鋼桶封閉器法蘭關鍵尺寸與制造工藝簡析

文/吳建平

摘要：通過對市場上三個主流品牌嵌入式法蘭封閉器的實際使用情況分析，對照相應的制造標準，針對使用中產生的問題，探討影響鋼桶封閉器法蘭制造質量的關鍵尺寸與制造工藝。

關鍵詞：鋼桶；封閉器法蘭；關鍵尺寸；制造工藝

鋼桶封閉器是指采用螺紋鎖緊和桶塞封閉、封閉箍等方式，配合其他金屬或合成的材料如合成橡膠零件，確保鋼桶口密封的裝置。鋼桶封閉器按結構和用途可分為：嵌入式法蘭封閉器、非嵌入式封閉器、箍式封閉器。其中，嵌入式法蘭封閉器是指采用機械咬合鎖緊的螺紋法蘭和桶塞封閉，并由其他金屬或合成材料，如合成橡膠、塑料等零件，確保鋼桶密封的裝置。

1 嵌入式法蘭封閉器使用概況

嵌入式法蘭封閉器在鋼桶上應用最為廣泛，大多數的閉口鋼桶都是采用這種封閉器。嵌入式法蘭封閉器可分為G2、G¾和G4½三種規格，無論在國內還是國外的鋼桶包裝上，幾乎每一只鋼桶注入口和透氣口均分別配置了G2與G¾封閉器。嵌入式法蘭封閉器由封蓋、封蓋密封膠、法蘭、桶塞、桶頂、墊圈、襯圈、標志環/保護環（可選用）等組成。筆者主要針對G2與G¾封閉器法蘭進行論述，且由于雙襯圈法蘭和標簽環使用不多，故論述的是用量最多的無標簽環單襯圈法蘭。

2 封閉器法蘭關鍵尺寸取向

2.1 縱向高度尺寸取向

生產鋼桶封閉器的廠家眾多，執行的標準不盡相同，對標準中尺寸偏差的把控能力也有高低。執行標準和生產工藝水平的差異等均會導致法蘭尺寸出現偏差，其中高度方向的尺寸差別最大。

2.1.1 法蘭結構和尺寸

以公司最常用封閉器的三家制造商為例：

（1）國際供應商A 執行的是國際標準Packaging-Steel drums-Part 3: Inserted flange-type closure systems（BS EN ISO 15750-3:2008），封閉器法蘭結構和規格尺寸，如圖1和表1所示。

圖1 國際供應商A的法蘭結構示意圖

表2 國際供應商A的法蘭規格尺寸（單位：mm）

（2）國際供應商B產品說明書《TECHNOCRAFT CLOSURE SYSTEMS:2010》中的G2與G¾法蘭結構尺寸，如圖2與圖3所示。

圖2 國際供應商B的G2法蘭結構尺寸

圖3 國際供應商B的G¾法蘭的結構尺寸

（3）國內供應商C執行的國家標準GB/T 13251—2018《包裝 鋼桶封閉器》，其法蘭結構和規格尺寸，如圖4和表2所示。

圖4 國內供應商C的法蘭結構示意圖

表2 國內供應商C的法蘭規格尺寸（單位：mm）

2.1.2 鉚合高度

（1）國際標準BS EN ISO 15750-3:2008 推薦的鉚合高度結構尺寸如圖5和表3所示，國際供應商A規定的具體鉚合高度如表4所示。

圖5 國際標準BS EN ISO 15750-3:2008的嵌入式法蘭封閉器示意圖

表3 國際標準BS EN ISO 15750-3:2008的法蘭鉚合尺寸（單位為毫米）

表4 國際供應商A的法蘭鉚合尺寸（單位為毫米）

根據表4可知，國際供應商A生產的G2法蘭的鉚合高度為13.9mm±0.5mm，G¾法蘭為11.1mm±0.5mm。

（2）國際供應商B產品說明書《TECHNOCRAFT CLOSURE SYSTEMS:2010》中推薦的鉚合高度結構尺寸如圖6和表5所示。

圖6 國際供應商B的法蘭鉚合結構示意圖

表5 國際供應商B的法蘭鉚合尺寸(單位為毫米)

