（机械制造及其自动化专业论文）铝质易拉罐罐体轻量化技术的应用研究.pdf

江苏大学工程硕士论文 摘要 铝质易拉罐由于其质量轻、容重比大、便于开启和携带、保质期长等优点，深受人 们的欢迎，在饮料包装容器中占有很大比重。在易拉罐生产中最大限度地减少板料厚度， 减轻单罐克重，提高材料利用率，降低生产成本，是制罐行业追求的目标。 所谓铝质易拉罐罐体轻量化就是在符合产品质量标准、保证产品使用性能、满足用 户要求的基础上，通过采用新技术、新材料、新模具等一系列技术措施，最大限度地减 少易拉罐制造所用材料的用量，提高材料的利用率，从而达到降低成本、提高经济效益 的目的。 本文在对国内外轻量化技术的应用现状进行深入分析的基础上，从技术层面对易拉 罐轻量化实施过程中的若干关键性问题进行了探讨。通过对国内外各种罐型所进行的深 入研究，从易拉罐制造过程中关键工序的工艺分析入手，解决了轻量化实施过程中罐用 材料、罐型设计、冲压工艺、模具设计等一系列关键技术难题。轻量化技术成功实施后， 易拉罐罐体所用铝材厚度从0 3 2 5 m m 减少到0 2 8 5m m ，单罐克重从1 3 6 2 5 9 降低到 1 1 9 4 8 9 ，取得了明显的经济效益。 关键词：易拉罐；二片罐：轻量化；罐型；模具：变薄拉伸 翌蔓奎兰三堡堡圭堡兰 a b s t r a c t f r o m6 0 so f t h e2 0 0c e n t u r y , t h ea l u m i n u me a s yo p e n c a nw a s p u a e d m t om a r k e t ，i tw a s w a r m l yw e l c o m eb yt h ep e o p l ea si t s t o om a n ya d v a n t a g e ss u c ha s ，l i g h ti nw e i g h t ，b l gi n v o l u m ep e ru n i t ，e a s yt oo p e na n dc a r r y o v e ra n dl o n gr e t e n t i o np e r i o de t c i t su s a g e a n d q u a n t i t ya r ee x p a n d i n gf r o md a y t od a y i ti se s t i m a t e d ，t h et o t a lg l o b a lu s e dq u a n t k i e sc o u l d b er e a c h e dt o2 4 0b i l l i o nc a d si n2 0 0 0s u c hd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f c a n l su s a g es t i m u l a t e s k st e c h n i q u er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t l i g h t - w e i g h t i n go f a l u m i n u me a s yo p e nc a l li sat e c h n i q u ew h i c hi sb a s e do nr e a c h i n gt h e p r o d u c tq u a l i t ys t a n d a r d ，k e e p i n g t h eu s e dp e r f o r m a n c ea n dm e e t i n gt h ed e m a n d so fc u s t o m e r , b ym e a n so fas e r i e so f t e c h n i c a lm e t h o ds u c ha sn e wt e c h n i q u e ，m a t e r i a la n dm o u l de t c ， r e d u c i n gt h ec o n s u m e o fm a t e r i a ld u r i n gt h ep r o c e s so f c a n m a k i n g ，i no r d e r t ol o w e rc o s ta n d h i g h e re c o n o m i c s u p o na u t h o r sl o n gd i s t a n c ee x p e r i e n c ej np r o d u c i n ga l u m i n u me a s yo p e nc a n , h eh a d s t u d i e da n dr e s e a r c h e dd e e p l ym a n yk i n do fe a s yo p e nc a l l s i nt h ew o r l d s ，a n a l y z e dt h e t e