葉凱，傅高升，林娜

（1. 漳州職業(yè)技術(shù)學院機械與自動化工程系，福建漳州363000；2. 福州大學材料科學與工程學院，福建福州350116）

鋁質(zhì)易拉罐輕量化實現(xiàn)途徑及其關(guān)鍵技術(shù)

葉凱1，傅高升2，林娜1

（1. 漳州職業(yè)技術(shù)學院機械與自動化工程系，福建漳州363000；2. 福州大學材料科學與工程學院，福建福州350116）

輕量化是降低鋁質(zhì)易拉罐生產(chǎn)成本、促進技術(shù)進步的重要手段。分析了實現(xiàn)鋁質(zhì)易拉罐輕量化的主要技術(shù)途徑，包括減薄鋁板材厚度和減小罐口直徑2個方面。在此基礎(chǔ)上，探討了改善鋁板材冶金質(zhì)量與變形性能、優(yōu)化罐型并改進工裝模具等實現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵技術(shù)。

鋁質(zhì)易拉罐；輕量化；厚度減薄；小徑化

鋁質(zhì)易拉罐作為一種金屬包裝，具有質(zhì)輕、可回收性好等優(yōu)點。其以精美的外觀、方便使用及綠色環(huán)保等特點而被廣泛應(yīng)用于飲料、啤酒行業(yè)。

鋁質(zhì)易拉罐由罐體和易開蓋2部分組成[1]，罐體和蓋體分別由3104H19及5182H19鋁合金薄板在罐、蓋生產(chǎn)線沖壓成形而成，再經(jīng)涂覆、彩印、噴涂等處理，成為精美包裝品。其中，鋁合金成本占易拉罐原輔材料總成本的70%左右。隨著易拉罐制造技術(shù)的不斷進步，鋁罐質(zhì)量不斷減輕，每千套鋁罐的質(zhì)量，20世紀60年代初為25kg，20世紀90年代后期減輕到15kg，現(xiàn)已減至13kg以下。鋁罐質(zhì)量每降低1g意味著生產(chǎn)成本降低0.02～0.03元。因此，在符合產(chǎn)品質(zhì)量標準且滿足客戶需求的前提下，采用新材料、新技術(shù)，最大限度地減輕單罐質(zhì)量，成為鋁質(zhì)易拉罐包裝生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本的重要手段[2]，以輕量化為特征的技術(shù)改造和技術(shù)創(chuàng)新已成為易拉罐行業(yè)技術(shù)研發(fā)的主要方向。

1 輕量化的主要技術(shù)途徑

對鋁質(zhì)易拉罐實施輕量化的主要技術(shù)途徑包括減薄鋁合金板材的厚度和罐口的小徑化處理。

1.1 減薄鋁板厚度

鋁質(zhì)易拉罐罐體采用3104H19鋁鎂合金薄板，其厚度從20世紀70年代的0.420mm減薄為目前的0.254mm，30 a來減薄了39.5%。罐體材料厚度降低，鋁板材的產(chǎn)出將會提高。若3104H19鋁合金薄板價格以每噸2.1萬元人民幣計算，罐體厚度每降低0.01mm，單罐耗用鋁材成本約降低0.006元，以某年產(chǎn)10億只易拉罐罐體的廠家核算，相對于采用0.30mm厚的鋁材，材料厚度減薄所產(chǎn)生的效益如表1所示。

表1 鋁材厚度減薄效益表Table1Benefits for aluminum sheet thickness reduction

蓋體及拉環(huán)采用5182H19鋁合金薄帶板，蓋體所用鋁合金薄板厚度每降低0.01mm，即可多產(chǎn)蓋體10000余只，若該鋁合金薄板以每噸2.8萬元人民幣計算，以某年產(chǎn)量10億只206規(guī)格易拉罐蓋體的廠家核算，每年可降低生產(chǎn)成本400多萬元。

可見，易拉罐罐體、蓋體鋁合金薄板厚度的減薄，可為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟效益。

