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四川大學(xué)錦城學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述）
題 目 易拉罐模具及其成型工藝的設(shè)計(jì)
系 別 機(jī)械工程系
專 業(yè) 機(jī)械制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名 楊 柯
學(xué) 號(hào) 120920503 年級(jí) 2012級(jí)
指導(dǎo)教師 秦 琴
二ΟΟ 年 月 日
易拉罐模具及其成型工藝的設(shè)計(jì)
專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化
學(xué)生：楊柯 指導(dǎo)老師：秦琴
摘 要
鋁質(zhì)易拉罐在飲料包裝容器中占有相當(dāng)大的比重。隨著飲料包裝市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇,對(duì)眾多制罐企業(yè)而言,如何在易拉罐生產(chǎn)中最大限度地減少板料厚度,減輕單罐質(zhì)量,提高材料利用率,降低生產(chǎn)成本,是企業(yè)追求的重要目標(biāo)。為此,以輕量化(light_weighting)為特征的技術(shù)改造和技術(shù)創(chuàng)新正在悄然興起。易拉罐輕量化涉及到許多關(guān)鍵性技術(shù),其中罐體成形工藝和模具技術(shù)是十分重要的方面。本文將著重從這兩點(diǎn)出發(fā)探討易拉罐輕量化發(fā)展的可行性。
關(guān)鍵詞： 易拉罐 成型工藝 輕量化 目錄
1食品用易拉罐制造業(yè)的發(fā)展 4
2罐體制造工藝和技術(shù) 4
2.1罐體制造工藝流程 4
2.2罐體制造工藝分析 5
3模具設(shè)計(jì)與制造 8
3.1罐體拉伸模 8
3.2變薄拉伸模 9
3.3罐底成形模 9
4結(jié)束語(yǔ) 10
參考文獻(xiàn) 11
1食品用易拉罐制造業(yè)的發(fā)展
1940年，歐美開(kāi)始發(fā)售用不銹鋼罐裝的啤酒，同一時(shí)期鋁罐的出現(xiàn)也成為制罐技術(shù)的飛躍。1963年，易拉罐在美國(guó)得以發(fā)明，它繼承了以往罐形的造型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在頂部設(shè)計(jì)了易拉環(huán)。這是一次開(kāi)啟方式的革命，給人們帶來(lái)了極大的方便和享受，因而很快得到普遍應(yīng)用。到了1980年，歐美市場(chǎng)基本上全都采用了這種鋁罐作為啤酒和碳酸飲料的包裝形式。隨著設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，鋁罐趨向輕量化，從最初的60克降到了1970年的21～15克左右葉 凱。鋁質(zhì)易拉罐輕量化的罐型分析與模具改進(jìn)[J]。模具工業(yè)，2012,38(1)；29-34
。
制造易拉罐的材料有兩種：一是鋁材，二是馬口鐵。本文計(jì)劃從鋁材出發(fā)，探討鋁材加工易拉罐的可行性。美國(guó)用于包裝容器的鋁金屬材料消費(fèi)1998年達(dá)到199.92萬(wàn)噸，比1997年增長(zhǎng)2.24％，成為第二大消費(fèi)市場(chǎng)，占全年鋁消費(fèi)量的21.6％。美國(guó)在易拉罐方面的材料始終采用鋁板材，每年約有40％鋁板材用于易拉罐方面的生產(chǎn)。歐洲14％左右鋁金屬材料用于飲料生產(chǎn)，由于鋁質(zhì)金屬的較高回收再使用價(jià)值，出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的考慮，現(xiàn)在已開(kāi)始大量轉(zhuǎn)向鋁材方面；由于鋼罐比鋁罐成本低約千分之七美元，在南美地區(qū)鋼罐主導(dǎo)飲料包裝市場(chǎng)，但隨著環(huán)保意識(shí)的提高，以及對(duì)資源的循環(huán)使用方面考慮，包裝材料鋁質(zhì)逐步替代鋼質(zhì)。巴西現(xiàn)在采用率為65％，今后兩年會(huì)增長(zhǎng)10％。在噴霧罐方面，過(guò)去一直是由鋼質(zhì)主導(dǎo)地位，而從2000年開(kāi)始已有許多產(chǎn)品轉(zhuǎn)向鋁材，增長(zhǎng)率達(dá)到2％～3％，隨著拉伸技術(shù)在生產(chǎn)噴霧罐方面的應(yīng)用，鋁質(zhì)類噴霧罐將逐步占領(lǐng)市場(chǎng)馬全倉(cāng)。國(guó)內(nèi)外3104深沖鋁板織構(gòu)對(duì)比分析［J］。輕合金加工技術(shù)，2008（36）:32-42