c h n i q u eo fk e ys e v e r a lp r o d u c t i o np r o g r a mo fc a n m a k i n ga n ds o l v e d as e r i e so fk e y t e c h n i c a lp r o b l e m sd u r i n gt h ep r o c e s so fl i g h t w e i g h t i n gs u c ha s ，a l u m i n u mr a wm a t e r i a l ，c a n p r o f i l ed e s i g n ，p r e s st e c h n i q u ea n d m o u l d d e s i g n e t c a r e rc a r r y i n go u tl i g h t - w e i g h t i n g ，t h eu s e da l u m i n u m r a wm a t e r i a lt h i c k n e s so f e a s yo p e n c a n sb o d yc o u l db et h i n n e df r o m0 3 2 5 m mt o0 2 8 5 m m t h ew e i g h to fg r a mp e rc a l lc o u l d b e r e d u c e df r o ml36 2 5 gt o1 19 4 8 g i t se c o n o m i cb e n e f i tc o u l db em o r eb i go b v i o u s l y k e y w o r d s ：e a s y - o p e nc a n ；t w o p i e c ec a r l ；l i g h t - w e i g h t i n g ；c a np r o f i i e ；d i e ；d r a wa n d i r o n i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内套编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 学位论文怍者签名 2 咖多年r 月彩目 鲞导教师签名 ? 年 占，一 习 日 “ 晒 形= 泰 ， 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立逆 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究敛出重要贡献的个人和集体，均已在文中以赐碑方式标明。参人 完全意识到本声明的法律结果白本人承担。 掌应论文作孝签名 日期：年焉霉 江苏大学工程硕士论文 1 1 易拉罐的历史 第1 章绪论 1 8 1 4 年一位英国商人发明了用马口铁制成容器来包装食品，从此开创了金属 包装的先河。铝质两片罐的使用是在马口铁罐的基础上发展起来的。铝质易开两 片罐是由罐体和易开盖两部分组成，因而简称为“两片罐”。铝质两片罐是在第 二次世界大战后2 0 世纪5 0 年代伴随着铝加工业的发展而得到应用。首先，瑞典 的凯勒公司( k e l l e ra g ) 的杰克贝凯勒的学生爱德米德( e dm e a d e r ) 对深 冲和变薄拉深技术的发展作出了重大贡献，他于1 9 4 4 年至1 9 4 7 年间申请了有关 的专利。为了让消费者能容易的打开罐，长期以来，许多人进行了不断的研究和 试验，直到1 9 5 9 年美国俄亥俄州戴顿市d r t 公司的一位名叫弗雷兹的工程师发 明了开罐法，即利用在罐盖本身的材料上加工形成一个铆钉，然后铆上一个拉环， 再配以相适应的刻痕而制成了易拉盖。同时罐体的具有拱形的底部，罐口具有缩 颈和翻边，灌装饮料后，将盖与罐口进行封口。这一发明使金属容器包装容器经 历1 5 0 年的漫长发展后有了历史性的突破，从而形成了现代的铝质易开两片罐。 随后在1 9 6 4 年美国首先采用卷边拉环，这样在易开盖设计上进一步得到完善。 2 0 世纪6 0 年代，首批易拉罐包装的5 万吨啤酒投放市场后一举获得了成功，使 易拉罐包装很快风靡世界。 看似简单的易拉罐的制造，却是把冶金、化工、机械、电子、食品等诸多 行业的先进技术融合于一体，成为铝的深加工的缩影。自2 0 世纪6 0 年代铝质易 拉罐问世以来，随着技术的不断发展和应用，以“轻量化”( 1 i g h t - w e i g h t i n g ) 为特征的制罐技术水平也不断提高，制罐使用材料的厚度从最初的0 5 5 0 m m 减薄 到目前的0 2 7 0 m 左右，重量从2 8 3 克降到1 1 3 克，盖的直径从“2 1 l ”降低 到“2 0 2 ”。 江苏大学工程硕士论文 i 2 易拉罐罐体的制造工艺和技术 1 2 i 易拉罐罐体的工艺流程 典型铝质易拉罐罐体的工艺流程如下： 臣 亘委困一匪要噩委圃一匪壹受互 一巨j 塑受妇 匪叠堑至 一匪叠豆蔓塑口一臣! 