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铝质易拉罐轻量化的罐型分析与模具改进_叶凯

作者:万博  来源:万博manbetx官网  时间:2019-11-05 14:58  点击:


  铝质易拉罐轻量化的罐型分析与模具改进_叶凯_材料科学_工程科技_专业资料。模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 29 ————————————— 收稿日期: 2011-08-29。 基金项目: 福建省教育厅科技项目 (JB09280) 。 作者简介: 叶 凯

  模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 29 ————————————— 收稿日期: 2011-08-29。 基金项目: 福建省教育厅科技项目 (JB09280) 。 作者简介: 叶 凯 (1965-) , 男, 福建厦门人, 副教授, 主要从事模 具 CAD/CAM/CAE 研究与机械设计的教学工作, 地址: 福建省漳 州市马鞍山路一号漳州职业技术学院, (电话) , (电子信箱) 。 冲 模 技 术 铝质易拉罐轻量化的罐型分析与模具改进 叶 凯 (漳州职业技术学院,福建 漳州 363000) 摘要: 基于 CAD/CAE 技术对铝质易拉罐如何轻量化进行分析, 在找出旧罐型缺陷的基础上, 设计出适 合较薄铝板料成形的新罐型, 介绍了对落料拉深模、 变薄拉深模与缩口、 翻边模结构进行改进的要点, 为铝质易拉罐铝材减薄提供了有效的解决方案, 对易拉罐实现轻量化具有一定参考价值。 关键词: 轻量化; 易拉罐; 拉深模; 生产工艺 中图分类号: TG76;TG386.2 文献标识码: B 文章编号: 1001-2168(2012)01-0029-07 Analysis of lightweight aluminum tinplate can type and improvement of die YE Kai (Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou, Fujian 363000, China) Abstract: CAD/CAE-based analysis was made on the lightweight of aluminum tinplate cans. A new can type was designed for the shaping of thinner aluminum plate. And the key points for improving the structure of blanking and drawing die, ironing die, necking and flanging die were presented. Key words: lightweight; tinplate can; drawing die; production process 1 引 言 铝质易拉罐以其精美的外观、 方便的使用及绿 [1] 2 易拉罐成品及生产工艺 图 1 为易拉罐外形尺寸, 罐口尺寸主要用于灌 色环保等特点广泛应用于饮料、 啤酒行业 。 易拉罐的主要原料是铝质薄板, 其成本占材料 总成本的 70% 左右, 最大限度地减轻单罐质量, 提 高材料的利用率, 是易拉罐生产企业降低生产成本 [2] 的重要手段 。由于铝制易拉罐的成形是由铝合金 装时罐体与罐盖的配合。 薄板拉深而成, 降低所用铝合金薄板厚度, 也就降 低了单罐所用的铝材质量, 易拉罐所用铝合金薄板 的厚度每降低 0.01 mm, 单罐耗用铝材成本就降低 约 0.006 元, 以一个厂家年产 5 亿只易拉罐进行核 算, 每年即可降低成本 300 万元, 降低所用铝合金薄 板厚度就成为易拉罐轻量化的重要措施。 图1 易拉罐外形尺寸 压强度、 底 部 耐 压 强 度 均 应 满 足 国 标(GB/ [3] T9106-2001) 所列要求 。 成品罐体外形尺寸 A、 B、 C 和罐体承受轴向承 易拉罐生产工艺主要由拉深成形、 罐体表面处 30 理、 印刷、 在线检测、 包装工序等组成, 易拉罐拉深 工艺中各道成形工序加工后形状如图 2 所示。 