钢桶卷边剖析 海南省金鼎实业发展总公司 丁进义 近年来有关钢桶卷边的文章很多。通过学术讨论使我们对钢桶卷边的认识不断地深化，对提高我国钢桶卷边质量是颇有好处的。笔者在此就卷边问题提出自己看法。 一、卷边基本概念 卷边最初的含义是：为了提高薄壁零件边缘刚性和强度，将其边缘卷曲的工作叫卷边，如图1所示。在手工制作铁水桶等日用杂品上，经常采用这种卷边。 图1 卷边图 本文所指的卷边实际上是一种咬合形式。咬合一般分为平面咬合和折角咬合。 平面咬合是把两块钢板的边缘（或一块板的两个边缘）折转扣合，并彼此压紧。平面咬合又称咬缝或咬口。这种咬缝较牢靠，不少地方代替了钎焊。在小桶（或小罐）生产中经常用在桶身（或罐身）两边的咬缝。 平面咬合分半咬和整咬。咬缝分立缝单扣、立缝双扣、卧缝挂扣，卧缝单扣、卧缝双扣等，如图2所示。 图2 平面咬合 桶身的咬缝主要是采用卧缝挂扣。卧缝单扣和卧缝双扣主要用在建筑上，如屋顶排水沟。折角咬合（如图3所示）是我们讨论的重点。 图3 折角咬合 钢桶卷边外形根据其用途不同可分为矩形、圆形、梯形、三角形等。根据重叠次数又分为二重卷边和三重卷边。 钢桶的卷边是桶身和桶顶底折角咬合的一种工序。通过滚压形式用若干个卷封轮将桶身和桶顶（底）咬合在一起达到设计所要求的结构和尺寸。一般要求卷边有一定的密封性，有良好的抗渗漏性能和抗冲击能力，从而，保证钢桶在运输、贮存中能承受各种形式的碰撞、跌落。过去由于我国钢桶卷边质量不过关造成渗漏事故，损失很大。近年来，各制桶厂努力学习和掌握先进的卷边技术，消化和吸收国际先进卷边技术使我国，钢桶卷边质量跨入国际先进行列。 二、卷边对金属材料的要求 卷边用金属板材必须有良好的可塑性。金属的可塑性是指在外力作用下金属，产生永久变形的能力。金属的塑性一般可由两个方面来反映，一个叫断面收缩率，另一个叫延伸率，分别用ψ和δ来表示。 ψ＝[(F0-F1)/F0]×100% 式中：F0——拉伸前试件截面积；F1——拉断后试件截面积。 δ＝[(L1-L0)/L0]×100% 式中：L0——拉伸前长度；L1——拉断后长度。 scop-369金属材料的ψ和δ的数值愈大，其可塑性愈好。塑性好的材料，容易进行各种加工如压延、弯曲、拉伸、卷曲等。 钢桶用材料推荐选用屈服强度与强度极限之比小于0.75的材料。 σs/σb＜0.75 式中：σs——屈服强度；σb——强度极限。 对桶身和桶顶底材料要求也不尽相同。桶顶底材料要经杯凸试验。 在卷边过程中，钢桶桶身和桶顶底在外力作用下，卷边材料发生强化、再结晶、蠕变，残余内应力恢复、应力松驰等变化。 瑞利衰落在塑性变形中，金属往往发生滑移或孪生，并以滑移为主。在外力作用下，桶身和桶顶底沿滚轮曲线卷曲，当外力超过滑移抗力，金属就发生滑移。滑移后金属硬化。当晶面滑移抗力继续增大，就停止滑移，如果再增大，晶体继续滑移，一旦变形无法进行，材料发生裂纹。因此，冲压成型时桶顶底圆角不能过小，卷封滚轮曲线弧也不能过小。 三、卷边内外规格要求 1．卷边外观要求 （1）卷边顶部要圆滑，无向内突起的起筋和碎裂。故障检测 （2）卷边下部光滑，无牙齿、铁舌、翻牙形、损伤、接缝卷边松动等缺陷。 ①牙齿：指桶顶钩卷边不良，于卷边下部形成突起。 ②铁舌：指卷边局部下垂，宽度超过卷边宽度1.2倍。 ⑧翻牙形：指头道滚轮卷边不平整，造成第二道卷边形成V形缺口，卷边下部有轧伤痕迹。 ④接缝卷边松动：指接缝部分，由于滚轮压力不足造成卷边松动。 2．卷边内部要求 (l)要求桶身钩和桶顶钩平服，无波浪形，上空隙Uc和下空隙Lc尽量小，如图4。 图4 卷边内部结构 (2)重叠率η：卷边内部桶身钩和桶顶底钩重叠率要超过45%以上。 