匪夏至归一匪豆西蚕口 匪巫匪e 一乜互垂亘 一臣! 垂噩二 一臣互塑三 臣互亘亘妇一臣至亟夏要 一臣互垂至受妇一臣互壅雯口 旺了i 豇蟊霜面驴丽琵r 一臣百五磊f 一几百焉目一i 百而订 匝蔓口一匝豆巫夏 在上述的工艺流程中，涉及到易拉罐“轻量化”技术改造和应用研究的主要工序为“3 冲杯”、“4 罐体成型”、“1 6 缩径”、“1 7 旋压缩径，翻沩”。 1 2 2 易拉罐产品的技术标准 g b 9 1 0 6 - - - 9 4 中规定易拉罐罐体的尺寸和极限偏差应符合图1 和表l 的规定 罐体的主要性能应符合表2 的规定。 图i g b 9 1 0 6 - 9 4 中磕型图 2 坚蔓奎兰三堡堡主堡壅 表1单位： 规格 2 0 6型2 0 9型 符号尺寸名称基本尺寸极限偏差基本尺寸极限偏差 d 罐体外径 6 6 0 40 1 86 6 0 40 1 8 h 罐体高度 1 2 2 2 2o 3 81 2 2 2 2o 3 8 d 缩径内径 5 7 4 0 0 ，2 56 2 6 40 1 3 b 翻边宽度 2 2 20 2 52 5 0o 2 5 表2 项目性能指标 2 0 6 型2 0 9 型 轴向承压力k nl _ 2 5 1 3 5 耐压强度k p a 6 1 0 内涂膜完整性啤酒罐体单个7 5 ，平均5 0 m a 软饮料罐体单个3 0 ，平均8 “轻量化”涉及的罐体主要性能指标为轴向承压力和耐压强度。 表3 化学成分 牌号化学成分( 质量分数) 其他 s if ec u m g vz nt i 单个合计 a l 3 0 0 4o o o 2 51 0 10 8 一i0 0 0 50 1 5余量 37532 5 3 1 0 4o o 0 0 5 - o 0 8 - 1o 。8 一1 o 0 0 。o 0 5o l 5 余量 682 5430 52 5 1 机械性能 抗拉强度( m p a )屈服强度( m p a )延伸率( ) 3 0 0 42 6 5 - 3 1 02 1 5 - 2 8 5l 3 1 0 42 9 5 3 2 5 2 7 0 一3 0 04 ( m i n ) 江苏大学工程硕士论文 1 2 3 罐体弗4 造的主要原料 易拉罐制造的主要原料为变形铝合金，即为3 x 系铝锰合金， 其合金成分和机械性能见表3 。 其中牌号3 0 0 4 h 1 9 为“轻量化”前所采用的辛才料，一般适用于铝材厚度为 o 3 0 0 o 3 5 0 r a m 3 1 0 4h 1 9 为“轻量化”后所采用，适用于铝材厚度为0 z 7 5 一 o 2 9 5 m m 。 1 2 4 有关易拉罐的设计考虑 ( 1 ) 罐灌装 为了达到规定的罐尺寸，设计者必须证实灌装容量，即考虑顶隙( f r e e b o a r d ) ( 1 2 1 9 2 o 5 0 8 m m ) 和顶部容量( h e a d s p a c ev o l u m e ) 一般顶部容量是 灌装容量的6 铲_ 8 。( 满罐容量为3 8 8 2 m 1 ) ( 2 ) 内容物 对不同的内容物需要不同的内涂操作，饮料和啤酒也不一样。常用电导率 仪迅速测定涂层的情况。在接受订单前，需对客户的饮料( 内容物) 进行保存试 验。 ( 3 ) 啤酒的巴氏灭菌 大多数啤酒需要巴氏灭菌以防止酵母菌的生长，并杀灭细菌。一般巴氏灭 菌温度为6 0 6 6 对一个2 8 二氧化碳含气倍数的产品，温度的上升使得罐 内压力上升，此时内压达到5 8 5 k p a ，罐应能承受此压力；相反，不要巴氏灭菌 所灌装的啤酒，罐内压仅为4 4 8 k p a 。 ( 4 ) 罐底耐压 罐和盖的耐压是由几个相关的因素决定的，如：产品的二氧化碳含量、产 品中二氧化碳的溶解性、产品达到的温度。一般啤酒罐需要罐底耐压为6 2 0 k p a ， 软饮料罐则为6 0 0 k p a 。( 国标g b 9 1 0 6 9 4 规定耐压强度 6 1 0 k p a ) ( 5 ) 总体设计的关键技术 为了获得最佳的制罐效果，即：最少的材料和最低的制造成本，金属的强 度和罐体的结构形状之间的关系是十分重要的。罐底设计是保证内压的关键，侧 壁和缩颈、翻边区域的设计是承载轴向负荷的关键。因此，必须分析罐体材料单 元体的应力、结构形状、材料的机械性能以及在制罐过程中各神性能的变化、容 器的寿命、材料成型的限制条件等是设计阶段十分重要的环节。最大的经济性还 4 江苏大学工程硕士论文 包括罐体材料的全部的利用率。为了研究基本材料的使用，常应用经验公式进行 几何分析。由于这些经验公式还不完备，必须根据目前的制造和包装工业的经验 进行更正。比如：侧壁厚度的确定必须研究在压溃强度时的罐体的有效直径。借 助于几何分析的公式也在不断的发展，别的公式可用来确定更复杂的相互作用 如：有效直径、压力保持作用在罐和盖上情况下的材料强度和厚度。此外，还要 进行若干的试验来验证这些关键的设计要求是否得到满足，即：耐压试验、轴向 压力试验、巴氏灭菌试验、外观检验、结构形状试验。 罐尺寸：如3 5 5 m i 罐，2 0 6 2 1 1 4 1 3 ( 5 7 6 5 1 2 2 ) 。