摘要：對(duì)罐體拉伸工序、變薄拉伸工序和底部成形工序進(jìn)行了分析，并對(duì)與這些工序相關(guān)的模具在設(shè)計(jì)和制造中存在的若干關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：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占有相當(dāng)大的比重。易拉罐的制造融合了冶金、化工、機(jī)械、電子、食品等諸多行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，成為鋁深加工的一個(gè)縮影。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。
2 罐體制造工藝和技術(shù)
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。
2.2罐體制造工藝分析
(1)落料一拉伸復(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所示。由于受凸模圓弧和拉伸凹模圓弧的作用，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(罐體成形)有較大的影響，若控制不好，易產(chǎn)生斷罐。因此落料拉伸工序必須考慮以下因素：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)械性能、模具表面的摩擦性能、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2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。
基于以上分析，確定拉伸工序選擇的拉伸比m=36.55%，坯料直徑Dp=140.20±0.0lmm，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所示，變薄拉伸過(guò)程中受力狀況如圖3所示。 在拉伸過(guò)程中，集中在凹?？趦?nèi)錐形部分的金屬是變形區(qū)，而傳力區(qū)則為通過(guò)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。
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。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)格歧變嚴(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)金屬的加工硬化現(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)于大或過(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)。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，罐底溝外壁夾角若α1大于40°，將大大減小罐底耐壓。考慮到金屬的成形性，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
3模具設(shè)計(jì)與制造
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。
落料一拉伸組合模結(jié)構(gòu)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)，一般采用拉伸比δ表示變形量，δn=(dn-1-dn)/dn-1×100%，按此公式，計(jì)算如下：
首次拉伸取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)壓邊裝置：采用波形壓邊圈，0.2-0.3MPa壓縮空氣作為動(dòng)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大，則摩擦小，能減少拉伸力，但間隙大，精度不易控制；拉伸模凸、凹模單邊間隙Z/2小，則摩擦大，增加拉伸力。
單邊間隙Z/2可按以下公式計(jì)算：
Z/2=tmax+Kt
式中 tmax--最大料厚，取0.285+0.005mm
t--公稱料厚，取0.285mm
K--系數(shù)，當(dāng)t<0.4mm時(shí)，取0.08
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，模口材料為硬質(zhì)合金(牌號(hào)為VALENITEVCID-H.L.D或KE-84KENNAmetaL)。
(2)變形量。變薄拉伸比方的計(jì)算公式為：δ=(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%。
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所示。
罐底凸模材料選用合金工具鋼Crl2MoV，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。
4 結(jié)束語(yǔ)
(1)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)。
(2)變薄拉伸工序中凹模錐角。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°。
(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。