η={(BH+CH+1.1tc-W)/[W-(2.6tc+1.1tb)]}×100% 式中：BH——桶身钩宽度（mm）；CH——桶顶底钩宽度（mm）；W——卷边宽度（mm）；tc——桶顶底板厚度（mm）；tb——桶身板厚度（mm） 四、卷边过程分析 卷边是钢桶生产最关键的工序。卷边质量的好坏直接关系到钢桶内在质量。影响卷边质量因素很多，诸如钢板机械性能和厚薄均匀度，桶身扳边尺寸多桶顶底边宽，填料的性能，填料饱满程度，干固程度和涂胶方法多封口机卷边轮工作曲线和磨损程度及封口机的调整情况等等。要获得理想卷边，首先必须要有好的卷封滚轮。为此做如下分析： 1．卷边过程中钢桶受力分析 在卷边过程中钢桶受到卷封滚轮轧制作用。从卷边形成过程中卷边的变化说明卷封滚轮对桶的作用力十分复杂。作用力大小、方向、作用位置等随时间而变化。精确地计算各时态下的受力及其变化情况比较困难。 卷边过程中卷封滚轮与桶凸缘的作用力系为一个空间作用力Po。其作用线垂直于工作表面接触轮廓线，沿空间X、Y、Z三个轴向分解为Px、Py、Pz三个分力。Px为周向分力，Py为径向分力多Pz为轴向分力。在卷边开始，卷封轮径向进给之初，Px和Py分力所占比值较大，Pz分力较小。Px和Py分力的大小随径向送进量S,卷封凸缘厚度的增大而增大，但Pz增大得缓慢些。随着径向进给位置不断地变化，Px、Py、Pz三个分力比例发生变化：Pz分力突然增大，Px和Py分力相对减少。这是因为桶身和桶顶底凸缘已发生卷曲变形。随着径向进给趋于终止，Px分力更趋减小。第二道卷封轮力的变化情况与第一道相似。在最后的滚挤压中，Px分力主要用于克服滚挤过程中滚轮与卷缝间相对转动的接触摩擦力。关于封桶中卷封滚压的卷封力P或Px、Py＼Pz分力的理论计算式，目前尚末成熟。 2．卷边形成和卷封轮运动轨迹分析 钢桶卷边时，传动机构将桶身和桶顶底送上封口机工作台，工件旋转的同时卷封轮进行进给。首先是第一道卷封轮进行卷封作业，将桶身和桶顶底相叠卷曲成要求的形状。完成后自动撤离并立即进行第二道卷封作业。在凸轮作用下第二道卷封轮向中心径向送进，进行挤压，使已卷曲的凸缘向桶身贴合靠拢，最后成为紧密勾连的卷边。图5为二重卷边形成示意图。：图5a为第一卷封轮滚压开始和终了卷边状况图。图5b为第二道卷封轮滚压开始和终了卷边状况图。 图5 二重卷形形成示意图 在卷封边程中，卷封轮与桶顶间相对运动，桶与封口盘er起转动，卷封轮作径向进给。桶身转速是影响生产效率主要因素。滚轮进给速度应和桶转速相适应。桶每转一周，卷封滚轮径向送进量S可用下式表达： S=(a1-a2)/nZ (mm/r)骨膏 式中：a1——卷封滚轮开始滚压作业时，滚轮中心到桶中心距离（mm）；a2——卷封滚轮完成卷封作业时，滚轮中心到桶中心距离（mm）；n——卷封轮径向推进a1-a2时，桶绕主轴转数（r）；Z——同时做同一作业卷封滚轮个数。 应取n的最小值。通常取第一道卷封nmin≥2多第二道卷封nmin≥10. n大可以使卷边光整多n过大，特别是n>4以后，提高卷封质量不明显，反而影响生产能力. 实现径向进给的机械装置有多种。对装置的要求，首先应能满足卷封工艺要求，均匀而稳定地实现径向进给，便于进给量的调整和控制。此外还要求其结构简单、紧凑、加工方便等。可做卷封径向进给的机构，如：凸轮机构，偏心机构，差动偏心机构、连杆机构等。最常见的是凸轮机构和偏心机构。最近也有些采用液压机构。 3．卷封滚轮理想的卷封曲线分析 最理想的卷边形式应以圆卷边为主。钢桶圆卷边是指卷边外轮廓形状以圆形为主，实际的卷边外形往往不拘一格，有纯圆形、梯形、三角形等。 