中国保温杯（壶）工艺和装备的发展历程

中国保温杯（壶）行业发展30年来，生产工艺不断进步，制造装备不断升级。从扇形工艺到拉管工艺，从氩弧焊到激光焊接再到自动焊接，从发泡工艺到有尾真空工艺再到无尾真空工艺，从手动抛光到自动抛光再到机器人抛光，从手动喷涂到自动喷涂，以及丰富多样的表面处理工艺和最新的拉伸旋薄工艺等，行业的生产效率、制造水平得到了有效提升，产品品质也不断提高。这些无不彰显了中国作为全球保温杯生产大国和出口大国的地位（图2-56）。

图2-56 20世纪90年代初期保温杯生产工艺流程

一、金工成型工艺的发展

1.扇形焊接成型工艺流程

扇形成型工艺是广东地区保温瓶企业较早引用的制造工艺，也是比较普遍采用的工艺。该工艺对于口部尺寸和底部尺寸差异大，胀幅远超不锈钢的延伸率的产品（比如咖啡壶），具有很强的优势。而通过常规管料的胀形工艺与缩口工艺难以实现。但是，该工艺对不锈钢材料的利用率较低。

1.使用“剪板机”按照尺寸要求将“不锈钢板”裁剪成“不锈钢条料”。

2.使用“冲床”和“落料模”，将“不锈钢条料”冲剪成多个“扇形不锈钢片”。

3.使用“卷圆机”将“扇形不锈钢片”的斜边平行卷圆成圆台状。

4.使用“氩弧焊焊接设备”将卷圆后“扇形不锈钢片”的两个斜边焊接融合。

5.使用“焊缝滚压机”将焊缝滚压光滑平整。

6.使用“压力机”和“R角模”压R角。

7.使用“油压机”和“拉伸模”将产品拉伸成型。

8.使用“车床”等设备，将拉伸成型件进行金工成型。

2.焊管牛筋胀成型工艺

牛筋胀工艺说明：

“牛筋胀”主要是利用“压机”挤压牛筋变形，进而使圆管外胀变形贴紧“牛筋胀模具”型腔成形。

该工艺技术简单，成本低。但牛筋的寿命短，加工出的产品成品质量合格率低且不稳定。仅适用于结构简单，变形幅度小的产品加工（图2-57）。

1.使用“开平机”按照尺寸要求将“不锈钢卷料”进行分条，裁成“不锈钢条料”。

2.使用“拉管机”将“不锈钢条料”制作成“不锈钢圆毛坯长管”。

3.使用“车床”和“割管模”按照规格将“不锈钢圆管”切割成多个“不锈钢圆短管”。

4.使用“直缝压缝机”和“压焊缝模”将焊缝滚压平整平滑。

5.使用“胀形机”和“牛筋胀模”进行胀形加工。

6.使用“普通车床”和“分杯模”将胀形件分割成多个杯身（外壳或内胆）。

7.使用“车床”“割头机”“缩口机”“拉伸机”“平口平底机”“滚压机”“压口机”“螺纹机”等设备按照产品要求进行金加工成型。

图2-57 工人正在操作牛筋胀工艺

3.焊管及水胀成型工艺

水胀工艺说明：

水胀工艺从牛筋胀工艺基础上发展而来，利用“水胀模具”将“不锈钢圆短管”两端封闭，通过“水胀机”，将水注入“水胀模具”的芯棒内部空间，利用水压使芯棒外扩，挤压圆管外胀变形贴紧模具型腔成形（图2-58）。

水胀工艺实现复杂变截面产品成形的同时，提高了材料利用率，降低了生产成本，提高了产品合格率。它是目前不锈钢真空器皿最理想的成型工艺，几乎可以适用于所有产品。水胀工艺先后经历了“牛筋封胀”和“无牛筋硬模封胀”两个阶段，主要指水胀模具的结构变化。