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由此可見(jiàn)，在易拉罐發(fā)展的歷史中，前量化、環(huán)保型一直是易拉罐制造業(yè)追求的目標(biāo)。那么，易拉罐的成型工藝的改進(jìn)，就成了促進(jìn)易拉罐輕量化、環(huán)?；闹匾襟E。本文討論食品用易拉罐，材料分三種：罐體采用3004合金鋁，罐蓋采用5182合金鋁，而拉環(huán)部分則采用5042合金鋁。
2罐體制造工藝和技術(shù)
罐體加工包含許多步驟，任何步驟都將直接影響到后期罐體的外形、質(zhì)地，所以罐體制造工藝中的每一步都馬虎不得。
2.1罐體制造工藝流程
CCB_1A型罐罐體的主要制造工藝流程如下:卷料輸送，卷料潤(rùn)滑，落料、拉伸，罐體成形，修邊，清洗/烘干，堆垛/卸，涂底色，烘干，彩印，底涂，烘干，內(nèi)噴涂，內(nèi)烘干，罐口潤(rùn)滑，縮頸，旋壓縮頸。在工藝流程中,落料、拉伸、罐體成形、修邊、縮徑、旋壓縮徑/翻邊工序需要模具加工,其中以落料、拉伸和罐體成形工序與模具最為關(guān)鍵,其工藝水平及模具設(shè)計(jì)制造水平的高低,直接影響易拉罐的質(zhì)量和生產(chǎn)成本本刊編輯部.從申城精品展示看蓬勃發(fā)展的模具工業(yè)———中國(guó)模具工業(yè)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)曹延安先生訪談錄[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2004(5):6-8
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2.2罐體制造工藝分析
參考韓向東的《鋁質(zhì)易拉罐成型工藝》，將罐體制造工藝分為了兩個(gè)部分：落料—拉伸復(fù)合工序，罐體成形工序。在落料—拉伸復(fù)合程序中，著重考慮以下幾點(diǎn)：檢驗(yàn)出合理的壁厚減薄比；突耳率對(duì)罐體拉伸的影響；選取合適的拉伸比。而在罐體成型工序中，變形區(qū)的材料受力情況、罐底的成形力則是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)得出相關(guān)數(shù)據(jù)。
(1)落料—拉伸復(fù)合工序。拉伸時(shí),坯料邊緣的材料沿著徑向形成杯,因此在塑性流動(dòng)區(qū)域的單元體為雙向受壓,單向受拉的三向應(yīng)力狀態(tài),如圖1葉 凱，林明山。鋁質(zhì)易拉罐技術(shù)研究與應(yīng)用[J]中國(guó)包裝工業(yè)，2002（3）：6-9
所示。
由于受凸模圓弧和拉伸凹模圓弧的作用,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知杯下部壁厚約減薄10%,而杯口增厚約25%。杯轉(zhuǎn)角處的圓弧大小對(duì)后續(xù)工序(即罐體成形)有較大的影響,若控制不好,易產(chǎn)生罐體斷裂。因此落料拉伸工序必須考慮以下因素:杯的直徑和凸模圓弧、拉伸凹模圓弧、拉伸比、凸凹模間隙、模具表面的摩擦性能、鋁材的機(jī)械性能、材料表面的潤(rùn)滑、拉伸速度、突耳率等。突耳的產(chǎn)生主要由兩個(gè)因素確定:一是金屬材料的性能,二是拉伸模具的設(shè)計(jì)。突耳出現(xiàn)在杯的最高點(diǎn)同時(shí)也是最薄點(diǎn),將會(huì)對(duì)罐體成形帶來(lái)影響,造成修邊不全,廢品率增高。同時(shí)，計(jì)算拉伸的等高比差值，從輕量化角度分析罐體最佳的長(zhǎng)寬比。因此需要做拉伸比對(duì)罐體強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中獲取所需的拉伸比；同時(shí)也要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到合理的坯料直徑以及杯直徑?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)分析,確定拉伸工序選擇的拉伸比m=36.55%,坯料直徑Dp=140.20±0.01mm,杯直徑Dc=88.95mm。