表5中尺寸50mm指G2法蘭，20mm指G¾法蘭。其鉚合高度在：G2法蘭為13.34mm±0.25mm，G¾法蘭為10.80mm±0.25mm，下偏差單襯圈，上偏差雙襯圈。

（3）國內供應商C采用的國家標準GB/T 13251—2018 推薦的鉚合高度結構尺寸如圖7和表6所示。

圖7 國家標準GB/T 13251—2018的嵌入式法蘭封閉器示意圖

表6 國家標準GB/T 13251—2018的法蘭鉚合尺寸(單位為毫米)

根據表6可知，國內供應商C生產的G2法蘭的鉚合高度為13.0mm±0.5mm，G¾法蘭為11.0mm±0.5mm。

由以上圖表可以發現：對法蘭尺寸的標注方式，國際供應商B的產品說明書《TECHNOCRAFT CLOSURE SYSTEMS:2010》和國內供應商C采用的國家標準GB/T 13251—2018更具可操作性，尺寸規格直觀明了，而國際供應商A采用的國際標準BS EN ISO 15750-3:2008中尺寸需要推算；對鉚合高度的標注圖示方法，國際供應商B的最符合實際，國內供應商C的尚可（桶頂內平面與法蘭底面會有落差），國際標準圖示尺寸則不便在實際操作中使用（推薦的鉚合高度是指法蘭鉚合后的高度）。

鋼桶封閉器法蘭鉚合時，通常把鉚合高度作為衡量鉚合質量的第一要素，當法蘭鉚合后的抗扭性能不足或液密試驗出現滲漏時，首先會想到試著把鉚合高度再降低一點。法蘭縱向尺寸中的法蘭高度和螺紋高度是影響鉚合高度的兩個關鍵尺寸。

2.1.3 法蘭高度

法蘭鉚合后，能否達到規定的扭矩是衡量嵌入式法蘭封閉器裝配質量的標準之一。雖然鉚合后的法蘭發生松動前做氣密（液密）試驗無滲漏，但是一旦松動將破壞原有的密封狀態而產生滲漏現象。即使襯圈有可靠的密封，法蘭在規定的扭矩內發生松動也是不允許的。對法蘭鉚合后的抗扭性能要求應等同于國家標準中桶塞焊點扭力，分別是：G2法蘭68N·m，G¾法蘭27N·m。

按鋼桶材料厚度分，可分為重型桶、中型桶、次中型桶和輕型桶，主要包括0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm等幾種。那么什么樣的法蘭高度能適應0.5mm~1.5mm各種料厚桶頂鉚法蘭的要求呢？從市場上主流供應商提供的產品看：國內供應商C的G2法蘭高度為18.7mm~18.8mm，G¾法蘭高度15.7mm~15.8mm，基本與國家標準一致；國際供應商A提供的G2法蘭高度為18.4mm~18.5mm，G¾法蘭高度15.4mm~15.5mm，在其相應標準的名義尺寸18.6mm和15.6mm的下偏差運行；國際供應商B的G2法蘭高度為18.2mm~18.3mm，G¾法蘭高度15.2mm~15.3mm。②總體而言，國際供應商B的法蘭要比國際供應商A的要矮0.2mm左右，國際供應商A的法蘭要比國內供應商C的矮0.3mm左右。它們都在其相應的標準范圍內，只是取向不同。

要確定法蘭高度的最佳參數，就要先確定法蘭的鉚合高度參數。從供應商推薦的數據來看，國際供應商B的G¾法蘭鉚合高度參數相對偏矮；國內供應商C的G2法蘭鉚合高度相對偏矮；國際供應商A 推薦的單襯圈無標簽環與國際供應商B的單襯圈鉚合高度參數相比，G¾近乎一致，但G2偏高（相當于國際供應商B的雙層襯圈）。