牛筋封胀：水胀模具的上、下模通过挤压聚氨酯橡胶（俗称牛筋）来封紧工件。缺点：牛筋的耐磨性差，寿命短，凹点率高。

无牛筋硬模封胀：无须使用牛筋，即可实现封水并进行胀形。优点：缩短了口部不锈钢材料的长度，节约材料成本，凹点率较低，加工出的产品质量更加稳定。

1.使用“开平机”按照尺寸要求将“不锈钢卷料”进行分条，裁成“不锈钢条料”。

2.使用“拉管机”将“不锈钢条料”制作成“不锈钢圆毛坯长管”。

3.使用“车床”和“割管模”按照规格将“不锈钢圆管”切割成多个“不锈钢圆短管”。

4.使用“直缝压缝机”和“压焊缝模”将焊缝滚压平整平滑。

5.使用“水胀机”和“水胀模”进行胀形加工。

6.使用“普通车床”和“分杯模”将胀形件分割成多个杯身（外壳或内胆）。

7.使用“车床”“割头机”“缩口机”“拉伸机”“平口平底机”“滚压机”“压口机”“螺纹机”等设备按照产品要求进行金加工成型。

图2-58 工人正在操作水胀工艺

不锈钢拉管工艺是永康地区保温瓶企业普遍采用的工艺，该工艺对不锈钢材料的利用率较高，生产效率也较锥形管工艺要高。

4.拉伸旋薄空缩成型工艺

旋薄工艺的说明：

旋薄是在拉伸成型的基础上，对产品原材料进行特殊处理，使杯身更轻、杯壁更薄，从而达到扩充容量、减轻重量的效果（图2-59）。

通过“旋薄机”对杯身（外壳或内胆）的中间部分进行旋压变薄处理，形成薄壁，使其壁厚从原来的0.4mm～0.6mm缩减至0.08mm～0.12mm，同时减少产品约30%的重量。