3 基于 CAD/CAE 技术的易拉罐轻量化方案设计 应用 CAD/CAE 技术对旧罐型进行研究, 分析其 模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 计, 使生产出来的罐体结构尺寸、 物理指标符合国 家标准要求, 达到罐体轻量化目的。CAD/CAE 技术 的应用改变了过去主要依靠工艺试验发现产品缺 陷的传统做法[4], 使易拉罐轻量化过程有明确的改 进方向, 减少技术风险,使整体设计方案得到优 化。 用料量及应力分布, 找出其存在的缺陷, 设计出适 合于减薄材料的新罐型, 在此基础上改进拉深模设 (a) 落料拉深 (铝杯) 图2 (b) 变薄拉深 罐体各道成形工序加工后形状 (c) 修边 (d) 缩颈翻边 3.1 旧罐型分析 根据图 3 所示旧罐型(以 B86 为例, 板料厚度为 3.1.1 旧罐型用料分析 0.30 mm) 的形状及尺寸, 采用 0.28 mm 厚铝板料, 应 用 Autodesk Inventor 对罐体变薄拉深、 修边后的罐体 及修边废料环进行实体造型, 模型罐体 ( 包括废料 环)材料体积 (质量) 大于毛坯材料体积 (质量) , 也就 薄拉深模无法拉出完整的罐体。 3.1.2 旧罐型物理性能的有限元分析 是说, 当用料厚度减为 0.28 mm 时, 采用旧罐型的变 根据图 3 所示罐体的实体造型, 运用 ALGOR 有 (a) 罐体三维造型 限元分析软件对成型罐体的轴向承压强度和耐压 强度进行分析, 罐体材料为 3104H19 铝合金, 屈服 [5] 强度为 260 MPa 。 (1) 罐体的耐压强度分析。 体模型。 a. 选择 ALGOR-FEMPRO 命令, 打开成品罐实 精度且使分析正常进行, 模型网格设置中网格粗细 (mesh size) , 即为 80%。 c.设置材料性能参数。 图3 变薄拉深、 修边后的罐体及修边废料环 (b) 罐体底部形状 b. 划分网格。由于罐体是薄壁件, 为保证分析 准, 罐体内部耐压强度应大于等于 610 kPa[3], 因此 和约束示意图如图 4 所示。 d.载荷和约束。根据 GB/T9106-2001 推荐的标 对罐内施加 610 kPa 的压力, 约束设置在罐口, 载荷 e. 应力分析运算。通过应力分析运算, 罐体的 等效应力分布如图 5 所示。 的等效应力, 等效应力的大小对塑性材料构件强度 的评估具有直观的指标性意义, 根据 von Mises 屈服 f. 罐体的耐压强度分析。图 5 显示了罐体各点 模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 准则, 对于塑性材料, 构件在任何一点的等效应力 都应小于屈服强度, 否则, 构件将发生屈服, 导致构 件失效。由图 5 可见, 罐体在 610 kPa 的内部压力作 用下, 其等效应力较大值的分布点在罐薄壁段、 罐 268 MPa, 最大应力点位于罐壁和罐底过渡部分, 罐 壁与罐底部的过渡部分, 等效应力 σe 最大值等于 体最大等效应力大于铝材的屈服强度。由模拟分 析可以看出, 使用 0.28 mm 铝板时罐体底部会发生 屈服。 (mesh size) , 即为 80%。 c.设置材料性能参数。 31 准, 罐体承受轴向承压力的强度应大于等于 1 kN, 因此, 对罐口施加 1 kN 的轴向压力, 约束设置在罐 体底部, 载荷和约束示意图如图 6 所示。 d.载荷和约束。根据 GB/T9106-2001 推荐的标 图 6 罐体轴向载荷和约束 图 4 罐体内部充压和约束 等效应力如图 7 所示。 e. 应力分析计算。通过应力分析计算, 罐体的 f.罐体轴向承压强度分析。由图 7 可见, 罐体在 1 kN 的轴向压力作用下, 其罐体等效应力 σe 最大值 度, 罐体不会发生屈服。 等于 115 MPa,罐体最大等效应力小于铝材的屈服强 由模拟分析可以看出, 使用 0.28 mm 铝板时, 用 旧罐型制作的模型仍有较高的轴向强度。 图 5 罐体的等效应力分布 (耐压强度) (2)罐体的轴向承压强度分析。 在实验室测试罐体的轴向承压强度时, 是使用 压力机对罐口施加压力来进行的, 为了使模拟更接 近实际, 在 ALGOR 分析中, 采用面接触的方式进 行。 