易拉罐（盖）的高速冲压工艺和技术~

引言

铝质易拉罐在饮料包装容器中占有相当大的比重，易拉罐的制造融合了冶金、化工、机械、电子、食品等诸多行业的先进技术，成为铝深加工的一个缩影。随着饮料包装市场竞争的不断加剧，对众多制罐企业而言，如何在易拉罐生产中最大限度地减少板料厚度，减轻单罐重量，提高材料利用率，降低生产成本是企业追求的重要目标。为此，以轻量化为特征的技术改造和技术创新正在悄然兴起。易拉罐轻量化涉及到许多关键性技术，其中罐体成型工艺和模具技术是十分重要的方面

[罐体制造工艺和技术]

（1） 罐体制造工艺流程

罐体主要制造流程如下：卷料输送→落料、冲杯→拉伸→罐体成型→修边→清洗/烘干→涂底色→烘干→彩印→烘干→内喷涂→烘干→缩径、翻边→码垛

在工艺流程中，落料、拉伸、罐体成型、修边、缩径、翻边工序都需要模具加工，其中以落料、拉伸和罐体成型工序与模具最为关键，其工艺水平及模具设计制造水平的高低，直接影响易拉罐的质量和生产成本。

（2） 罐体制造工艺分析

A. 落料、冲杯→拉伸复合工序。拉伸时，坯料边缘的材料沿着径向形成杯，因此在塑性流动区域的单元体为双向受压，单向受拉的二向应力状态。由于受凸模圆弧和拉伸凹模圆弧的作用，杯下部壁厚约减薄10%，而杯口增厚约25%。杯转角处的圆弧大小对后续工序（罐体成型）有较大影响，若控制不好，易产生断罐，因此落料拉伸工序必须考虑以下因素：杯的直径和拉伸比、凸模圆弧、拉伸凹模圆弧、凸凹模间隙、铝材的机械性能、模具表面的摩擦性能、材料表面的润滑性能、拉伸速度、突耳率等。突耳的产生主要有两个因素确定：一是金属材料的性能；二是拉伸模具的设计。突耳的出现在杯的最高点同时也是最薄点，将会对罐体成型带来影响，造成修边不全，废品率增高。

基于以上分析，确定拉伸工序选择的拉伸比m=36.55%,坯料直径Dp=140.20±0.01mm,杯直径Dc=88.95mm。

B. 罐体成型工序

变薄拉伸工艺分析：典型的铝罐拉伸、变薄拉伸过程中受力状况。在拉伸过程中，集中在凹模口内锥形部分的金属变形区，而传力区则为通过凹模后的桶壁及壳体底部。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，金属在三向应力的作用下，晶粒细化，强度增加，伴有加工硬化的产生。在传力区，各部分材料受力状况是不相同的，其中位于凸模圆角区域的金属受力情况最为恶劣，其在轴向、切向两向受拉、径向受压，因而材料的减薄趋势严重，金属易从此处发生断裂，从而导致拉伸失败。比较变形区和传力区金属的应力状态可知：变薄拉伸工艺能否顺利进行要取决于拉伸凸模圆角部位的金属所受拉应力的大小。当拉应力超过材料强度极限时就会引起断裂，否则拉伸工艺可以顺利进行。因此，减小拉伸过程中的拉应力成为保证拉伸顺利进行的关键。

变薄拉伸比的选择为：再拉伸 25.7%，第一次变薄拉伸 20%~25%，第二次变薄拉伸 23%~28%，第三次变薄拉伸 35%~40%。

在成型过程中，影响金属内部所受拉应力大小的因素很多，其中凹模锥角的取值直接关系到变形区金属的流动性，进而影响拉伸所需成形力的大小，所以其数值合理与否对工艺的实施有着重要影响。当凹模锥角α较小时，变形区的范围较大，金属易于流动，网格的畸变小。随着α的增大，变形区的范围减小，金属的变形集中，流动阻力增大，网格畸变严重。而且随着凹模锥角的增大，变形区材料的应变相应增加，这说明凹模锥角较大时，不仅金属的变形范围集中，而且变形量迅速上升，因而使得变形区金属的加工硬化现象加剧，导致金属内部的应力上升，从而对拉伸产生不利影响。另一方面，在α过于大或过于小时都会引起拉伸力的增加，其原因在于：当α过大时，金属流动急剧，材料的加工硬化效应显著，并且随着锥角的增大，凹模锥面部分产生的阻碍金属流动的分力加大，因而所需拉伸力增加；当α过小时，虽然金属流动的转折小，但由于变形区金属与凹面的接触锥面长，锥面上总摩擦阻力大，因而网格畸变虽小，总拉伸力却增大。

由此可见，凹模锥角的合理确定应同时考虑变形区材料的变形特点以及模具与工件间的摩擦状况，凹模锥角合理范围的确定对拉伸工艺有着直接的影响。工艺试验表明，对于铝罐用铝材3104H19，其凹模锥角合理取值在α=5°~8°为宜。

