《金屬包裝設計與制造》（12）

標準鋼桶的工藝尺寸及受力分析

文/吳若梅、劉躍軍

一、用料計算及排樣

鋼桶的鋼板材料占總成本的60%~80%，鋼板材料工藝廢料平均為20%~40%，為了保證材料利用率高、降低成本、鋼桶質最好、工裝模具結構簡單、工藝操作方便、生產效率高，必須做好下料預算和鋼桶制件的排樣。

1、排樣原則

材料利用率以K表示，K為單張板制件總凈重與單張板料的總重之比。排樣時條料上會產生結構廢料和工藝廢料，如圖8-15所示。

排樣形式一般有直排、斜排、對排、混合排、多排等，根據制件的不同而不同。在排樣時，一般要從以下幾點考慮：

①改善制件結構形狀，提高材料利用率。

②在保證模具壽命和產品質量的前提下，合理地選擇搭邊值。一般情況下，最小送料搭邊值b1為材料厚度，邊緣搭邊值b2=1.2b1。

③可采用幾種制件混合排樣，以進一步提高材料利用率，如廢料可沖壓墊圈、圖釘片等，減少復雜形狀拉深件的工藝補充廢料。

2、下料預算

(1) 桶身下料

以圓柱形鋼桶為例，桶身是由長方形鋼板（圖(8-16)經過卷圓、磨邊、縫焊、翻邊等工序后形成的。

如桶身無波紋、環筋（圖8-17所示）

則 a=π(d+t)+B???????? (8-4)

b=G+2c?????????????? (8-5)

如桶身有波紋和環筋（假設為半圓形狀態），波紋與環筋的料長為2πf1+nπf2，F為鋼桶外高，則

b=F-2t+2c+(2π－4）f1+（π-2)f2??????? (8-6)

公式在應用時要根據設備及模具的實際情況進行修正。

(2) 桶頂（底）下料

圖8-18所示為桶頂（底）形狀尺寸示意圖，按拉深前后毛坯的面積相等的原則計算毛坯尺寸，則圓形毛坯直徑為：

各分型面積可由第四章查表可得，可最終得到其下料尺寸。

(3) 三重卷邊結構設計

桶身與桶頂（底）接合邊緣組合尺寸是指桶身半成品的板邊尺寸與桶底、頂蓋拉伸凸緣尺寸的組合，該組合尺寸的確定奠定了卷邊能否完成以及卷合多少層數的基礎，因此必須精確地確定該組合尺寸（圖8-19)。

三重圓形卷邊的組合尺寸設計公式如下：

式中，L'——桶身板邊緣尺寸，mm

L——桶頂（底）凸緣尺寸，mm

A——三重圓卷邊厚度尺寸，mm

B——三重圓卷邊寬度尺寸，mm

T——桶板材厚度，mm（設全桶的板材厚度相同）

R——桶頂（底）轉角半徑，通常取(10~16)t，mm。

參照本書二重卷邊厚度、寬度計算式及其表示方法，可得

A=7t+Σg

B=BH+Lc+5.5t????????? （8-12）

在近似計算條件下，A、B計算公式如下式所示

A=B=7t+b?????????????? （8-13）

式中，b——修正系數，一般取0.25~0.5mm。

二、成型過程受力分析及強度計算

鋼桶的結構已經基本定型，假設圓柱桶內裝滿液體，桶壁均受到向外的壓力［圖8-20(a)］。內壓力沿半徑方向輻射作用千鋼桶內壁［圖8-20(b)］。鋼桶在內壓力作用下，其圓周均勻增大，所以通過鋼桶軸線的任何截面上，將作用著相同的軸力N［圖8-20(c)］。

要使鋼桶受均勻內壓力時強度足夠，則該壓力作用于桶壁、桶底、桶頂的應力應小于材料許用應力，即：

6θ<［δ］ ???????????（8-14）

6a<［σ］ ????????????（8-15）

式中，［σ］——材料許用應力，N

6θ——桶壁所承受的正應力，N

6a——桶底、頂徑向截面所受正應力，N

為保持桶內應力平衡，則液體作用于桶壁圓弧面的力與桶體的反作用力N之差為零，即

式中，d——鋼桶內徑，mm

L——桶高，mm

P——桶內壁的壓力，Pa

t——壁厚，mm

θ——液體作用于桶壁圓弧面的單元角，mm

N——桶體的反作用力，Pa

因桶壁厚度t遠小于桶內徑d，所以

桶頂（底）所受的應力為

鋼桶能否承受一定的外力作用，還取決于鋼桶的結構。鋼桶的桶身是用整塊薄鋼板焊接而成，桶頂、桶底與桶身是卷邊接合，鋼桶焊接處的強度在正常使用情況下應不低于原整塊鋼板的強度，內壓力一般不超過2×l05Pa。在實際應用中，鋼桶經常受到外力的作用，如嚴重的跌、撞會使鋼桶產生凹陷、扁癟甚至泄漏，為加強鋼桶的強度，在桶身、桶底、桶頂上加工一些波紋和環筋，可以使剛性大大加強。鋼桶卷邊部分對整個鋼桶來說是比較突出的邊緣，也是最易被外力跌、撞凹瘛的薄弱環節。

如果鋼桶卷邊部分強度足夠，則必須

采用卷邊法接合桶身與桶底、桶頂，本身也是一種加強方式，特別是三重圓卷邊已經代替了二重矩形卷邊，這是制桶技術的一大進步。