a. 选择 ALGOR-FEMPRO 命令, 打开成品罐实 b. 划分网格。由于罐体是薄壁件, 为保证分析 图7 罐体的等效应力分布 (轴向强度) 体模型。 有限元模拟分析可以得出: 若保持罐型不变, 无法 综上所述, 当采用 0.28 mm 厚度的铝板时, 通过 拉深出完整的罐体, 旧罐型罐底部边缘的耐压强度 不满足设计要求, 必须设计出新的罐型。新罐型用 精度且使分析正常进行, 模型网格设置中网格粗细 32 料比旧罐型少, 罐底部边缘的耐压强度比旧罐型 高。 3.2 新罐型设计与分析 由罐体的等效应力分布可以看出, 罐口是应力 模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 10.65 mm 减小为 10 mm。圆弧 R1、 R2、 内壁圆弧 R3、 拱 形 球 面 半 径 SR 沿 用 旧 罐 型 尺 寸 , 分别取值 SR1.15 mm、 SR1.52 mm、 SR1.88 mm、 SR52 mm。优化 的罐底形状, 虚线表示旧罐底形状。 前、 后的罐底形状如图 8 (b) 所示, 实线表示优化后 根据以上分析及改进设计新罐型, 并进行实体 造型。应用 ALGOR 软件对新罐型的轴向承压强度 和耐压强度进行分析验证。图 9 显示了罐体在 610 强度, 说明罐体不会发生屈服。图 10 显示罐体在 1 kPa 的内部压力作用下罐体各点的等效应力分布, 等效应力σe 最大值为 243 MPa, 小于 3104H19 的屈服 kN 的轴向压力作用下, 其罐体等效应力σe 最大值为 屈服。 3.2.1 减少罐体材料用量 较小的部位, 因此, 把罐壁厚度减少 0.005 mm, 罐口 mm , 小于毛坯体积, 符合用料要求。 3 厚壁长度缩短为 13.6 mm, 测量模型体积为 4 105 3.2.2 优化罐体底部形状提高罐底强度 根据罐体的等效应力分布 (见图 5) 可以看出, (1) 减小罐底直径 D(见图 8 (a) ) , 罐底直径由 1 板料减薄后, 罐壁和罐底过渡部分材料会发生屈 服, 采取以下措施可有效增强底部强度。 131 MPa, 小于 3104H19 的屈服强度, 罐体不会发生 ?51.56 mm 减小为?48.36 mm。 (2)α角若大于 40°, 将会大大减小罐底压力, α角 取 61°为最佳值。 (3) 减小罐底沟内壁夹角 β, 将增加底沟强度, β 取 3°为最佳值。 (4) 加大罐底部边缘反向成形的变形量, 如图 8 (b) Ⅰ处放大所示。 图9 新罐体的等效应力分布 (耐压强度) (a) 罐底尺寸 图 10 (b) 新旧罐底形状对比 图 8 罐底形状 新罐体的等效应力分布 (轴向强度) [3] 符合国家标准的新罐型的罐体 。 分析表明, 可以用厚度 0.28 mm 的铝板生产出 考虑到罐体拱形底在载荷状态下等效应力在 100 MPa 左右, 与材料屈服强度相比, 处于较安全状 态, 因此适当减小了拱形底的深度 D (见图 1) , D由 4 模具结构改进 为生产新罐型的罐体, 需重新设计拉深模和缩 口、 翻边模。 模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 4.1 落料拉深工序模具结构改进 落料拉深工序是一道复合冲压工序, 包括落料 4.1.2 落料模结构改进要点 凹模 3 直径取 ?139.96 +0.076 0 33 落料凸、 凹 模 单 面 间 隙 取 板 厚 的 10%[10], 即 mm, 采用斜刃, 刀刃在 0 -0.076 和拉深。 4.1.1 落料拉深模设计 察, 图中未画卸料板) 。 设计的落料拉深模结构如图 11 所示 (为便于观 0.028 mm, 落料凸模 5 直径取 ?139.89 4.1.3 拉深模结构改进要点 mm; 落料 [5] 0°、 90°、 180°、 270°四个方向沿径向倾斜 2° 。 成。经计算和试验, 拉深系数取 0.621, 拉深凸模 1 凹 模 5 直 径 取 ?87.00 mm。 