底部成型工艺分析。罐底部成型发生在凸模行程的终点，采用的是反向再拉伸工艺。罐底部成型力主要取决于摩擦力的性质以及压边力的大小。通常，材料的厚度和强度是一对矛盾，材料越薄，强度越低，因此轻量化技术要求减少罐底直径及设计特殊的罐底形状。工艺试验表明，罐底沟外壁夹角若大于40°，将大大减小罐底耐压性。考虑到金属的成型性，凸模圆弧R不能小于3倍的料厚，但凸模圆弧R太大，将会减小强度。球面和罐底沟内壁圆弧R1则至少为3倍料厚，通常球面和罐底圆弧R1取4~5倍料厚。减小罐底沟内壁夹角（α2），将增加强度，生产中大多数采用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的罐底部圆弧R球。罐底球面的强度取决于以下几个因素：材料的弹性模量、底部直径、材料的强度、球面半径以及在底部成型时金属的变薄程度。罐底球面半径常用公式          R球=d1/0.77确定，实际取R球=45.72mm.

[模具设计与制造]

（1） 罐体拉伸模

罐体拉伸过程实际上是筒形件的拉伸过程，拉伸过程中，其材料的凸缘部分在压应力作用下易失稳，导致起皱，因此必须考虑设置防止起皱的压边装置。当材料通过凹模时，凹模圆角部分是一个过度区，其变形较为复杂，除了径向拉伸与切向压缩外还受弯曲作用，因此凹模圆角选择尤为重要。材料通过凹模圆角后，处于拉伸状态，由于拉伸力来自凸模压力是经过凸模圆角处传递的，凸模圆角处的材料变薄最严重，此处成为最易破裂的危险断面。

A. 模具材料：凸、凹模均选择镶硬质合金的材料。

B. 变形量：在易拉罐业内，一般采用拉伸比δ表示变形量。

首次拉伸δ1取36.6%，再次拉伸δ2取25.8%。一般要求两次拉伸总拉伸比δ≦64%，δ1≦40%，δ1≥δ2≧……≧ δn。

C. 压边装置：采用波型压边圈，0.2~0.3Mpa压缩空气作为动力源。

D. 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rA1取1.78mm.

拉伸凸模圆角半径rB取2.921mm,再拉伸凸模圆角半径rB1取2.286mm.

间隙

拉伸凸、凹模单边间隙（Z/2）大，则摩擦小，能减少摩擦力，但间隙大，精度不易控制；

拉伸凸、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 k1

t—公称料厚，取0.285mm    k——系数，当t＜0.4mm时取0.08

 式中tmax——最大料厚，取0.285 0.005mm

Z/2=0.290 0.08×0.285=0.313mm

(2)变薄拉伸模

易拉罐罐体成型实际上是将再拉伸和三道变薄拉伸组合在一起的组合工序，现将变薄拉伸模的设计简单介绍如下：

A. 模具材料

凸模：基体材料为合金工具钢，凸模材料为M2,热处理硬度为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VALENITECID-H.L.D或KE-84KENNAMETAL）

B. 变形量。制罐工厂常常根据给定的材料厚度、罐体厚、薄壁要求、拉伸环和凸模尺寸、拉伸精度等条件，编制拉伸环和凸模的匹配表供技术人员、模具维修人员和操作人员选配凸模和拉伸环。

C. 模具的工作部分参数。凸模：凸模圆弧R 1.06±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 0.025mm

(3)罐底成型模：

罐底凸模材料选用合金工具钢Cr12MoV,热处理硬度60~64HRC,其轮廓形状应与罐型设计一致。底压边模材料选用合金工具钢Cr5MoV,热处理硬度58~60HRC，其轮廓形状应与凸模相匹配。

[经验之谈]

拉伸工序考虑的重要因素有：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。

变薄拉伸工序中凹模锥角的大小关系到变形区金属的流动性质、应力大小以及模具的受力情况，合理的取值范围。

合适的罐型设计是轻量化技术能否实施的关键，研究表明，对于CCB-1A型罐，设计参数的选择：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=45.72mm,可以大大增加罐体强度。

在易拉罐体的流水线制作过程中，你大致可以看到的工序：

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

★用于制作易拉罐的铝卷大约重9吨，宽1.5米，制造75万个易拉罐；

★涂墨水和清漆的过程是每分钟1800个；

★铝罐缩颈需要11个工步，这就是高效的工业自动化！

★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与模具最为关键，其工艺水平及模具设计制造水平的高低，直接影响易拉罐的质量和生产成本。 

在拉环罐盖的制作过程中，你大致可以看到的工序（最下面有现场加工视频）：

1）预涂的铝或钢制薄板以卷材或片材的形式运到制罐厂▼

2）片材通过压机每分钟压出数千个圆片▼

3）在同一工序盖片折出边缘▼

4）罐盖通过一个加衬机在每个盖子的卷边里精确地加入一个复合物的密封条▼

5）一个视频检测系统被用来检查罐盖是否完美▼

6）拉环由窄铝片或钢片制成。首先对片材进行打孔和切割，然后进行进一步的加工▼

7）罐盖通过一系列的模具进行刻痕，拉环进行进一步的成型，然后拉环被加载到罐盖上▼

8）最终形成带拉环的罐盖（食品罐全开盖和饮料小开口盖）▼

9）成品罐盖被包装在纸管中堆垛运往灌装厂，以备加载到灌装后的罐体上▼