铝合金易拉罐加工成形工艺及模具设计

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阐发，并对与这些工序相干 的模具在设计和制造中存在的若干环节性手艺 进行了研究。

环节词：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据有 相昔时 夜 的比重。易拉罐的制造融会 了冶金、化工、机械、电子、食物 等诸多行业的先辈 手艺 ，成为铝深加工的一个缩影。跟着 饮料包装市场竞争的络续加重 ，对浩瀚 制罐企业而言，如安在 易拉罐出产中最年夜 限度地削减 板料厚度，减轻单罐质量，提高材料行使 率，下降 出产本钱 ，是企业寻求 的主要 目的 。为此，以轻量化(light-weighting)为特征的手艺 革新 和手艺 立异 正在悄然鼓起 。易拉罐轻量化触及 到许多环节性手艺 ，此中罐体成形工艺和模具手艺 是十分主要 的方面。

2罐体系体例 造工艺和手艺

2．1罐体系体例 造工艺流程

CCB-1A型罐罐体的主要制造工艺流程以下 ：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→旋紧缩 颈。

在工艺流程中，落料、拉伸、罐体成形、修边、缩径、旋紧缩 径／翻边工序需要模具加工，此中以落料、拉伸和罐体成形工序与模具最为环节，其工艺水平及模具设计制造水平的凹凸 ，直接影响易拉罐的质量和出产本钱 。

2．2罐体系体例 造工艺阐发

(1)落料一拉伸复合工序。拉伸时，坯料边沿 的材料沿着径向构成 杯，是以 在塑性活动 区域的单位 体为双向受压，单向受拉的三向应力状态，如图1所示。因为 受凸模圆弧和拉伸凹模圆弧的感化 ，杯下部壁厚约减薄10％，而杯口增厚约25％。杯转角处的圆弧年夜 小对后续工序(罐体成形)有较年夜 的影响，若节制 欠好 ，易发生 断罐。是以 落料拉伸工序必需 斟酌 以下身分 ：杯的直径和拉伸比、凸模圆弧、拉伸凹模圆弧、凸、凹模间隙、铝材的机械机能 、模具概况的磨擦 机能 、材料概况的润滑、拉伸速度、突耳率等。突耳的发生 主要由2个身分 肯定 ：一是金属材料的机能 ，二是拉伸模具的设计。突耳泛起 在杯的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。

基于以上阐发，肯定 拉伸工序选择的拉伸比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。

变薄拉伸工艺阐发。典型的铝罐拉伸、变薄拉伸进程 如图2所示，变薄拉伸进程 中受力状态 如图3所示。在拉伸进程 中，集中在凹模口内锥形部份 的金属是变形区，而传力区则为经由过程 凹模后的筒壁及壳体底部。在变形区，材料处于轴向受拉、切向受压、径向受压的三向应力状态，金属在三向应力的感化 下，晶粒细化，强度增添 ，伴随 加工硬化的发生 。在传力区，各部份 材料受力状态 是不不异的，此中位于凸模圆角区域的金属受力情形 最为卑劣 ，其在轴向、切向两向受拉，径向受压，因此 材料的减薄趋向 严重，金属易从此处发生断裂，从而致使 拉伸掉 败。对照 变形区和传力区金属的应力状态可知：变薄拉伸工艺可否 顺遂 进行主要取决于拉伸凸模圆角部位的金属所受拉应力的年夜 小，当拉应力跨越 材料强度极限时就会引发 断裂，不然 拉伸工艺可以顺遂 进行。是以 ，减小拉伸进程 中的拉应力成为包管 拉伸顺遂 进行的环节。

变薄拉伸拉伸比的选择为：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％。

在成形进程 中，影响金属内部所受拉应力年夜 小的身分 许多 ，此中凹模锥角。的取值直接关系到变形区金属的活动 特征 ，进而影响拉伸所需成形力的年夜 小，所以，其数值公道 与否对工艺的实行 有侧重 要影响。当α较小时，变形区的局限 对照 年夜 ，金属易于活动 ，网格的畸变小。跟着 α的增年夜 ，变形区的局限 减小，金属的变形集中，活动 阻力增年夜 ，网格歧变严重。而且，跟着 凹模锥角的增年夜 ，变形区材料的应变响应 增添 ，这申明 凹模锥角较年夜 时，不但 金属的变形局限 集中，而且变形量敏捷 上升，因此 使得变形区金属的加工硬化现象加重 ，致使 金属内部的应力上升，从而对拉伸发生 晦气 影响。另外一 方面，在α过于年夜 或太小 时城市引发 拉伸力的增添 ，其缘由 在于：当α过年夜 时，金属活动 急剧，材料的加工硬化效应显著，而且 跟着 锥角的增年夜 ，凹模锥脸部 份 发生 的阻碍金属活动 的分力加年夜 ，因此 所需拉伸力增添 ；当。太小 时，固然 金属活动 的转折小，但因为 变形区金属与凹面的接触锥面长，锥面上总磨擦 阻力年夜 ，是以 网格畸变虽小，总拉伸力却增年夜 。

因而可知 ，凹模锥角的公道 肯定 应同时斟酌 变形区材料的变形特点和 模具与工件间的磨擦 状态 ，凹模锥角公道 局限 切实其实 定对拉伸工艺有着直接的影响。工艺实验 讲明，对 CCB-1A型罐用铝材3104H19，其凹模锥角公道 取值在α=5°~8°为好 。