盖尺寸：2 0 6 ( 5 7 m m ) 、 厚0 2 8 4 m z n 。 罐的料厚：0 2 5 4 i r r o 3 2 0 m m 。材料减薄( 罐体轻量化) 是一个长期的工作， 也许0 2 0 3 m m 就能满足6 2 0 k p a ，是商业用途的最薄的罐，但目前还无法实现。 当减薄时，在落料尺寸为中1 3 9 7 m m 时， 使罐高能足以进行修边，除非壁更薄； 目前的冲杯机很难同时满足以下各点： 罐体轴向抗压如何满足? 罐底耐压 6 2 0 k p a 如何满足? 轻量化的材料的制造是困难的；运输损耗大。有些客户 限制薄壁厚度最小为0 1 0 6 m m ，以控制运输损耗。 罐伸长的需要：在承受压力时，罐的总高度将伸长这种情况的发生是由于 罐底形状的“展开”。有些伸长是永久性的，有些在压力减小时会恢复到其原始 状态。罐的伸长必须考虑，因为在客户的工厂中将产生问题。伸长较大的罐将在 输送线和灌装设备上发生卡罐。罐伸长现象，尽管目前并未很好理解，但却可概 括为以下因素的影响：材料的厚度；材料的机械性能；罐底形状；模具 表面状况和拉深机的工况条件。当材料厚度不断减少罐伸长( 或其控制) 也许 在将来成为更多的焦点问题。 底部形状：底部形状是减薄的关键，大部分材料都用在罐底。起初的轻量化 靠减少材料厚度来实现，往往需要复杂的底部形状以满足压力的需要。罐底形状 是在拉深机底成型工序完成的，复杂的底部形状将产生许多生产问题，以至于造 成整个生产线的效率降低。为了获得轻量化效果而不致在生产中发生问题，新的 成型过程己被引入，它避免了复杂的罐底结构形状所引起的内喷涂的困难。即： 用简单的罐底进行内涂，在生产线的最后再安排罐底成型。这样既可保证罐底耐 压，又可减少罐伸长。 江苏大学工程硕士论文 ( 6 ) 涂料 随着环境政策的迅速变化，涂料的成份也越来越复杂。出于环境的考虑( 废 气排放和处置) 只是一个方面，另外一方面包括涂料与饮料接触的安全性。在制 罐生产线区域，主要的目标是减少在生产过程中以及涂料使用前溶剂的挥发问 题。两片罐主要用水溶性涂料，水溶性涂料被定义为：使用高分子聚合物作为混 合溶剂。它可与胺或酸中和形成盐，故成为水溶性。必须注意：即使是水溶性涂 料，也含有一些有机溶剂，尽管其含量仅为1 4 ，但生产时仍应采取保护r 陛措施。 ( 7 ) 润滑剂 好的润滑剂对两片罐的深冲和变薄拉深罐制造是必不可少的，有五个主要区 域：卷材润滑、冲杯、罐体成型( 变薄拉深) 、缩径翻边和设备( 液压和机械) 需要润滑： 卷材润滑 卷材表面的润滑，曾经发现有的润滑剂会影响啤酒和饮料的风味。目前提 供的润滑剂己通过了风味试验，它必须含有低于5 0 0 p p m 的亚油酸盐。 冲杯润滑剂： 冲杯过程中的润滑不仅可以减少冲杯模和杯壁的摩擦，而且也给后序的罐 体成型( 变薄拉深) 提供了良好的基础。a 提供模具和设备的防腐性保护；b 减少了模具和杯壁的摩擦：c 减少了冲杯模上铝屑堆积；d 提供了冲杯和变薄拉 深润滑以利于脱模；e 提供了再拉深的润滑；f 减少了在剪切、冷轧过程中的金 属堆积物。 变薄拉深润滑剂 变薄拉深润滑剂是3 2 0 的油性乳化液形成的润滑剂。它通过螺旋形分配 器作用在再拉深和变薄拉深模上。润滑剂是循环使用的，设有温度控制、杂质过 滤以及润滑液质量的监控，此外，在润滑剂中要添加杀菌剂，以杀灭乳化液中的 细菌和霉菌。 缩颈翻边润滑剂 润滑剂只涂在罐口外侧，以减少加工中的摩擦。通常在羊毛毡上涂上1 一 2 液体石蜡，并通过羊毛毡作用于罐口。润滑层不能堆积在罐上，因为这将影响 缩颈翻边的加工。 江苏大学工程硕士论文 设备润滑。 综上所述，两片罐生产设备的高资金投入必须要有高效率的生产，必须保 持生产线2 4 小时天连续运转，必须利用各种资源来管理工厂，包括工厂规划、 工程设计、设备购买、员工培训、备件供应、质量保证、维护保养、技术支持等 等，所有这些都必须在产品的设计和工厂的规划阶段给予充分地考虑。 7 江苏大学工程硕士论文 1 3 选题的背景及其意义 本课题基于作者所在单位华东制罐总厂所主持的2 0 0 1 年江苏省重点技术改 造项目( “铝质易拉罐罐体轻量化技术改造项目”) ，并结合作者的工作经验，对 罐体轻量化技术的应用进行的系列的研究的成果，综合起来具有以下三个方面 的意义： ( 1 ) 是企业在激烈的市场竞争中谋求自身发展的需要 我国是1 9 8 5 年开始引进易拉罐生产线并生产3 5 5 m l 铝质易拉罐产品以替代 进口产品。经过十五年的发展，全国易拉罐生产企业从1 9 8 5 年的6 家、年生产 能力1 2 亿只发展到2 0 0 0 年的四大集团1 8 家、年生产能力n 0 亿只的水平。目 前国内年需求量仅为不足7 0 亿只，尤其是华东地区拥有6 家制罐企业，年生产 能力为3 3 亿只，而市场容量仅为8 亿只。因此，产品严重供大于求，导致市场 竞争十分激烈；另一方面，近年来饮料包装容器日趋丰富，产品包装多元化的格 局正逐步形成，致使曾一度生机勃勃的制罐业出现了一定的危机。总体的市场竞 争态势使得铝罐产品的价格竞争异常激烈，并导致全国制罐业 9 9 9 年2 0 0 1 年 三年来出现大面积亏损。