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锥形桶桶身胀锥工艺探索
辛巧娟
笔者曾经在《钢桶胀形技术的理论与实践》中谈过桶身的胀形原理和胀形方法，随着石化工业的飞速发展和对外贸易事业的蒸蒸日上，对其包装容器要求也越来越高。不但要求运输方便、可靠，而且要求美观、漂亮。为此，锥形桶（方便桶）就应运而生了。然而，锥形桶的桶身展开是一扇形，如果板材按扇形下料，则模具复杂，易损，冲压设备庞大，不利于大批量生产，故多采用胀锥法。其特点是：下料时按锥形小头直径展开，裁成长方形条料，经缝焊成圆柱形桶身，再将桶身套在一胀锥模具上，在液压机上一次胀成。
这种方法只适用于延伸率在20%以上的低碳钢薄板。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，减少废品。
焊接桶身时，如果采用普通缝焊，搭接宽度为板厚的8～10倍，则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出现断裂现象，这是由于焊接冷却速度不合适而造成的。这属于偶然性因素，易于处理和排除。
先进的缝焊机由于有精密的工夹具，使焊件精度大大提高了。目前可使焊缝处搭接宽度减少至接近板厚的1-2倍，再加之高温高压，已使焊接接近于对接，这时焊缝只受拉应力。由于不加冷却液，金属缓慢冷却，晶粒粗大；硬度较低，韧性较好，所以拉伸时没有。断裂之可能。
—、胀锥工艺的原理
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。此时，金属变形不超过断裂极限，外力除去之后，留下永久变形。
二、胀锥过程中的压力
设将圆桶体沿其轴向剖开，取长度为L半圆桶体为研究对象。作用在这块半圆桶体内表面上的压力为P0，其合力为N（图1）：
即 N=DLP0
式中：桶身半径 r=（内半径+外半径）/2
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 = 2SLδ环
式中： S一桶身壁厚，显然 N=T，故DLP0 = 2Sδ环
则 P0=2Sδ环/D
从式中可以看出，P0与D成反比。显然，δ环应取为材料的屈服极限δs。δs可以根据材料的性质从手册中查到。
若取δ环=δs，则可算出胀锥时所需的最低压力P0。
图1 应力计算
三、模具设计及参数
模具构造如图2和图3所示。
图2 胀锥模具外形示意图
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3 胀锥模具结构示意图
胀锥模具由16瓣活瓣构成，其一端可绕固定轴Ao转动。16瓣活瓣正好围成一个圆柱体，其外径略小于工作内径。模具内径成为一个圆锥体。当滑块B向前推动时，活瓣张开，桶身被胀出锥度。B退回时，活瓣在弹簧力作用下，恢复到原形状，把工件取出。
设桶底部直径为D1，上口部直径为D2，高为L，材料为低碳钢，屈服强度为δs，延伸率为δ，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
式中 D1一底部直径；S-板材厚度。
模具外圆分n瓣，则每瓣弧长AB为：
AB=π·
每瓣应有的张力为：
N1= AB·L·P
式中 L-桶高。
当滑块向前推进时，每一个活瓣的轴向力为f，则
F = N1tgα十N1f0
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
结论：
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，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。此时应对小轴进行强度验算。此外，摩擦面应进行良好的热处理，并加润滑剂。
四、成型设备
1、半自动桶身胀形机
半自动桶身胀形机液压系统如图4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，推活塞快速下降，模具内锥推动活瓣向外扩张，活瓣接触铁皮后，阻力加大，高压泵单独供油，工作压力加大，筒体被胀大，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，电液阀换向，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4 半自动桶身胀形机液压系统图
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5所示。
这种结构，每一个工作循环胀出一个工件，每小时可制造400~600个工件。
图5 半自动胀锥机工作示意图
2、自动胀锥机
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6）。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。
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上的工件套入胀锥模具外面，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，工件被胀大，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。
图6 自动胀锥机液压原理图
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