法蘭高度的差異在同樣鉚合高度下是否都能滿足抗扭性能要求呢？由于G2法蘭尺寸大，抗扭要求容易實現。G¾法蘭尺寸較小，其抗扭性能的實現要比G2法蘭難一些。故以料厚0.5mm無內涂桶頂鉚G¾法蘭，按國際供應商B的法蘭鉚合高度要求取下偏差10.6mm進行試驗，模具模芯最大鉚合控制直徑φ33.8mm，密封襯圈相同，結果如圖8、圖9、圖10 所示。國內供應商C的G¾法蘭鉚合結果是：扭矩＞32N·m，無錯位、無跟轉。

圖8 國內供應商C的G¾法蘭鉚合結果

國際供應商A的G¾法蘭鉚合結果是：扭矩＜27N·m，較小錯位、跟轉。

圖9 國際供應商A的G¾法蘭鉚合結果

國際供應商B的G3/4法蘭鉚合結果是：扭矩＜ 27N·m，較大錯位、跟轉。

圖10 國際供應商B的G3/4法蘭鉚合結果

以上試驗使用的沖孔翻邊壓八角模具、鉚法蘭模具都是相同的，模具的閉合高度都是不變的，0.5mm料厚桶頂材料的性能都是一樣的。從試驗結果可以看出，隨著法蘭高度的下降，法蘭鉚合后的抗扭性能是相應降低的，除國內供應商C的G¾法蘭能有效滿足抗扭要求外，國際供應商A和國際供應商B的G¾法蘭都不能滿足料厚0.5mm桶頂鉚合的抗扭要求。這可能是國際供應商A和國際供應商B法蘭高度的確定主要是以料厚1.0mm以上的數量巨大的大桶桶頂來考量的，0.8mm以下的小桶桶頂似乎被忽視了。

當將法蘭鉚合在材料厚度較薄的桶頂上或法蘭高度偏矮時，法蘭與桶頂之間可能會產生空隙。如圖11所示，法蘭高度較高，則法蘭卷邊后與桶頂翻邊之間充分裹緊無空隙；法蘭高度較矮，則法蘭卷邊后與桶頂翻邊之間無法裹緊或存在空隙。

圖11 法蘭鉚合截面圖

從試驗的情況來看，因沖孔鉚合都是同一付模具和同樣的桶頂，若不論法蘭高矮，鉚合后八角部位的鉚合狀況應是一致的（就G¾法蘭而言，國內供應商C與國際供應商B的八角厚度都是2mm，而國際供應商A的八角厚度是2.2mm，對滿足抗扭性能更有利），那么八角部位的抗扭性能也應是一致的。造成抗扭性能差異的原因，最可能的就是法蘭高度不同造成卷邊程度不同這一因素了。

由此得出這樣一個結論：法蘭鉚合后的抗扭性能，單靠法蘭八角邊與同時鉚合成型的桶頂八角之間的配合是不夠的，還必須依靠法蘭卷邊對桶頂翻邊的收緊程度，只有二者同時作用才能保證法蘭鉚合后的抗扭性能。特別對于內涂型鋼桶，這一點尤為重要，那種抗扭純靠八角的思維是不準確的。

當然法蘭高度也不是越高越好，過高后反而會產生抗扭性能的下降，國內另一供應商D提供的用來作防偽鋼桶鉚合的G2法蘭高度為19mm，G¾法蘭高度16mm，如用來作普通鉚合就有可能產生如圖12所示的這種情況。

國內供應商D的G¾法蘭鉚合結果：扭矩＜27N·m，錯位、跟轉。

圖12 國內供應商D 的G3/4 法蘭鉚合結果

既然法蘭高度不宜過高，那我們就看看不同高矮法蘭鉚合在1.5mm料厚桶頂上的狀況。通過試驗發現，國際供應商A、國際供應商B、國內供應商C的G2法蘭均能滿足68N·m的抗扭要求且78N·m仍然滿足，G¾法蘭均能滿足27N·m的抗扭要求且37N·m 仍然滿足。這就說明國內供應商C 的法蘭高度（即國家標準GB/T 13251—2018 的要求高度）不存在高度過高的問題。