面对如此严峻、激烈的市场环境，作为国内第二大制罐 企业的华东制罐总厂深刻认识到企业要想求生存、谋发展，唯有迸行技术创新和 技术进步来降低生产成本，才能在竞争中争得席之地。因此，铝罐轻量化技术 的应用研究和技改项目的实施刻不容缓。 ( 2 ) 铝质易拉罐罐体轻量化是世界制罐业技术发展的趋势，采用这一技术实 施技术改造是缩短我国制罐业与国际先进是水平差距的途径。 铝质易拉罐自从其问世以来，随着技术的不断进步、轻量化技术的研究和 应用，易拉罐使用的铝材的厚度不断减少，单罐克重不断降低。对于2 0 6 2 1 1 4 1 3 的3 5 5 m l 罐型国际上使用材料的厚度己从6 0 年代的o 5 5 0 r a m 减薄到目前的 o 2 7 0 m m 、单罐克重己从2 8 3 0 克降低到1 1 2 7 克。而我国一般的水平为使用铝 材厚度0 3 0 5 m ，罐重1 2 5 克。另一方面，国际上制罐业发达国家己逐步用2 0 4 、 2 0 2 口径取代2 0 6 口径，这样不仅易开盖材料分别下降1 0 和2 0 ，而且也可进 一步使罐身铝材减薄0 0 1 5 0 0 2 0 r a m 。因此，我国制罐业与世界先进水平相比 尚有相当的差距，轻量化技术的研究和实施可缩短这一差距。 江苏大学工程硕士论文 ( 3 ) 华东制罐总厂采取轻量化技术实施“铝质易拉罐罐体轻量化技术改造项 目”后，可以使单罐克重接近国际水平。这样可以减少铝材的进口量，有效地降 低了生产成本，创造了明显的经济效益。易拉罐生产中的原材料是铝材，在成本 中约占6 8 ，因而铝材用量的多少对企业的经济效益影响最大。采用轻量化技术 实施技术改造，可以大大减少材料的用量降低产品成本。因此，在符合产品质量 标准，满足产品的使用性能和客户的需求的基础上，采用新材料、新技术、新模 具，能够最大限度地减轻单罐克重，提高材料的利用率。 9 江苏大学工程硕士论文 第2 章易拉罐轻量化的现状及其发展趋势 2 1 易拉罐轻量化的概念及其含义 所谓“轻量化”就是使产品在符合质量标准和使用要求的前提下，尽可能 使产品生产所用的材料最少。因此，对于易拉罐轻量化，就是使易拉罐产品在符 合其产品标准g b 9 1 0 6 - 9 4 和客户要求的基础上，通过采用轻量化技术，使易拉罐 制造所用的材料( 包括原材料和工艺废料) 最少、单罐克重最轻的过程。 本课题研究过程中涉及的关键技术难点主要有三个方面，一是研制适合轻 量化的材料，确定其合金成分和性能，增加强度；二是通过罐体设计、罐底部形 状设计来设计轻量化新罐型，使之符合产品的技术标准，以满足用户的要求：三 是工装模具的设计和参数的确定。 目前作为碳酸饮料包装的易拉罐从材质上可分为铝质和钢质两种，同时轻 量化技术可以分别应用于罐体和罐盖，本文仅对铝质易拉罐罐体的轻量化技术在 生产实际应用方面进行研究。 2 2 国内外轻量化技术应用的现状 自从2 0 世纪6 0 年代国际上首批采用易拉罐包装的饮料投放市场以来，国 际上知名的制罐企业如美国波尔公司( b a l lc o r p ) 、美国皇冠公司( c r o w nc o r k s e a l ) 、英国c m b 公司等都在不断地进行轻量化研究，并推出了一系列的轻量 化罐型。通过对1 9 9 7 年一1 9 9 9 年美国、日本、亚洲、中国等市场上铝质易拉罐 罐型的调查( 见表4 ) ，对2 0 6 罐型国际上先进水平其使用铝材厚度为0 2 6 8 m m - - 0 2 7 5 n n 、罐重为1 1 2 7 克一“5 0 克，而我国的一般水平其使用铝材为厚度 0 ，3 0 5 m m 、罐重为1 2 5 0 克。对2 0 6 2 1 1 4 1 3 的3 5 5 m l 饮料、啤酒罐，目前国际 上已逐步用2 0 4 、2 0 2 罐型取代，这样不仅使易开盖的材料大幅下降( 分别下降 1 0 及2 0 ) ，而且也可迸一步使罐身铝材减薄0 0 1 5 o 0 2 0 m 。 江苏大学工程硕士论文 表4铝质易拉罐国际罐型调查表单位：厚度m i t t ，克重g 罐型美国日本亚洲中国 平均最小平均最小平均最小平均最小 2 9 6 厚度 0 2 7 9o 2 6 80 2 8 50 2 7 5o 2 9 50 2 7 8o 3 0 50 3 0 0 克重g 1 1 5 01 1 2 7l l _ 8 51 1 5 01 2 0 01 1 7 01 2 5 01 2 0 0 2 0 4 厚度 0 2 6 00 2 5 50 2 7 00 2 6 5 克重g 1 1 0 51 0 6 81 1 6 61 1 2 0 2 0 2 厚度 0 2 5 40 2 5 0 克重g 1 0 9 51 0 6 5 我国从1 9 8 5 年至1 9 9 0 年共计引进铝质易拉罐生产线1 3 条，在这一期间， 由于各家引进的技术来源不一而导致其先进性有差异，体现在罐型设计上主要有 以下三类： ( 1 ) 1 9 7 8 年的罐型“w i n v ”，使用的铝材厚度为0 3 5 0 m m ； ( 2 ) 1 9 8 3 年的罐型“d o l l y i i ”，使用的铝材厚度为0 3 3 0 m m ： ( 3 ) 1 9 8 5 年的罐型“r e m i ”，使用的铝材厚度为0 3 2 5 m m 。 