變形區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，桶口毛坯變形區的應力與應變值是不相同的。其切向變形在變形區外部邊緣位置上具有最大值(公式略)，而且隨變形過程的進展而不斷地增大，當翻邊結束時，其值為(公式略)。桶身翻邊變形區受兩向拉應力和一切向拉應力(公式略)和徑向拉應力(公式略)的作用，其中切向拉應力是最大的主應力。最小主應力為零。徑向拉應力(公式略)是中間主應力，其值遠小于切向拉應力(公式略)之值。

在桶口翻邊卷圓過程中桶身鋼板變形區的厚度在翻邊時是在不斷地變薄。其極限變形程度可用翻邊系數計算，其值為：

(公式略)

式中 K——為翻邊系數，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，桶口變形區內的金屬在切向拉應力的作用下產生切向的伸長類變形，所以極限翻邊系數主要決定于桶身鋼板材料的塑性。桶口翻邊卷圓時，桶身鋼板變形區內在半徑方向上各點的切向伸長變形數值是不相同的，最大伸長變形發生在桶身鋼板的兩端邊緣處。因此，在翻邊卷圓時應保證桶身邊緣部位上金屬的伸長變形小于金屬材料本身塑性所允許的極限值。

桶口翻邊卷圓時變形區外邊緣上產生的最大伸長變形為：

(公式略)

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

2、模具卷邊時翻邊（卷邊）機的工作原理

前面我們分析了桶身模具卷邊時在卷邊初期，桶身邊緣實際上是先進行翻邊時所受應力的情況。下面我們來看以下模具卷邊的形成過程。

使用模具卷邊機進行桶身一端卷邊的同時，桶身的另一端都是隨著進行翻邊。目前在國內，還沒有一個制桶廠家專門為實現卷邊而購買一臺模具翻邊機，而大部分都是利用現有的制桶設備，來完成開口桶生產的。所以一般情況下，具有模具翻邊機的生產廠家在生產小開口鋼桶時，是用模具翻邊機同時翻兩端的桶邊，而生產開口桶時，都是更換一端的模具，在翻邊的同時，進行桶口的卷邊工序。

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。可以實現自動化生產。它的工作原理一般是先由液壓（或氣動）撥桶機構將桶身撥入翻邊機內進行粗定位，然后壓模頂桿在液壓缸的作用下向中間移動，當壓模頭部進到桶身邊緣內時，由壓盤的錐形斜面對桶身進行精定位，定好位后，壓模在推力的作用下繼續向中間移動，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，當翻邊寬度和卷邊圓弧達到工藝要求時，桶身翻邊的外緣被壓模外圈限位圈頂死，模具內移受到大的阻力。而桶口卷邊處隨著卷圓度的形成，強度增大，從而也限制了模具的內移。當壓模受到的阻力達到設定液壓力時，液壓系統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快速退出。撥桶機構立即將桶身撥出翻邊機。

3、模具卷邊時卷邊的形成過程

采用模具卷管技術，在國內已經是非常成熟的沖壓加工工藝，而把它應用于鋼桶桶口卷圓，還是近幾年的事。這是因為近年來，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用于石油化工和食品等行業，由于其生產成本低，價格便宜，因此其市場前景不錯。那些捷足先登者們為了盡快占領市場并擴大市場份額，先后從國外引進了幾條開口桶生產線。從這些進口的生產線來看，全部都是采用模具卷邊，故國內的許多制桶廠家紛紛效仿，但在生產實際中出現了各種各樣的卷邊結果，有些廠家卷出來的邊比工藝要求尺寸小的多；有的卷出來的甚至不是圓而是和桶蓋一樣為敞開的圓弧等等。下面我們來分析模具卷邊時的形成過程。

模具卷邊過程其實和模具翻邊過程一樣的，只是翻邊模具的槽型和卷邊時模具槽型不同而已。翻邊時，翻邊模具的槽型如圖三（a ）所示；圖中R為桶身翻邊時的圓角半徑；b為桶身翻邊寬度；而卷邊時，卷邊槽型如圖三（b） 所示。從圖中我們可以看出，卷邊時卷邊槽型是由兩個大小不同的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R1小于R，而R2大于R。其大于或小于R的數值由鋼桶桶身卷邊時桶身材料的屈服極限、桶口卷邊時的曲率半徑等因素決定的；所以，對于不同厚度材料的桶身來說，盡管卷邊的直徑大小要求是一樣的，但由于材料厚度不同，因此卷邊槽型內的R1和R2圓弧與半徑為R的值也不是完全相同的；但當桶身材料的屈服極限、材料厚度和卷邊時的曲率半徑達到一定值時，這三個值是相等的，即R1=R2=R。另外，圖中都有一斜面，桶身邊緣無論是翻邊還是卷圓，進入模具槽形前首先接觸的就是這個面，所以這個斜面的角度(公式略)是一個重要的參數，對于翻邊模具來說，它主要起導向定位作用；而對于卷圓模具來說，它不僅起導向作用，而且還決定桶身材料進入卷邊槽型的多少。(公式略)角度過小，不利于進料，有時還會產生“外卷圓”現象；(公式略)角度過大，則會影響卷邊圓的形成。一般情況下，(公式略)角度在5°~8°之間較為合適。

