【他山之石】封口滚轮沟槽曲线的选定和加工

文/施本贵

在罐头工业空罐制造和实罐密封工序中, 罐底盖与罐身的连接是靠二重卷边作业来完成的。即将待封口的罐底盖与罐身分别进入封口机的封口位置, 下托盘托住罐体上升, 上压头嵌合住罐盖, 使身盖两者被上压头和下托盘夹住, 通过两种封口滚轮先后顺序地以机械方式在罐身及底盖相接合的边缘重复地作相对滚动, 并作径向推进, 把罐盖圆边处和罐身翻边处弯曲变形, 相互钩合, 最后锁紧压平。由于底盖槽中涂敷有弹性填料, 受挤后充塞于罐体与底盖之间的卷边缝隙中, 使渗漏路径被堵塞, 从而达到符合工艺上密封要求的卷边形式和目的。

一、封口滚轮在二重卷边中的作用

影响二重卷边的因素很多, 有马口铁材料的物理性能, 如厚度和调质度; 空罐的工艺尺寸, 如罐盖的圆边和罐身的翻边以及两者的配合; 卷边滚轮的沟槽形状和合适的卷封压力;上压头的正确形状和位置; 下托盘合适的推动力; 密封填料的涂布状态; 封口设备的性能,稳定性和完好程度等等。但对卷边质量影响最大的是封口机构的调节, 在任何一种罐头封口机中, 封口滚轮、上压头和下托盘都是封口设备的主要组成部分, 共称为卷边的三要素, 罐头的二重卷边就是依靠这三者的相互配合和运动来完成的, 最终决定卷边形状、尺寸和密封程度等. 其中封口滚轮的作用在于以机械动作方式使罐身与底盖互相咬合锁紧、保证罐头的密封. 封口滚轮分头道滚轮和二道滚轮两种, 分别具有不同形状的沟槽曲线, 头道滚轮的任务是在径向推进时, 借助于旋转, 其沟槽曲线把罐盖周边弯曲成一定形状, 使其与受下托盘托力变形的罐身翻边凸缘相钩合, 并进行弯曲和挤压, 其滚轮沟槽较窄而深; 二道滚轮的任务则是使已卷曲的罐盖和身沟在滚动中进一步压平成型, 以达到卷边的最后形状, 并保证卷边圆滑美观, 其滚轮沟槽较宽而浅。在二重卷边作业中罐身及底盖边缘的变形过程见图1。

图1 二重卷边作业中罐身及底盖边缘的变形过程

头道封口滚轮是整个罐头卷边的基础,如果头道卷边达不到要求, 要想得到一个良好的卷边结果是不可能的. 由于罐头在卷封过程中同时发生罐体或滚轮旋转, 和封口滚轮对罐体中心作径向推进, 其受力情况比较复杂, 既要对罐底盖及罐体翻边进行卷曲, 又要进行挤压, 共受到来自三个方面的力, 即滚轮与罐盖间的径向推力、封口滚轮围绕罐体圆周滚动的切向力和上压头与下托盘之间的轴向挤压力, 封口滚轮曲线的形式必须适应在位移中这些力的变化要求. 在头道卷边过程中, 封口滚轮所受的力大致为图2所示:

图2 头道卷边滚轮的受力点

图中每一段曲线R, 分别代表着不同的受力点, 罐盖在a点首先与滚轮接触, 以后随着滚轮的推进, 在曲线b到d点, 罐盖边缘及罐身翻边依次沿着滚轮曲线向下方弯曲, 最后在e点凸缘处被卷起, 相互钩合, 随后再通过二道滚轮的推进将其锁紧压平。上压头和封口滚轮的机械部分统称为封头, 有4°倾角的上压头凸缘在卷边时起着承受封口滚轮压力的支承作用。因此, 二重卷边的构形实际上是由封口滚轮沟槽曲线的形状及上压头的锥度所决定的。

二、滚轮沟抽曲线的选定

封口滚轮沟槽曲线的形状及尺寸, 与封罐机型式、使用铁皮的厚度、硬度和罐径大小有关, 一般都是由几个圆弧连接而成, 其外形大体近似, 只是在宽度、深度和圆弧半径大小不同而己。如意大利西弗来尼( Cevolani) 公司AT60型封口机使用的Φ65.3毫米, Φ74毫米和Φ153.4毫米三种直径头二道滚轮曲线的实测情况为表l和图3所示。