华东制罐总厂1 9 8 6 年引进的是当时在国内处于先进的“r e m i ”罐型设 计，其使用的铝材厚度为0 3 2 5 m m ，起点较高。1 9 9 3 年引进的第二条生产线，同 时引进的罐型为n e 一1 ，使用铝材厚度为o 3 0 0 m m ，属9 0 年代初国际、国内最先 进的技术。但是随着制罐技术的目新月异的发展，该技术已逐渐失去了其先进性， 罐体厚度与目前国外先进水平的o 2 7 0 r a m 分别相差o 0 5 5 m m 和0 0 3 0 m m 。因此， 代表着我国制罐业先进水平的华东制罐总厂与世界上同行业先进水平相比仍然 存在相当的差距。 2 3 易拉罐轻量化技术的发展趋势 ( 1 ) 罐底部再成形 罐底再成形可以进步减少料厚。大量的材料用于罐底，不断地减少料厚 需要更复杂的罐底形状，以满足耐压要求。如此复杂的罐底形状可能带来生产上 的问题、降低生产线效率、产生质量问题。罐底再成形就是在罐生产结束后进行 江苏大学工程硕士论文 罐底再次成形。这就避免了罐体成型产生的问题( 底模结构的复杂和制造的困难 等) 以及内涂料难已喷到罐底的某些表面。罐在通常的生产线上制造成普通的底 型。在流程终端，最后进行罐底再成形，以形成较强的耐压的底型，见图2 。同 时，再成形亦可减少罐的拉伸长。 ( 2 ) 罐口缩径的发展： 将两级预缩径( 2 0 7 5 ) 模改成三级预缩径，可使加工中的每个工位的轴 向载荷从l _ 7 8 k n 减少到0 8 9 k n ，这样就允许使厚壁厚度从0 i 7 8 r r 减少到 0 1 6 5 m m ，而薄壁厚度从0 11 4 r a m 减少到0 1 0 2 m m 。 采用c m b 公司的旋转缩径翻边机以及a n c 和b e l v a c 公司的光滑缩径机甚 至能缩2 0 4 和2 0 2 口径的罐，这样既能减少罐壁厚度，又能使缩径和翻边质量大 大提高。 1 2 江苏大学工程硕士论文 b ) a n c 公司方结 冈2 檐底部再成弼示意图 江苏大学工程硕士论文 第3 章易拉罐轻量化技术的应用研究 3 1 轻量化技术实掩过程中的“效益悖反现象”分析 实施轻量化技术的目标是为了降低板料厚度，减轻单个易拉罐的重量，从而 降低总体生产成本，提高企业经济效益。但是，轻量化技术的实施受到众多因素 的制约，如：材料的性能、罐型设计、制造工艺、卷4 造装备等。因此，轻量化在 材料厚度5 圈 实施过程中存在“效益悖反现象”。也就是说，在现有技术和生产条件下，当板 料厚度降低到定极限后，生产成本非但不能降低，反而会显著增加。 如图所示： 曲线a 表示在不考虑废品率的情况下，板料厚度与生产成本之间的关系。显 然，板料厚度和生产成本之间为线性关系，材料厚度越小，生产成本越低。 曲线b 表示板材厚度与废品率( 即生产成本) 之间的关系。材料厚度和废品 率之阈为非线性关系。在现有技术和生产条件下，板料厚度降低到一定程度，产 品的废品率将显著提高，从而大幅度增加生产成本。 曲线c 为综合考虑多种制约因素的情况下得出的板料厚度和生产成本之间的 关系。由此可以看出，在现有技术和生产条件下板料厚度的降低存在一个极限( 曲 线c 中p 点) 。 江苏大学工程硕士论文 3 2 实施轻量化必须考虑的约束条件 ( j ) 罐口修边余量至少必须保持3 4 i n t o ，以防止缩径的褶皱和翻边裂纹。 ( z ) 罐体侧壁必须尽量减薄，但必须满足产品标准中轴向抗压力大于1 2 5 k n ( 注：2 0 0 1 年版的新国际中已降低到l o o k n ) 和用户的最低要求1 1 1 k n ，因为 侧壁的减薄可能减少轴向抗压强度。用户的最低要求侧壁厚度为0 1 0 2 m m ( 如可 口可乐公司) 。 ( 3 ) 罐底底型必须满足最低的耐压要求( 6 1 0 k p a ) 以及跌落试验的要求( 7 ” 英寸) 。 ( 4 ) 壁厚越薄越经济，但制罐厂必须保证空罐及实罐在输送线上、流通环节 及运输过程中的安全。 ( 5 ) 铝材供应商必须严格控制铝卷材厚度公差。 ( 6 ) 生产线的生产效率和废品率必须保持与轻量化前一致的水平。 3 3 轻量化技术的实施途径和解决方案 3 3 1 罐用铝材料 ( 1 ) 国内外发展概况 铝质易拉罐自投放市场以来深受人们的欢迎，在美国、日本等发达国家发 展迅猛。特别是进入2 0 世纪8 0 年代以后，更取得了长足的进展，在世界饮料包 装市场上已占据了绝对优势，其用途也急剧扩大，并己进入非碳酸饮料及食品罐 头领域。据报道，1 9 9 3 年全球共消耗铝质易拉罐超过1 4 0 0 亿个，用去罐材3 0 0 万吨左右；预计2 0 0 0 年将增加到2 4 0 0 亿个，罐材用量将达5 0 0 万吨。这种发展 趋势，为铝罐板材的生产创造了良好的机遇，促进了研究和开发易拉罐材料瓤技 术。易拉罐用铝板材已是工业发达国家铝板带行业的主导产品。