(2)罐體成形工序。
變薄拉伸工藝分析。典型的鋁罐拉伸、變薄拉伸過(guò)程如圖2葉 凱，林明山。鋁質(zhì)易拉罐技術(shù)研究與應(yīng)用[J]中國(guó)包裝工業(yè)，2002（3）：6-9
所示,
圖2
變薄拉伸過(guò)程中受力狀況如圖3葉 凱，林明山。鋁質(zhì)易拉罐技術(shù)研究與應(yīng)用[J]中國(guó)包裝工業(yè)，2002（3）：6-9
所示。
在拉伸過(guò)程中,集中在凹?？趦?nèi)錐形部分的金屬是力的變形區(qū),而傳力區(qū)則為凹模的筒壁及殼體底部。在變形區(qū),材料處于軸向方向的受拉、切向方向的受壓、徑向力的受壓的三向應(yīng)力狀態(tài),金屬在三向應(yīng)力的作用下,晶粒細(xì)化,強(qiáng)度增加,伴有加工硬化的產(chǎn)生。在傳力區(qū),各部分材料受力狀況是不相同的,其中位于凸模圓角區(qū)域的金屬受力情況最為惡劣,其在軸向、切向兩向受拉,徑向受壓,因而材料的減薄趨勢(shì)嚴(yán)重,金屬易從此處發(fā)生斷裂,從而導(dǎo)致拉伸失敗。比較變形區(qū)和傳力區(qū)金屬的應(yīng)力狀態(tài)可知:變薄拉伸工藝能否順利進(jìn)行主要取決于拉伸凸模圓角部位的金屬所受拉應(yīng)力的大小,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)引起斷裂,否則拉伸工藝可以順利進(jìn)行。因此,減小拉伸過(guò)程中的拉應(yīng)力成為保證拉伸順利進(jìn)行的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到變薄拉伸拉伸比的選擇為:再拉伸:25.7%,第1次變薄拉伸:20%～25%,第2次變薄拉伸:23%～28%,第3次變薄拉伸:35%～40%。在成形過(guò)程中,影響金屬內(nèi)部所受拉應(yīng)力大小的因素很多,其中凹模錐角α的取值直接關(guān)系到變形區(qū)金屬的流動(dòng)特性,進(jìn)而影響拉伸所需成形力的大小,所以,其數(shù)值合理與否對(duì)工藝的實(shí)施有著重要影響。當(dāng)α較小時(shí),變形區(qū)的范圍比較大,金屬易于流動(dòng),網(wǎng)格的畸變小。隨著α的增大,變形區(qū)的范圍減小,金屬的變形集中,流動(dòng)阻力增大,網(wǎng)格畸變嚴(yán)重。而且,隨著凹模錐角的增大,變形區(qū)材料的應(yīng)變相應(yīng)增加,這說(shuō)明凹模錐角較大時(shí),不僅金屬的變形范圍集中,而且變形量迅速上升,因而使得變形區(qū)屬的加工硬化現(xiàn)象加劇,導(dǎo)致金屬內(nèi)部的應(yīng)力上升,從而對(duì)拉伸產(chǎn)生不利影響。另一方面,在α過(guò)大或過(guò)小時(shí)都會(huì)引起拉伸力的增加,其原因在于:當(dāng)α過(guò)大時(shí),金屬流動(dòng)急劇,材料的加工硬化效應(yīng)顯著, 并且隨著錐角的增大,凹模錐面部分產(chǎn)生的阻礙金屬流動(dòng)的分力加大,因而所需拉伸力增加;當(dāng)α過(guò)小時(shí),雖然金屬流動(dòng)的轉(zhuǎn)折小,但由于變形區(qū)金屬與凹面的接觸錐面長(zhǎng),錐面上總摩擦阻力大,因此網(wǎng)格畸變雖小,總拉伸力卻增大。由此可見(jiàn),凹模錐角的合理確定應(yīng)同時(shí)考慮變形區(qū)材料的變形特點(diǎn)以及模具與工件間的摩擦狀況,凹模錐角合理范圍的確定對(duì)拉伸工藝有著直接的影響。工藝試驗(yàn)表明,對(duì)于CCB_1A型罐用鋁材3104H19,其凹模錐角合理取值在α=5°～8°為宜。底部成形工藝分析。罐底部成形發(fā)生在凸模行程的終點(diǎn),采用的是反向再拉伸工藝。圖4葉 凱，林明山。鋁質(zhì)易拉罐技術(shù)研究與應(yīng)用[J]中國(guó)包裝工業(yè)，2002（3）：6-9
