制桶工艺学
第四章 桶身整形
第二节 成形原理与整形胎具
4.2.1 成形原理
在确定整形胎具参数前必须先研究成形原理也即金属塑性变形的过程和影响因素。
桶身整形工艺的成形过程中桶身板材也遵循塑性变形的几条基本规律:
（1）塑性变形体积不变，仅仅是金属材料的滑移。
（2）材料变形总是优先沿着阻力最小的方向发展——最小阻力定律。
（3）塑性变形稳定加载时，主应力状态与主应变状态具有一致性。
（4）卸载时产生弹性恢复，反向加载有软化现象。
整形工艺是在不破坏金属的前提下使金属体积作出塑性转移。金属塑性变形的性质，表现为屈服，应变刚和破坏三个方面。第一类是机械因素。通常把这类因素称为变形方式，即金属塑性变形时的应力状态与应变状态。第二类是物理因素，通常把这类因素称为变形条件，如变形温度与速度等。
成形时，金属的受力和变形情况是非常复杂的。但归纳起来，不外乎是在拉、压的综合作用下，产生一定的拉应变和压应变，以达到预期的成形目的。一般说来，变形方式对于金属的屈服与应变刚影响不大，但是对金属的破坏则有比较显著的影响。因为金属的塑性变形主要是依靠晶内的滑移作用，滑移阻力主要取决于金属的性质与晶格构造，取决于金属原子间的物理化学力。而金属塑性变形时的破坏，则是由于晶内滑移面上裂纹的扩展以及晶间变位时结合面的破坏造成的。压应力有利于封闭裂纹，阻止其继续扩展，有利于增加晶间结合力，抑制晶间变位，减少晶间破坏的倾向。所以金属变形时，压应力的成分愈多，金属愈不易被破坏，可塑性也就增加了。与压应力相反，拉应力成分愈多，愈不利金属可塑性的发挥。由此原因，在设计整形胎具时，是基于使桶身受压变形这一前提。在成形生产中，桶身形状的变化与成形过程——即材料的塑性变形过程都是在常温下进行的。在常温下的塑性变形过程中，由于冷变形均硬化效应引起材料机械性能的变化，结果使其强度指标（屈服极限σs与强度极限σb）随变形程度的加大而增加，并且同时使其塑性指标（延伸率δ与断面收缩率ψ）降低。材料的硬化性能减少过大的局部变形（减小厚度的局部变薄量）；使变形趋向均匀，增大成形的极限，这对整形工艺中的涨筋工序有利；但在扳边成形时边缘部分材料的硬化容易引起开裂，因此，在设计整形胎具时，要考虑材料的硬化性。
4.2.2 整形胎具
一般对成形胎具的基本要求是：
(1)保证胎具具有足够的强度和刚度，能经受冷热交变应力状态下工作。
(2)工作部分材料必须有相当的韧性和耐磨性。
(3)应有合理的几何形状，避免应力集中。
(4)易损部分拆换方便。
(5)保证操作人员安全生产。
(6)制造简便，成本费用尽可能低。
整形胎具的构成是基于上述要求考虑的。
一、扳边胎具
扳边是把桶身的边缘按曲线成形，形成竖立的边缘。作为执行构件的扳边胎具，相对于桶身必须完成某种特定的运动，即周向旋转运动和径向进给运动。扳边时桶身边缘上曲率发生变化的部分是变形区。在扳边初始阶段，扳边上滚刚接触桶端边缘时，扳边上滚施于桶端边缘板的外弯力矩不大，在钢板变形区的内、外表面上引起的应力数值小于材料的屈服极限σs，仅在材料内部引起弹性变形。当扳边上滚继续下压，外弯力矩不断增大时，材料的曲率半径随之变小，桶端边缘变形区的内、外表面首先由弹性变形状态过渡到塑性变形状态，以后塑性变形由内、外表面向中心逐步地扩展，直至完成成形。
扳边胎具的结构形状和参数是根据扳边凸缘的所需形状和尺寸制订的。
上扳边滚轮为制作桶身凸缘滚轮，它要完成径向进给和周向旋转两个运动。若采用二重卷边，则扳边宽度为12毫米左右，扳边角度在90°左右。上扳边滚轮必须满足要求的工艺尺寸。下扳边滚轮主要起对桶身支承和定位作用，在扳边凸缘成形过程中相当于靠模胎具，其仅完成周向旋转作用。
若采用三重卷边，因其为7层圆卷边，则扳边凸缘宽度经反复试验，宽度值在18毫米左右，在板材长度与桶高要求都允许的情况下该数值还可稍大些。扳边角度在105°左右。
在确定胎具的结构参数时还考虑了金属材料塑性变形时的蠕变特性和上、下胎具间的调整和修磨余量。
蠕变是指金属在恒定压力下，除瞬时变形外，随着时间的增加而发生的缓慢、持续的变形。是金属的晶内滑移、亚晶形成及晶界变形造成。而钢桶材料出于要求其塑性好，变形抗力小的目的，一般在满足它作为包装容器的强度性能前提下，采用较低强度的低碳钢，这样可以使桶身整形时的单位整形压力相应减小，延长胎具使用寿命，材料的冷作硬化敏感性也较低，否则会造成继续变形困难。但正因如此，材料的蠕变也就较易发生，所以要考虑在内。