2013年，全國制罐生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力達345億只，罐料（含罐、蓋）需求54.2萬t[3]，由減薄鋁板厚度產(chǎn)生的效益相當可觀。目前，國內(nèi)制罐廠普遍采用的罐體材料厚度為0.27～0.28mm，而美國鋁業(yè)公司已將罐料厚度目標定位為0.18mm，這給國內(nèi)的易拉罐用鋁板生產(chǎn)企業(yè)及制罐企業(yè)帶來了挑戰(zhàn)。

1.2 減小罐口直徑

圖1所示為常用易拉罐的罐體、蓋體主要尺寸示意圖。罐口小徑化是指圖中罐體縮頸內(nèi)徑D2和蓋體鉤邊外徑d由大變小的處理過程。

圖1 罐、蓋主要尺寸示意圖Fig.1Schematics for can and end dimensions

易拉罐罐口直徑已由20世紀80年代的209規(guī)格，經(jīng)過206，204規(guī)格的演變，減至目前的202規(guī)格，美國已開始采用200規(guī)格，“20X”是鋁質(zhì)易拉罐罐口規(guī)格代號，X的值越小，表示縮頸內(nèi)徑D2的數(shù)值越小，206罐體的縮頸內(nèi)徑D2為57.4mm，202罐體的縮頸內(nèi)徑D2為52.4mm。

將易拉罐罐口直徑進一步減小，從技術(shù)角度考慮并沒有太大障礙，但是罐口直徑太小會導致蓋體拉環(huán)開啟不方便，失去了易拉罐使用方便的特點，因此，罐口規(guī)格目前只縮減至200，即罐口直徑D2為51mm左右，除非蓋體及拉環(huán)的設(shè)計有重大改進。

罐體縮頸內(nèi)徑變小沒有改變罐體質(zhì)量，但由于配套的罐蓋質(zhì)量減少，導致罐的總質(zhì)量減輕。

蓋體直徑變小后，每噸鋁材的產(chǎn)出將明顯提高，若每噸5182H19鋁合金薄帶板以2.8萬元人民幣計，以某年產(chǎn)10億只蓋的廠家核算，相對于206規(guī)格的蓋體，202規(guī)格蓋體產(chǎn)生的效益如表2所示。

表2 蓋體小徑化效益表Table2Benefits for end diameter reduction

2 輕量化的關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)易拉罐整體輕量化的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下2個方面：一是改善鋁合金板材的冶金質(zhì)量和變形性能[4]，研制出更薄的鋁合金板材；二是制罐企業(yè)設(shè)計新罐型，改進生產(chǎn)工藝、模具及相關(guān)設(shè)施，實現(xiàn)單罐質(zhì)量的輕量化。飲料、啤酒廠家也需改造封罐設(shè)備，以適合小口徑易拉罐的灌裝。

2.1 改善鋁板性能，降低產(chǎn)出厚度

高精度、高性能罐用鋁合金板材的生產(chǎn)過程主要包括熔煉、鑄造、均勻化和加熱、熱粗軋、熱精軋、精整、剪切、退火等工藝過程。要使鋁板材具有良好的深沖成型性能、抗疲勞、抗腐蝕，優(yōu)良的表面質(zhì)量，較高的強度，足夠的塑性，小制耳率和嚴格的尺寸偏差，就要求材料具有合適的化學成分、優(yōu)異的冶金質(zhì)量、合理的織構(gòu)和板形尺寸公差等[5]。要達到這些要求，必須對工藝過程中的每個環(huán)節(jié)進行有效控制。其中，成分控制、鋁熔體處理及熱軋工藝優(yōu)化是提高鋁板材質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]，特別是鋁熔體處理，它是提高鋁板材質(zhì)量的關(guān)鍵因素，必須予以足夠重視。在這方面，國內(nèi)研究者已開展了較多有益的工作[7-9]，尤其對于鋁熔體處理對易拉罐用鋁材等高成形性鋁材熱變形行為的影響規(guī)律展開了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)冶金因素（熔體凈化處理等）對鋁材熱變形行為和性能影響作用極為明顯，不可忽視。熔體處理效果越好，冶金缺陷越少，熱變形能力越好。通過背散射電子衍射技術(shù)（electron backscattered diffraction，EBSD）探討了經(jīng)不同熔體處理的易拉罐用鋁材熱變形過程中的晶粒微取向特征、空間取向分布密度水平、形成的織構(gòu)類型等，結(jié)果表明，有效的熔體凈化等處理對鋁材熱變形的組織結(jié)構(gòu)演變有著重要影響。國內(nèi)熔體凈化處理的除氣先進水平能達到每100gAl除氣0. 12～0. 15mL，一般為每100gAl除氣0. 15～0. 20mL，而國外則可達每100gAl除氣0. 08～0. 10mL，這也是造成國產(chǎn)鋁板的沖壓性能與國外存在一定差距的原因之一。高效熔體凈化等處理，可為鋁材隨后的塑性變形加工提供良好的組織狀態(tài)，冶金因素對鋁材成形性能、組織與織構(gòu)演變等有重要影響，對易拉罐用鋁板材厚度減薄技術(shù)的研究與應(yīng)用將起到重要的指導作用。