4.2 图 11 +0.076 0 拉深模由拉深凸模 1、 拉深凹模 5 和压边圈 2 组 mm, 圆 角 半 径 取 R3.056 直径取?86.40 0 圆角半径取 R3.175 mm, 拉深 -0.076 mm, 变薄拉深模结构改进 变薄拉深是再拉深、 三道变薄拉深及罐底部成 形组合在一起的复合工序, 在压力机滑块一次行程 落料拉深模结构 3. 落料凹模 4.卸料板 1.拉深凸模 2.压边圈 中完成, 变薄拉深过程如图 12 所示。变薄拉深模是 4.2.1 变薄拉深模结构设计 [5] 具备再拉深、 变薄拉深、 反向拉深功能的组合模具 。 5.落料凸模 (拉深凹模) 6.板料 (a) 铝杯 (b) 再拉深 (c) 一道变薄拉深 (d) 二道变薄拉深(e) 三道变薄拉深(f) 底部成形 图 12 变薄拉深过程示意图 (g) 修边 4.2.2 再拉深模结构改进要点 变薄拉深模结构如图 13 所示。 再拉深的作用是将上道工序的铝杯拉深为内 径尺寸等于成品罐内径尺寸, 为变薄拉深准备毛 坯。再拉深的拉深系数设为 0.764。拉深凸模 7 与 再拉深模环的间隙取 0.325 mm; 再拉深模环 3 内径 1.冲杆 2.压边圈 3.再拉深模环 4.第 1 道变薄拉深凹模 7.拉深凸模 8.锁紧螺栓 9.铝罐 图 13 变薄拉深模结构 10.罐底模 11.底模压边圈 5.第 2 道变薄拉深凹模 6.第 3 道变薄拉深凹模 34 [5] 取?66.67 mm, 圆角半径取 R5.02 mm 。 模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 4.2.3 变薄拉深模设计要点 [6] 0.594 。变薄拉深凹模 4、 5、 6 的锥角 α 取 10°±0° 30?, 刃带宽度取 0.635 mm。 拉深凸模 7 是改进的重点, 它既是再拉深的凸 三 道 变 薄 拉 深 的 系 数 分 别 取 0.769、 0.720、 模、 变薄拉深的凸模, 也是罐底起伏成形、 反向拉深 复杂的近似圆柱面。图 14 中 L 段是直筒圆柱面, 拉 深凸模直径以该段直径 D 为标准, L 段右侧以 1° 的 的凹模, 如图 14 所示。拉深凸模的外表面是一个较 圆锥面与罐底成形部分衔接, 采用圆锥面的目的是 为了加厚该段罐壁的厚度。L 段左侧端部有一段长 的圆柱面, 这是为了加厚罐口处的壁厚, 便于后续 缩颈、 翻边工序的顺利进行。改进后的拉深凸模 L2 加长 1.6 mm, 也就缩短了罐口厚壁部分长度, 节省 求设计, 可增加罐体底部强度。 4.3 缩口、 翻边模结构的改进 缩口、 翻边模由模芯和凹模组成 , 整体式缩口 [7] 度为 6.35 mm 的锥度, 之后形成半径减小了 0.06 mm 用料。拉深凸模 7 的头部按优化的罐体底部形状要 图 14 变薄拉深凸模结构 底耐压等可达到要求, 但其内在冶金质量仍有待提 [8] 高, 拉深性能与国外同类产品相比还有一定差距 。 凹模结构如图 15 所示。由于采用了 0.28 mm 厚度的 各道模芯外径相应加大 0.10 mm。 5 结束语 铝材, 罐口厚度由原来的 0.170 mm 减为 0.165 mm, 0.01 mm, 对铝板的生产厂家同样意味着技术的革新 和大资金的投入, 国内罐用铝板生产厂家必须与铝 板使用厂家密切配合, 加大研发力度, 才能与全球 铝加工行业的发展保持同步, 不断满足罐厂发展的 需求。 断拉动易拉罐生产厂家的技术进步, 从凸、 凹模间 造, 再到新罐型的设计及配套生产线技术改造, 技 术进步从简单到复杂。在这一过程中, 新罐型的设 计是核心技术, 它牵涉到铝材、 模具、 设备、 工艺以 (3) 新罐型的设计。采用更薄的罐用铝板, 不 (2) 铝厂、 罐厂协作。罐用铝板厚度每减薄 以上分析为铝质易拉罐铝材减薄提供了有效 的解决方案, 对易拉罐的轻量化具有一定的指导意 义。 在铝材减薄实施过程中, 有以下几方面的问题 需进一步探讨: 可以生产易拉罐用铝板料, 一些主要性能如强度、 罐 (1) 提高材料性能。目前国内一些铝加工厂已 隙的调整, 到工艺和模具结构的改进以及设备的改 图 15 整体式缩口凹模结构 2.模芯 3.罐体 1.凹模 模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期 35 浮动凹模在变薄拉深模中的应用 聂兰启 1,汪发春 2 (1.