表1 保用的铁皮厚度

图3 意大利Cevolani AT60型封口机头道及二道滚轮曲红的实测图

头道滚轮沟槽曲线比较关键, 其肩高决定上压头的高度. 滚轮沟槽的宽度, 决定头道卷边的宽度, 其幅度大致在2.25~2.8毫米之间;深度则随所使用马口铁皮厚度而变化, 一般在1.4毫米左右。上述意大利Φ153.4毫米滚轮由于宽度与深度均过大, 后经改用宽度2.7毫米, 深度1.54毫米后, 始较理想。总的说来, 罐径越大, 使用铁皮越厚, 则沟槽曲线的宽度与深度也愈大。

头道滚轮沟槽曲线的顶部及上部圆弧, 主要保证罐盖边缘与其接触后渐次向下弯曲, 故弧度较大、中部及下部圆弧主要使盖边在弯曲的同时, 并靠近罐体向上卷曲, 故弧度较小,以便使罐盖边缘很自然地卷到罐身翻边的里面, 以中间没有曲折, 其顶端刚好触及或贴近罐身壁和身钩顶端接近于盖钩下侧最为理想, 两者互相钩合. 滚轮沟槽的下凸缘不能过高, 以免阻碍滚轮卷边后退回原位. 制成的二重卷边的紧密度或其压实程度和卷边后的外形, 则取决于二道滚轮沟槽曲线的形状和进给量. 据苏联“食品工业金属容器生产和应用手册”介绍, 不同的铁皮厚度, 分别选定头道封口滚轮曲线的尺寸如表2,并见图4和图5所示。

表2 头道滚轮槽形尺寸

图4 头道滚轮槽形尺寸表图例

图5 按表2所列各种滚轮号码所作图形

三、滚轮沟抽曲线的加工

滚轮沟槽曲线的构形, 虽有一定规律, 但由于各工厂生产条件不同, 对组成曲线所选定的数值也各异, 国内外都没有统一的标准可供通用, 这往往表现在当向国外订购封口设备时, 制造厂需要用户提供一定数量的罐身和底盖供其试车, 并作为配制压头和滚轮等模具的依据。为获得比较合用的滚轮, 根据当前国内罐头生产条件, 较简便的办法是采用“选优法” , 即选择性能稳定的封口设备, 使用符合标准的空罐进行封口试验, 通过实践把经过检测证明封口质量( 包括叠接率、接缝盖钩完整率、紧密度和内外观质量) 最理想的滚轮挑选出来, 作为样板滚轮, 对其沟槽曲线进行复制加工, 其步骤为:

1. 绘制滚轮沟槽曲线图

把选定的样板滚轮, 放在投影仪上(如天津钟表铜材厂SZT500型立式投影仪) 进行投影, 描绘出滚轮钩槽曲线的几何形状, 投影的方法除采用破坏性解剖投影外, 可采用原形投影, 即将样板滚轮用一根光滑的心轴穿架在两块V形铁上, 对滚轮槽型进行50倍放大投影,投影时滚轮位置必须平直, 避免造成误差, 焦距要校准, 排除虚影存在, 使曲线轮廓鲜明以保证外形尺寸准确。

将描绘好的放大投影图, 按几何图形进行作图, 必要时进行适当修正, 首先确定基准线, 其纵轴(y轴) 应与滚轮沟槽曲线凸缘下口相重合, 横轴(x轴)则为纵轴与滚轮沟槽上部曲线交点的横断线, 然后在所描绘的曲线图上分别找出各个R的圆心，以基准线为基点标出和计算出各圆心的座标尺寸, 绘出样板滚轮的沟槽曲线图。如图6为美国Angelus公司制造的40P型封口机中65mm头道封口滚轮曲线投影实测图。

图6 美国Angelus的40P型封口机Φ65mm罐径头道滚轮曲线投影图

2. 加工滚轮曲线成型刀

根据滚轮曲线投影图, 经过核算所有R 座标均正确无误后, 作出放大50 倍的成型刀图纸,各R尺寸与滚轮曲线投影图一致, 下部圆弧近似半圆形, 以便于对滚轮的加工。( 如图7 )

图7 美国40P型封口机Φ65mm罐径头道滚轮曲线成型刀图

成型刀的加工方法有很多种, 可以直接在白钢刀上切割, 但其硬度较差, 使用寿命较短。最好使用YT15合金钢作刀头, 用铜焊把刀头焊接在刀杆二或把刀头嵌配在事先铣成刀槽的刀柄上。(见图8 )

图8 成型刀装配图

但不论是刀杆或刀柄, 都必须预先创平磨光和作方, 然后将上述刀具按图纸所给定的数据, 经过程序计算在线切割机上(CKX-2型数控线电极切割机床) 将刀头抬高15°, 用0.1毫米直径的铝丝进行线切割加工, 在切割刀具时最好同时切割一小平面铝板, 以便放置在50倍投影仪上验证与成型刀曲线图是否重合, 如果误差较大则应将刀具用硬质细粒油石按投影要求进行研磨修正。

