鋁合金易拉罐加工成形工藝及模具設(shè)計

摘要：對罐體拉伸工序、變薄拉伸工序和底部成形工序進(jìn)行了闡發(fā)，并對與這些工序相干 的模具在設(shè)計和制造中存在的若干環(huán)節(jié)性手藝 進(jìn)行了研究。

環(huán)節(jié)詞：易拉罐；成形工藝；模具；變薄拉伸

1引言

鋁質(zhì)易拉罐在飲料包裝容器中據(jù)有 相昔時 夜 的比重。易拉罐的制造融會 了冶金、化工、機(jī)械、電子、食物 等諸多行業(yè)的先輩 手藝 ，成為鋁深加工的一個縮影。跟著 飲料包裝市場競爭的絡(luò)續(xù)加重 ，對浩瀚 制罐企業(yè)而言，如安在 易拉罐出產(chǎn)中最年夜 限度地削減 板料厚度，減輕單罐質(zhì)量，提高材料行使 率，下降 出產(chǎn)本錢 ，是企業(yè)尋求 的主要 目的 。為此，以輕量化(light-weighting)為特征的手藝 革新 和手藝 立異 正在悄然鼓起 。易拉罐輕量化觸及 到許多環(huán)節(jié)性手藝 ，此中罐體成形工藝和模具手藝 是十分主要 的方面。

2罐體系體例 造工藝和手藝

2．1罐體系體例 造工藝流程

CCB-1A型罐罐體的主要制造工藝流程以下 ：卷料輸送→卷料潤滑→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→罐口潤滑→縮頸→旋緊縮 頸。

在工藝流程中，落料、拉伸、罐體成形、修邊、縮徑、旋緊縮 徑／翻邊工序需要模具加工，此中以落料、拉伸和罐體成形工序與模具最為環(huán)節(jié)，其工藝水平及模具設(shè)計制造水平的凹凸 ，直接影響易拉罐的質(zhì)量和出產(chǎn)本錢 。

2．2罐體系體例 造工藝闡發(fā)

(1)落料一拉伸復(fù)合工序。拉伸時，坯料邊沿 的材料沿著徑向構(gòu)成 杯，是以 在塑性活動 區(qū)域的單位 體為雙向受壓，單向受拉的三向應(yīng)力狀態(tài)，如圖1所示。因為 受凸模圓弧和拉伸凹模圓弧的感化 ，杯下部壁厚約減薄10％，而杯口增厚約25％。杯轉(zhuǎn)角處的圓弧年夜 小對后續(xù)工序(罐體成形)有較年夜 的影響，若節(jié)制 欠好 ，易發(fā)生 斷罐。是以 落料拉伸工序必需 斟酌 以下身分 ：杯的直徑和拉伸比、凸模圓弧、拉伸凹模圓弧、凸、凹模間隙、鋁材的機(jī)械機(jī)能 、模具概況的磨擦 機(jī)能 、材料概況的潤滑、拉伸速度、突耳率等。突耳的發(fā)生 主要由2個身分 肯定 ：一是金屬材料的機(jī)能 ，二是拉伸模具的設(shè)計。突耳泛起 在杯的最高點同時也是最薄點，將會對罐體成形帶來影響，造成修邊不全，廢品率增高。

基于以上闡發(fā)，肯定 拉伸工序選擇的拉伸比m=36．55％，坯料直徑Dp=140．20±0．0lmm，杯直徑Dc=88．95mm。

(2)罐體成形工序。

變薄拉伸工藝闡發(fā)。典型的鋁罐拉伸、變薄拉伸進(jìn)程 如圖2所示，變薄拉伸進(jìn)程 中受力狀態(tài) 如圖3所示。在拉伸進(jìn)程 中，集中在凹?？趦?nèi)錐形部份 的金屬是變形區(qū)，而傳力區(qū)則為經(jīng)由過程 凹模后的筒壁及殼體底部。在變形區(qū)，材料處于軸向受拉、切向受壓、徑向受壓的三向應(yīng)力狀態(tài)，金屬在三向應(yīng)力的感化 下，晶粒細(xì)化，強(qiáng)度增添 ，伴隨 加工硬化的發(fā)生 。在傳力區(qū)，各部份 材料受力狀態(tài) 是不不異的，此中位于凸模圓角區(qū)域的金屬受力情形 最為卑劣 ，其在軸向、切向兩向受拉，徑向受壓，因此 材料的減薄趨向 嚴(yán)重，金屬易從此處發(fā)生斷裂，從而致使 拉伸掉 敗。對照 變形區(qū)和傳力區(qū)金屬的應(yīng)力狀態(tài)可知：變薄拉伸工藝可否 順?biāo)?進(jìn)行主要取決于拉伸凸模圓角部位的金屬所受拉應(yīng)力的年夜 小，當(dāng)拉應(yīng)力跨越 材料強(qiáng)度極限時就會引發(fā) 斷裂，不然 拉伸工藝可以順?biāo)?進(jìn)行。是以 ，減小拉伸進(jìn)程 中的拉應(yīng)力成為包管 拉伸順?biāo)?進(jìn)行的環(huán)節(jié)。