底部成形工艺阐发。罐底部成形发生在凸模行程的终点，采取 的是反向再拉伸工艺。图4为罐底成形受力状态 示意图，底部成形力主要取决于磨擦 力的性质和 压边力的年夜 小。凡是，材料的厚度和强度是一对矛盾，材料愈薄，强度愈低，是以 轻量化手艺 要求削减 罐底直径及设计特别的罐底外形 。工艺实验 讲明，罐底沟外壁夹角若α1年夜 于40°，将年夜 年夜 减小罐底耐压。斟酌 到金属的成形性，凸模圆弧R不克不及 小于3倍的料厚。但R太年夜 ，将会减小强度。球面和罐底沟内壁圆弧R1，最少 为3倍料厚，凡是R1取4~5倍料厚。减小罐底沟内壁夹角α2，将增增强 度，出产中年夜 多半 采取 10°以下。

罐底部有两处掉 效点：一为底部球面；二为毗连球面和侧壁的罐底部圆弧R。罐底球面的强度取决于以下几个身分 ：材料的弹性模量、底部直径、材料的强度、球面半径和 在底部成形时金属的变薄水平 。罐底球面半径经常使用 公式R球=d1／0．77肯定 ，现实 取R球=45．72mm

3模具设计与制造

3．1罐体拉伸模

罐体拉伸进程 现实 上是筒形件的拉伸进程 ，拉伸进程 中，其材料的凸缘部份 在压应力感化 下易掉 稳，致使 起皱，是以 必需 斟酌 设置避免 起皱的压边装配 。当材料经由过程 凹模时，凹模圆角部份 是一个过渡区，其变形较复杂，除 径向拉伸与切向紧缩 外，还受曲折 感化 ，是以 凹模圆角选择尤其 主要 。材料经由过程 凹模圆角后，处于拉伸状态，因为 拉伸力来自凸模压力，是颠末凸模圆角处传递的，凸模圆角处的材料变薄最严重，此处成为最易破碎的危险断面。

落料一拉伸组合模构造 如图5所示。

(1)模具材料：凸、凹模均选择镶硬质合金的材料。

(2)变形量：在易拉罐行业内，一般采取 拉伸比δ暗示变形量，δn=(dn-1—dn)／dn-1×100％，按此公式，较量争论 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次总拉伸比δ≤64％，δ1≥δ2≥……≥δn，δ1≤40％。

(3)压边装配 ：采取 波形压边圈，0．2—0．3MPa紧缩 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年夜 ，则磨擦 小，能削减 拉伸力，但间隙年夜 ，精度不容易 节制 ；拉伸模凸、凹模单边间隙Z／2小，则磨擦 年夜 ，增添 拉伸力。

单边间隙Z／2可按以下公式较量争论 ：

Z／2=tmax+Kt

式中tmax——最年夜 料厚，取0．285+0．005mm

t——公称料厚，取0．285mm

K——系数，当t

则Z／2=0．290+0．08×0．285=0．313mm。

3．2变薄拉伸模

易拉罐罐体成形现实 上是将再拉伸和3道变薄拉伸组合在一路 的组合工序。现将变薄拉伸模的设计介绍以下 ：

(1)模具材料。凸模：基体材料为合金对象 钢，凸模材料为M2，热处置惩罚 硬度60~62HRC，镀TiN。凹模(变薄拉伸环)：基体材料为合金对象 钢，模口材料为硬质合金(商标 为VALENITEVCID-H．L．D或KE-84KENNAMETAL)。

　(2)变形量。变薄拉伸歧 的较量争论 公式为：δ=(tn-tn-1)/tn×100％，此中tn、tn-1离别 为n次及n—1次变薄拉伸后的零件侧面壁厚，较量争论 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％。

制罐工场 经常 凭据 给定的材料厚度、罐体厚、薄壁要求、拉伸环和凸模尺寸、拉伸机精度等前提 ，编制拉伸环和凸模的匹配表供手艺 人员、模具维修人员和操作人员选配凸模和拉环。

(3)模具的工作部份 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

罐底成形模构造 如图6所示。

罐底凸模材料选用合金对象 钢Crl2MoV，热处置惩罚 硬度60~64HRC，其轮廓外形 应与罐型设计一致。底压边模材料选用合金对象 钢Cr5MoV，热处置惩罚 硬度58~60HRC，其轮廓外形 应与凸模相匹配。

4竣事 语

(1)拉伸工序斟酌 的主要 身分 有：拉伸比、凸、凹模圆弧半径、凸、凹模间隙、铝材机械机能 、润滑、功课 参数。

(2)变薄拉伸工序中凹模锥角。的年夜 小关系到变形区金属的活动 性质、应力年夜 小和 模具的受力情形 ，公道 的取值局限 为α=5°—8°。

(3)适合 的罐型设计是轻量化手艺 可否 实行 的环节。研究讲明，对 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，可以年夜 年夜 增添 罐体强度。

(1)拉伸工序斟酌 的主要 身分 有：拉伸比、凸、凹模圆弧半径、凸、凹模间隙、铝材机械机能 、润滑、功课 参数。 谜底 增补

2)变薄拉伸工序中凹模锥角。的年夜 小关系到变形区金属的活动 性质、应力年夜 小和 模具的受力情形 ，公道 的取值局限 为α=5°-8°。 (3)适合 的罐型设计是轻量化手艺 可否 实行 的环节。研究讲明，对 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，可以年夜 年夜 增添 罐体强度。