3104易拉罐罐體用合金是世界上產(chǎn)量最大的單一品種鋁板帶產(chǎn)品。若某一板帶項目裝備與技術(shù)能批量生產(chǎn)罐體料，就能生產(chǎn)其他任何板帶[10]。近幾年，我國已基本實現(xiàn)罐體材料國產(chǎn)化，進入批量工業(yè)化生產(chǎn)階段。目前，西南鋁業(yè)集團有限責任公司、南山輕合金有限公司、中鋁瑞閩鋁板帶有限公司等7家企業(yè)已能批量生產(chǎn)3104易拉罐鋁合金板材。2015年，罐用鋁板材生產(chǎn)廠家預計達12家，總生產(chǎn)能力可超過2250kt，生產(chǎn)能力為世界第一[10]。3104罐體料的研究在我國方興未艾，隨著鋁板厚度的不斷減薄及制罐生產(chǎn)線速度的不斷提高，對材料性能的要求也越來越高。隨著研究的深入，關(guān)于3104易拉罐體用合金研究的重點目前主要集中在成分、物相控制、織構(gòu)控制、熱軋流變應(yīng)力模型等方面[11-12]。

罐蓋和拉環(huán)要求材料強度較高，采用鋁鎂系合金5182H19，5182鋁合金名義成分為A1-5Mg-0.4Mn，其主要強化相為相Mg5A18，屬于不可熱處理強化的鋁合金。該合金具有良好的抗蝕性能、加工性能與焊接性能，罐蓋材料的表面還需進行后續(xù)處理，主要是在鋁合金板材表面形成一層化學轉(zhuǎn)化膜，然后涂上一層有機涂料，使其防腐蝕、美觀。今后蓋料性能研究的重點主要在材料塑性變形及熱處理對合金性能的影響等方面[13]。

國內(nèi)鋁廠生產(chǎn)的罐用鋁板厚度可穩(wěn)定控制在0.27mm，但要達0.254mm還有較大難度，罐（蓋）用鋁板材厚度每降低0.01mm，對鋁板材生產(chǎn)廠家同樣意味著技術(shù)的革新和大量資金的投入，廠家必須調(diào)整技術(shù)研究方向，加大研發(fā)力度，與制罐企業(yè)密切配合，才能與世界鋁加工行業(yè)的發(fā)展保持同步。

2.2 優(yōu)化罐形設(shè)計，改進模具結(jié)構(gòu)

制罐企業(yè)通過優(yōu)化罐形設(shè)計，改進罐體、罐蓋的模具及相關(guān)設(shè)施，以降低整套易拉罐質(zhì)量[14-15]。

2.2.1 改進成形模具，減薄所用鋁材厚度

主要通過以下3種技術(shù)措施減薄所用鋁材厚度，降低單罐質(zhì)量。

1）調(diào)整模具間隙。調(diào)整模具間隙是指在生產(chǎn)過程中逐漸減小制罐生產(chǎn)線各道沖壓工序模具的間隙，并改變相關(guān)工藝條件。這種技術(shù)手段相對較為簡單，技術(shù)風險較小，投資也較少，新的罐型投入使用后的一段時間內(nèi)，罐廠若要小幅度降低所用罐料厚度，可采用這種方法。