空缩工艺说明：

通过“空缩机”对旋薄后工件的口部进行缩口处理（图2-60）。

1.使用“剪板机”按照尺寸要求将“不锈钢板”裁剪成“不锈钢条料”。

2.使用“冲床”和“落料模”，将“不锈钢条料”冲剪成多个“圆形不锈钢片”。

3.使用“拉伸机”和“拉伸模”进行多次拉伸成型。

4.使用“旋薄机”将拉伸成型件进行旋压变薄。

5.使用“空缩机”将工件进行缩口成型。

图2-59 工人正在操作旋薄机

图2-60 工人正在操作空缩机

二、焊接工艺的发展

焊接工艺，是保证不锈钢真空保温杯结构完整并获得真空的基础条件，目前主要有“氩弧焊”和“激光焊接”两种方式。

1.氩弧焊

氩弧焊，是使用氩气作为保护气体的一种焊接技术，又称氩气体保护焊，指在电弧焊的周围通上氩气保护气体，将空气隔离在焊区之外，防止焊区氧化（图2-61）。

图2-61 早期的手工氩弧焊

氩弧焊的优点：

（1）氩弧焊的电弧燃烧稳定，热量集中，弧柱温度高，焊接生产效率高。

（2）氩弧焊为明弧施焊，操作、观察方便。

（3）电极损耗小，弧长容易保持，焊接时无熔剂、涂药层。

（4）成本低。

氩弧焊的缺点：

（1）热影响区域大。

（2）对人身体的伤害程度较高。

（3）焊缝明显、凸起较高；焊接后的产品需要经过抛砂、抛光处理，才能使焊缝位置平整。

国内生产不锈钢真空保温杯初期，对杯的各个部位进行焊接，均使用氩弧焊技术。即便是现在，因其优点，氩弧焊也在行业内外广泛使用（图2-62）。

2.激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法（图2-63）。

图2-62 利用机器进行氩弧焊

图2-63 工人正在操作激光焊接

激光焊接的优点：

（1）热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形小。

（2）焊接后的产品，其焊缝平整，不需再进行滚压以及抛砂等处理。

（3）易于以自动化进行高速焊接。

（4）焊接后的产品，其焊缝平整，不需再进行滚压以及抛砂等处理。

激光焊接的缺点：

（1）对焊件的装配精度要求较高，若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺焊。

（2）激光发生器及其相关系统的成本较高。

目前，激光焊在行业内对高档杯的使用不断增多，而在自动化、智能化生产改造过程中，激光焊接的优势也逐渐体现。

3.自动焊接

为节省人力资源与生产成本，提升产品质量与生产能力，目前不少企业已经采用自动焊接（图2-64）。

图2-64 工人正在操作自动焊接工艺

自动焊接是在氩弧焊和激光焊的基础上进行半自动化或自动化设计，使得生产过程更加自动化，从而减少人工操作，降低人为因素造成的产品不良，提高生产速度，缩短生产流程。

三、真空工艺的发展

真空是杯壶产品实现保温功能的基础，而真空工艺，是真空保温杯（壶）生产的关键，俗称“抽真空”，指使保温杯外壳和内胆的间隙空间获得真空的工艺技术。

在真空工艺还未成熟运用前，一些工厂通过发泡工艺来达到保温效果。20世纪90年代初期，真空工艺已拥有“有尾管工艺”（简称有尾工艺）和“钎焊工艺”（无尾工艺）两种抽真空的技术。

1.发泡工艺

在真空工艺还未广泛运用前，人们主要通过发泡工艺来达到保温效果，处理抽真空过程中产生的不良品。

发泡剂：在聚氨酯发泡中，发泡剂的主要作用是受热时由液体变成气体，促进泡沫生长。在聚氨酯中形成均匀分布的细小气泡。发泡剂本身不参加多异氰酸酯和组合聚醚之间的化学反应。利用氟利昂（如R11、R12）作发泡剂的发泡工艺称为有氟发泡。发泡剂不含氟利昂的发泡工艺称为无氟发泡（如环戊烷发泡）。(www.xing528.com)

泡沫反应原理：通过高压发泡机将发泡剂进行混合，并注入保温杯的外壳和内胆之间的夹层内。在一定温度条件下，多异氰酸酯中的异氰酸根（—NCO）与组合聚醚和水分中的羟基（—OH）在催化剂的作用下发生化学反应，生成聚氨酯，同时释放大量热量。此时预混在组合聚醚的发泡剂（环戊烷）不断汽化使聚氨酯膨胀填充壳体和内胆之间的空隙。

化学反应式：

2.有尾真空工艺

有尾真空工艺指运用真空泵通过连接在保温杯底部的铜管来抽除气体，获得真空。其铜管的焊接采用“银基火焰钎焊”，封接口采用“压封技术”。

“有尾工艺”的成本相对较低，20世纪90年代初期，国内企业从台湾引进的真空工艺及生产设备大多为“有尾工艺”。

“有尾工艺”，其技术门槛不高，但生产效率低，不适合大规模生产，且产品真空度的持久性差。目前国内企业已经基本淘汰该工艺技术，但对于体型较大的产品依然还在采用。

3.无尾真空工艺

无尾真空工艺是指在真空钎焊炉内将产品外壳、内胆夹层的气体吸除。固体钎焊料在高温下成形液态，液态钎焊料能够充分地流入保温杯底部的排气孔，真空钎焊炉降温后，液态钎焊料凝固封堵排气孔，使得外壳、内胆夹层的真空夹层真空度得以维持。

20世纪90年代初期，无尾真空工艺采用银铜钎焊料，排气焊封时温度达到700多度，成本较高，国内企业基本都没有采用该工艺技术。

21世纪初，低温焊料研发成功后，替代了原有的银铜钎焊料，凭借封接时的低温、低廉的价格、高效的生产，逐渐被国内保温杯生产企业所接受，有尾工艺也逐步被无尾工艺取代。

4.吸气剂原理及发展

（1）吸气剂的吸气原理。在真空系统中，气体分子的行为表现在三个方面：①在空间做无规则运动。②在固体表面（固体和气体的界面上）气体可以产生吸附和脱附。③在固体内部，气体可以产生溶解扩散和渗透。这三点构成超高真空基础，也是吸气剂技术的基础。

固体表面吸附有大量的气体分子，即使在真空度很高的情况下，固体表面上的气体分子密度可远大于气相分子的密度。这种现象称为吸附。真空条件下，气体分子的行为主要表现为气相分子与吸附相分子的相互转化。要获得高真空，必须尽可能地除去在固体表面的气体分子，或者要设法抑制吸附相分子自固体表面溢出。

