薄钢板金属容器二重卷封应用技术的研究

郭松，高迎宪，纪进忠

摘要：通过对采用薄板（δ=0.16mm）制造的202 系列金属罐的卷封特点分析，明确了目前存在的主要问题并提出了解决方案。通过实验，提出了生产539 罐的卷封参数及卷封操作要点。

关键词：金属罐；卷封技术；薄板；卷封曲线

目前，国内已拥有三片罐生产线300多条，年生产能力已达230 亿罐。202系列（Φ52.3）小型金属罐，广泛用于食品、饮料、化工等行业。该系列各种罐型的马口铁传统用料厚度一般在0.2～0.23mm之间。从上个世纪末开始，国外已将马口铁用料厚度减薄至0.14～0.16mm，节材率可达30%以上。δ=0.14～0.16mm薄型马口铁板，是一种新型马口铁，称为极薄（SR）马口铁。为了使马口铁变薄后仍具有更高的机械强度，其钢基成分及热处理工艺均有相应调整。欧洲Corus公司生产的δ=0.15mm A类钢就是通过减少钢基成分中Mn的含量（0.18～0.35W%）及降低退火温度来提高其强度（硬度）。

1 目前采用薄板卷封的主要问题

由于采用薄板的经济效益明显，目前我国部分企业也开始采用此种薄板制作金属容器。但因薄板材料的机械性能变化较大，尤其是其塑性变差，硬度变高，使得目前常用的卷封结构和相关的模具尺寸，尤其是在卷封中起关键作用的卷封滚轮沟槽曲线形状，均需进行相应的新设计研究。若仍按板厚（δ＝0.21）相关的卷封结构和模具尺寸，则无论是结构中的相关盖钩和身钩尺寸，还是模具中的埋头尺寸、卷边外部尺寸，均不能满足薄板的卷封要求。

采用δ=0.16mm 薄板制作539 罐，在对其进行卷封操作时，主要存在以下问题：

（1）皱纹度：皱纹度>50%时，不仅影响卷封的紧密度，还会引起卷边外部表面划伤，吐舌等多种缺陷（如图1）。

（a）

（b）
图1 卷边拆解图
薄板（δ=0.16mm）539 罐卷边的皱纹度>50%

（2）叠接率：不稳定，很难达到有关标准。

2 薄板卷封的特征分析

根据金属塑性变形理论可知，金属薄板变形超过成形极限时，就会发生失稳而起皱。皱纹过大会使卷边失效，不能长期保存食品。因此，通过分析金属薄板在卷封过程中因失稳而起皱的原因及影响因素，将为解决皱纹度、叠接率、紧密度等卷封质量指标起到指导性的作用。一般能被商业用罐所接受的皱纹度是皱纹长度不超过卷边叠接长度50%的小皱纹，即皱纹度＜50%， 如图2 所示。

图2 皱纹度示意图

皱纹的成因和大小受很多因素影响，大体可归纳以下几点：

2.1 板材硬度

对于同一种板材，硬度愈大，弹性愈好，成形性愈难，易失稳起皱。

δ=0.16mm马口铁在轧制过程中的加工硬化，导致薄板的材料硬度及弹性模量都有进一步的提高，使得其后的卷封操作难度增加。

由图3可知，随马口铁的T 值增加（硬度增加），材料的断面收缩率ψ%急剧下降。实验中发现：当卷封机器状态不变的情况下，使用硬度低的盖时，卷边的皱纹度变小，而改用硬度较大的盖后， 皱纹度明显增大。

图3 马口铁的机械性能

2.2 板厚

板厚愈大，成形性愈好，反之板厚愈小，成形性愈难。压延较厚的薄板时，只有到变形阶段的后期，才会起皱。这就属于塑性失稳范畴。一般来说，在成形后期的塑性失稳，皱幅不大， 比较容易消除。而形成早期的弹性失稳，往往会形成事后难以压平的死皱。卷封过程较大的皱纹应属于这类成形早期的弹性失稳问题。

2.3 罐径

随着罐径变小（曲率变大），皱纹度及数量都有所增加。相同的材质在封罐径φ153时，皱纹度能达到20％以下；而封罐径φ52.3时的皱纹度通常升至40％以上。

外径愈小，压缩变形量愈大，失稳起皱愈易。当外径小到一定程度时，皱纹可能会大到不能满足商业用罐的要求，这就是极限最小外径Dmin。实验表明，圆罐最小外径可小到φ38左右，方罐圆弧半径最小可到R15（相当于φ30）左右。