2）加大罐體毛坯落料直徑及杯體直徑，整體減少罐體質(zhì)量。這種方法是在使用較薄鋁板材的同時，加大沖杯毛坯及杯體直徑。雖然加大沖杯毛坯及杯體直徑在一定程度上增加了毛坯質(zhì)量，抵消減薄效果，但整體而言毛坯的質(zhì)量還是下降了，同樣達到了罐體輕量化的目的。加大毛坯直徑、減少毛坯鋁材厚度的目的是在保證罐體用料量的基礎(chǔ)上，減少生產(chǎn)過程中的變薄拉深變形量，有效降低變薄拉深工序的廢品率[16]。由于該方法需要淘汰生產(chǎn)線一些成形設(shè)備，模具變動較大，一般還要改變鋁板材寬度，投資較大，一般不適用于現(xiàn)有生產(chǎn)線的技術(shù)改造。我國20世紀90年代中后期新建的罐廠或生產(chǎn)線，都采用大寬度板材、大直徑落料的生產(chǎn)方式。

3）設(shè)計新罐型，設(shè)計或改進模具、設(shè)備、工藝條件。這種方法的技術(shù)含量較高，也是制罐企業(yè)減薄所用罐材厚度，實現(xiàn)罐體輕量化的主要技術(shù)手段。

新罐型設(shè)計是易拉罐輕量化技術(shù)的核心之一。新罐型的單罐用料應(yīng)小于舊式罐型，以達到輕量化目的，但其外形尺寸和罐體承受軸向強度、耐壓強度均應(yīng)滿足國標（GB/T 9106—2009）要求。罐側(cè)壁厚度的設(shè)計及罐底部形狀的優(yōu)化是罐型設(shè)計的關(guān)鍵。罐體側(cè)壁的厚度為非均勻分布，是上下厚、中間薄的結(jié)構(gòu)；罐底部較為復雜，是正、反向沖壓及底部再成形共3次變形形成的拱狀。近年來，各大制罐集團為罐體輕量化不斷推出了新罐型，如波爾集團的BXX型、美鋁公司的WXXX型，還有其他制罐公司的NC系列、CCB系列、REM系列等。

根據(jù)新罐型改進易拉罐的成形工藝，將3104H19鋁板沖壓成成品罐的工序有沖杯、變薄拉深/修邊、縮口/翻邊/底部再成形，這3道工序的工裝模具需重新設(shè)計，并改進相應(yīng)工藝條件。

沖杯模具如圖2所示，其改進要點為：采用較薄鋁板后，需減小落料凸、凹模單面的間隙，加大拉深沖頭的直徑，減小其圓角半徑。

圖2 沖杯模具總成Fig.2Cup-drawing tool pack

變薄拉深/修邊模具總成如圖3所示，其改進要點為：材料減薄后需減小再拉深模4的圓角半徑及變薄拉深模4～6的錐度及韌帶寬度，改變沖頭7直筒圓柱面和圓錐面的分布，按新罐型設(shè)計沖頭7底部及罐底模10的形狀。

圖3 變薄拉深模具總成Fig.3Ironing tool pack

縮口/翻邊模具示意見圖4，采用較薄鋁板后，其改進要點為減小縮口模具凹模和模芯的間隙。

圖4 縮口/翻邊模具示意圖Fig.4Schematic diagram for neck/flange mould

為了提高罐底部的承壓力，在完成罐口部的縮口/翻邊后，使用一個在罐底邊緣區(qū)域內(nèi)部離心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)模具，改變罐底邊緣外部區(qū)域的形狀，此過程除了可提高罐底部的承壓力，并有利于灌裝后堆垛時罐底與罐蓋的契合。

易拉罐生產(chǎn)線工序之間的輸送均為自動輸送，由于罐料減薄后罐體剛度有所下降，為避免罐體在輸送過程中因碰撞而形成凹坑或變形，應(yīng)采用輸送帶式、真空吸附式輸送機構(gòu)。