由于清洁干净的固体表面具有吸附大量气相分子的能力，所以，清洁表面又可以作为重要的抽气手段。吸气剂就是这样一种达到超高真空的抽气工具。

吸气剂的气体吸附量决定于其扩散速度的大小以及吸气温度的高低。而吸气剂的吸气速度决定于吸气剂的有效表面积和气体压力。

（2）吸气剂的激活。未经使用的，吸气性能优良的吸气剂在较低温度下吸附在吸气剂表面的气体相分子向吸气剂体内的扩散速度很小，而在大气压下吸气剂的吸附速度却很高，这时在吸气剂表面而形成很薄的气体吸附层气膜，从而阻止了吸气剂与气体的进一步作用。

在吸气剂充分发挥其对活性气体的吸着作用之前，必须首先清除这层气膜。这一工艺过科称为激活。为了达到清除这层保护性气膜，只需在真空条件下提高吸收剂温度。吸气剂激活的真空条件必须低于0.1Pa。

（3）吸气剂种类。目前吸气剂可以分为三大类，蒸散型吸气剂、非蒸散型吸气剂以及复合型吸气剂。但市场上的保温杯吸气剂生产厂家，均沿袭着北京有色院及华东电子的生产技术。主要为锆钒铁、锆钒铁钛及锆铁非蒸散型吸气剂。

四、表面处理工艺

不锈钢保温杯（壶）最基本的功能是保温，而一只保温杯（壶）产品能不能受到市场消费者的青睐与追捧，光有保温功能是远远不够的。消费者选购产品的第一直观感觉就是表面外观，包括外观、表面处理、材质质感等。保温杯（壶）作为个性化产品，表面处理工艺有很多，主要有：抛光工艺、喷涂工艺、图案处理等。

1.抛光工艺

抛光是利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工，以得到光滑表面或镜面光泽为目的。通常以抛光轮、抛光砂带作为抛光工具。保温杯抛光工序流程通常为：口部抛亮（布轮）—砂杯身焊缝（120目砂带）—杯身粗研磨（150目砂带）—杯身细研磨（180目砂带）—杯身拉丝（研磨轮）。

为获得更为细腻的外观，可以采用增加抛光工序，采用磨料颗粒更细的规格抛材来实现。

抛光目前大多采用人工手动抛光（图2-65）。手动抛光设备简单，主要依靠员工的操作技能，灵活控制工件运动方式及手感压力控制，快速检查产品外观缺陷并修复。设备投资少、见效快。手工抛光劳动强度大、生产效率低、金属粉尘大、污染环境、质量不稳定，严重影响了保温杯市场竞争力的提升。

图2-65 手动抛光

自动抛光机是在手动抛光的基础上发展起来的（图2-66）。采用气、液联合驱动的方式，运用自动控制系统，将功能模块化设计的抛光机台按抛光工艺流程进行组合。采用同步化技术，实现功能模块执行机构自动化循环运动。采用力控技术，实现抛材与工件压合压力稳定，保证抛光磨削力。自动抛光机的应用，大大降低了工人的劳动强度，且有效地避免了粉尘对工人身体健康的伤害，改善了工作环境，同时有效提高了产品质量。限于现有技术，对异型产品表面抛光还很难实现。对于抛材还缺乏研究，抛材更换频率高、抛材消耗大，导致成本高，限制了自动化抛光机的广泛应用。

图2-66 自动抛光机

自动抛光机并未彻底解决抛光过程中的所有问题，目前行业领先企业已经开始研究并应用机器人抛光系统（图2-67）。机器人抛光系统可以确保产品打磨出来的一致性和精确性，避免出现传统工艺中由人工抛光不精确、不匀称等原因造成的产品浪费。机器人抛光系统在复杂形面的保温杯抛光加工上具有不可替代的优势，未来发展不可限量。

