杯壺和餐具等不銹鋼食用器皿的高效加工技術(shù)及智能裝備

文/ 徐勇，陳維晉·中國科學(xué)院金屬研究所

歐陽翎，李經(jīng)明·河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司

杯壺和餐具等不銹鋼食用器皿的高效加工技術(shù)及智能裝備

文/ 徐勇，陳維晉·中國科學(xué)院金屬研究所

歐陽翎，李經(jīng)明·河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司

保溫杯、水壺及鍋具、餐盤等不銹鋼食用器皿在人們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂脴O為頻繁且用量較大，品類更新速度極快，故其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。而且伴隨人們生活水平的不斷提高，除了食用器皿自身的功能性以外，消費(fèi)者越發(fā)注重其美觀度，因而產(chǎn)品在外觀設(shè)計(jì)上往往出現(xiàn)有大量的復(fù)雜截面變化和圖案紋理特征。因此，高效低成本的加工技術(shù)對于新興食用器皿制造行業(yè)而言至關(guān)重要，受到廣泛關(guān)注。

一次拉深成形工藝及應(yīng)用

對于變形量小且具有淺腔的產(chǎn)品，如餐盤、鍋具等，可通過一次拉深實(shí)現(xiàn)成形，其工藝過程是：板料落料-拉深成形-修邊。其中拉深成形原理是以金屬板材為初始坯料，在凹凸模配合下板料按模具形狀發(fā)生塑性變形，制成筒形、階梯形、錐形、球形、盒形和其他不規(guī)則形狀的開口薄壁零件（圖1）。一般用拉深系數(shù)m（即拉深后的直徑d與拉深前坯料D的直徑之比）來評價(jià)零件的變形程度，不同材料的極限拉深系數(shù)也不同。當(dāng)零件的拉深系數(shù)在材料極限范圍內(nèi)，則可以選用一次拉深成形工藝，否則就需要兩次或多次的拉深成形工序進(jìn)行加工。總體而言，當(dāng)m越小變形程度越大，零件越難成形，需要通過壓邊力和模具潤滑的合理控制，從而保證零件成形過程中不出現(xiàn)開裂和起皺等工藝缺陷。

圖1 一次拉深成形工藝原理

圖2 四柱單體拉伸機(jī)

圖3 適合于單體拉深的鍋具和餐盤等

圖4 一次難成形的深盒件及異形件

針對該類型產(chǎn)品和工藝，目前市場上選用最廣泛的成形設(shè)備為圖2所示的四柱單體拉伸機(jī)，另外還需配備高精度拉深模具。拉伸機(jī)的壓力及位移控制精度要高，另外模具材質(zhì)和表面質(zhì)量對成形效果及產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，一般模具與坯料之間的潤滑越好，成形開裂風(fēng)險(xiǎn)越小，且產(chǎn)品表面質(zhì)量越好。高精度的設(shè)備控制才能保證高效的產(chǎn)品生產(chǎn)，且產(chǎn)品穩(wěn)定性好、形狀精度高。此類成形工藝適合生產(chǎn)的主要產(chǎn)品有餐盤、壓力鍋、湯鍋等深度較淺的器皿，根據(jù)產(chǎn)品性能和外觀需要，還可以在模具上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋和條紋，如圖3所示。

多道次拉深成形工藝及應(yīng)用

對于具有深腔特征的盒形件、異形件等產(chǎn)品采用一次拉深難以成形（圖4），早期設(shè)計(jì)成兩個(gè)或多個(gè)件通過焊接成為整體，加工工序多、生產(chǎn)效率低且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。通過工藝技術(shù)的提升，將此類產(chǎn)品進(jìn)行多步拉深成形工藝進(jìn)行生產(chǎn)，減少焊接工序和中間品周轉(zhuǎn)的時(shí)間。其成形工藝原理見圖5，通過多次的拉深成形將板料的變形量均勻分配到不同道次，避免一次拉深的局部變形量過大而出現(xiàn)開裂。

多次拉深成形的零件需要多個(gè)工步完成，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件還需要沖孔、翻邊及預(yù)彎等多工序配套加工。如果每個(gè)工步都以前述的單體拉伸設(shè)備進(jìn)行，則需要不斷更換模具或同時(shí)準(zhǔn)備多臺設(shè)備，還要通過人工進(jìn)行轉(zhuǎn)換料操作，制造成本高且效率低。通過加工裝備的進(jìn)步，將包括沖裁、拉深及修邊等成形工序集成到一起形成多工步連續(xù)加工平臺，并加以機(jī)械手的配合使用，從而實(shí)現(xiàn)多工步自動化智能制造，減少了中間品的流轉(zhuǎn)時(shí)間，大幅提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。典型的多工步拉伸成形機(jī)見圖6，某深筒類產(chǎn)品的多道次拉深成形過程見圖7。

快速水脹成形工藝及應(yīng)用

圖5 多道次拉深工藝原理圖

圖6 多工位連體拉伸機(jī)

圖7 多道次拉深成形零件產(chǎn)品

圖8 變截面的不銹鋼酒壺

此外，由于消費(fèi)者對食用器皿美觀度的需求不斷提升，促使產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。例如截面變化明顯且流線性好的杯壺類產(chǎn)品，如圖8所示。此類產(chǎn)品如采用傳統(tǒng)的沖壓或拉深工藝，需要分別沖壓成兩個(gè)半面再焊接成形，焊縫的存在使得質(zhì)量及外觀不佳且生產(chǎn)效率也不高。而通過先進(jìn)的液壓成形技術(shù)，如快速水脹成形工藝，可以綠色和高效的制造此類產(chǎn)品。圖9為其成形工藝原理：外模設(shè)計(jì)成產(chǎn)品形狀包括表面復(fù)雜形態(tài)，內(nèi)部以水為介質(zhì)提供壓力將管形坯料脹形貼合至外模，脹形過程中通過兩端管料的進(jìn)給控制零件厚度。

圖9 快速水脹成形工藝原理圖

典型的快速水脹成形機(jī)見圖10，該成形工藝的難點(diǎn)是成形壓力及管件進(jìn)給量的精確穩(wěn)定控制，對于不同材質(zhì)所需的成形壓力不同，需要做完善的工藝設(shè)計(jì)。該成形工藝特點(diǎn)是工藝流程簡單、產(chǎn)品精度高、設(shè)備控制便捷，特別是產(chǎn)品表面質(zhì)量高、不易出現(xiàn)劃傷和拉毛等缺陷，見圖11。

圖10 常用快速水脹成形機(jī)

圖11 水脹成形工藝所生產(chǎn)的變截面產(chǎn)品

結(jié)束語

不銹鋼食用器皿是當(dāng)今國民日常生活中的必需品，雖然大多數(shù)產(chǎn)品體積不大，但是結(jié)構(gòu)多樣、種類繁多，市場需求量巨大。河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司長期致力于為客戶提供節(jié)能、高效、自動化程度高的杯壺和餐具等不銹鋼食用器皿產(chǎn)品的先進(jìn)加工技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)，目前已開發(fā)出多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單體及多工位連體薄板拉伸機(jī)、水脹成形設(shè)備、內(nèi)高壓成形設(shè)備等智能裝備，在廚房用具、不銹鋼制品、日用五金、小型家電及炊具制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是膳魔師、蘇泊爾、哈爾斯等行業(yè)知名企業(yè)的關(guān)鍵產(chǎn)品的設(shè)備供應(yīng)商，從而不斷為市場提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，滿足日益提升的消費(fèi)者需求。