综上分析：本项目用的薄板材料，由于板料硬度的提高，厚度的变薄，罐径较小，均使得二重卷封时卷边的早期失稳敏感性增加，而易造成较大的皱纹度。

以上这些影响因素，大部分可以与调整变形直径及卷封模具（包括一、二道曲线及压头等）建立某种关系，而其他主要应从提高卷封机精度及其调整精度来消除缺陷。

3 方案与措施

基于失稳理论分析，我们以减少变形量为主线来制定薄板卷封的实验方案。

3.1 卷边外部尺寸为实现薄板罐卷封各项质量指标的要求，以减少变形量及变形直径为原则，初步确定薄板卷边外部尺寸如表1：

表1 202罐薄板卷边外部规格设计

3.2 罐身和罐盖

在202传统标准罐盖外径和罐身翻边直径的基础上，分别相应减小直径，以达到减少变形量的目的。由于罐盖外径的减小需要减小冲模的落料直径等相关尺寸，此项工作亦有节省板材的效果。

减小罐身的翻边直径，同时采用旋压翻边的方式来解决薄板的裂口和起皱等缺陷。

3.3 卷封曲线在二重卷封技术中，若第一道卷封不合格，往往很难靠第二道卷封调整过来。因此，第一道卷封曲线的设计非常重要。在理论上，卷封曲线的设计往往要考虑材料力学，弹、塑性力学，失稳理论，薄壳理论等基础理论。图4为一道卷封曲线。

图4 一道卷封曲线

由于薄板卷封卷边尺寸的减小，一道曲线的宽度W及曲线深度H 都要相应减少。值得说明的是（如图5 所示），若曲线中R1增大，则易引起薄板早期弹性失稳，而R1减小后可使薄板的早期变形较平缓。可在卷封曲线经卷封筛选后，进一步调整R1曲率半径，以得到较理想的一道卷封滚轮曲线。

图5 曲线中R1 的曲率变化

3.4 压头和埋头度

压头的埋头部分，如图6 所示。图中C为压头的埋头度，C′为罐盖埋头度，Δc 为压头靠背与盖端面的距离，称为埋头差，Δc′为压头底部与罐盖沟槽底的间隙。

图6 压头与罐盖的埋头度
1—罐盖2—靠背3—压头

当埋头差Δc为0.1～0.15mm时，φC 的设计尺寸应大于φH（罐盖埋头部分最大直径尺寸）0.1mm左右。由于罐盖供货状态及尺寸的误差，压头埋头部位尺寸应根据罐盖实际尺寸配作来确定。

3.5 叠接率

卷边内部叠接率按下方式计算：

设叠接率为70%，代入各已知数据后，可求出罐钩BH 及盖钩CH 均应在1.7～1.8mm左右。

4 调机与试封

由于极薄板卷封要求调整精度高，调机试封时应注意以下几点：

4.1 一道、二道滚轮及压头的安装

a、滚轮总成中卷封滚轮轴向最大窜动≤0.03mm；

b、滚轮转动灵活，机架安装可靠；

c、压头及托盘安装可靠。

4.2 卷封滚轮的调整

滚轮位置的调整如图7所示。滚轮的横向（x轴方向）调整主要是与压头间隙δ的调整；而纵向调整主要是罐身与卷封滚轮的最大压下量时间隙Δ 的调整。调整时：

δ↑， CH↓易失稳， 起皱， 出快口，

δ↓， CH↑易碰伤压头，

Δ↑， 叠接率（%）↓，

Δ↓， 叠接率（%） ↑，当Δ 最小值达到设计值Δ=0.3mm 时，为最紧。

4.3 压头埋头度的调整

在卷封过程中，通过调整压头的埋头度C，改变埋头差ΔC，可有效地改变盖钩CH的长度，从而改变叠接率（%）。

C↑， ΔC↑， CH↓， 叠接率（%） ↓，

C↓， ΔC↓， CH↑， 叠接率（%） ↑。

加大埋头C及埋头差ΔC，需加大压头压力（托盘压力），会造成对罐盖的拉深从而加大罐盖埋头度C′。减少埋头度C， 甚至有时埋头差ΔC 成负值，则可减小罐盖埋头度C′。

图7 一道卷封轮的调整
1—罐盖2—罐身3—压头4—一道封口滚轮
表2 202（δ=0.16mm）539 罐薄板卷封工艺主要技术参数

5 结论

通过对δ =0.16mm薄板进行202系列（Φ52.3）小型金属罐制罐工艺中薄板二重卷封工艺的研究与实验，确认可以达到539罐生产实践中各项技术指标的要求。该种工艺的主要技术参数如表2所示。该项目的研究，对于采用δ=0.16mm板应用于其它罐型的卷封工艺，具有一定的参考价值。

参考文献：
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