全开口钢桶桶口卷边工艺研究

辛巧娟

加入WTO后，市场的竞争，实际上就是企业产品质量的竞争。近来笔者有幸对新疆的制桶企业进行了一次考察。通过考察，我们发现新疆制桶企业的发展出人意料，可以毫无疑问地说，新疆钢桶业的发展，整体上已经走在了全国同行业的前列。他不仅代表了行业的发展方向，而且使我们对钢桶行业的发展充满了信心。

近年来，制桶行业整体发展势头不尽人意。为了拓宽市场，各制桶厂家都在想法开发新产品。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）包装发展外，还向200升大桶方向开拓（如200升全开口锥形桶、200升中开口沥青桶、208升全开口桶等）。目前，新疆市场上的桶产品比较专一，主要集中在200升锥形全开口桶和中开口盛装沥青的桶，这两大产品上，这也是近年来钢桶业发展的新趋势。由于新疆石油化工业较为发达，而200升钢桶在石化方面的用途始终保持平稳的发展势头，又由于近年来我国大量进行道路建设和建筑业发展的需要，沥青的需求量大大增加，故此，对沥青的包装桶也就随着市场的发展而产生了。然而在建筑方面，新型沥青（金石沥青）的用量更大，它要求采用锥形桶进行包装，普通沥青也开始采用锥形桶包装，这是未来制桶业的发展方向。另外新疆是我国对外开放口岸最多的地区（15个开放陆路口岸），所以对外贸易日益频繁，加之新疆地理环境优势，是国家大量种植优质蕃茄基地和蕃茄酱的加工基地，而加工好的蕃茄酱一般都是用200升锥形全开口钢桶盛装出口，为此在新疆地区除了需要大量的200升小开口钢桶和200升中开口钢桶外，还需要大量的200升锥形全开口钢桶。据估计，新疆地区今年用于蕃茄酱包装的锥形桶总需求量在150万只以上。在新疆，还有大量的锥形桶用于包装沥青，据说在使用现场应用非常方便。新疆的沥青桶需求量每年在100万只左右。其它小开口桶的总需求量也在100万只左右。

新疆目前有26家制桶企业，他们都在不同程度的生产200升小开口钢桶、 200升锥形全开口钢桶和200升中开口钢桶。对于小开口和中开口钢桶，生产工艺基本上已经成熟，而对于200升锥形全开口钢桶和200升全开口钢桶，由于其结构具有一定的特殊性，所以在生产过程中，总是存在着一些问题，而200升全开口桶桶口的卷边工艺一直存在着较多的问题，所以我们重点对此工艺问题进行探讨。

关于200升锥形全开口桶桶口的卷边目前主要有两种方法。其一是采用模具翻边时一端翻边，另一端卷圆，这种方法进口生产线上应用的较为普遍；其二是采用滚轮进行挤压卷圆。这种卷边质量由于要受到桶身翻边宽度的影响，所以卷边质量不太稳定；而采用模具进行卷边，其质量性能稳定，形状美观圆滑。但由于各个生产厂家设备技术装备各有差异，所以在生产过程中出现了许多问题，现在我们一起来从卷圆工艺上进行分析。

一、使用模具卷圆

1、模具卷边时桶口边材料的受力分析

一般情况下，使用模具进行桶口卷圆的厂家都同时使用模具翻边。卷圆的初始过程实际上也是从模具对桶身料进行翻边开始的，只是直翻边和卷圆翻边时的模具槽型不同而已。而桶身的翻边属伸长类曲面翻边的一种形式。在翻边时毛坯变形区的受力情况与变形特点如图一所示。在翻边前毛坯的直径是do，翻边变形区是内径为do而外径为d1的环形部分。在翻边过程中，变形区在翻边力的作用下其外径d不断地增大。

桶身在卷圆翻边时，桶口毛坯变形区的应力与应变值是不相同的。其切向变形在变形区外部边缘位置上具有最大值(公式略)，而且随变形过程的进展而不断地增大，当翻边结束时，其值为(公式略)。桶身翻边变形区受两向拉应力和一切向拉应力(公式略)和径向拉应力(公式略)的作用，其中切向拉应力是最大的主应力。最小主应力为零。径向拉应力(公式略)是中间主应力，其值远小于切向拉应力(公式略)之值。

在桶口翻边卷圆过程中桶身钢板变形区的厚度在翻边时是在不断地变薄。其极限变形程度可用翻边系数计算，其值为：

(公式略)