山东红旗机电有限公司, 山东 潍坊 261031; 2.北京有色金属研究总院, 北京 100088) 摘要: 针对传统固定式变薄拉深凹模在拉深时工件的壁厚差往往达不到设计要求的缺陷, 分析了工件 壁厚超差的原因, 提出了采用浮动式变薄拉深凹模的措施, 通过使用, 工件的壁厚差完全达到设计要 求。介绍了变薄拉深模结构及工作过程, 并给出了变薄拉深凹模浮动量的确定方法。 关键词: 壳体; 变薄拉深; 拉深模; 浮动凹模 中图分类号: TG76;TG386.2 文献标识码: B 文章编号: 1001-2168(2012)01-0035-04 Application of floating matrix in ironing drawing die NIE Lan-qi1, WANG Fa-chun2 (1.Shandong Hongqi Electromechanical Co., Ltd, Weifang, Shandong 261031, China; 2.General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China) Abstract: When traditional fixed ironing drawing matrix was drew, the wall thickness differ? ence of workpiece couldn’ t meet design requirements. This problem was analyzed and a floating ironing drawing matrix was designed. The structure and working process of the ironing drawing die was presented and the floating amount was determined. Key words: shell; ironing; drawing die; floating matrix 1 引 言 图 1 所示壳体是某产品上的一个重要零件, 零 壳体为一典型不等壁厚带台阶锥形件, 由小圆 件材料为 2A12, 零件生产批量较大, 年产 5 万件。 管、 大圆管和圆锥形组合而成, 最 大 壁 厚 为 2.75 mm, 最小壁厚为 1.3 mm, 壁厚相差较大, 为保证设计 ————————————— 收稿日期: 2011-08-18。 作者简介: 聂兰启(1965-), 男, 山东莒南人, 高级工程师, 主要从 事金属塑性成形工艺编制及模具设计工作, 地址:山东省潍坊市 北宫东街 51 号山东红旗机电有限公司, (电话) , (电子信箱) 。 图1 壳 体 要求, 必须采用变薄拉深达到零件各处壁厚要求。 工业,2010,36(4):38-41. 及饮料、 啤酒厂家的封罐设备等因素, 新罐型的研 罐型, 各罐厂有偿使用。 参考文献: [1] 江 2006(2):70-72. 鸿, 向 群. 铝罐生产技术和市场发展 [J]. 中国包装, 发需要较大的投入, 建议由行业协会牵头编制系列 [5] 温莉敏, 王贤才, 王益民. 间隙与精冲质量的关系研究 [J]. [6] 邬移华, 胡成武, 倪正顺. 筒形件极限拉深系数的优化 [J]. [7]叶 模具工业,2010,36(5):36-40 业,2002,28(12):29-31. 凯.薄壁件多道缩口工艺分析及模具设计[J].模具工 模具工业,2010,36(2):33-35. [2] 韩向东, 李志见. 铝质易拉罐轻量化技术探讨 [J]. 轻工机 [3] 朱丽萍.GB/T 9106-2001 包装容器铝易开盖两片罐 [M]. [4]伍世棋,阳湘安.基于 CAE 的车身支撑板冲模设计[J].模具 北京:中国标准出版社,2001:1-6. 械,2003(4):92-96. [8] 马全仓. 国内外 3104 深冲铝板织构对比分析 [J]. 轻合金 [9] 王孝培. 实用冲压技术手册 [J]. 北京: 机械工业出版社, 2001:23-189. 加工技术,2008(36):32,42,52.

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