卷封轮是卷边滚封作业必不可少的工模具。通过卷封滚轮对桶身和桶顶底的强制卷曲，实现严密的咬合。为了使桶身和桶顶底在滚压中卷曲变形，卷封轮的设计必须使卷曲过程循序渐进，尽量减小变形阻力。卷封滚轮径向进给运动轨迹，见图6。图6a为一套卷封滚轮作卷边卷封时滚轮径向进给状况。卷封时总的径向进给距离对每一种规格桶应是定值。它分别由第一道卷封滚轮和第二道卷封滚轮甚至第三卷封滚轮完成。桶顶底预卷时其成型滚轮的径向进给不含在总的卷封径向进给距离之内。根据卷曲时变形程度和确保卷边质量，一般取第一道卷封滚轮径向进给距离为总的径向进给距离70-80%，而第二道卷封滚轮为20-30%.径向进给量S的大小，影响卷边质量及生产效率。为得到优良的卷封质量， S不宜选得过大。当Z=1时，用多段圆弧曲线圆滑相接而成。 图6 卷封轮径向进给运动轨迹 从理论上分析，卷边形成应从里层开始卷曲然后卷外层，即从大曲率向小曲率过渡。实际上钢桶的卷封只能从外层向里层过渡，即从小曲率到大曲率滑过渡。为了解决这个问题，卷封往往无法一次完成，要经过二次或三次卷封，即所谓二重或三重卷边。 简单的二重卷边，由于卷封要求不同，第一道和第二道卷封滚轮工作曲线也不同。第一道轮要求桶身和桶顶底凸缘滚压重叠互相咬合，使桶顶底凸缘周边被卷曲到桶身凸缘根部，其径向进给位移大，工作曲线槽狭窄而深，形状复杂。它是形成卷曲的主要滚轮。第二道卷封轮是将已经完成的卷曲继续滚挤压，使其成为双重卷曲接缝，因此其卷封曲线工作面是宽而浅的槽形，如图7所示。 图7 二重卷边滚轮曲线 在卷封过程中，由于卷封轮工作表面直接与桶身和桶顶底接触，滚挤辗磨，因此易因磨损、疲劳和胶合而失效，故卷封轮材料最好选用优质钢，合金钢或工具钢如，Cr12、9CrSi等。热处理硬度要达HRC60-62,保证工作面坚硬耐磨。表面光洁度推荐在△7以上。加工好工作曲线后，采取喷镍法可以大幅度提高其耐磨性。 获得理想的卷边必须有理想的卷边卷曲曲线。笔者认为最理想的圆卷边滚轮曲线是阿基米得螺线c它是？种等速螺线，是根据等速凸轮特性求出的曲线。 ρ=ρo+αθ 式中：ρ——极径；α——常数，和桶料厚度有关；θ——极角。 当ρo=0时，方程式变成ρ=αθ.这是卷边曲线方程。从卷边曲线方程式可以看到：θ=0时，ρ=O.当9连续增加时，ρ也按比例增加。θ每转2π时.ρ增加2πα，如图8所示。阿基米得螺线的一个特点就是通过极点0的射线截成长度相等的线段。这个特点正好可以满足板料厚度为定值的钢桶卷边基本要求。车床所用的三爪卡盘就是利用这个原理加工的。它可保证卡盘三爪同时伸缩并位于中心线上。 图8 阿基米德螺线 钢桶卷边中当层与层之间没有间隙时2πα＝2b,式中b为钢桶壁厚。 根据ρ＝αθ方程式可以相应地绘制卷边曲线。其方法是对每一个极角计算出每个极径，取点，连接对应的ρ点成一曲线，即为理想卷边曲线。 通过计算钢桶卷边曲线长度即可求出桶身翻边宽度和桶顶底边宽尺寸。卷封滚轮曲线长度可以用一个积分式计算，由极坐标和极坐标转换关系，可以推出极坐标的弧微分公式： 钢桶底盖卷边展开长度公式为： 桶身翻边尺寸为： 按照以上公式不难计算出桶身翻边尺寸和桶底盖边宽尺寸。 | |