罐材的生产是高 精技术，随着制罐技术的进步，罐材厚度正朝着越来越薄的方向变化，其厚度已 由6 0 年代的0 5 5 0 m m 减至目前的0 2 7 0 r a m ，将来可能减少到0 2 2 0 m m ，这对材质 的要求也越来越严格。国外另一发展方向是研制能制造罐身、罐盖和拉环均通用 的铝合金。 我国铝质易拉罐生产始于8 0 年代中期，是近十余年来堀起的新兴行业。截 江苏大学工程硕士论文 至2 0 0 0 年，我国引进的易拉罐生产线已达3 2 条，年产量可达l1 0 亿个，年需铝 材2 5 万吨。据报道，2 0 0 0 年实际产量为近7 ( ) 亿个但目前易拉罐用铝材大部 分依赖进口，1 9 9 l u - t 9 9 6 年共进口近7 0 万盹，其中1 9 9 5 年达】0 万吨，1 9 9 ( 5 年 达1 2 万吨，年平均递增率为3 0 5 ，2 0 0 0 年达1 4 万吨，每年需耗大量外汇。 f 2 ) 生产特点及性能要求 铝质易拉罐目前采用三种不同的铝合金板材，罐体采用3 0 0 4 h 1 9 铝合金特薄 板带罐盖用5 1 8 2 h 1 9 5 3 铝合金，拉环用5 0 8 2 h 1 9 铝合金。对于罐体铝材，若从制 罐角度考虑，其最大特点是在冷轧状态下经拉深、深冲减薄壁厚( d i 法) 成形的， 材质必须具有优良的深冲变形性能( 延伸率6 3 9 6 制耳率e 4 呦，其理想的组织 应具有无织构、晶粒组织细小且等轴均匀、过剩相质点不沿压延方向排列等：若 从用罐角度考虑，应具有较高的强度( o 2 7 5 2 8 5 m p a ，o0 2 2 7 0 2 8 0 m p a 罐 身轴向承压强度i 2 5 k h ，罐底耐压强度6 1 0 k p a ) ：从节约材料、降低成本角度 考虑，应具有罐体厚度薄和低的制耳率。可见其制罐、用罐对材料的组织和性能 的要求极为严格。 ( 3 ) 研究应用中存在的主要问题及解决途径 ， 目前我国易拉罐材生产存在两个主要问题：一是轧制加工设备及工艺较落后， 二是材质的纯净度低，内部组织差。近年来研究的注意力在前者，而忽视了系统研 究提高铝材内在纯净度、改善铸造组织的途径等，在罐体铝材研究中，主要研究在 固态下的各种处理( 包括均匀化、- p 间退火、轧制工艺等) ，某些关键性能指标( 深 冲变形性能、制耳率等) 难以满足制罐、用罐要求。因此，制罐板材主要仍靠迸 口市场长期被美、日、法等占领。由于易拉罐铝板材在强度、深冲性、厚薄等 方面均有很高要求，而它们又相互矛盾、相互制约，所以生产优质的制罐铝板材的 难度很大，目前只有美、日、德、加、澳等发达国家能生产优质的3 0 0 4 h 1 9 铝合 金制罐板。为适应国内引进的制罐线用铝材的需求，解决其国产化问题，国家曾将 生产易拉罐用铝材列入“七五”重点攻关课题，引进了设备、开展了研究试制， 已取得了一定的成绩，但目前仅有东北轻合金加工厂和西南铝加工厂可生产，且 产量仍很少。尽管一些主要性能如强度、罐底耐压等可达到要求，但其内在的冶 金质量仍有待提高，深冲性( 延伸率、制耳率等) 与国外相比还有一定差距且制罐 成品率较低，缺乏市场竞争力，尤其是降低制耳率问题仍是目前铝板材生产赶超 世界先进水平的困难之。 江苏大学工程硕士论文 今后应加强提高铝材冶金质量及变形性能等方面的研究，尤其应从以下几方 面进行综合考虑：严格控制杂质元素f e 、s i 等含量及f e s i 比值，以便改善罐体 的抗压强度，并防止制罐中缩颈的折皱和翻边裂痕等缺陷的产生：严格控制熔炼 过程。尤其是应进行有效的熔体处理尽可能降低铝中的夹杂物和氢的含量，并细 化铸造组织，以利于其变形加工和立方织构的形成：同时应在铸造方法、铸锭均匀 化遐火、中间退火等方面进行改进，尽可能降低制耳率：在板坯热轧及冷轧等工艺 方面也应严格控制铝板材的形状和尺寸精度。 在本课题研究中，罐体制造的铝材为3 铝锰系的变形铝合金。轻量化 前采用罐体材料为3 0 0 4 h 1 9 ，由于其不能满足轻量化后的罐体性能要求经过多 次试验确定轻量化时采用3 1 0 4 h 1 9 材料，与原3 0 0 4 h 1 9 材料相比其化学成分中 除了增加了硅和铁的比重外，还增添了0 1 0 的t i 和0 0 5 的v ，以增加材料的 强度和延伸率。 实际生产中使用的美国a l c o a 公司k a a la s i al t i ) 3 1 0 4 h 1 9 铝材，其机械 性能和化学成分如表5 。 表5 机械性能 抗拉强度u t s屈服强度t y s延伸率m )制耳率( ) 3 1 0 4 2 9 5 - - 3 2 5 m p a2 7 0 - - 3 0 0 m p a 43 平均 3 0 8 1 22 8 2 3 56 21 7 0 化学成分 其他 s if ec um n m g z nvt i单个合计a 1 m a x0 6o 80 2 51 41 3o 2 5o 0 50 o 0 50 1 5余 1量 m i l lo 0 50 80 8o 0 5o 1 5 v g0 2 0o 3 70 1 70 8 6 9l1 9 60 0 50 0 10 0 0 50 1 5 5l570 2 江苏大学工程硕士论文 从上述化学成分和机械性能可以看出，为了实现轻量化，调整了化学成分， 增加了机械性能。