铝质易拉罐成形工艺与模具设计模板.doc

铝质易拉罐成形工艺及模具
摘要：对罐体拉伸工序、变薄拉伸工序和底部成形工序进行了分析，并对和这些工序相关模具在设计和制造中存在若干关键性技术进行了研究。
关键词：易拉罐；成形工艺；模具；变薄拉伸　
1 引 言
铝质易拉罐在饮料包装容器中占有相当大比重。易拉罐制造融合了冶金、化工、机械、电子、食品等很多行业优异技术，成为铝深加工一个缩影。伴随饮料包装市场竞争不停加剧，对众多制罐企业而言，怎样在易拉罐生产中最大程度地降低板料厚度，减轻单罐质量，提升材料利用率，降低生产成本，是企业追求关键目标。为此，以轻量化(light-weighting)为特征技术改造和技术创新正在悄然兴起。易拉罐轻量化包含到很多关键性技术，其中罐体成形工艺和模具技术是十分关键方面。
2 罐体制造工艺和技术
2.1罐体制造工艺步骤
CCB-1A型罐罐体关键制造工艺步骤以下：卷料输送→卷料润滑→落料、拉伸→罐体成形→修边→清洗/烘干→堆垛/卸→涂底色→烘干→彩印→底涂→烘干→内喷涂→内烘干→罐口润滑→缩颈→旋压缩颈。
在工艺步骤中，落料、拉伸、罐体成形、修边、缩径、旋压缩径/翻边工序需要模具加工，其中以落料、拉伸和罐体成形工序和模具最为关键，其工艺水平及模具设计制造水平高低，直接影响易拉罐质量和生产成本。
2.2罐体制造工艺分析
(1)落料一拉伸复合工序。拉伸时坯料边缘材料沿着径向形成杯，所以在塑性流动区域单元体为双向受压，单向受拉三向应力状态，图1所表示。因为受凸模圆弧和拉伸凹模圆弧作用，杯下部壁厚约减薄10%，而杯口增厚约25%。杯转角处圆弧大小对后续工序(罐体成形)有较大影响，若控制不好，易产生断罐。所以落料拉伸工序必需考虑以下原因：杯直径和拉伸比、凸模圆弧、拉伸凹模圆弧、凸、凹模间隙、铝材机械性能、模具表面摩擦性能、材料表面润滑、拉伸速度、突耳率等。突耳产生关键由2个原因确定：一是金属材料性能，二是拉伸模具设计。突耳出现在杯最高点同时也是最薄点，将会对罐体成形带来影响，造成修边不全，废品率增高。

基于以上分析，确定拉伸工序选择拉伸比m=36.55%，坯料直径Dp=140.20±0.0lmm，杯直径Dc=88.95mm。
(2)罐体成形工序。
变薄拉伸工艺分析。经典铝罐拉伸、变薄拉伸过程图2所表示，变薄拉伸过程中受力情况图3所表示。 在拉伸过程中，集中在凹模口内锥形部分金属是变形区，而传力区则为经过凹模后筒壁及壳体底部。在变形区，材料处于轴向受拉、切向受压、径向受压三向应力状态，金属在三向应力作用下，晶粒细化，强度增加，伴有加工硬化产生。在传力区，各部分材料受力情况是不相同，其中在凸模圆角区域金属受力情况最为恶劣，其在轴向、切向两向受拉，径向受压，所以材料减薄趋势严重，金属易以后处发生断裂，从而造成拉伸失败。比较变形区和传力区金属应力状态可知：变薄拉伸工艺能否顺利进行关键取决于拉伸凸模圆角部位金属所受拉应力大小，当拉应力超出材料强度极限时就会引发断裂，不然拉伸工艺能够顺利进行。所以，减小拉伸过程中拉应力成为确保拉伸顺利进行关键。

变薄拉伸拉伸比选择为：再拉伸：25.7%，第1次变薄拉伸：20%~25%，第2次变薄拉伸：23%~28%，第3次变薄拉伸：35%~40%。
在成形过程中，影响金属内部所受拉应力大小原因很多，其中凹模锥角。取值直接关系到变形区金属流动特征，进而影响拉伸所需成形力大小，所以，其数值合理是否对工艺实施有着关键影响。当α较小时，变形区范围比较大，金属易于流动，网格畸变小伴随α增大，变形区范围减小，金属变形集中，流动阻力增大，网格歧变严重。而且，伴随凹模锥角增大，变形区材料应变对应增加，这说明凹模锥角较大时，不仅金属变形范围集中，而且变形量快速上升，所以使得变形区金属加工硬化现象加剧，造成金属内部应力上升，从而对拉伸产生不利影响。其次，在α过于大或过小时全部会引发拉伸力增加，其原因在于：当α过大时，金属流动急剧，材料加工硬化效应显著，而且伴随锥角增大，凹模锥面部分产生阻碍金属流动分力加大，所以所需拉伸力增加；当。过小时，即使金属流动转折小，但因为变形区金属和凹面接触锥面长，锥面上总摩擦阻力大，所以网格畸变虽小，总拉伸力却增大。
由此可见，凹模锥角合理确定应同时考虑变形区材料变形特点和模具和工件间摩擦情况，凹模锥角合理范围确实定对拉伸工艺有着直接影响。工艺试验表明，对于CCB-1A型罐用铝材3104H19，其凹模锥角合理取值在α=5°-8°为宜。
底部成形工艺分析。罐底部成形发生在凸模行程终点，采取是反向再拉伸工艺。图4为罐底成形受力情况示意图，底部成形力关键取决于摩擦力性质和压边力大小。通常，材料厚度和强度是一对矛盾，材料愈薄，强度愈低，所以轻量化技术要求降低罐底直径及设计特殊罐底形状。工艺试验表明，罐底沟外壁夹角若α1大于40°，将大大减小罐底耐压。考虑到金属成形性，凸模圆弧R不能小于3倍料厚。但R太大，将会减小强度。球面和罐底沟内壁圆弧R1，最少为3倍料厚，通常R1取4~5倍料厚。减小罐底沟内壁夹角α2，将增加强度，生产中大多数采取10°以下。