2.2.2 縮小模具直徑，罐口罐蓋小徑化

減小罐體口部內(nèi)徑和蓋體外徑，降低整體罐的質(zhì)量，需要改進制罐、蓋生產(chǎn)線模具及相關(guān)條件。

1）改進制罐模具。減小罐體口部內(nèi)徑的關(guān)鍵技術(shù)是改進縮口/翻邊模具?？s口是將沖壓成形后的罐體（圖5a），通過縮口模具將其口部直徑縮小，再對口部翻邊（圖5b和c，為便于表達，將罐體剖開）。每次縮口前后罐口直徑變化不宜過大，否則材料會因受壓縮變形太大而起皺，罐體縮口采用多道縮口實現(xiàn)。

圖5 縮口/翻邊示意圖Fig.5Schematic diagram for neck/flange

206罐體的縮口采用5道縮口模具，罐口直徑由66.06縮小至57.40，縮口翻邊后如圖5b所示。 202罐體的縮口采用11道縮口模具，罐口直徑由66.06逐道縮小為52.40，縮口翻邊后如圖5c所示。 202規(guī)格的罐口直徑小于206規(guī)格的罐口，罐體的縮頸內(nèi)徑變小后就可配套直徑較小的蓋體。

2）制蓋模具的改進。蓋體的輕量化主要通過減小蓋體的外徑d（見圖1）來實現(xiàn)，206規(guī)格蓋體的外徑為64.82，202規(guī)格的蓋體外徑為59.34，質(zhì)量減輕了25.7%。蓋體外徑減小后，同時也減少了蓋溝的注膠量。蓋體生產(chǎn)包括基本蓋成形、蓋溝注膠和成品蓋復合成形3道工序。其中，基本蓋成形指基本蓋沖壓成形及卷邊，而成品蓋復合成形包括基本蓋刻痕、拉環(huán)成形、基本蓋和拉環(huán)鉚合。

蓋體小徑化后，其直徑變小，但形狀不變。因此，基本蓋成形及成品蓋復合成形的模具需改造為小直徑模具，相關(guān)輸送裝置（如計量皮帶、軌道等）也需變換。易拉罐成為飲料、啤酒的包裝還需灌裝封罐，使用小口徑的易拉罐后，飲料啤酒廠的灌裝封罐設(shè)備的鎖口墊及滾輪規(guī)格都需要更換。

3 結(jié)語

對鋁質(zhì)易拉罐實施輕量化的技術(shù)途徑主要包括減薄鋁合金板材的厚度和罐口的小徑化處理等方面。而實現(xiàn)其輕量化的關(guān)鍵技術(shù)主要包括改善鋁板性能、降低產(chǎn)出厚度和優(yōu)化罐形設(shè)計、改進模具結(jié)構(gòu)等方面?？赏ㄟ^調(diào)整模具間隙、加大罐體毛坯落料直徑及杯體直徑、設(shè)計新罐型并相應(yīng)改進模具、設(shè)備、工藝條件，減薄所用鋁材厚度。通過改進制罐縮口模具和制蓋模具以減小罐體口部內(nèi)徑和蓋體外徑，降低罐整體的質(zhì)量。

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（責任編輯：廖友媛）

Realization of the Lightweighting of Aluminum Easy-Open Can and Its Key Technology

Ye Kai1，F(xiàn)u Gaosheng2，Lin Na1
（ 1. Departmen of Mechanical and Automation Enginneering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou Fujian 363000，China；2. College of Material Science and Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

Lightweighting is an important way to reduce cost of aluminum cans production and promote technical advances . Two primary means of thinning aluminum sheet thickness and reducing diameter of can neck to realize lightweighting of aluminum easy-open cans are analyzed. Key technologies such as the improvement of Al plate metallurgical quality and deformation performance, optimization of cans’ shape as well as improvement of process tooling are further discussed.

aluminum easy-open can；lightweighting；thinning；diameter reducing

TB482.2；TF821

A

1673-9833(2014)06-0065-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.013

2014-09-02

福建省教育廳科技基金資助項目（JB09280，JA14383）

葉凱（1965-），男，福建廈門人，漳州職業(yè)技術(shù)學院副教授/高級工程師，碩士，主要從事材料成形，CAD/CAM/ CAE及機械設(shè)計方面的教學與研究，E-mail：FJZZYK@126.com