同时对材料的公差作了严格的要求，厚度公差由o 0 0 8 m m 调 整到0 0 0 5 m m 3 3 2 工艺分析 以下对轻量化所涉及的“冲杯”、“罐体成型”、“缩径”三工序进行分析： ( 1 ) 冲杯工序 冲杯为“落料”一“拉深”复合工序拉深时将落料外部边缘的材料沿着径向形 成杯。因此在塑料流动区域的单元体为双向受压，单向受拉的三向应力状态， 见图3 ，由于受冲头( 凸模) 鼻头圆弧和拉深凹模圆弧的作用。杯下部壁厚约 减薄1 0 ，而杯口增厚约2 5 ，杯转角处的圆弧大小对后道工序( 罐体成形) 有一定的影响，若控制不好，将产生断罐，因此必须考虑如下因素：杯的直径 和拉深比、冲头凸模圆弧、拉深凹模圆弧、铝材的机械性能、模具表面的摩擦 性能、材料表面的润滑、机器操作的速度、突耳率、模具的间隙等等。同时还 要考虑制耳率问题。突耳的产生主要由两个因素所确定：一是金属的性能，二 是冲杯模具的设定。突耳出现在杯的最高点同时也是最薄点，将会对罐体成型 带来问题，造成修边不全( 在限定最小的修边余量为3 4 f i l m 时) ，使废品率增 高。 基于以上的分析，我们选择的主要参数如下： 拉深比：( 落料直径一冲头直径) 落料直径* 1 0 0 = 3 6 5 5 “ 落料直径o p = 1 4 0 2 0 0 4 r a m 0 o l m m 杯直径d c = 8 8 9 5 1 m m 1 s 江苏大学工程硕士论文 拉伸过程中金属拉长 j c 。 动区 耪仲过 拉 牟过 拉仲过程中垒属 圈3 冲杯过程中受力状况示意图 江苏大学工程硕士论文 ( 2 ) 罐体成型工序 ( ”变薄拉伸工艺分析 典型的铝罐拉伸、变薄拉伸过程见图4 变薄拉伸过程中受力状况见图5 。 在拉伸过程中集中在凹模口内锥形部分的金属是变形区，而传力区则为通过凹 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，从而导致拉伸工艺的失败。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主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 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工艺顺利进行的关 键。在成形过程中，影响金属内部所受拉应力大小的因素有很多，其中凹模锥角 的取值直接关系到变形区金属的流动特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。可以借助于计算机进行模拟分 析。 根据资料记载( 变薄拉伸工艺中凹模锥角的计算机模拟优化王嘉等著， 模具工业9 2 0 0 2 ) 结合某厂一弹体变薄拉伸工序实例，应用美国m r c 公司专 门为锻造镀域设计的有限元软件对其成形过程进行了模拟分析，模拟材料选用 2 0 c r k n ，网格划分数为2 5 ，节点数为3 1 2 ，材料的加热温度为8 0 0 c ，凹模预热 温度为3 0 0 4 c ，凸模预热温度为2 5 0 c ，摩擦因数0 2 。模拟选取的凹模半锥角 度数值n 分别为l o 。、1 5 。和3 0 。变薄拉伸时，由于材料的变形区集中在凹 模口锥角处所以n 角的大小直接影响着变形区的性质。当。较小时，变形区的 范围比较大，金属易于流动网格的畸变小，随着a 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。通过对等效应变图和等效应力 图的分析，可以得出：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，通过对不同锥角下成) r 臣l y f 须的拉伸力的对比分析。可以看出 在。较大或较小时都会引起拉伸力的增加，其原因在于当n 较大时，金属流动急 江苏大学工程预士论文 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a 减小时，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，因此网格畸 变虽小，总拉伸力却增大。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问的摩擦状况。 通过以上对应力、应变以及金属流动情况的分析可以得出，凹模锥角的大 小关系到变形区金属的流动性质、应力太小以及摸具的受力情况。因此，凹模锥 角合理范围的确定对拉伸工艺有着重要的意义，结合模拟结果和实践经验，对于 2 0 c r m n 材料其合理取值范围在a = 1 2 。- 2 0 。 根据十几年我们使用3 0 0 4 h 1 9 铝板材的制罐经验，对于3 1 0 4 h 1 9 材料，我们 研究的结果，其凹模锥角合理取值范围在u = 5 。- 8 。 江苏大学工程硕士论文 原 图4 _ 典型前铝罐拉伸一变蒋拉伸过程示意图 3 7