二、使用滾輪進行擠壓卷邊

使用滾輪進行卷邊的基本工作原理實際上與鋼桶桶底頂的卷封是一致的。它的基本原理與旋轉彎曲成形是一樣的。在卷邊過程中，材料的變形已超出了彈性范圍而出現塑性變形。材料的彎曲不是在某一個平面內，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可按空間直角坐標分解成三個分力：Px、Py、Pz。其中，切向分力Px是卷邊輥輪繞桶身周邊推進，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，使桶身的周邊產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，但其值較小（約為Px值的1/5），為簡化分析計算可以忽略。這樣，對卷邊力來說就可近似地看作平面力系來討論。

不過，采用滾輪擠壓卷邊，一般都是采用二個滾輪即頭道滾輪和二道滾輪進行卷邊。而在卷邊過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生彎曲和壓緊鉤合，而后者主要使卷邊進一步緊壓而產生塑性變形。因此，可分兩個過程進行討論。

1、頭道卷邊力分析

如圖五所示，設頭道卷邊滾輪中心由O1移至O2時，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C。

根據上述分析，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)

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

(公式略)

故知這一過程卷邊滾輪所作的功包括兩個部分：

(公式略)

實際上，卷邊力所作的功應與桶身被卷封部分達到應有的變形所需的功相等。對頭道滾輪而言，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)——與材料彈性有關的系數，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比較滿意的圓邊，以致卷邊結束后不再發生彈性變形。這樣二道滾輪只起到一個整形的作用，所以它的槽形一般情況下是一個半圓弧。

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的環狀金屬帶，其初始厚度為(公式略)，經二道卷圓滾輪輾壓后變為(公式略)，其接觸弧所對應的滾輪中心角為(公式略)。若在輾壓區取一單位卷邊寬與截面abdc所組成的微小示力體，設ac=hx,bd=hx+dhx,cd對應的滾輪中心角為d(公式略),cd中點分別至滾輪中心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中點的向徑為(公式略)。

連cd中點與桶身中心O作為Y軸，再過C點作同該軸垂直線作為X軸，則cd沿X-Y 軸的投影長度分別為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， 一般可取0.08~0.12.

考慮到ac、bd兩側與單位卷邊寬組成的微面積上所作用的內應力(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)

求解這個微分方程式必須首先找出(公式略)與(公式略)之間的參數關系，參考有關資料可知

(公式略)

式中 (公式略)——系數，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)

對變量(公式略)近似取平均值(公式略)， 且設

(公式略)

這樣可將上式簡化為：

(公式略)

即 (公式略)

兩邊取積分，整理得： (公式略)

積分常數C可由初始條件確定，當hx=h0 時，(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)

通過計算，得知，(公式略)。

3、滾壓卷邊時滾輪的設計

要想得到理想的卷邊狀態，必須進行嚴格的工藝設計，才能達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程等。這里我們只討論滾輪的形狀和設計。

滾輪曲線的形狀對卷邊圓弧的形狀和尺寸起著決定性的作用。但是滾輪的設計是比較復雜的。影響因素也較多，多數是經驗值。但有一點是可以肯定的，在卷邊圓的形成過程中，形成的弧線在理論上應該是漸開線。而在實際應用中，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，一般在生產實際中所用的滾輪曲線大都采用多個圓弧相切而成。圖七為一全開口鋼桶桶口卷邊時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面，(公式略)角度是一個重要的參數，對于頭道卷邊滾輪來說，(公式略)角度過小，不利于進料，有時還會產生“外卷圓”現象；(公式略)角度過大，則會影響卷邊圓的形成。一般情況下，(公式略)角度在5°~8°之間較為合適。

圖中cd段為卷邊圓的過渡段，應使桶身邊緣順利通過發生變形。一般情況下，半徑R1不宜過大；cb段為卷邊圓的成形段，通過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單，只是一個半徑R為卷邊圓直徑一半的圓弧。使用它的目的主要是對頭道滾輪卷邊后的桶邊曲線進行整形，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程是不一樣的，但最終結果差異不大。只是滾輪擠壓卷邊時，卷邊料的多少要受桶身翻邊尺寸的限制。因此，在生產全開口鋼桶過程中，桶口卷邊圓選用那種卷邊方式制作，除要滿足工藝要求外，還要根據企業的實際情況，以最小的投入，獲得最大收益為目的。