杯壺和餐具等不銹鋼食用器皿的高效加工技術及智能裝備

文/ 徐勇，陳維晉·中國科學院金屬研究所

歐陽翎，李經明·河南興迪鍛壓設備制造有限公司

杯壺和餐具等不銹鋼食用器皿的高效加工技術及智能裝備

文/ 徐勇，陳維晉·中國科學院金屬研究所

歐陽翎，李經明·河南興迪鍛壓設備制造有限公司

保溫杯、水壺及鍋具、餐盤等不銹鋼食用器皿在人們日常生活中的使用極為頻繁且用量較大，品類更新速度極快，故其經濟效益十分可觀。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，消費者越發注重其美觀度，因而產品在外觀設計上往往出現有大量的復雜截面變化和圖案紋理特征。因此，高效低成本的加工技術對于新興食用器皿制造行業而言至關重要，受到廣泛關注。

一次拉深成形工藝及應用

對于變形量小且具有淺腔的產品，如餐盤、鍋具等，可通過一次拉深實現成形，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生塑性變形，制成筒形、階梯形、錐形、球形、盒形和其他不規則形狀的開口薄壁零件（圖1）。一般用拉深系數m（即拉深后的直徑d與拉深前坯料D的直徑之比）來評價零件的變形程度，不同材料的極限拉深系數也不同。當零件的拉深系數在材料極限范圍內，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行加工。總體而言，當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

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

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

多道次拉深成形工藝及應用

對于具有深腔特征的盒形件、異形件等產品采用一次拉深難以成形（圖4），早期設計成兩個或多個件通過焊接成為整體，加工工序多、生產效率低且產品質量不穩定。通過工藝技術的提升，將此類產品進行多步拉深成形工藝進行生產，減少焊接工序和中間品周轉的時間。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開裂。

多次拉深成形的零件需要多個工步完成，形狀結構復雜的零件還需要沖孔、翻邊及預彎等多工序配套加工。如果每個工步都以前述的單體拉伸設備進行，則需要不斷更換模具或同時準備多臺設備，還要通過人工進行轉換料操作，制造成本高且效率低。通過加工裝備的進步，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加工平臺，并加以機械手的配合使用，從而實現多工步自動化智能制造，減少了中間品的流轉時間，大幅提高產品的生產效率。典型的多工步拉伸成形機見圖6，某深筒類產品的多道次拉深成形過程見圖7。

快速水脹成形工藝及應用

圖5 多道次拉深工藝原理圖

圖6 多工位連體拉伸機

圖7 多道次拉深成形零件產品

圖8 變截面的不銹鋼酒壺

此外，由于消費者對食用器皿美觀度的需求不斷提升，促使產品外觀結構更加復雜。例如截面變化明顯且流線性好的杯壺類產品，如圖8所示。此類產品如采用傳統的沖壓或拉深工藝，需要分別沖壓成兩個半面再焊接成形，焊縫的存在使得質量及外觀不佳且生產效率也不高。而通過先進的液壓成形技術，如快速水脹成形工藝，可以綠色和高效的制造此類產品。圖9為其成形工藝原理：外模設計成產品形狀包括表面復雜形態，內部以水為介質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見圖10，該成形工藝的難點是成形壓力及管件進給量的精確穩定控制，對于不同材質所需的成形壓力不同，需要做完善的工藝設計。該成形工藝特點是工藝流程簡單、產品精度高、設備控制便捷，特別是產品表面質量高、不易出現劃傷和拉毛等缺陷，見圖11。

圖10 常用快速水脹成形機

圖11 水脹成形工藝所生產的變截面產品

結束語

不銹鋼食用器皿是當今國民日常生活中的必需品，雖然大多數產品體積不大，但是結構多樣、種類繁多，市場需求量巨大。河南興迪鍛壓設備制造有限公司長期致力于為客戶提供節能、高效、自動化程度高的杯壺和餐具等不銹鋼食用器皿產品的先進加工技術和生產設備的研發，目前已開發出多種具有自主知識產權的單體及多工位連體薄板拉伸機、水脹成形設備、內高壓成形設備等智能裝備，在廚房用具、不銹鋼制品、日用五金、小型家電及炊具制造領域得到廣泛應用，是膳魔師、蘇泊爾、哈爾斯等行業知名企業的關鍵產品的設備供應商，從而不斷為市場提供優質產品，滿足日益提升的消費者需求。