二、波纹胎具
上、下波纹滚轮是形成桶身波纹的执行构件。桶身板在上、下波纹滚轮的夹持滚压中仿型形成波纹。
波纹是在桶身表面用局部成形的方法制成的突起。波纹滚轮是一对互相咬合的仿型胎具，桶身板材在上、下波纹滚轮的滚动压力下，由初始的浅痕不断径向扩展，与此同时其桶身材料在成形过程中也随着内应力的不断增大由弹性变形逐渐变为不可恢复的塑性变形。对于波纹成形，上、下滚轮都是施力者。凸起的波纹外表面受拉内表面受压，而凹下的波纹则相反。
为形成波纹，作为执行胎具的波纹滚轮，相对于桶身亦必须完成某种特定的运动，由波纹机传动系统图我们已知波纹上滚轮轴无旋转动力，因而不能自转，只有在与桶身板接触后靠摩擦力矩能它与桶身一起由下滚带动旋转。故上滚在初始只有径向进给运动，当下行到与桶身接触后才有被动的相向旋转运动。下滚只有周向旋转运动无径向选给运动，因为它对桶身还有径向支承定位的作用。波纹形成是通过上、下滚轮凸缘的互相啮合滚压使夹在其间的桶身板随其仿型变形而成，因而上、下滚轮的结构形状相同。
三、涨筋胎具
我们采用的是机械涨筋，是利用刚性分块凸形涨环作为形成桶身环筋的执行构件。
涨筋时桶身的塑性变形是在凸模的作用下，靠局部材料两向受拉而变薄成形。机械涨筋相对于软模涨筋（用液体、气体或橡胶等作传压介质）来说，涨形的均匀程度较差，只适用于尺寸公差等级不高和形状不复杂的形体件，而钢桶正属此类。桶身涨筋是在常温条件下利用刚性分块凸模采用仿型挤压的方法实现的成形。变形区的桶身材料的截面上只有拉应力的作用，而在厚度方向上其应力分布较均匀，因而在成形时它的形变易于固定，卸力后的弹性恢复也很小。这样涨筋的工艺尺寸能得到较好的保证。为便于材料流动，减小变形区材料的变薄率，在涨筋时，桶身两端一般不加固定，使它可自由收缩。
为形成桶壁圆周上的环筋，当主轴前移时，分块涨环在模形块的作用下向外扩张，即相对于桶身作径向挤压，该挤压过程是在桶和涨模都无轴向和周向运动的条件下完成。涨筋机头整个相当于一个桶身的仿型芯模。从工艺手段来说，除了用机械涨形方法挤压环筋，还可以采用与滚压波纹类似的方法滚出环筋。两者相比，涨筋的效率高，质量好，操作方便。但它没有滚筋灵活，当桶形尺寸改变时，需要更换部分构件。
弓形涨环的结构与尺寸多数完全是根据涨筋的工艺尺寸确定的，它相当于芯模。在胎具组合中，模形块和涨块基座都有相对运动，其运动面的磨损使它的使用寿命有限数，约15万次，而涨环磨损极少。
四、整形胎具的材料要求
一般说来整形胎具必须具有很高的强度和硬度，以避免它本身的塑性变形、破坏和磨损；必须具有相当高的韧性，以满足在一定的冲击条件下工作，具备好的热疲劳强度，以满足在冷热交变应力下工作；还必须易于加工。基于这些条件，我们可以采用Cr12型模具钢或滚动轴承钢，如GCr15。后者的耐磨性较前者更佳。 这类钢由于含有高的碳量和铬量，形成大量特殊碳化物和高合金的马氏体，使钢具有高淬透性、高硬度、高耐磨性和热处理变形小这几个特点。故用来制造截面大、形状复杂，经受较大冲击的工模具，因而正适宜作钢桶为整形胎具。这类钢的热处理包括球化退火、淬火和回火。Cr12钢中存在大量的碳化物，这些碳化物在钢中分布是很不均匀的。如用它直接制造成胎具，将使胎具容易发生热处理变形，同时使机械性能下降。为了提高胎具均质量，必须对Cr12钢的原材料进行反复锻粗、拔长的锻造，以消除碳化物的不均匀性。而为了消除锻造应力，使碳化物球化，降低材料硬度，为以后的机加工成形及最后的热处理创造条件，锻造后约胎具毛坯必须进行球化退火。
此类钢一般采用等温球化退火。其工艺为，加热到850～870℃后保温2～4 小时，此时组织为奥氏体及碳化物，然后炉冷到720～750℃，等温6～8小时，再冷到500℃以下出炉。组织为索氏体。基体上均匀分布着合金碳化物颗粒，硬度为HB207～255。其后的最终热处理方案一般采用淬火回火一次硬化总较适宜。一次硬化法是在较低的温度进行淬火(980℃左右)，然后进行低温回火(180～220℃)使钢具有高的硬度和耐磨性，较小的热处理变形。因它有很高的淬透性，可以在空气中淬硬，生产中一般采用油冷淬火。为了减小变形，亦可采用硝盐浴分级淬火或等温淬火。热处理后的胎具硬度达到HRC60～62。