式中 K——为翻边系数，故上式可写为：

(公式略)

式中 b——为翻边宽度

由于桶身在翻边卷圆时，桶口变形区内的金属在切向拉应力的作用下产生切向的伸长类变形，所以极限翻边系数主要决定于桶身钢板材料的塑性。桶口翻边卷圆时，桶身钢板变形区内在半径方向上各点的切向伸长变形数值是不相同的，最大伸长变形发生在桶身钢板的两端边缘处。因此，在翻边卷圆时应保证桶身边缘部位上金属的伸长变形小于金属材料本身塑性所允许的极限值。

桶口翻边卷圆时变形区外边缘上产生的最大伸长变形为：

(公式略)

由上式可见，桶口翻边卷圆时的极限翻系数与钢桶桶身材料的延伸率(公式略)成反比例关系。但实际上，上式中所用的延伸率δ的数值，通常要大于在简单拉伸试验中所得到的均匀延伸率，其原因在于翻边变形区内直径方向上各点的延长变形大小不同：在边缘上伸长变形最大，而其余各点上的伸长变形随其与边缘距离的增大而迅速地减小。由于伸长变形较小的邻区对具有最大伸长变形的边缘的影响，使后者塑性变形的稳定性得到加强。抑制了翻边边缘部位上金属产生局部集中变形的趋势，因而翻边时毛坯边缘部分可能得到比简单拉伸试验大得多的伸长变形。

2、模具卷边时翻边（卷边）机的工作原理

前面我们分析了桶身模具卷边时在卷边初期，桶身边缘实际上是先进行翻边时所受应力的情况。下面我们来看以下模具卷边的形成过程。

使用模具卷边机进行桶身一端卷边的同时，桶身的另一端都是随着进行翻边。目前在国内，还没有一个制桶厂家专门为实现卷边而购买一台模具翻边机，而大部分都是利用现有的制桶设备，来完成开口桶生产的。所以一般情况下，具有模具翻边机的生产厂家在生产小开口钢桶时，是用模具翻边机同时翻两端的桶边，而生产开口桶时，都是更换一端的模具，在翻边的同时，进行桶口的卷边工序。

模具翻边、卷边的示意图如图二所示。这种工作方法一般采用液压传动。可以实现自动化生产。它的工作原理一般是先由液压（或气动）拨桶机构将桶身拨入翻边机内进行粗定位，然后压模顶杆在液压缸的作用下向中间移动，当压模头部进到桶身边缘内时，由压盘的锥形斜面对桶身进行精定位，定好位后，压模在推力的作用下继续向中间移动，使两端的压模盘将桶身夹紧，接着桶身边缘在液压力的作用下沿压模圆弧曲线面向外翻移和卷边，当翻边宽度和卷边圆弧达到工艺要求时，桶身翻边的外缘被压模外圈限位圈顶死，模具内移受到大的阻力。而桶口卷边处随着卷圆度的形成，强度增大，从而也限制了模具的内移。当压模受到的阻力达到设定液压力时，液压系统的电磁换向阀就开始换向，液压缸退出，从而使压模从桶身内快速退出。拨桶机构立即将桶身拨出翻边机。

3、模具卷边时卷边的形成过程

采用模具卷管技术，在国内已经是非常成熟的冲压加工工艺，而把它应用于钢桶桶口卷圆，还是近几年的事。这是因为近年来，薄钢板的超轻型（桶身板料厚度为δ=0.5mm、桶底顶板料厚度为δ=0.65mm ）全开口钢桶已被广泛的应用于石油化工和食品等行业，由于其生产成本低，价格便宜，因此其市场前景不错。那些捷足先登者们为了尽快占领市场并扩大市场份额，先后从国外引进了几条开口桶生产线。从这些进口的生产线来看，全部都是采用模具卷边，故国内的许多制桶厂家纷纷效仿，但在生产实际中出现了各种各样的卷边结果，有些厂家卷出来的边比工艺要求尺寸小的多；有的卷出来的甚至不是圆而是和桶盖一样为敞开的圆弧等等。下面我们来分析模具卷边时的形成过程。

