1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 数值模拟技术在新型金属易拉罐成形工艺中的应用 1 引言 近年来，易拉罐的消耗量急剧上升，然而现在的易拉罐一般为铝制易拉罐，所以在易拉罐消耗的同时铝的消耗也在不断的上升，为了减少铝的消耗，世界各国都在不断的努力改进铝制易拉罐，比如像降低壁厚，这是不叫有效地一种方法，虽然单个所减省的材料不是很多，但是如果在数量上比较庞大的话，所减省的材料就显而易见了。所以在未来的设计中，如何降低铝的使用量，减少不可再生资源的使用，将成为设计的重点，实现真正的可持续发展设计。 2 铝制易拉罐的概述 2.1 铝制易拉罐的发展史及其现状 易拉罐最初是在美国发明的，它继承了以往罐
2、形的造型设计特点，在顶部设计了易拉环。这是一次开启方式的革命，给人们带来了极大的方便和享受，因而很快得到普遍应用。到了 1980年，欧美市场基本上全都采用了这种铝罐作为啤酒和碳酸饮料的包装形式。随着设计和生产技术的进步，铝罐趋向轻量化，从最初的 60克降到了 1970年的 21 15克左右。 1959年 ,美国俄亥俄州帝顿市 DRT公司的ERNIE.C.FRAZE(艾马尔 克林安 弗雷兹 )发明了易拉盖 ,即用罐盖本身的材料 经加工形成一个铆钉 ,外套上一拉环再铆紧 ,配以相适应的刻痕而成为一个完整的罐盖。这一天才的发明使金属容器经历了 150年漫长发展之后有了历史性的突破。同时 ， 也为制罐
3、和饮料工业发展奠定了坚实的基础。易拉罐发源于美国又盛行于美国 4。 美国是世界铝饮料罐的最大生产国和消费国。美国铝罐使用数量 1984年超过620亿只， 1987年超过 700亿只， 1988年超过 800亿只， 1990年超过 900亿只， 1994年超过 1000亿只。美国铝易拉罐主要用于 包装 饮料，如 1992年饮料铝罐量为 928亿只，占当年饮料罐总量 957亿只 的 97，铁皮罐仅为 29亿只、占 3。 2001年美国啤酒和软饮料铝罐用量为近 1000亿只，其中软饮料罐 640亿只，啤酒罐 330亿只。日本铝罐的产量已经连续多年增长，从 1985年的 30亿只分别增加到 1987年
4、的 55亿只、 1989年的 81亿只、 1991年的 102亿只、 1993年的 118亿只、 1995年的 159亿只和 1997年的 166亿只，铝罐的大部分是啤酒罐，如 1997年为 95亿只、占57， 碳酸饮料 罐有 35亿只、占 21，其他饮料罐 30亿只、占 18。从上世纪80年代中期以来，欧洲饮料罐市场一直呈现稳定增 长之势。 1990年，欧洲饮料罐消费量第一次超过 200 亿只， 1993年达 250亿只， 1995年突破 300亿只。 1996年下降了 2，由上年的 322亿只减为 316亿只。 1997年，欧洲饮料罐市场重又恢复了平稳增长，年增幅为 5，总消费量上升到 3
5、35亿只，为历史最高水平。其中，清凉饮料罐 185亿只、比上年增长 5 1，啤酒罐 150亿只、比上年增长 7。欧洲饮料罐中 铁皮 罐和铝罐各约占一 半。中南美洲的铝罐消费量也比较大，每年近 200亿只。亚洲（日本除外）的铝罐年消费量也不下 200亿只。中国铝易拉罐消费量现在每年有 80多亿只。 如今，易拉罐很大一部分被用于啤酒和饮料行业。拿啤酒行业来说，它的方便，安全等优点深受广大消费者的喜爱。随着科学技术的不断发展，我们也不难从易拉罐啤酒的工艺流程中看出，其实易拉罐啤酒的工艺流程相当的简单，并不存在什么高难度的工艺难点，也鲜有昂贵的设备机械，然而它所带来的市场价值却是庞大的，而其市场潜力也
6、是巨大的，这也是不可能被忽视的原因之一！ 世界在发展，科技在发展，人 们也不断的再追求便捷，轻松的生活。这也导致了这么多的铝制易拉罐被消耗，可想而知，这其中又有多少的铝元素在流失。虽然各个国家对铝、铁、铜等这些非再生资源都有在回收，并且回收技术也比较成熟，但是尽管如此，还是有大部分的铝从地球上消失。 2.2 铝制易拉罐的优缺点 对于现在流行的铝制易拉罐来说，其还存在着诸多不足之处，这也是我们需要去改进的地方。从铝制易拉罐发明至今，有许多缺点已经慢慢的消失，不过还是有一部分的缺点遗留下来需要我们去改进。而随着社会的发展，人们又对铝制易拉罐提出了新的要求，其中最主要的一点就是要 其适合可持续发展的
7、战略。 铝制易拉罐的主要成分是铝，而铝是不可再生的资源，使用了也就是消耗了，不会再次出现，虽然现在的回收技术相对以前来说是非常发达的，不过损耗肯定是存在的，这也是为什么要不断改进铝制易拉罐的原因之一。 铝制易拉罐的质量相对比较轻，而且强度也比较大，不会生锈，安全可靠，且铝是一种比较耐磨的材料，在生活中，铝制品随时间或者被人为消耗比较少，这也是铝制易拉罐的优点，也是导致其被广泛使用的原因之一 14。 2.3 铝制易拉罐的铝材生产技术及成形 铝制易拉罐的生产要经过 40多道工序，其中和铝材相 关的主要工序有：落料、冲杯、变薄拉伸、修边、冲洗、外印、内喷涂、烘干、缩颈、翻边等。铝板材也必须有适当的强
8、度和良好的深冲成型性 , 以保证连续冲制变薄拉深工序和烘烤后的屈服强度。在易拉罐的成形过程中，所采用的变薄拉伸工艺相对来说比较复杂，因此对铝板也提出了比较高的要求。为了能够提高利润，铝制易拉罐的壁厚也越来越薄，这也是一种趋势，图 2.1是铝制易拉罐壁厚降低数据 。 图 2.1 铝制易拉罐壁厚降低数据 从上图中也不难看出，从 1980年到 2005年，其厚度降低是相当的明显。为了达到这样的厚度，也只能够加强材料的 各方面性能。高精度铝合金板材的生产过程 , 主要包括熔炼铸造、铣面、均匀化和加热、热粗轧、热精轧、精整、剪切、退火等工艺过程。要使铝材具有良好的深冲成型性能、抗疲劳、抗腐蚀、优良的表面