為罐底成形受力狀況示意圖,
底部成形力主要取決于摩擦力的性質(zhì)以及壓邊力的大小。通常,材料的厚度和強(qiáng)度是一對(duì)矛盾,材料愈薄,強(qiáng)度愈低,因此輕量化技術(shù)要求減少罐底直徑及設(shè)計(jì)特殊的罐底形狀。工藝試驗(yàn)表明,罐底溝外壁夾角α1若大于40°,將大大減小罐底耐壓[5]?？紤]到金屬的成形性,凸模圓弧R不能小于3倍的料厚。但R太大,將會(huì)減小強(qiáng)度。球面和罐底溝內(nèi)壁圓弧R1至少為3倍料厚,通常R1取4～5倍料厚。減小罐底溝內(nèi)壁夾角α2,將增加強(qiáng)度,生產(chǎn)中大多數(shù)采用10°以下。罐底部有兩處失效點(diǎn):一為底部球面;二為連接球面和側(cè)壁的罐底部圓弧R。罐底球面的強(qiáng)度取決于以下幾個(gè)因素:材料的彈性模量、底部直徑、材料的強(qiáng)度、球面半徑以及在底部成形時(shí)金屬的變薄程度。罐底球面半徑常用公式R球=d1/0.77確定,實(shí)際取R球=45.72mm[6]。
3模具設(shè)計(jì)與制造
在易拉罐的制作過(guò)程中，模具的設(shè)計(jì)與制造一個(gè)及其重要的環(huán)節(jié)。模具設(shè)計(jì)成功，是成功制造易拉罐的先決條件。這里介紹了模具的三個(gè)板塊：罐體拉伸模、變薄拉伸膜以及罐底成型模。
3.1罐體拉伸模
罐體拉伸過(guò)程實(shí)際上是筒形件的拉伸過(guò)程,拉伸過(guò)程中,其材料的凸緣部分在壓應(yīng)力作用下易失穩(wěn),導(dǎo)致起皺,因此必須考慮設(shè)置防止起皺的壓邊裝置。當(dāng)材料通過(guò)凹模時(shí),凹模圓角部分是一個(gè)過(guò)渡區(qū),其變形較復(fù)雜,除了徑向拉伸與切向壓縮外,還受彎曲作用,因此凹模圓角選擇尤為重要。材料通過(guò)凹模圓角后,處于拉伸狀態(tài),由于拉伸力來(lái)自凸模壓力,是經(jīng)過(guò)凸模圓角處傳遞的,凸模圓角處的材料變薄最嚴(yán)重,此處成為最易破裂的危險(xiǎn)斷面。
落料—拉伸組合模結(jié)構(gòu)如圖5鋁質(zhì)易拉罐成形工藝及模具————韓向東1,李志見(jiàn)2?！赌＞吖I(yè)》2004.No.4總278
所示。
3.2變薄拉伸模
易拉罐罐體成形實(shí)際上是將再拉伸和3道變薄拉伸組合在一起的組合工序?，F(xiàn)將變薄拉伸模的設(shè)計(jì)介紹如下:
(1)模具材料。凸模:基體材料為合金工具鋼,凸模材料為M2,熱處理硬度60～62HRC,鍍TiN。凹模(變薄拉伸環(huán)):基體材料為合金工具鋼,?？诓牧蠟橛操|(zhì)合金(牌號(hào)為VALENITEVCID_H.L.D或KE_84KENNAMETAL)[7]。
(2)變形量。變薄拉伸比δ的計(jì)算公式為:δn=(tn-tn-1)/tn×100%,其中tn、tn-1分別為n次及n-1次變薄拉伸后的零件側(cè)面壁厚,計(jì)算得:δ1=(0.285-0.225)/ 0.285×100%=21.05%;δ2=(0.225-0.170)/ 0.225×100%=24.44%;δ3=(0.170-0.106)/0.170×100%=37.65%[8]。
制罐工廠常常根據(jù)給定的材料厚度、罐體厚、薄壁要求、拉伸環(huán)和凸模尺寸、拉伸機(jī)精度等條件,編制拉伸環(huán)和凸模的匹配表供技術(shù)人員、模具維修人員和操作人員選配凸模和拉環(huán)。
(3)模具的工作部分參數(shù)。凸模:凸模圓弧R1.016±0.025mm,再拉伸凸模圓弧R2.286mm,罐底溝外側(cè)壁圓弧R10.478±0.013mm。變薄拉伸環(huán):凹模錐角α=5°,工作帶寬度h=0.38+0.25mm。
3.3罐底成形模
罐底成形模結(jié)構(gòu)如圖6鋁質(zhì)易拉罐成形工藝及模具————韓向東1,李志見(jiàn)2。《模具工業(yè)》2004.No.4總278
所示。
罐底凸模材料選用合金工具鋼Cr12MoV,熱處理硬度60～64HRC,其輪廓形狀應(yīng)與罐型設(shè)計(jì)一致。底壓邊模材料選用合金工具鋼Cr5MoV,熱處理硬度58～60HRC,其輪廓形狀應(yīng)與凸模相匹配[9]。