图2-67 机器人抛光机

2.喷涂工艺

目前，保温杯（壶）产品上，主要有两种喷涂工艺：喷漆工艺、喷粉工艺。

喷漆工艺是借助于压缩空气将液态涂料（俗称油漆）分散成漆雾微粒黏附在产品表面，经过流平后高温烘烤固化。

喷粉工艺是借助于压缩空气塑粉在高压静电作用下分散成粉雾微颗粒，通过电场吸附在产品表面，经过高温烘烤流平固化。也称喷塑工艺。

虽然喷漆工艺表面效果更细腻、色彩更丰富。但是粉末喷涂的喷涂效果在机械强度、附着力、耐腐蚀、耐老化等方面优于喷漆工艺，成本也在同效果的喷漆之下。

喷涂工艺实施目前也主要是手工喷涂、自动喷涂两种。

手动喷涂在因喷涂质量不稳定、工作环境恶劣，已经基本淘汰（图2-68）。

图2-68 人工手动喷涂

图2-69 机械手自动喷涂

自动喷涂生产线由于采用机器人配置固定喷枪，在全封闭生产环境下施工，通过程序控制。保证了喷涂产品质量的一致性，同时减少环境污染，改善了员工工作环境，提高了生产效率（图2-69）。

3.图案处理工艺

（1）丝印。丝印是指用丝网作为版基，并通过感光制版方法，制成带有图文的丝网印版。丝网印刷由五大要素构成：丝网印版、刮板、油墨、印刷台以及承印物。利用丝网印版图文部分网孔可透过油墨，非图文部分网孔不能透过油墨的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版的一端倒入油墨，用刮板对丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端匀速移动，油墨在移动过程中被刮板从图文部分的网孔中挤压到承印物上。

（2）移印。移印是把所需印刷的图案和文字先利用照相制版方法，将钢板制成凹版。利用硅橡胶材料制成的曲面移印头，将凹版上的油墨蘸到移印头的表面，然后移印头往承印物表面压一下，将油墨转移到承印物表面上，印出图案、文字等。

（3）热转印。热转印是采用网点印刷，将图案预先印在薄膜表面。通过热转印机加热、加压，将转印膜上的图案转印在产品表面。成型后油墨层与产品表面融为一体，逼真漂亮，大大提高产品的档次。

（4）水转印。水转印是利用水做溶解媒介，将带彩色图案的转印纸/转印膜进行图文转移的一种印刷。

水转印技术有两类：一种是水标转印技术；另一种是水披覆转印技术。披覆转印技术是使用一种容易溶解于水中的水性薄膜来承载图文。由于水披覆薄膜张力极佳，很容易缠绕于产品表面形成图文层，产品表面就像喷漆一样得到截然不同的外观。在水转印前，产品需要喷一层底漆增加黏附力或者添加底色。转印图案后，经高温烘烤固化。

（5）激光打标。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等。

五、中国保温杯制造装备的发展过程

（一）九十年代初期不锈钢保温杯主要生产设备

续表

（二）生产设备的发展

1.拉管机

功能：通过卷圆、焊接、切割等方式，将“不锈钢条料”制作成“不锈钢毛坯长管”。

组成：拉管机一般由卷圆机构、牵引机构、焊接机、切割机等模块组合而成。

发展：在焊接圆管液压成型工艺运用后，拉管机逐渐发展，代替早期的锥形焊接管拉伸成型工艺。极大的提高了材料的利用率、提升生产效率。目前，主流的拉管机均采用氩弧焊接和圆锯切割机组合，可以实现半自动化生产。近年来，随着激光焊接技术的逐渐成熟与普及。基于CDD工业相机定位的焊缝自动跟踪技术应用，提高了焊接合格率和焊接速度；与激光割管机实现联线生产，避免了割管时产生的噪声污染，且切口平滑，无须处理毛刺；另外，激光焊接焊缝平滑，后续也不再需要对焊缝进行滚压平滑处理。