通過以上試驗可以得出，要使法蘭鉚合后滿足材料較厚的大桶和材料較薄的小桶的抗扭性能，國內供應商C的法蘭高度是最符合要求的；國際供應商A的法蘭如果做到其采用的國際標準的名義尺寸或之上也是接近的；由于國際供應商B的鉚合高度相對最矮，所以應將國際供應商B推薦的鉚合高度參數作為鋼桶廠家的工藝要求，若大于推薦值，只會使法蘭高度更顯得不足。值得一提的是，在上述鉚合高度下，國家標準GB/T 13251—2018中法蘭高度e的數值（見表2）是更為準確的。

綜上所述，法蘭高度尺寸偏矮或偏高，是造成鉚合后抗扭性能不佳的重要原因（雖然桶頂翻邊孔根部轉角R過大，法蘭鉚合直徑過大同樣會使抗扭性能下降）。

以上是在滿足抗扭要求的條件下確定法蘭高度，接下來將在滿足鉚合高度和螺牙圈數的條件下確定螺紋高度。

2.1.4 螺紋高度

螺紋高度決定沖壓模具的閉合高度，由于沖床上的模具一旦架好，鋼桶生產廠家不會因為各供應商的法蘭螺紋高度的差異而頻繁調節模具的閉合高度，因此必須追求螺紋高度的統一。

法蘭鉚合高度是受到螺紋高度的限制的。在保證法蘭鉚合后的抗扭性能的條件下，什么樣的螺紋高度尺寸才是合適的呢？因鉚合高度在下偏差的情況下，法蘭模芯最接近螺牙，故可以用模擬的方法來確定螺紋的高度，下圖13、圖14 分別是G2和G¾法蘭鉚合模擬圖（圖中使用了普通模芯和沖孔鉚合二合一模芯）。

圖13 G2法蘭鉚合模擬圖

圖14 G¾法蘭鉚合模擬圖

由模擬圖可以看出：當G2法蘭鉚合高度為偏差下限13.1mm時，合適的螺紋高度應為10mm；G¾法蘭鉚合高度為偏差下限10.6mm時，適合的螺紋高度為8mm。此時模芯與法蘭螺牙之間的空隙，不管是G2法蘭還是G¾法蘭都是相等的，這個空隙是克服鉚合中的彈性變形所必須的，沒有這個空間或鉚合高度數值在下偏差以下占用這個空隙，就有可能產生桶塞不好旋和旋不上的問題。由于G2管螺紋的螺距是2.309mm，G¾管螺紋的螺距是1.814mm，故螺紋高度在其負偏差內都足夠符合標準中嚙合不少于3個整牙的要求。此鉚合高度若再降低會影響螺牙數量，若再提高會影響法蘭鉚合后的抗扭性能。由此可以看出，國際供應商B推薦的鉚合高度，可以說既是法蘭鉚合的最高要求，又是法蘭鉚合的最矮要求，是被實際證明確實可行的高度。

螺紋高度直接制約著鉚合高度，當螺紋高度過高時，鉚合會壓壞螺紋，使孔徑收縮，導致桶塞不好旋或旋不上。此外，過高的螺紋高度侵占了螺塞密封圈的壓縮空間，會使密封圈由于過壓縮而外泄或斷裂。在國際供應商B 推薦的鉚合高度（即G2法蘭為13.34mm±0.25mm，G¾法蘭為10.80mm±0.25mm）條件下，G2法蘭螺紋高度大于10.0mm 或G¾法蘭螺紋高度大于8.0mm，是造成螺塞不好旋或旋不上現象的主要因素?？梢?，即使G2法蘭螺紋高度在10.0mm 或下偏差，若鉚合高度是13.0mm±0.5mm 的下偏差，都可能會出現上述現象。因此，國家標準中G2法蘭13.0±0.5mm的鉚合高度不夠準確。

綜上所述，國家標準GB/T 13251—2018中螺紋高度c（即G2法蘭螺紋高度10.2mm±0.4mm，G¾法蘭螺紋高度8.6mm±0.4mm，詳見表2）尺寸偏高，應選擇名義尺寸10.0mm和8.0mm及其下偏差。

