制桶工藝學
第四章 桶身整形
第二節 成形原理與整形胎具
4.2.1 成形原理
在確定整形胎具參數前必須先研究成形原理也即金屬塑性變形的過程和影響因素。
桶身整形工藝的成形過程中桶身板材也遵循塑性變形的幾條基本規律:
（1）塑性變形體積不變，僅僅是金屬材料的滑移。
（2）材料變形總是優先沿著阻力最小的方向發展——最小阻力定律。
（3）塑性變形穩定加載時，主應力狀態與主應變狀態具有一致性。
（4）卸載時產生彈性恢復，反向加載有軟化現象。
整形工藝是在不破壞金屬的前提下使金屬體積作出塑性轉移。金屬塑性變形的性質，表現為屈服，應變剛和破壞三個方面。第一類是機械因素。通常把這類因素稱為變形方式，即金屬塑性變形時的應力狀態與應變狀態。第二類是物理因素，通常把這類因素稱為變形條件，如變形溫度與速度等。
成形時，金屬的受力和變形情況是非常復雜的。但歸納起來，不外乎是在拉、壓的綜合作用下，產生一定的拉應變和壓應變，以達到預期的成形目的。一般說來，變形方式對于金屬的屈服與應變剛影響不大，但是對金屬的破壞則有比較顯著的影響。因為金屬的塑性變形主要是依靠晶內的滑移作用，滑移阻力主要取決于金屬的性質與晶格構造，取決于金屬原子間的物理化學力。而金屬塑性變形時的破壞，則是由于晶內滑移面上裂紋的擴展以及晶間變位時結合面的破壞造成的。壓應力有利于封閉裂紋，阻止其繼續擴展，有利于增加晶間結合力，抑制晶間變位，減少晶間破壞的傾向。所以金屬變形時，壓應力的成分愈多，金屬愈不易被破壞，可塑性也就增加了。與壓應力相反，拉應力成分愈多，愈不利金屬可塑性的發揮。由此原因，在設計整形胎具時，是基于使桶身受壓變形這一前提。在成形生產中，桶身形狀的變化與成形過程——即材料的塑性變形過程都是在常溫下進行的。在常溫下的塑性變形過程中，由于冷變形均硬化效應引起材料機械性能的變化，結果使其強度指標（屈服極限σs與強度極限σb）隨變形程度的加大而增加，并且同時使其塑性指標（延伸率δ與斷面收縮率ψ）降低。材料的硬化性能減少過大的局部變形（減小厚度的局部變薄量）；使變形趨向均勻，增大成形的極限，這對整形工藝中的漲筋工序有利；但在扳邊成形時邊緣部分材料的硬化容易引起開裂，因此，在設計整形胎具時，要考慮材料的硬化性。
4.2.2 整形胎具
一般對成形胎具的基本要求是：
(1)保證胎具具有足夠的強度和剛度，能經受冷熱交變應力狀態下工作。
(2)工作部分材料必須有相當的韌性和耐磨性。
(3)應有合理的幾何形狀，避免應力集中。
(4)易損部分拆換方便。
(5)保證操作人員安全生產。
(6)制造簡便，成本費用盡可能低。
整形胎具的構成是基于上述要求考慮的。
一、扳邊胎具
扳邊是把桶身的邊緣按曲線成形，形成豎立的邊緣。作為執行構件的扳邊胎具，相對于桶身必須完成某種特定的運動，即周向旋轉運動和徑向進給運動。扳邊時桶身邊緣上曲率發生變化的部分是變形區。在扳邊初始階段，扳邊上滾剛接觸桶端邊緣時，扳邊上滾施于桶端邊緣板的外彎力矩不大，在鋼板變形區的內、外表面上引起的應力數值小于材料的屈服極限σs，僅在材料內部引起彈性變形。當扳邊上滾繼續下壓，外彎力矩不斷增大時，材料的曲率半徑隨之變小，桶端邊緣變形區的內、外表面首先由彈性變形狀態過渡到塑性變形狀態，以后塑性變形由內、外表面向中心逐步地擴展，直至完成成形。
扳邊胎具的結構形狀和參數是根據扳邊凸緣的所需形狀和尺寸制訂的。
上扳邊滾輪為制作桶身凸緣滾輪，它要完成徑向進給和周向旋轉兩個運動。若采用二重卷邊，則扳邊寬度為12毫米左右，扳邊角度在90°左右。上扳邊滾輪必須滿足要求的工藝尺寸。下扳邊滾輪主要起對桶身支承和定位作用，在扳邊凸緣成形過程中相當于靠模胎具，其僅完成周向旋轉作用。
若采用三重卷邊，因其為7層圓卷邊，則扳邊凸緣寬度經反復試驗，寬度值在18毫米左右，在板材長度與桶高要求都允許的情況下該數值還可稍大些。扳邊角度在105°左右。
在確定胎具的結構參數時還考慮了金屬材料塑性變形時的蠕變特性和上、下胎具間的調整和修磨余量。
蠕變是指金屬在恒定壓力下，除瞬時變形外，隨著時間的增加而發生的緩慢、持續的變形。是金屬的晶內滑移、亞晶形成及晶界變形造成。而鋼桶材料出于要求其塑性好，變形抗力小的目的，一般在滿足它作為包裝容器的強度性能前提下，采用較低強度的低碳鋼，這樣可以使桶身整形時的單位整形壓力相應減小，延長胎具使用壽命，材料的冷作硬化敏感性也較低，否則會造成繼續變形困難。但正因如此，材料的蠕變也就較易發生，所以要考慮在內。