努力提高钢桶卷边质量 海南省农垦海口农具厂 丁进义 一、前言 声波识别200升闭口钢桶是重要的金属包装容器，也是我国工业产品主要包装形式之一。在商品的交换和转移的过程中，它以其高强度、耐腐蚀、安全、可靠和耐用等特性广泛用于各种产品的包装，尤其是外贸出口商品的包装。它已成为生产和消费之间不可缺少的桥梁，它对保护商品起着十分重要的作用；目前，我国200升闭口钢桶需求量每年为1500万只左右。全因已有300多家大小制桶厂生产200升钢桶。近年来，虽然我国钢桶质量已有大幅度的提高，但就总体而言钢桶质量，尤其卷边质量仍是不尽人意。现在全刚已经掌握先进卷边技术的制桶厂还占少数。有些厂家虽然已掌握其技术，但仍然未形成生产能力，无法大批量生产高质量钠桶。 随着我国工农业生产的迅速发展和对外贸易市场不断扩大，对金属包装容器质量提出越来越高的要求。因此，要全面提高钢桶质量，尤其解决中小制桶厂钢桶质量，减少钢桶渗漏损失已经刻不容缓了。 双模单待钢桶质量问题主要表现在钢桶的渗漏和外观质量。钢捅的渗漏主要从三个方面引起的：一是桶口件；二是焊缝；三是环缝。前两个方面造成的渗漏相对而言好解决些，而解决环缝的渗漏较难。 卷封质量一般通过气密性试验、水压试验、灌装试验以及跌落试验来检验。其中以通过跌落试验最难。跌落试验一般可分为直落、平落以及对角线斜落，其中又以对角线斜落破坏性最大 要彻底解决钢桶渗漏问题，减少渗漏损失，最有效的办法和途径是提高卷边质量。其最可靠的手段是全面推广和应用三重卷边技术。 二、二重卷边和三重卷边性能比较 过去几十年来，我国钢桶行业普遍沿用二重卷边工艺。这种古老的卷边形式强度差，抗冲击能力低。尤其在装卸、搬运、运输等流通过程中，易损坏卷边，使其盛装物渗漏，造成不必要的经济损失。下面让我们通过跌落试验来比较二重卷边和三重卷边抗渗漏性能。 盛装98%水的钢桶从1.2米以上高度跌落时，由于受重力加速度的作用，撞击到地面时，桶对地面产生数吨的冲击力，地面又以大小相等方向相反的力作用在桶卷边上，使卷边部分被破坏，图一为二重卷边钢桶跌落前后卷边剖面图，图二为三重卷边钢桶跌落前后卷边削面图。 从图一和图二两种卷边形式的钢桶跌落前后截面变化的分析中，可以得出结论：二重卷边桶在受外力冲击时截面变化较大，五层卷边有二层被损坏，破坏率占2／5，三重卷边破坏率只有2／7，七层中有五层是好的。因此，跌落后渗漏可能性大大减少，甚至在卷边完整，填料充足的情况下几乎可以完全避免渗漏问题；但是三重卷边桶不等于可以百分之百不渗漏，甚至还有人认为，只要形成三重七层卷边，卷封内填料充不充足问题不大，这是十分错误的。在1990年8月笔者有幸参加广东、广西、海南三省在广州进行的出口钢桶检测。八个制桶厂进检的钢桶均采用三重卷边工艺。检验结果只有2家通过I类危规，通过Ⅱ类危规的也只有2家，这就说明合格率还不太高。 三重卷边钢桶偶尔产生渗漏的原因，笔者认为有三个可能性：一桶身料在卷封中勾不到头，桶底盖自卷如图三所示；二桶底盖料勾不到头，桶身料自卷如图四所示；三局部填料不充足，无法填满缝隙。产生卷边较大缝隙的原因是桶身板不均一头宽一头窄，另一个原因桶底盖凸缘边一边窄，一边宽或有局部缺口。近年来，笔者曾组织人员进行了100个钢桶的跌落试验，其中二重卷边桶占70%，三重卷边占30%。其结果，二重卷边几乎个个渗漏，而三重卷边几乎个个不渗漏，有些二重卷边桶1米高跌落也要渗漏，甚至尚未凿洞就已渗漏，而三重卷边桶高度在2米以上跌落也不渗漏。 理论分析和实践经验证明：固守着二重卷边工艺是无法提高钢桶卷边质量。要使钢桶质量有突破性提高只能采用三重卷边技术。 三、卷边形成过程分析 钢桶是以卷边封接法将桶身与桶底盖凸缘卷封成坚固牢实的密封连接。卷封形成过程是十分复杂的。卷封时卷封轮对钢桶作用力系为一个空间作用力P。其作用线垂直于工作面接触轮廓线，沿空间X、Y、Z三个轴向，P。分解成Px、Py、Pz三个分力。Px为周向分力；Py为径向分力，Pz为轴向分力。卷封轮开始进给时随进给量增大PX和Py也增大，当进给位置发生变比时Px、Py、Pz三个分力比例也有所变化，发生卷曲变形时Pz明显增大直至卷边完成。