模具卷边过程其实和模具翻边过程一样的，只是翻边模具的槽型和卷边时模具槽型不同而已。翻边时，翻边模具的槽型如图三（a ）所示；图中R为桶身翻边时的圆角半径；b为桶身翻边宽度；而卷边时，卷边槽型如图三（b） 所示。从图中我们可以看出，卷边时卷边槽型是由两个大小不同的R1和R2圆弧与半径为R的圆相切而组成，半径R的大小等于桶身卷圆直径的一半。一般情况下，在卷边时R1小于R，而R2大于R。其大于或小于R的数值由钢桶桶身卷边时桶身材料的屈服极限、桶口卷边时的曲率半径等因素决定的；所以，对于不同厚度材料的桶身来说，尽管卷边的直径大小要求是一样的，但由于材料厚度不同，因此卷边槽型内的R1和R2圆弧与半径为R的值也不是完全相同的；但当桶身材料的屈服极限、材料厚度和卷边时的曲率半径达到一定值时，这三个值是相等的，即R1=R2=R。另外，图中都有一斜面，桶身边缘无论是翻边还是卷圆，进入模具槽形前首先接触的就是这个面，所以这个斜面的角度(公式略)是一个重要的参数，对于翻边模具来说，它主要起导向定位作用；而对于卷圆模具来说，它不仅起导向作用，而且还决定桶身材料进入卷边槽型的多少。(公式略)角度过小，不利于进料，有时还会产生“外卷圆”现象；(公式略)角度过大，则会影响卷边圆的形成。一般情况下，(公式略)角度在5°~8°之间较为合适。

二、使用滚轮进行挤压卷边

使用滚轮进行卷边的基本工作原理实际上与钢桶桶底顶的卷封是一致的。它的基本原理与旋转弯曲成形是一样的。在卷边过程中，材料的变形已超出了弹性范围而出现塑性变形。材料的弯曲不是在某一个平面内，而是沿着卷边辊轮的曲线不断变化；材料除有弯曲变形外，并且还有挤压等变形。如图四所示。一般情况下，卷边力P可按空间直角坐标分解成三个分力：Px、Py、Pz。其中，切向分力Px是卷边辊轮绕桶身周边推进，为克服一定的变形摩擦阻抗所需的作用力；径向分力Py是卷边辊轮向桶身中心推进，使桶身的周边产生一定的径向变形所需的作用力；轴向分力Pz是卷边辊轮沿轴向紧压卷边所需的作用力，但其值较小（约为Px值的1/5），为简化分析计算可以忽略。这样，对卷边力来说就可近似地看作平面力系来讨论。

不过，采用滚轮挤压卷边，一般都是采用二个滚轮即头道滚轮和二道滚轮进行卷边。而在卷边过程中头道滚轮和二道滚轮的卷边情况是不完全相同的，前者主要使桶身翻边处受挤压而产生弯曲和压紧钩合，而后者主要使卷边进一步紧压而产生塑性变形。因此，可分两个过程进行讨论。

1、头道卷边力分析

如图五所示，设头道卷边滚轮中心由O1移至O2时，它和桶身互相接触的弧线ab。可将头道卷边力P’近似看作作用于该段圆弧的中点C。

根据上述分析，将P’分解成沿桶身切线方向的分力P’x和半径方向的分力P’y。由图可知：

(公式略)

式中 (公式略)——卷边滚轮与桶身接触的中心角；

(公式略)——向径OC与中心连线OO2间的夹角；

(公式略)——桶身在接触弧的平均半径，即C点的向径；

(公式略)——卷边加轮的作用半径。

将(公式略)值代入上式得：

(公式略)

设头道卷边滚轮从位置O1移至O2时，其转角为(公式略)，沿桶身的周向行程为L，向桶体中心O的向径行程为y，单位径向进给量为(公式略)，则

(公式略)

故知这一过程卷边滚轮所作的功包括两个部分：

(公式略)

实际上，卷边力所作的功应与桶身被卷封部分达到应有的变形所需的功相等。对头道滚轮而言，若令U1为周边弯曲变形所需的功，U2为周边钩合变形所需的功，则可取

(公式略)

进而由A1+A2=U1+U2，解出头道卷边力

(公式略)

式中 (公式略)——与材料弹性有关的系数，一般可取1.2~1.5。

2、二道卷边力分析

为了使桶边卷圆后得到一个比较满意的圆边，以致卷边结束后不再发生弹性变形。这样二道滚轮只起到一个整形的作用，所以它的槽形一般情况下是一个半圆弧。

它的受力状况如图六所示，若将头道卷圆形成的桶边看作是连续的环状金属带，其初始厚度为(公式略)，经二道卷圆滚轮辗压后变为(公式略)，其接触弧所对应的滚轮中心角为(公式略)。若在辗压区取一单位卷边宽与截面abdc所组成的微小示力体，设ac=hx,bd=hx+dhx,cd对应的滚轮中心角为d(公式略),cd中点分别至滚轮中心O1及桶体中心O的连线与中心线O1O的夹角为(公式略)和(公式略)，滚轮的工作半径为(公式略)，桶身在cd中点的向径为(公式略)。