9、质量、较高的强度、足够的塑性、小制耳率和严格的尺寸偏差 ， 就要求材料具有合适的化学成分、优异的冶金质量、合理的织构和板形公差等。要达到这些要求必须对铝板材整个生产过程中的每一个环节进行有效的控制 ， 其中成分控制、铝熔体处理及热轧工艺优化等更是提高铝材质量的关键环节 7。 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 , 减轻单罐质量 , 提高材料利用率 , 降低生产成本 ,是企业追求的重要目标。 在易拉罐的成形工艺流程中，有许多地方应该引起我们的注意。在落料 拉伸复合工序的时候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、 10% , 而杯口增厚约 25 %。杯转角处的圆弧大小对后续工序 (罐体成形 ) 有较大的影响 ,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、拉伸速度、突耳率等。在罐体的成形工序中，典型的铝罐拉伸、变薄拉伸过程图 2.2所示 ： 图 2.2 铝罐变薄拉伸过程 变薄拉伸过程如图 2.3所示 ： 图 2.3 1 凸模 2 变薄拉伸环 在成形过程中，还有许多影响因素，为了克服这些因素，必须得对各种条件下的成形工艺进行分解，无论是材料、环境还是设备都有要求 9。 3 数
11、值模拟技术概述 3.1 数值模拟技术的发展现状 数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题 研究的目的。在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。 从数值模拟技术诞生到现在，人们越来越关注。以往开发一种新的产品，其必须得先设计，然后再制造，再试验。这样的模式所消耗的成本非常大，然而现在就不一样了，在数值模拟技术下，从设计，然后再数值模拟，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟
12、技术不仅能够节省开发新产品的成本，而且，能在某些人类无法做到的领域发挥其功效，通 过数值模拟可以回答一些经验设计时无法回答的问题。数值模拟技术也在不断地发展，从而提高其模拟的效率、精度、分析模拟能力等。 数值模拟技术的不断发展，让更多的人认识到它的优越之处，图 3.1为数值模拟技术关注度 ： 图 3.1 数值模拟技术关注度 3.2 数值模拟技术应用 数值模拟技术从诞生到现在，已经被应用到各个方面，比如油藏、材料、成形技术、爆炸力学等等。 油藏数值模拟，其技术原理及主要技术内容数值模拟技术是通过对不同油层条件、井网、注水方式等条件模拟油气藏中流体的渗流过程，它是目前定量研究剩余油分布的重要 手段
13、。这些都能够体现出数值模拟技术的优势所在，以前人类无法做到的或者非常复杂的工程，在数值模拟技术的帮助下正逐渐的变的简单化，不在像以前那样，需要通过一次又一次的试验。数值模拟技术的诞生和发展大大的减少了很多工程上所花的时间，能够更有效、更准确的替人们找到问题的答案 13。 数值模拟技术部仅仅用于工程问题的解决，同时也在我们生活中起了很大的作用。在医学上，数值模拟技术一样可以发挥它的本领。比如依据颅骨修复体成形的实际条件对成形过程进行仿真 , 预测修复体成形过程中可能产生的破裂、起皱和压痕等缺陷 ; 分析产生 各种缺陷的原因 , 确定合适的工艺方案 , 然后，参考数值模拟结果并利用优化后的工艺参数
14、进行实验验证 1。 4 基于 DYNAFORM的模拟计算 DYNAFORM软件是美国 ETA公司和 LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件，是 LS-DYNA求解器与 ETA/FEMB前后处理器的完美结合，是当今流行的板料成形与模具设计的 CAE工具之一。 Dynaform 软件基于有限元方法建立 , 被用于模拟钣金成形工艺。 Dynaform软件包含 BSE、 DFE、 Formability三个大模块，几乎涵盖冲压模模面设计 的所有要素，包括：定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力
15、机吨位等 2。 使用 DYNAFORM软件的板料模拟步骤如下： 1) 读入凹模与板料的集合数模，可以读入 iges、 vda、 lin、 dxf及 stl格式的数模文件 ； 2) 将读入的集合模型划分网络，并检查网格质量 ； 3) 利用凹模的网格生成凸模与压边圈 ； 4) 定义板料材料属性及厚度 ； 5) 定义冲压类型（单动 /双动） ； 6) 模具自动定位 ； 7) 定义模具运动和压边力 ； 8) 提交求解器计算 ； 9) 结果后处理 ； 参考文献 1谭富星 , 李明哲 , 钱直睿 . 基于数值模拟的钛合金颅骨修复体多点成形工艺 设计 J, 塑性工程学报 , 2007, 14（ 3） : 2
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