填料是被卷挤在卷缝中，增强密封作用。图五为二重卷边桶在二道卷封轮滚压下卷边形成 过程，图六为三重卷边桶，在二道卷封轮滚压．F卷边形成过程（不含桶底盖预弯过程）。 桶身与桶底盖封接时，凸缘在卷封轮滚压中卷曲变形，其变形是循序渐近的。卷封轮工作面一般是由多段圆弧曲线圆滑相接而成。由于承担的作用不同，第一道和第二道卷封轮有明显区别。 从二重卷边和三重卷边形成过程的分析，我们可以看出，三重卷边和二重卷边其形成过程并没有根本上的差异。最大的不同在于三重卷边其桶底盖最好先预卷，桶身扳边尺寸和桶底盖凸缘要求宽些，另外要求第二道卷封轮成型曲线要能包容七层卷边（即工作而展开长度大些）。 三重卷边桶底盖预弯一般在专用的预卷机上进行。在预弯的同时还要施胶，并在离心力作用下使填料聚集在预弯边缘处。为了保证卷边质量要确保填料干透才进行卷封。由于桶底盖经过预弯，因此三重卷边第一道卷封轮工作面曲线形状可以和二重卷边第一道卷封轮设计得较接近。即要求卷封进给量大，卷封轮工作面槽形狄窄而且较深。笔者曾试用二重卷边第一道卷封轮来代替三重卷边第一道卷封轮，其效果并不很差。第二道卷封轮主要起继续滚挤压，使其成为严密卷封接缝，其工作面宽而浅。卷边形状还可以根据不同厂家要求和特来选择。一般很少采用三重矩形卷边，以采用圆卷边形式最多，有的厂采用三角形卷边。由于卷边呈三角形，卷边局部冷作硬化，在受外力冲击时不易被冲开。由于三角形卷边在进行对角线跌落，时撞击面正好是平面，如图七所示，有越受冲击越紧的可能性，因此跌落性能甚好。但是这种卷边最大缺点是水压试验承受压力偏小些，一般不超过3Kgf/cm2 (29.419×104Pa)，而其他卷边形式往往可以承受4Kgf/cm2(39.226×104Pa)压力而不渗漏。尽管如此，三角形卷边仍然满足《国际海运危规》I类要求。 四、三重卷边卷封轮设计及其他参数的确定。 三重卷边技术的关键是其卷封轮工作面曲线的设计，以及桶身和桶底盖凸缘尺寸等参数的确定。而这些均可以通过模拟试验来确定。进行模拟试验，一方面可以少走弯路，二方面又可以大幅度减少材料损失。试验时，可以用铝带或钢带来代替桶底盖和桶身凸缘，如图八所示。用压轮代替卷封轮，压轮曲线形状可以参照二重卷边卷封轮曲线形状，但压轮制成车床的车刀形状而不是“轮形”。可以用虎钳夹紧铝带或钢带，用钻床钻夹头或刨床JJ架夹紧压轮，用手轮实现进给，在进给过程中可以目测“卷边”形成过程，经过反复试验，不断改进即可较顺利地确定较理想的卷边卷轮曲线形状和桶身与桶底盖凸缘尺寸。同样，桶底盖预卷轮工作面曲线，也可以用类似办法来确定。 五、结论 改进卷边质量是提高钢桶抗渗漏性能最关键的环节，而采用三重卷边工艺是提高卷边质量最有效途径。三重卷边技术是国外七十年代先进技术，佴它并非什么神密技术，更不是高不可攀。任何迷信国外卷边技术的想法都是错误的。只要有决心攻克先进的卷边技术，又有较科学的探索方法，我国大小制桶厂都可以掌握三重卷边技术。 近年来我国钢桶行业里掌握先进卷边技术的厂家在不断增加，钢桶质量达到《国际海运危规》I类标准的厂家也逐年递增。它标志着我国钢桶行业开始跨入国际先进行列。但这仅仅是我国钢桶逐步升级的开始，钢桶质量要进步赶上国际先进水平还有一定差距。笔者之所以怀揣浅陋，提出以上肤浅之见，意在抛砖引玉。让我们在巩固已取得成果的基础上，加强行业之间的合作，不断提高卷边技术，可以展望在短期内我国钢桶质景会有更大的飞跃。 | |
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