《钢桶制造技术》

杨文亮 辛巧娟 编著

 

第十章 桶身胀形工艺

 

第三节 锥形桶胀形工艺及设备

一、胀锥工艺简介

锥形桶是近年来在国内发展起来的新产品，目前最典型的锥形桶有20升方便桶和215升开口锥形桶。锥形桶的成形桶身展开是一个扇形，以前小批量生产的锥形桶，板材按扇形下料，不仅模具复杂、易损、冲压设备庞大，而且不利于大批量生产，故现在多采用胀锥法生产。

胀锥法生产的工艺方法是：下料时按锥形桶小头直径展开，裁剪成长方形条料，经缝焊成为圆柱形桶身，再把桶身内套在一个胀锥模具上，模具通过液压机油缸顶入后胀开，桶身一次胀成。在大批量生产中，大多利用专业设备——胀锥机进行桶身胀形生产，生产效率较高。一般胀锥机立式的较多，也有制成卧式的，以液压传动方式控制，并由油缸作为胀锥执行机构。

这种方法只适宜于延伸率δ在20%以上的低碳钢薄钢板，08号冷轧薄钢板、标号为YB364的油桶板，以及YB121的镀锡薄钢板构可。在裁剪时，应注意钢板的压延方向，使拉伸方向和压延方向一致，这样可以防止拉裂，减少废次品。

桶身焊接是普通缝焊机，搭接宽度为板厚的8～10倍，同在焊接处剪切强度不成问题，拉伸时不会在此产生断裂现象。在生产实践中偶尔也有断裂现象，是由于焊接时冷却速度不合适（有的企业采用外部水冷却）而造成的焊缝脆硬。这属于偶然性因素，易于处理和排除。
采用全自动缝焊机进行桶身焊接时，由于有精密的工模夹具，使焊接桶身的精度大大提高了。目前可使焊缝处搭接宽度减小至接近板厚的2～5倍，再加之高温高压，已使焊接方法接近于对焊，这时焊缝只受拉力。由于不加外部冷却水，金属缓慢冷却，晶粒粗大，硬度较低，韧性较好，所以拉伸时断裂的情况较少。

二、胀锥工艺的原理和工艺设计

1．胀锥工艺原理

圆柱形桶身，在内压力P0作用下产生塑性变形，桶身金属的晶粒沿环向被拉长变薄，而应力则保持在屈服点上。金属变形不超过断裂极限，外力除去之后，留下永久变形。

图10-9 桶身胀形的应力计算

2．应力计算

设将圆桶身沿其轴向剖开，取长度为L的半圆桶身为研究对象。作用在这块半圆桶体内表面上的压力为P0，其合力N为（图10-9）：

N=DLP0                         （10-6）

式中：D——桶身直径，D=(内径+外径)/2。

与合力N相平衡的是作用在桶壁纵向断面上的内力T，其值应为：

T=2SLσ环                            （10-7）

式中：S——桶身壁厚，显然N=T，然两式代入，得到

P0=2Sσ环/D                           （10-8）

从式中可以看出，P0与D成正比。显然，σ环应取为材料的屈服极限σs。σs可以根据材料的性质从手册中查到。

若取σ环=σs，则可算出胀锥时所需的最低压力P0。

3．模具的设计与计算

模具构造如图10-10和图10-11所示。胀锥模具由16瓣活瓣构成，其一端可绕固定轴A0转动。16瓣活瓣正好围成一个圆柱体，其外径略小于桶身内径。模具内径成一个圆锥体。当滑块B向前推动时，活瓣胀开，桶身被胀出锥度。滑块B退回时，活瓣在弹簧力作用下，恢复到原形状，把桶身取出。

图10-10 胀形模具外形示意图

1—固定轴A；2—活瓣；3——活瓣斜面； 4—拉紧弹簧；5—小轴；6—小辊轮；7—滑块

图10-11 胀锥模具结构示意图

设桶底部直径为D1，上口直径为D2，高为L，材料为低碳钢，其延伸率为δs，模具的锥度为tgα，分成n个活瓣。
则胀形时最小压力为

P0=2Sδs/D1                        （10-9）

式中：D1——底部直径，mm；S——板材厚度，mm。
模

具外圆分n瓣，则每瓣所占弧长AB为

AB=πD/n                             （10-10）

每瓣应有的张力为：

N1=AB·L·P                        （10-11）

式中：L——桶高，mm。

当滑块向前推进，每一个活瓣的轴向力为f，则

f=N1tgα+N1f0                       （10-12）

式中：α——活瓣斜面倾角；tgα——斜度；f0——摩擦系数，取f0=0.15。

总推力为：

F=Σf=nf                      （10-13）

讨论：

（1）变形量不能无限增加，也就是锥形大小头的比值不能超过材料的延伸率δs，否则会发生断裂。因此要进行延伸率的验算。

（2）焊缝一般不会断裂，因为搭边宽度在4mm左右。焊缝一般不需验算，出现了裂纹应从缝焊规范、材质等方面找原因。

（3）滑块B与活瓣斜面之间最好用滚动摩擦，这样可以防止磨损。此时应对小轴进行剪切强度验算。此外，摩擦面应进行良好的热处理，并加润滑剂。

三、胀形设备

目前胀锥机有三种类型：液压半自动胀锥机、液压全自动胀锥机和机械全自动胀锥机。我国目前常用的有液压半自动胀锥机和液压全自动胀锥机。日本多用机械传动全自动胀锥机，西欧、北美多用液压全自动胀锥机。

1．半自动液压胀锥机

半自动液压胀形机液压系统如图10-12所示，油泵启动，工作油分别从油箱吸入高低压泵后，进入主阀体，在阀体内混合后，进入电液换向阀，再输入工作油缸，推动活塞快速下降，模具内锥推动活瓣向外扩张，活瓣接触桶身后，阻力加大，高压泵单独供油，工作压力加大，桶身被胀大，活塞继续下降到规定位置时，触及行程挡块，阻力加大，工作油压急剧上升，压力继电器9工作，电液换向阀11工作，液阀换向，活塞上升，胀锥模具收缩，活塞上至顶点，油压加大，压力继电器10工作，使油泵停止供油，一个工作行程完成。

图10-12 半自动胀形机液压系统图

半自动胀锥机应用上述系统图工作时，可将工作油缸以及胀锥模具水平安放，如图10-13所示。这种结构，每一个工作循环胀出一个桶身，每小时可制造400～600个桶身。

图10-13 半自动胀锥机工作示意图

2．全自动液压胀锥机

全自动胀锥机可用于整条的自动生产线上，也可单独使用。它的工作原理以及油路和上述半自动液压胀锥机基本相同（如图10-14），只是增加了一个送料工作缸1，与此相应地增加了一个电液换向阀6，以及压力继电器4和电液换向阀5。

图10-14 全自动胀锥机液压原理图

其工作过程如下：电机启动，电液换向阀5工作，油缸1供油，活塞上升，推动放在托盘2上的桶身套入胀锥模具的外面，活塞推至预定位置后被顶死，油压上升，压力继电器4工作，使电液换向阀7工作，工作缸3进油，活塞下降，胀锥模具开始工作，桶身被胀大，活塞降到固定位置被挡死，油压上升，压力继电器工作，使电液阀换向，上下油缸两活塞同时退回，一个工作循环完成，等待下一个循环的开始。

 

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