2.2 橫向八角邊距取向

通過測量三家供應商提供的法蘭八角邊距，發現國際供應商A和國際供應商B的G¾法蘭八角邊距是一樣的，都是43.7mm，符合供應商執行的標準要求（43.7mm±0.3mm）。而國內供應商C的G¾法蘭八角邊距是43.5mm，同樣符合供應商采用的國家標準要求（43.5mm±0.2mm）。雖然都符合標準要求，但這種差異還是可能會給鋼桶廠家鉚合模具的八角定位精度造成影響，比如因定位間隙變大，使得鉚合后法蘭八角與桶頂八角產生錯位的機率增加。

2.3 標準中公差的取向

在執行標準的時候，封閉器制造單位對尺寸公差的取向是不同的。國內供應商C的法蘭尺寸基本在國家標準的名義尺寸上，而國際供應商A和國際供應商B在法蘭高度尺寸上往往都取了相應標準的下偏差，未達到名義尺寸或中間尺寸。對法蘭高度而言，考慮到法蘭要有足夠的高度才能滿足抗扭的要求，故應取公差的上偏差；對法蘭螺紋高度而言，為避免產生螺塞不好旋或旋不上，應取公差的下偏差；對法蘭八角邊距而言，考慮到要放置在模具的八角定位框里，也應取公差的下偏差。實際上，為了防止尺寸上下偏差造成過寬的尺寸范圍，給用戶使用造成困擾，實際尺寸應往名義尺寸靠攏，從而使各供應商提供的法蘭尺寸盡可能一致。
下圖15是按尺寸取向繪制的法蘭產品圖。

圖15 法蘭產品圖

圖15中名義尺寸除G¾法蘭螺紋高度低于國家標準GB/T 13251—2018規定外，其余名義尺寸都在國家標準規定的范圍內。也可以這樣說，一部分名義尺寸就是國家標準的名義尺寸，另一部分名義尺寸在國家標準的公差范圍內。此圖也是我公司作為封閉器使用單位要求國際供應商A、國際供應商B和國內供應商C執行的產品圖。從目前的供貨狀況來看，法蘭高度仍有差別，但螺紋高度已趨于一致。此圖也可供國家標準修訂時參考。

3 法蘭卷邊口部內圓的加工工藝取向

國內供應商C是國內主要的封閉器供應商，用其提供的法蘭鉚合一直很正常，但隨著國際供應商A和國際供應商B的法蘭投入使用，卻出現了國際供應商A和國際供應商B法蘭鉚合后反卷問題，盡管使用的是同一副模具及相同的鉚合參數。

為解決G2法蘭反卷問題，國際供應商A專門提供了G2鉚法蘭模模芯，之后法蘭鉚合才恢復正常。經測量，模芯尺寸為φ69.2mm、R2.25mm，比我公司多年使用的φ68.6mm、R2mm模芯的鉚合直徑要大。

為解決¾法蘭反卷問題，國際供應商B提供了¾鉚法蘭模模芯圖紙，尺寸為φ34.5mm、R1.9mm，大于我公司原來正常使用的φ33.8mm、R1.7mm模芯的鉚合直徑。按圖加工后，雖然解決了反卷問題，但卻產生了抗扭性能不足的新問題。

從國際供應商A和國際供應商B提供的模芯工藝尺寸來看，都是從增大模芯卷邊槽R 半徑和鉚合直徑的途徑來解決鉚合反卷問題的，通過扭力試驗，G2法蘭能達到68N·m的抗扭要求，G¾法蘭則達不到27N·m的抗扭要求。

那究竟為什么國內供應商C的法蘭不發生反卷，而國際供應商A和國際供應商B的法蘭會產生反卷呢？且為什么國際供應商B是G¾法蘭發生反卷，G2法蘭不發生反卷，而國際供應商A的G2和G¾法蘭均發生反卷？通過國內供應商C和國際供應商A、國際供應商B的法蘭外觀的比較，發現最大的不同點在于：國內供應商C的大小法蘭卷邊內徑均是擠壓成型；國際供應商B的大法蘭是擠壓成型，小法蘭是車削成型；國際供應商A的大小法蘭均是車削成型。