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％。

在成形進(jìn)程 中，影響金屬內(nèi)部所受拉應(yīng)力年夜 小的身分 許多 ，此中凹模錐角。的取值直接關(guān)系到變形區(qū)金屬的活動 特征 ，進(jìn)而影響拉伸所需成形力的年夜 小，所以，其數(shù)值公道 與否對工藝的實行 有側(cè)重 要影響。當(dāng)α較小時，變形區(qū)的局限 對照 年夜 ，金屬易于活動 ，網(wǎng)格的畸變小。跟著 α的增年夜 ，變形區(qū)的局限 減小，金屬的變形集中，活動 阻力增年夜 ，網(wǎng)格歧變嚴(yán)重。而且，跟著 凹模錐角的增年夜 ，變形區(qū)材料的應(yīng)變響應(yīng) 增添 ，這申明 凹模錐角較年夜 時，不但 金屬的變形局限 集中，而且變形量敏捷 上升，因此 使得變形區(qū)金屬的加工硬化現(xiàn)象加重 ，致使 金屬內(nèi)部的應(yīng)力上升，從而對拉伸發(fā)生 晦氣 影響。另外一 方面，在α過于年夜 或太小 時城市引發(fā) 拉伸力的增添 ，其緣由 在于：當(dāng)α過年夜 時，金屬活動 急劇，材料的加工硬化效應(yīng)顯著，而且 跟著 錐角的增年夜 ，凹模錐臉部 份 發(fā)生 的阻礙金屬活動 的分力加年夜 ，因此 所需拉伸力增添 ；當(dāng)。太小 時，固然 金屬活動 的轉(zhuǎn)折小，但因為 變形區(qū)金屬與凹面的接觸錐面長，錐面上總磨擦 阻力年夜 ，是以 網(wǎng)格畸變雖小，總拉伸力卻增年夜 。

因而可知 ，凹模錐角的公道 肯定 應(yīng)同時斟酌 變形區(qū)材料的變形特點和 模具與工件間的磨擦 狀態(tài) ，凹模錐角公道 局限 切實其實 定對拉伸工藝有著直接的影響。工藝實驗 講明，對 CCB-1A型罐用鋁材3104H19，其凹模錐角公道 取值在α=5°~8°為好 。

底部成形工藝闡發(fā)。罐底部成形發(fā)生在凸模行程的終點，采取 的是反向再拉伸工藝。圖4為罐底成形受力狀態(tài) 示意圖，底部成形力主要取決于磨擦 力的性質(zhì)和 壓邊力的年夜 小。凡是，材料的厚度和強(qiáng)度是一對矛盾，材料愈薄，強(qiáng)度愈低，是以 輕量化手藝 要求削減 罐底直徑及設(shè)計特別的罐底外形 。工藝實驗 講明，罐底溝外壁夾角若α1年夜 于40°，將年夜 年夜 減小罐底耐壓。斟酌 到金屬的成形性，凸模圓弧R不克不及 小于3倍的料厚。但R太年夜 ，將會減小強(qiáng)度。球面和罐底溝內(nèi)壁圓弧R1，最少 為3倍料厚，凡是R1取4~5倍料厚。減小罐底溝內(nèi)壁夾角α2，將增增強(qiáng) 度，出產(chǎn)中年夜 多半 采取 10°以下。

罐底部有兩處掉 效點：一為底部球面；二為毗連球面和側(cè)壁的罐底部圓弧R。罐底球面的強(qiáng)度取決于以下幾個身分 ：材料的彈性模量、底部直徑、材料的強(qiáng)度、球面半徑和 在底部成形時金屬的變薄水平 。罐底球面半徑經(jīng)常使用 公式R球=d1／0．77肯定 ，現(xiàn)實 取R球=45．72mm

3模具設(shè)計與制造

3．1罐體拉伸模

罐體拉伸進(jìn)程 現(xiàn)實 上是筒形件的拉伸進(jìn)程 ，拉伸進(jìn)程 中，其材料的凸緣部份 在壓應(yīng)力感化 下易掉 穩(wěn)，致使 起皺，是以 必需 斟酌 設(shè)置避免 起皺的壓邊裝配 。當(dāng)材料經(jīng)由過程 凹模時，凹模圓角部份 是一個過渡區(qū)，其變形較復(fù)雜，除 徑向拉伸與切向緊縮 外，還受曲折 感化 ，是以 凹模圓角選擇尤其 主要 。材料經(jīng)由過程 凹模圓角后，處于拉伸狀態(tài)，因為 拉伸力來自凸模壓力，是顛末凸模圓角處傳遞的，凸模圓角處的材料變薄最嚴(yán)重，此處成為最易破碎的危險斷面。