连cd中点与桶身中心O作为Y轴，再过C点作同该轴垂直线作为X轴，则cd沿X-Y 轴的投影长度分别为ce和de。将二道单位卷边力(公式略)分解为(公式略)和(公式略)，则作用在由cd与单位卷边宽所组成的微面积上的卷边力在坐标轴上的投影分别为：

(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 与单位卷边宽所组成的微面积上的摩擦力为：

(公式略)

式中 (公式略)——为摩擦系数， 一般可取0.08~0.12.

考虑到ac、bd两侧与单位卷边宽组成的微面积上所作用的内应力(公式略)及(公式略)，并将上述诸力向X轴投影，得平衡式

(公式略)

即 (公式略)

其中高阶微量(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)

求解这个微分方程式必须首先找出(公式略)与(公式略)之间的参数关系，参考有关资料可知

(公式略)

式中 (公式略)——系数，一般可取1~1.15；(公式略)——屈服极限，可取23.5×103N/cm2.

微分后得 (公式略)

将(公式略)、(公式略)值代入上式中，整理后得

(公式略)

对变量(公式略)近似取平均值(公式略)， 且设

(公式略)

这样可将上式简化为：

(公式略)

即 (公式略)

两边取积分，整理得： (公式略)

积分常数C可由初始条件确定，当hx=h0 时，(公式略)，故

(公式略)

解出： (公式略)

上式表示单位径向压力主要取决于(公式略)的大小。卷边滚轮对桶卷边边缘B的径向作用合力为：

(公式略)

同理，切向作用合力为：

(公式略)

因此，第二道卷边所需的卷封力： (公式略)

通过计算，得知，(公式略)。

3、滚压卷边时滚轮的设计

要想得到理想的卷边状态，必须进行严格的工艺设计，才能达到所要求的卷边形状。影响卷边形状的主要因素是滚轮的形状、凸轮的曲线和工作过程等。这里我们只讨论滚轮的形状和设计。

滚轮曲线的形状对卷边圆弧的形状和尺寸起着决定性的作用。但是滚轮的设计是比较复杂的。影响因素也较多，多数是经验值。但有一点是可以肯定的，在卷边圆的形成过程中，形成的弧线在理论上应该是渐开线。而在实际应用中，较为好用而且卷边圆流线漂亮圆滑的，其滚轮形状都接近于渐开线。由于真正的渐开线难于加工，所以，一般在生产实际中所用的滚轮曲线大都采用多个圆弧相切而成。图七为一全开口钢桶桶口卷边时的头道和二道滚轮曲线形状。图中ed 段为斜面，桶身边缘首先接触的就是这个面，(公式略)角度是一个重要的参数，对于头道卷边滚轮来说，(公式略)角度过小，不利于进料，有时还会产生“外卷圆”现象；(公式略)角度过大，则会影响卷边圆的形成。一般情况下，(公式略)角度在5°~8°之间较为合适。

图中cd段为卷边圆的过渡段，应使桶身边缘顺利通过发生变形。一般情况下，半径R1不宜过大；cb段为卷边圆的成形段，通过这段后桶身边缘的圆边就基本上形成了。所以半径R2是一个较为重要的影响因素。它的大小，直接决定了卷边圆的大小，所以一般情况下，R2略小于开口桶桶口边缘圆的半径；ab段为直线段，目的是使卷边圆形成后滚轮易于退出。

二道滚轮的形状较为简单，只是一个半径R为卷边圆直径一半的圆弧。使用它的目的主要是对头道滚轮卷边后的桶边曲线进行整形，从而得到表面圆滑、平整的圆弧卷边。

从上述分析可知，采用模具卷边全开口桶边和采用滚轮挤压卷边成形其变形过程是不一样的，但最终结果差异不大。只是滚轮挤压卷边时，卷边料的多少要受桶身翻边尺寸的限制。因此，在生产全开口钢桶过程中，桶口卷边圆选用那种卷边方式制作，除要满足工艺要求外，还要根据企业的实际情况，以最小的投入，获得最大收益为目的。