罐底部有两处失效点：一为底部球面；二为连接球面和侧壁罐底部圆弧R。罐底球面强度取决于以下多个原因：材料弹性模量、底部直径、材料强度、球面半径和在底部成形时金属变薄程度。罐底球面半径常见公式R球=d1/0.77确定，实际取R球=45.72mm
3模具设计和制造
3.1罐体拉伸模
罐体拉伸过程实际上是筒形件拉伸过程，拉伸过程中，其材料凸缘部分在压应力作用下易失稳，造成起皱，所以必需考虑设置预防起皱压边装置。当材料经过凹模时，凹模圆角部分是一个过渡区，其变形较复杂，除了径向拉伸和切向压缩外，还受弯曲作用，所以凹模圆角选择尤为关键。材料经过凹模圆角后，处于拉伸状态，因为拉伸力来自凸模压力，是经过凸模圆角处传输，凸模圆角处材料变薄最严重，此处成为最易破裂危险断面。
落料一拉伸组合模结构图5所表示。

(1)模具材料：凸、凹模均选择镶硬质合金材料。
(2)变形量：在易拉罐行业内，通常采取拉伸比δ表示变形量，δn=(dn-1-dn)/dn-1×100%，按此公式，计算以下：
首次拉伸取δ1=(d0-d1)/d0×100%=(140.-88.951)/140.×100%=36.6%。
再拉伸取δ2=(d1-d2)/d1×100%=(88.95166.015)/88.951×100%=25.8%。 通常要求2次总拉伸比δ≤64%，δ1≥δ2≥……≥δn，δ1≤40%。
(3)压边装置：采取波形压边圈，0.2-0.3MPa压缩空气作为动力源。
(4)拉伸模工作部参数：
圆角半径：拉伸凹模圆角半径rA取3.556mm，再拉伸凹模圆角半径rA取1.78mm。拉伸凸模圆角半径rB取2.921mm，再拉伸凸模圆角半径取rB2.286mm。
间隙：
拉伸模凸、凹模单边间隙Z/2大，则摩擦小，能降低拉伸力，但间隙大，精度不易控制；拉伸模凸、凹模单边间隙Z/2小，则摩擦大，增加拉伸力。
单边间隙Z/2可按以下公式计算：
Z/2=tmax+Kt
式中 tmax--最大料厚，取0.285+0.005mm
t--公称料厚，取0.285mm
K--系数，当t<0.4mm时，取0.08
则Z/2=0.290+0.08×0.285=0.313mm。
3.2变薄拉伸模 易拉罐罐体成形实际上是将再拉伸和3道变薄拉伸组合在一起组合工序。现将变薄拉伸模设计介绍以下：
(1)模具材料。凸模：基体材料为合金工具钢，凸模材料为M2，热处理硬度60~62HRC，镀TiN。凹模(变薄拉伸环)：基体材料为合金工具钢，模口材料为硬质合金(牌号为VALENITEVCID-H.L.D或KE-84KENNAMETAL)。
2)变形量。变薄拉伸比方计算公式为：δ=(tn-tn-1)/tn×100%，其中tn、tn-1分别为n次及n-1次变薄拉伸后零件侧面壁厚，计算得：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%。
制罐工厂常常依据给定材料厚度、罐体厚、薄壁要求、拉伸环和凸模尺寸、拉伸机精度等条件，编制拉伸环和凸模匹配表供技术人员、模具维修人员和操作人员选配凸模和拉环。
(3)模具工作部分参数。凸模：凸模圆弧R1.016±0.025mm，再拉伸凸模圆弧R2.286mm，罐底沟外侧壁圆弧R10.478±0.013mm。变薄拉伸环：凹模锥角α=5°，工作带宽度h=0.38+0.25mm。
3.3罐底成形模
罐底成形模结构图6所表示。

罐底凸模材料选择合金工具钢Crl2MoV，热处理硬度60~64HRC，其轮廓形状应和罐型设计一致。底压边模材料选择合金工具钢Cr5MoV，热处理硬度58~60HRC，其轮廓形状应和凸模相匹配。
4 结束语
(1)拉伸工序考虑关键原因有：拉伸比、凸、凹模圆弧半径、凸、凹模间隙、铝材机械性能、润滑、作业参数。
(2)变薄拉伸工序中凹模锥角。大小关系到变形区金属流动性质、应力大小和模具受力情况，合理取值范围为α=5°-8°。
(3)适宜罐型设计是轻量化技术能否实施关键。研究表明，对于CCB-1A型罐，设计参数选择：底沟外壁夹角α1=32°，罐底沟内壁夹角α2=5°，凸模圆弧R=1.016mm，球面和罐底沟内壁圆弧R1=1.524mm，罐底球面半径R球=45.72mm，能够大大增加罐体强度