落料一拉伸組合模構(gòu)造 如圖5所示。

(1)模具材料：凸、凹模均選擇鑲硬質(zhì)合金的材料。

(2)變形量：在易拉罐行業(yè)內(nèi)，一般采取 拉伸比δ暗示變形量，δn=(dn-1—dn)／dn-1×100％，按此公式，較量爭論 以下 ：

初次 拉伸取δ1=(d0—d1)／d0×100％=(140．2001—88．951)／140．2004×100％=36．6％。

再拉伸取δ2=(d1—d2)／d1×100％=(88．951—66．015)／88．951×100％=25．8％。

一般要求2次總拉伸比δ≤64％，δ1≥δ2≥……≥δn，δ1≤40％。

(3)壓邊裝配 ：采取 波形壓邊圈，0．2—0．3MPa緊縮 空氣作為動力源。

(4)拉伸模工作部參數(shù)：

圓角半徑：

拉伸凹模圓角半徑rA取3．556mm，再拉伸凹模圓角半徑rA取1．78mm。

拉伸凸模圓角半徑rB取2．921mm，再拉伸凸模圓角半徑取rB2．286mm。

間隙：

拉伸模凸、凹模單邊間隙Z／2年夜 ，則磨擦 小，能削減 拉伸力，但間隙年夜 ，精度不容易 節(jié)制 ；拉伸模凸、凹模單邊間隙Z／2小，則磨擦 年夜 ，增添 拉伸力。

單邊間隙Z／2可按以下公式較量爭論 ：

Z／2=tmax+Kt

式中tmax——最年夜 料厚，取0．285+0．005mm

t——公稱料厚，取0．285mm

K——系數(shù)，當(dāng)t

則Z／2=0．290+0．08×0．285=0．313mm。

3．2變薄拉伸模

易拉罐罐體成形現(xiàn)實 上是將再拉伸和3道變薄拉伸組合在一路 的組合工序。現(xiàn)將變薄拉伸模的設(shè)計介紹以下 ：

(1)模具材料。凸模：基體材料為合金對象 鋼，凸模材料為M2，熱處置懲罰 硬度60~62HRC，鍍TiN。凹模(變薄拉伸環(huán))：基體材料為合金對象 鋼，?？诓牧蠟橛操|(zhì)合金(商標(biāo) 為VALENITEVCID-H．L．D或KE-84KENNAMETAL)。

　(2)變形量。變薄拉伸歧 的較量爭論 公式為：δ=(tn-tn-1)/tn×100％，此中tn、tn-1離別 為n次及n—1次變薄拉伸后的零件側(cè)面壁厚，較量爭論 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％。

制罐工場 經(jīng)常 憑據(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)精度等前提 ，編制拉伸環(huán)和凸模的匹配表供手藝 人員、模具維修人員和操作人員選配凸模和拉環(huán)。

(3)模具的工作部份 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

罐底成形模構(gòu)造 如圖6所示。

罐底凸模材料選用合金對象 鋼Crl2MoV，熱處置懲罰 硬度60~64HRC，其輪廓外形 應(yīng)與罐型設(shè)計一致。底壓邊模材料選用合金對象 鋼Cr5MoV，熱處置懲罰 硬度58~60HRC，其輪廓外形 應(yīng)與凸模相匹配。

4竣事 語

(1)拉伸工序斟酌 的主要 身分 有：拉伸比、凸、凹模圓弧半徑、凸、凹模間隙、鋁材機(jī)械機(jī)能 、潤滑、功課 參數(shù)。

(2)變薄拉伸工序中凹模錐角。的年夜 小關(guān)系到變形區(qū)金屬的活動 性質(zhì)、應(yīng)力年夜 小和 模具的受力情形 ，公道 的取值局限 為α=5°—8°。

(3)適合 的罐型設(shè)計是輕量化手藝 可否 實行 的環(huán)節(jié)。研究講明，對 CCB-1A型罐，設(shè)計參數(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，可以年夜 年夜 增添 罐體強(qiáng)度。

(1)拉伸工序斟酌 的主要 身分 有：拉伸比、凸、凹模圓弧半徑、凸、凹模間隙、鋁材機(jī)械機(jī)能 、潤滑、功課 參數(shù)。 謎底 增補

2)變薄拉伸工序中凹模錐角。的年夜 小關(guān)系到變形區(qū)金屬的活動 性質(zhì)、應(yīng)力年夜 小和 模具的受力情形 ，公道 的取值局限 為α=5°-8°。 (3)適合 的罐型設(shè)計是輕量化手藝 可否 實行 的環(huán)節(jié)。研究講明，對 CCB-1A型罐，設(shè)計參數(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，可以年夜 年夜 增添 罐體強(qiáng)度。