2.水胀设备

功能：以水为压力介质，通过高压缓进方式，不锈钢管在水胀模具封闭型腔内实现塑性变形。目前为行业内应用最为广泛的成型工艺（常见为一出二或一出四）。

发展：“水胀”从“牛筋胀”工艺发展而来，胀形的介质从“牛筋”更新迭代到“水”，模具也因此换代，“牛筋胀使用的普通“压机/冲床”至此也变更为“水胀机”。

在胀形介质“水”不变的情况下，水胀机将持续使用，后续胀形工艺的发展将集中在“水胀模具”的革新。

3.金工设备

功能：将“待加工产品”按照要求，使用“车床”“割头机”“缩口机”“拉伸机”“平口平底机”“滚压机”“压口机”等设备进行金加工成型处理。

发展：金工工艺改变较小，设备的功能变化不大，设备及加工效率提升方面主要是将设备改造进化成“双工位”“数控”“自动化”“智能化”等方式。

4.螺纹机

功能：利用螺纹模，使待加工的“内胆”或“外壳”口部形成“内螺纹”或“外螺纹。”

发展：螺纹机的主体功能“滚螺纹”并没有发生改变，在增值功能、精度和工作效率上不断创新。目前的螺纹机已经能够实现螺纹起牙位置的定位，保证每个批次杯体与杯盖旋接之后，方向位置保持一致，以保证客户或产品的特殊要求。

5.真空机

功能：通过特定的工艺，使保温杯外壳和内胆的间隙空间达到所需的真空度，以获得“真空”，实现保温效能。

组成：钎焊炉炉体、加热系统、真空抽气系统、冷却系统、真空检测系统和控制操作系统等。

发展：真空设备最初是在20世纪80年代末从中国台湾地区引进的有尾真空机，运用真空泵通过连接在保温杯底部的铜管来抽除气体，获得真空（图2-70）。20世纪初，钎焊料研发成功，“无尾工艺”逐渐发展代替“有尾工艺”，有尾真空机也逐渐被无尾真空机取代。无尾真空机能够实现由计算机控制完成抽气、封焊、冷却等整个“抽真空”过程，效率更高、产能更大（图2-71、图2-72）。

图2-70 有尾真空机

图2-71 双室无尾真空炉

图2-72 三室卧式无尾真空炉

6.测温机

功能：待加工产品在“电解”“抛光”“总装”之前，需要使用测温机测试产品是否“保温、真空”，避免不良产品流到下一道工序，以减少加工成本。

发展：检测产品保温是否达到要求，按照标准的做法，是将沸水倒入产品中，实时检测水温变化。但该种检测方式无法满足大规模生产的需要。目前主流的测试方法是利用真空隔热原理，在产品内部填充热源，而根据产品外壳表面的温度来判断产品是否真空。早期的测温机使用加热棒来充当热源，现在主要采用热风，效率更高，安全性更好。

7.抛光机

功能：将产品外壳表面进行抛砂、抛亮等表面处理，去除表面氧化层、浅痕、脏污等表面瑕疵。

发展：因抛光的效果要求等原因，现在主流还是手动抛光机，抛光工作环境比较恶劣，抛光过程中会产生沙粒、金属屑、粉尘等，且噪声很大，人工成本也高。

随着自动化抛光技术的发展，旋转圆盘式自动抛光机为多数保温杯企业所采用。采用机构运动循环的同步化设计技术，实现多工序连续加工，依靠旋转圆盘转动来实现抛光工件工序间的传送。比较适合抛光粉尘处理的水循环系统主要由塔体、供水装置、排灰装置及进出口烟道等组成。粉尘处理系统具有洗涤除尘、重力除尘等多种作用，大大提高了除尘效率。

采用机器人技术模拟人工抛光的智能抛光机器人生产线，也已有多家企业开始尝试。

8.喷涂设备

功能：使产品表面附着一层涂层，以增加产品的美观度，又可以保护不锈钢表面不被侵蚀。

发展：手工喷涂在期初广泛运用，现在也还保留有少量的手工作业。喷涂作业过程中产生的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，又不利于操作员工的身体健康。目前，规模企业都已经使用喷涂自动化生产线，采用静电喷涂、机器人喷涂等技术，有效地提高了油漆利用率，减少油漆废弃物的产生。既保证了产品品质，又改善了员工的工作环境。

9.实验室检测设备

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[1]摘自《2018年中国企业对外投资调查分析报告》（CCG企业全球化研究课题组）。