3. 用成型刀车削滚轮曲线

在用成型刀车制滚轮曲线前, 可先用一把比成型刀宽度小0.3~0.4毫米的取槽刀车削深度1.2毫米左右的预成型槽, 然后再用成型刀车削, 这样可以减少成型刀的切削量, 延长使用寿命。

把成型刀装在刀架上必须校正平直, 否则有任何偏斜都会导致车削曲线较大误差, 成型刀的刃口平面应与车床的机头轴心水平, 车削时应微量切削慢速进刀, 最好采取较大功率车床加工, 以防在切削中产生震动而导致滚轮曲线变形, 进刀深度应与滚轮曲线图中探度一致。

将车削好的滚轮, 经火焰加热表面淬火后, 砂去氧化膜, 再在投影仪上与原滚轮曲线图对照, 两者应基本重合。这样加工出来的滚轮可以达到滚轮曲线形状的一致性, 从而保证封口结构符合要求, 提高产品质量。

4. 封口滚轮的材质和工艺要求

由于封口滚轮在卷边过程中要经过多次压磨, 其沟槽部分极易磨损, 一般要求使用硬度高、耐磨、不变形的材质, 但目前国内大多罐头工厂自加工滚轮所采用的材质主要为中碳钢(如45#钢) 和中碳合金钢40Cr，由于碳素钢在淬火后易变形, 热处理质量无法保证, 耐磨和耐腐蚀性能都较差, 使用寿命短, 一般仅能封二三十万罐左右, 有的罐头厂和设备制造厂使用碳素工具钢(T10、T12), 合金工具钢Cr2和轴承钢GCr15等, 由于硬度较高, 可封二百万至三百万罐, 沟槽曲线部分必须经过退火才能加工。国外有的制罐模具专门生产厂, 如意大利业麦大(imeta) 机械制造厂生产的封口滚轮, 其材质为GCr13,9Cr18等不锈钢, 加工工序为首先按图纸进行机加工, 然后进行真空热处理, 最后在曲线磨床上用砂轮对沟槽曲线进行精磨, 其硬度一般在HRC60。以上, 由于精度高, 耐磨和耐蚀性能好, 一般能卷封二千万罐左右。

四、对封口滚轮标准化工作的设想

由于封口滚轮是罐头和制罐工业中消耗量很大的易损件, 与封口质量密切相关, 全国年需要量约五万只左右, 且报废量较大, 成品率一般不足50%。

近年来, 随着国内制罐技术的发展, 多头封口机大量投入使用, 对封口滚轮的标准化要求越来越高, 国内外市场对罐头密封性能的要求也愈趋严格。这几年轻工业部先后制定了“罐头工业空罐工艺技术要点”和“空罐标准化模具图纸” , 并对各种封罐机械进行了定型设计, 这就为封口滚轮的标准化创造了有利条件。目前各食品机械厂在封罐机械出厂时, 都随机配备有用于不同罐径的封口滚轮, 但由于各使用单位采用铁皮材料的种类和密封填料的厚薄等不完全一致, 往往也不尽合用。现国内有条件的罐头厂有的已摸索出一整套用成型刀加工封口滚轮的经验, 分别用于本厂不同机型、罐径和适应于不同材料性能, 建立了相应的规格系列, 这样做的结果既可保证成批制造滚轮曲线形状的一致性, 缩短了加工周期, 也可以减少滚轮制造时产生的废次品, 从而降低生产成本, 更主要的是有利于产品质量的提高。

封口滚轮的材质和加工工艺与使用寿命密切相关,据考察了解国外有专门从事制造滚轮的模具加工厂, 配备有各种纺形机床, 光学投影和真空热处理装置以及各种试验和检测设备, 可根据用户提供的滚轮结构, 外形尺寸和沟槽曲线图生产出售高质量和高精度的封口滚轮, 产品出厂附有验证和编码, 除罐头厂外一些制罐机械厂也向其订货。鉴于目前我国大多数罐头工厂还不具备制造这种高精度滚轮的技术手段,尤其是热处理质量没有保证, 为解决这一问题, 需要在全国范围内重点武装一两个模具加工厂, 配备先进的专用设备和检测手段, 专门接受罐头厂提供的资料和实样, 选用优良材质和强化处理工艺进行封口滚轮的加工制造, 在此基础上, 加强信息反馈, 积累资料和数据, 通过反复实践验证, 改进设计, 逐步建立并完善各种封罐机型、罐径的封口滚轮的外形结构和沟槽曲线的标准化和系列化工作。