二、波紋胎具
上、下波紋滾輪是形成桶身波紋的執行構件。桶身板在上、下波紋滾輪的夾持滾壓中仿型形成波紋。
波紋是在桶身表面用局部成形的方法制成的突起。波紋滾輪是一對互相咬合的仿型胎具，桶身板材在上、下波紋滾輪的滾動壓力下，由初始的淺痕不斷徑向擴展，與此同時其桶身材料在成形過程中也隨著內應力的不斷增大由彈性變形逐漸變為不可恢復的塑性變形。對于波紋成形，上、下滾輪都是施力者。凸起的波紋外表面受拉內表面受壓，而凹下的波紋則相反。
為形成波紋，作為執行胎具的波紋滾輪，相對于桶身亦必須完成某種特定的運動，由波紋機傳動系統圖我們已知波紋上滾輪軸無旋轉動力，因而不能自轉，只有在與桶身板接觸后靠摩擦力矩能它與桶身一起由下滾帶動旋轉。故上滾在初始只有徑向進給運動，當下行到與桶身接觸后才有被動的相向旋轉運動。下滾只有周向旋轉運動無徑向選給運動，因為它對桶身還有徑向支承定位的作用。波紋形成是通過上、下滾輪凸緣的互相嚙合滾壓使夾在其間的桶身板隨其仿型變形而成，因而上、下滾輪的結構形狀相同。
三、漲筋胎具
我們采用的是機械漲筋，是利用剛性分塊凸形漲環作為形成桶身環筋的執行構件。
漲筋時桶身的塑性變形是在凸模的作用下，靠局部材料兩向受拉而變薄成形。機械漲筋相對于軟模漲筋（用液體、氣體或橡膠等作傳壓介質）來說，漲形的均勻程度較差，只適用于尺寸公差等級不高和形狀不復雜的形體件，而鋼桶正屬此類。桶身漲筋是在常溫條件下利用剛性分塊凸模采用仿型擠壓的方法實現的成形。變形區的桶身材料的截面上只有拉應力的作用，而在厚度方向上其應力分布較均勻，因而在成形時它的形變易于固定，卸力后的彈性恢復也很小。這樣漲筋的工藝尺寸能得到較好的保證。為便于材料流動，減小變形區材料的變薄率，在漲筋時，桶身兩端一般不加固定，使它可自由收縮。
為形成桶壁圓周上的環筋，當主軸前移時，分塊漲環在模形塊的作用下向外擴張，即相對于桶身作徑向擠壓，該擠壓過程是在桶和漲模都無軸向和周向運動的條件下完成。漲筋機頭整個相當于一個桶身的仿型芯模。從工藝手段來說，除了用機械漲形方法擠壓環筋，還可以采用與滾壓波紋類似的方法滾出環筋。兩者相比，漲筋的效率高，質量好，操作方便。但它沒有滾筋靈活，當桶形尺寸改變時，需要更換部分構件。
弓形漲環的結構與尺寸多數完全是根據漲筋的工藝尺寸確定的，它相當于芯模。在胎具組合中，模形塊和漲塊基座都有相對運動，其運動面的磨損使它的使用壽命有限數，約15萬次，而漲環磨損極少。
四、整形胎具的材料要求
一般說來整形胎具必須具有很高的強度和硬度，以避免它本身的塑性變形、破壞和磨損；必須具有相當高的韌性，以滿足在一定的沖擊條件下工作，具備好的熱疲勞強度，以滿足在冷熱交變應力下工作；還必須易于加工。基于這些條件，我們可以采用Cr12型模具鋼或滾動軸承鋼，如GCr15。后者的耐磨性較前者更佳。 這類鋼由于含有高的碳量和鉻量，形成大量特殊碳化物和高合金的馬氏體，使鋼具有高淬透性、高硬度、高耐磨性和熱處理變形小這幾個特點。故用來制造截面大、形狀復雜，經受較大沖擊的工模具，因而正適宜作鋼桶為整形胎具。這類鋼的熱處理包括球化退火、淬火和回火。Cr12鋼中存在大量的碳化物，這些碳化物在鋼中分布是很不均勻的。如用它直接制造成胎具，將使胎具容易發生熱處理變形，同時使機械性能下降。為了提高胎具均質量，必須對Cr12鋼的原材料進行反復鍛粗、拔長的鍛造，以消除碳化物的不均勻性。而為了消除鍛造應力，使碳化物球化，降低材料硬度，為以后的機加工成形及最后的熱處理創造條件，鍛造后約胎具毛坯必須進行球化退火。
此類鋼一般采用等溫球化退火。其工藝為，加熱到850～870℃后保溫2～4 小時，此時組織為奧氏體及碳化物，然后爐冷到720～750℃，等溫6～8小時，再冷到500℃以下出爐。組織為索氏體。基體上均勻分布著合金碳化物顆粒，硬度為HB207～255。其后的最終熱處理方案一般采用淬火回火一次硬化總較適宜。一次硬化法是在較低的溫度進行淬火(980℃左右)，然后進行低溫回火(180～220℃)使鋼具有高的硬度和耐磨性，較小的熱處理變形。因它有很高的淬透性，可以在空氣中淬硬，生產中一般采用油冷淬火。為了減小變形，亦可采用硝鹽浴分級淬火或等溫淬火。熱處理后的胎具硬度達到HRC60～62。
