钢提桶制造技术及设备的研制

文/黄小林

金属包装容器凭借其安全、高情能、应用范围广等诸多优点，越来越受到大众的认可，广泛用于食品包装、化工、工艺家居等各行业。从世界范围来看，金属包装行业正朝着工艺自动化、环保化、产品高精尖等方面发展。目前，就金属包装行业及相关技术而言，发达国家已经达到了较高的自动化水平，如德、日、法、美等国已走在了行业的前列。随着我国经济的腾飞，经济增长方式必须不断向注重环保高效的集约型经济转变，金属包装容器由于其应用范围广、环保易用等优点必须迎来发展的黄金时期，其设计与制造也正紧跟国际潮流，向着数字化、自动化、精密化、低成本、功能化、人性化方面发展。

近来，金属包装容器消费量逐步提升，综合市场、资源、发展前景等各方面的因素，以自动化、智能化为主要方向的高速自动化生产线及期关键技术的研发成为了目前行业技术发展的方向。同时，运用新型技术来实现金属包装容器生产过程中智能控制工艺也成为了促进行业整体水平提升的一股新力量。

在金属包装行业相对成熟的发达国家已经实现了印刷及制桶过程的自动化，国内部分有实力的企业也曾引进过类似的自动化生产工艺，如国内已经有了全自动制桶生产线，随着技术水平不断提高，已经实现了自动调速产品参数、自动报警、自动检测、人工投入量少等，但新型自动化制桶设备价格高昂，国内企业难以承受，且其整合度高，虽然在一定程序上提高了制桶质量和效率，但总体而言对我国行业技术水平提升作用有限，加上国外企业的技术垄断，国内金属包装和赤豆无法从根本上摆脱对外技术依赖。

目前，国内依然存在着以手动或半自动型作业设备，生产效率与作业方式均较为落后，但引进新工艺则意味着更高的成本，金属包装行业大多企业目前还无力引进国际一流的高精尖设备或工敢。随着我们经济向集约型不断转变以及人们生活水平与生活理念的转变，人们对产品外观、性能、质量、安全等方面的要求也越来越高，越来越多的金属包装企业意识到，依照目前的生产工艺已不能适应目前市场需求，新型基于现有技术和设备的智能化升级技术以及智能控制技术的研发势在必行。

该项目的研发，旨在通过自主研发多工位钢提桶生产线，提高钢提桶的生产速度与产品质量，实现节能和效率的双重提升。围绕系统自动化智能化、柔性化两在主题，结合目前有印铁、制桶、辅助部件等多方面实际生产能力的情况下，走智能化技术路线，通过提升自动化水平及智能化连线升级，提升生产装备利用率、提升整体生产效率及产品质量水平，实现制桶生产过程的柔性生产。

该项目研发的设备生产线，总体将达到国内领先水平、国外先进水平，突破国内钢提桶制桶提速的关键技术瓶颈，同时该项目产品生产过程中不使用燃煤、减少大量的废弃物排放，达到降低能耗，节约生产成本，提高经济效益的效果。对促进我国金属包装行业快速发展，提升国际竞争力与影响力有着重要作用。

一、制桶生产多工序互联工艺

结合国内生产实际，研究最适合的工艺组合、单元加工连接方式，进行工艺优化升级，筛选并优化制桶生产线的各制造单元的配置，建立合理、高效、安全的金属制桶生产线设备配置模块。

研发单方向渐进连续成型制造工艺，减少输送带的布置，使得整个生产线的行程缩短，提高了生产效率，大大节约占地面积。其生产工艺过程为：片材供送→卷圆缝焊→能身补涂→电磁烘干→风干冷却→四工位渐进加工（翻边预卷、涨锥、卷线、涨筋）→输送→封底→密封检测→点焊桶耳。

二、研制开发集多工位于一体的自动制桶加工设备

研制多工位组合优化的制桶技术与装备，取代原有的多台单机单工位设备，降低能耗，取消中间转储环节，提升产品质量稳定及生产效率。

1、四工位加工技术与设备

研究翻边预卷、涨锥、卷线、涨筋渐进连续成型工艺，完成双加强筋钢提桶桶身加工。其中，涉及扩口预卷模、胀锥模、卷线模、胀筋模的多个结构模设计与结构优化，研究攻克模具型线、多个凸轮与半凸轮高效组合机构的设计、胀径率调节控制等技术难题。