4結(jié)束語(yǔ)
(1)易拉罐拉伸工序考慮的重要因素有:拉伸比、凸、凹模圓弧半徑、凸、凹模間隙、鋁材機(jī)械性能、潤(rùn)滑、作業(yè)參數(shù)。沖杯、變薄拉伸/修邊、縮口/翻邊這三道精密成形工序決定了鋁易拉罐國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9106-2001規(guī)定的所有結(jié)構(gòu)尺寸及軸向承壓力及耐壓力這兩項(xiàng)重要物理指標(biāo)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9106-2001,包裝容器鋁易開(kāi)蓋兩片罐[S]
，其成形質(zhì)量也關(guān)系到下游飲料啤酒廠家罐裝時(shí)的封口質(zhì)量。
(2)變薄拉伸工序中凹模錐角α的大小關(guān)系到變形區(qū)金屬的流動(dòng)性質(zhì)、應(yīng)力大小以及模具的受力情況,合理的取值范圍為α=5°～8°。成形工藝也決定了易拉罐罐型及罐體規(guī)格的變化，為了滿足不同內(nèi)容物、不同消費(fèi)場(chǎng)合的需求，市場(chǎng)上鋁易拉罐有多種罐型，罐體規(guī)格常見(jiàn)的有330mL，350mL,500mL，鋁易拉罐罐型及罐體規(guī)格的變化實(shí)際就是成形模具的不斷變化。
(3)合適的罐型設(shè)計(jì)是輕量化技術(shù)能否實(shí)施的關(guān)鍵。研究表明,對(duì)于CCB_1A型罐,設(shè)計(jì)參數(shù)選擇:底溝外壁夾角α1=32°,罐底溝內(nèi)壁夾角α2=5°,凸模圓弧R=1.016mm,球面和罐底溝內(nèi)壁圓弧R1=1.524mm,罐底球面半徑R球=45.72mm,可以大大增加罐體強(qiáng)度。外形既定，還可從鋁合金材料入手，使得罐體更加傾向于輕量化。輕量化是鋁易拉罐廠家降低生產(chǎn)成本的主要手段，輕量化有兩條重要技術(shù)途徑，即罐用鋁板的減薄和罐口尺寸變小，國(guó)內(nèi)易拉罐廠家使用的鋁板厚度已從0.35mm減至0.275mm，罐口尺寸也從206規(guī)格縮為202規(guī)格，成形工藝及模具技術(shù)的進(jìn)步水平?jīng)Q定了鋁板厚度的減薄和罐口尺寸變小程度，易拉罐成形工藝的進(jìn)步引領(lǐng)了易拉罐生產(chǎn)成本的降低。 參考文獻(xiàn)
[1] 葉 凱。鋁質(zhì)易拉罐輕量化的罐型分析與模具改進(jìn)[J]。模具工業(yè)，2012,38(1)；29-34
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[3]本刊編輯部.從申城精品展示看蓬勃發(fā)展的模具工業(yè)———中國(guó)模具工業(yè)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)曹延安先生訪談錄[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2004(5):6-8
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[5]王孝培。實(shí)用沖壓技術(shù)手冊(cè)[M]。北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2012
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[7] 鋁質(zhì)易拉罐成形工藝及模具————韓向東1,李志見(jiàn)2?！赌＞吖I(yè)》2004.No.4總278
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[9] CHEN Kang-hua，LIU Hong-wei，ZHANG Zhou,et al. The improvement of constituent dissolution and mechanical properties of 7055 aluminum alloy by stepped heat-treatments[T].Journal of Material Process Technolo-gy,2003,142(1):190-196.