铝质易拉罐轻量化的罐型分析与模具改进_叶凯

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。
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
ϕ51.56 mm 减小为ϕ48.36 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。
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引 言 铝质易拉罐以其精美的外观、 方便的使用及绿
［1］
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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。
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。
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。
模具工业 2012 年第 38 卷第 1 期
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————————————— 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） 0596-2660135， （电子信箱） fjzzyk@。
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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 ϕ139.96
+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
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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
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
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
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
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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。
（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。
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
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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 ϕ139.89 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° 。
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。
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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