2、双线三工位加工设备

现有的钢提桶的需要依次被输送至扩张模、卷线模、胀筋模的三台机器的工位上进行扩张、卷线、胀筋，工作效率低，且每台机器的工位间的输送需要不同的电机驱动，能耗大。该项目研发双线三工位加工设备，其将三个工位集中在一台设备上面，把两条线的设备合并在一台机械上相互独立工作，使得能耗降低20%以上，且显著提高生产效率。

3、新型免翻转封底技术与装置

金属桶加工过程中其桶体在经过翻边后需要与桶底实施封底。现在桶体封底为上部封底，即桶底在上部封底，在生产时需将桶身翻转。桶身翻转过程中，易发生倒桶、擦漆等诸多问题，从而影响产品质量；同时现在的钢提桶封底结构，一次只能对一个桶进行封底，桶身翻转与放置均为人工操作，生产效率低，安全性差。该项目开发新型免翻转封底技术与装置，使得钢提桶无需经过翻转，即可完成封底，生产效率与产品质量显著提高。

三、关键零部件与设备的动态设备、加工过程模拟与优化

基于设备高速平稳、低噪、耐磨、可靠运行的要求，围绕重点设备的加工模具、凸轮传动机构、卷封机构等，综合动力学分析对机构、设备结构系统进行优化设计等。

胀桶和滚筋是加工中大型金属桶的关键工艺。在此过程中金属薄板经过拉伸、弯曲、弯折等弹塑性变形，易出现回弹导致的尺寸不准，甚至出现开裂、起皱等缺陷。该项目应用ANYSY/LS-DYNA软件模拟了20L金属桶在胀桶和滚筋过程中材料内部及模具内的应力应变，确定了模具与材料间摩擦系数、膨胀压力、膨胀速率、弯折角度等参数与成型结构效果的关系，分析了缺陷生产的原因及其控制方法，优化模具结构和工艺参数。

四、研发制造集成技术，实现制桶的高速生产与柔性生产

在完成单元关键技术研究突破的基础上，进一步研究过程控制模型、状态监控及评估，确定制桶智能控制结构模型中各个功能模块的功能，建立并完善整条制桶生产线的自动化控制系统；通过优化控制系统与过程状态检测系统，实现金属桶成型及性能在线检测自动化。
五、基于机械视觉的金属制桶焊缝缺陷检测系统

研究设计了基于机器视觉的金属制桶焊缝缺陷检测系统。系统通过对相机采集的原始图预处理，提取焊缝核心区域，进而采用波形检测算法对焊缝进行缺陷检测。具体工作内容包括：首先，针焊缝缺陷在线检测要求设计了硬件结构，同时搭建了软件整体框架。其中软件算法主要包括焊缝核心区域提取与缺陷判别两部分。根据缺陷特征及成因，将缺陷类型分为焊渣、焊穿、虚焊与熔焊四类；对原始焊缝图像预处理。采用几何图形算法对焊缝图像旋转，通过图像质心算法获取焊缝水平位置并对期矫正，从而提取出准确的焊缝核心区域，减少部分伪缺陷信息干扰；最后，针对焊缝缺陷类型特点，提出波形检测算法用于缺陷判别，并通过标准差计算与一阶差分计算，排除两端焊缝干扰信息并检测焊缝缺陷。

三、结论

目前国际上仅有瑞士Soudronic、法国Sabatier等公司拥有2000只/小时以上产能的钢提桶制桶生产线技术，并形成市场垄断。除该项目外，国内尚无其它企业推出过类似产品。

与国内外同类产品的技术性能指标等比较

该项目的实施成功，技术上已突破国内钢提桶制桶提速的关键技术瓶颈，达到国内领先水平；动力设计上，通过各个部件间的智能组合连接并在各个动力环节配备使用变频器件，充分考虑了绿色节能，有效降低生产成本；此外在提高产品生产效率的同时，改进产品的成型工艺，达到质量与效率的双重提升；在淘汰落后工艺、加快自动化进程、节能降耗、技术管理、人才培养、知识产权等方面发挥了重大作用。

该项目的研发，能够实现从购买装备到自主研发设计、加工装配、调试的转变，对现在设备的最大化合理利用；在操作上，采用智能触摸控制技术，通过主控盘实现对多工位的综合控制，与原有生产工艺相比，单位产量成本下降5%以上，劳动力投入量为原来的1/3～1/4，大幅度降低了劳动生产力成本；生产效率上，由原来的18～25只/分钟，提升到25～35只/分钟，产能提升近50%，且质量稳定，实现了产能与产品质量的大幅度提升。

该项目对提升金属包装行业自动化制桶技术整体水平、掌握核心技术、提升国际况争力与影响力等将发挥重要作用。