目前，法蘭卷邊口部內圓的加工分為擠壓和車削兩種加工方法，如圖16所示。

圖16 無倒角車削工藝與有R角的擠壓工藝

擠壓加工比車削加工的工藝更為復雜，投入更大。對法蘭質量而言，擠壓的特點是內壁光潔，圓周上壁厚均勻一致，法蘭整體強度增強，更能克服卷邊阻力。擠壓工藝還能在卷邊口部形成保護性倒角或R角，不光降低法蘭對鉚合模芯的磨損，延長模具使用壽命，還能降低模芯磨損產生的溝槽對法蘭卷邊的阻礙。車削的特點是內壁留有刀痕，不夠光潔，以致對鉚合模芯的磨損嚴重，法蘭的翻邊口部無倒角（即清角），鉚合時就同刃口一樣頻繁作用于模芯，使模芯容易產生溝槽，溝槽不斷擴大造成卷邊不暢，加上卷邊部位圓周上壁厚不均勻（國際供應商A的G¾法蘭壁厚相差0.2mm），導致圓周上各點卷邊程度不同，法蘭整體強度不如擠壓型，螺紋部分、卷邊部分易受力變形，綜合起來容易產生局部反卷或卷邊不到位。實際使用中，車削型法蘭在鉚合前的沾油頻率（起潤滑作用）要高于擠壓型法蘭，這一點也足以證明車削型法蘭對鉚合模芯的磨損要比擠壓型法蘭大。鉚合力對法蘭的壓迫很大，擠壓加工可以提高法蘭的抗壓強度，這正是車削加工無法達到的。從鉚合車削型法蘭出現反卷后還能繼續鉚合擠壓型法蘭，就可看出擠壓工藝的優越性。另外，由于上述擠壓和車削兩種方法加工成型的法蘭的不同形狀特性和使用效果，決定著擠壓型法蘭鉚合直徑可以比車削型法蘭更小，也就是說，擠壓型法蘭鉚合模芯的R 槽尺寸可以比車削型的小，且不易發生反卷或卷邊不到位，對提高法蘭鉚合后的抗扭性能更有利。

總而言之，法蘭卷邊部位內徑不光潔，壁厚不均勻，缺乏保護性倒角，整體強度偏弱是除缺少潤滑和模具磨損外造成法蘭鉚合反卷或卷邊不到位的主要原因。關于法蘭卷邊口部倒角（或R角），在國際標準BS EN ISO 15750-3:2008和產品說明書《TECHNOCRAFT CLOSURE SYSTEMS:2010》的圖示中均無顯示，而在國家標準GB/T 13251—2018的圖示中卻有顯示，并在說明中給定了具體尺寸，這是國家標準優于國際標準的地方。

4 對標準制修訂的看法

我國是鋼桶生產大國，在鋼桶的國際標準制定中要掌握話語權。使用的國家標準不僅要優于現行國際標準，而且要取長補短，改進國際標準和其他企業標準中的不足。標準的制修訂，要從模擬、實驗和用戶實際使用中獲取數據，避免相互矛盾相互干涉。

5 結束語

由于鋼桶封閉器的國際標準和國家標準都是推薦性而非強制性標準，且標準中部分指標參數不盡相同，存在雖細微但確有影響的差異，造成制造商在公差范圍內規格尺寸的不同，給鋼桶封閉器生產效率和質量帶來不良影響。本文的觀點供鋼桶封閉器制造商參考，期待眾廠家能生產出通用性更高、適應性更廣、互換性更強的滿足使用性能要求的封閉器產品。

參考文獻

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[5] 楊文亮, 辛巧娟. 鋼桶包裝標準應用指南[M]. 北京: 印刷工業出版社,2013.

作者簡介：吳建平，男，助理工程師，研究方向：模具設計。單位：無錫四方友信股份有限公司。