杯壶和餐具等不锈钢食用器皿的高效加工技术及智能装备
2017-11-22徐勇陈维晋中国科学院金属研究所
文/ 徐勇,陈维晋·中国科学院金属研究所
欧阳翎,李经明·河南兴迪锻压设备制造有限公司
杯壶和餐具等不锈钢食用器皿的高效加工技术及智能装备
文/ 徐勇,陈维晋·中国科学院金属研究所
欧阳翎,李经明·河南兴迪锻压设备制造有限公司
保温杯、水壶及锅具、餐盘等不锈钢食用器皿在人们日常生活中的使用极为频繁且用量较大,品类更新速度极快,故其经济效益十分可观。而且伴随人们生活水平的不断提高,除了食用器皿自身的功能性以外,消费者越发注重其美观度,因而产品在外观设计上往往出现有大量的复杂截面变化和图案纹理特征。因此,高效低成本的加工技术对于新兴食用器皿制造行业而言至关重要,受到广泛关注。
一次拉深成形工艺及应用
对于变形量小且具有浅腔的产品,如餐盘、锅具等,可通过一次拉深实现成形,其工艺过程是:板料落料-拉深成形-修边。其中拉深成形原理是以金属板材为初始坯料,在凹凸模配合下板料按模具形状发生塑性变形,制成筒形、阶梯形、锥形、球形、盒形和其他不规则形状的开口薄壁零件(图1)。一般用拉深系数m(即拉深后的直径d与拉深前坯料D的直径之比)来评价零件的变形程度,不同材料的极限拉深系数也不同。当零件的拉深系数在材料极限范围内,则可以选用一次拉深成形工艺,否则就需要两次或多次的拉深成形工序进行加工。总体而言,当m越小变形程度越大,零件越难成形,需要通过压边力和模具润滑的合理控制,从而保证零件成形过程中不出现开裂和起皱等工艺缺陷。
图1 一次拉深成形工艺原理
图2 四柱单体拉伸机
图3 适合于单体拉深的锅具和餐盘等
图4 一次难成形的深盒件及异形件
针对该类型产品和工艺,目前市场上选用最广泛的成形设备为图2所示的四柱单体拉伸机,另外还需配备高精度拉深模具。拉伸机的压力及位移控制精度要高,另外模具材质和表面质量对成形效果及产品质量的影响很大,一般模具与坯料之间的润滑越好,成形开裂风险越小,且产品表面质量越好。高精度的设备控制才能保证高效的产品生产,且产品稳定性好、形状精度高。此类成形工艺适合生产的主要产品有餐盘、压力锅、汤锅等深度较浅的器皿,根据产品性能和外观需要,还可以在模具上设计加强筋和条纹,如图3所示。
多道次拉深成形工艺及应用
对于具有深腔特征的盒形件、异形件等产品采用一次拉深难以成形(图4),早期设计成两个或多个件通过焊接成为整体,加工工序多、生产效率低且产品质量不稳定。通过工艺技术的提升,将此类产品进行多步拉深成形工艺进行生产,减少焊接工序和中间品周转的时间。其成形工艺原理见图5,通过多次的拉深成形将板料的变形量均匀分配到不同道次,避免一次拉深的局部变形量过大而出现开裂。
多次拉深成形的零件需要多个工步完成,形状结构复杂的零件还需要冲孔、翻边及预弯等多工序配套加工。如果每个工步都以前述的单体拉伸设备进行,则需要不断更换模具或同时准备多台设备,还要通过人工进行转换料操作,制造成本高且效率低。通过加工装备的进步,将包括冲裁、拉深及修边等成形工序集成到一起形成多工步连续加工平台,并加以机械手的配合使用,从而实现多工步自动化智能制造,减少了中间品的流转时间,大幅提高产品的生产效率。典型的多工步拉伸成形机见图6,某深筒类产品的多道次拉深成形过程见图7。
快速水胀成形工艺及应用
图5 多道次拉深工艺原理图
图6 多工位连体拉伸机
图7 多道次拉深成形零件产品
图8 变截面的不锈钢酒壶
此外,由于消费者对食用器皿美观度的需求不断提升,促使产品外观结构更加复杂。例如截面变化明显且流线性好的杯壶类产品,如图8所示。此类产品如采用传统的冲压或拉深工艺,需要分别冲压成两个半面再焊接成形,焊缝的存在使得质量及外观不佳且生产效率也不高。而通过先进的液压成形技术,如快速水胀成形工艺,可以绿色和高效的制造此类产品。图9为其成形工艺原理:外模设计成产品形状包括表面复杂形态,内部以水为介质提供压力将管形坯料胀形贴合至外模,胀形过程中通过两端管料的进给控制零件厚度。
图9 快速水胀成形工艺原理图
典型的快速水胀成形机见图10,该成形工艺的难点是成形压力及管件进给量的精确稳定控制,对于不同材质所需的成形压力不同,需要做完善的工艺设计。该成形工艺特点是工艺流程简单、产品精度高、设备控制便捷,特别是产品表面质量高、不易出现划伤和拉毛等缺陷,见图11。
图10 常用快速水胀成形机
图11 水胀成形工艺所生产的变截面产品
结束语
不锈钢食用器皿是当今国民日常生活中的必需品,虽然大多数产品体积不大,但是结构多样、种类繁多,市场需求量巨大。河南兴迪锻压设备制造有限公司长期致力于为客户提供节能、高效、自动化程度高的杯壶和餐具等不锈钢食用器皿产品的先进加工技术和生产设备的研发,目前已开发出多种具有自主知识产权的单体及多工位连体薄板拉伸机、水胀成形设备、内高压成形设备等智能装备,在厨房用具、不锈钢制品、日用五金、小型家电及炊具制造领域得到广泛应用,是膳魔师、苏泊尔、哈尔斯等行业知名企业的关键产品的设备供应商,从而不断为市场提供优质产品,满足日益提升的消费者需求。