锥形罐拉伸模具及拉伸成型方法与流程

本发明涉及一种冷冲压模具技术领域，尤其是涉及一种锥形罐拉伸模具及拉伸成型方法。

背景技术：

随着产品轻量化概念的推行，贯彻“节能减排，低碳经济”的理念，用于成罐的材料厚度不断减薄，而在确保食品罐各项基本性能参数满足要求前提下，势必需要加强材料的硬度。由于锥罐拉深成型过程中，不可避免的出现悬空变形区域，极其容易在成型过程中出现失稳起皱，或者由于应力集中、摩擦力偏大而导致罐体拉深破裂。因此在高硬度、低厚度、低延展性材料的制约下，传统的一次拉伸工艺使得锥形食品罐的成型难度大大增加。改变食品罐的成型工艺，从单次拉伸到多次拉伸的转变也显得十分重要。目前很多锥形罐开始采用两次、三次甚至更多次的拉伸成型方式，为满足拉伸变形系数的要求，通常采用由大到小的拉伸方法。以目前最常见三次拉伸成型为例，采用由大到小拉伸法时，由于局部压边面积受限，且第三道工序成型存在直面转换锥面成型出现悬空区域。罐体第三工序极易出现罐体破裂，且罐体过渡圆角处全部产生失稳起皱现象；现有的公开文件中尚未检索到该问题的解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的锥形罐冲压时易出现罐体破裂，且罐体过渡圆角处产生失稳起皱现象的问题，提供一种锥形罐拉伸模具及拉伸成型方法，在保证锥形罐各项性能要求的前提下，能有效解决罐体破裂及过渡圆角处失稳起皱的问题。

本发明为解决上述技术问题采用的具体技术方案为：一种锥形罐拉伸模具，包括：

冲杯模，用于罐体材料的切片落料及第一次拉伸，第一次拉伸后的罐体高度为成品罐体高度的50%至70%，第一次拉伸后的罐体锥度为成品罐体锥度的80%至120%，第一次拉伸后的罐体中间横截面积为成品罐体中间横截面积的90%至95%，第一次拉伸的翻边宽度是成品罐体翻边宽度的8-12倍。

拉伸模，用于对第一次拉伸后的罐体进行第二次拉伸，第二次拉伸后的罐体高度为成品罐体高度的70%至90%且大于第一次拉伸后的罐体高度，第二次拉伸后的罐体锥度为成品罐体锥度的90%至110%，第二次拉伸后的罐体中间横截面为成品罐体中间横截面积的95%至100%。

成型模，用于对第二次拉伸后的罐体进行最终成型，包括罐体扩口、翻边、罐壁加强筋及罐底加强筋的成型，成型后的罐体高度为成品罐体高度，成型后的罐体锥度为成品罐体锥度，成型后的罐体中间横截面积为成品罐体中间横截面积。

切边模，用于对成型后的罐体翻边部分进行切边修剪，切边修剪后的罐体翻边结构满足二重卷封的罐盖配合要求。

本发明的技术方案共有四副模具，即冲杯模，拉伸模、成型模和切边模。针对高硬度，低延展性材料的锥形罐的成型，前三道工序的拉伸底面积基本相同，即通过采用等拉伸比的多道工序成型，逐步增加拉伸高度，拉伸的横截面积基本不变化或变化很少，使成型过程中后续工序的拉伸曲率变化基本相同，控制材料流动趋势，从而解决锥形两片罐成型过程中容易出现的失稳起皱以及破裂问题。

本发明通过增大压边面积，消除过渡圆角成型失稳起皱现象，同时兼顾模具成型工序之间转换工位定位问题，采用等拉伸比逐步增加工件高度的小面积锥形拉伸成型。根据拉伸原理，该技术方案在增大凹模的过渡圆角，降低模具表面粗糙度，增加材料润滑，同时保证单工序拉伸高度不过高的情况下，通过多次拉伸成型，能有效解决最终产品的失稳起皱问题，同时保证食品罐的各项性能要求。

作为优选，冲杯模包括冲杯模下模板及设于冲杯模下模板上的冲杯模下模座，冲杯模下模座的中央设有冲杯模下模芯，冲杯模下模座上设有环绕冲杯模下模芯的冲杯模固定座、冲杯模固定座上设置冲杯模凹模，冲杯模下模座的下方设有冲杯模下气缸，冲杯模下气缸的活塞通过穿过的冲杯模下模座的冲杯模顶杆与设置在冲杯模凹模内侧的冲杯模顶料圈连接，冲杯模上模座设置在冲杯模上模板下方，冲杯模上模座的下方设置冲杯模凸凹模，与冲杯模上气缸连接的冲杯模上模芯设置在冲杯模凸凹模的中央，套设在冲杯模凸凹模外周的冲杯模卸料圈通过弹簧连接在冲杯模上模座上。

冲杯模属于落料成型复合模，包括下模板、气缸、下模座、固定座、顶杆、凹模、顶料圈、下模芯、卸料圈、凸凹模、上模芯、上模座及上模板等。下模板是整个模具的支撑，是模具的底板，下模座用于固定下模，上模板是上模固定的底板，上模座用于固定上模；气缸提供压边力，与顶杆、顶料圈一起组成压料装置实现压边功能，通过调节气缸的进入气压大小调整压边力；固定座主要作用是固定凹模，调整凹模落料平面高度和提供成型空间，凹模和凸凹模配合，在动力源的作用下，冲切片料，实现落料功能，卸料圈推出废料，使废料圈不套在凸凹模上；落料动作完成后，凸凹模在动力源的作用下继续下行，与下模芯一起相互作用，拉伸片料成型，最后上模在动力作用下继续上行至上死点，下模复原，完成一次冲压过程。

作为优选，拉伸模包括拉伸模下模板及设于拉伸模下模板上的拉伸模下模座，拉伸模下模座的中央设有拉伸模下模芯，拉伸模下模芯的外周设有拉伸模顶料圈，拉伸模下模座的下方设有拉伸模下气缸，拉伸模下气缸的活塞通过穿过的拉伸模下模座的拉伸模顶杆与拉伸模顶料圈连接；拉伸模上模座设置在拉伸模上模板下方，拉伸模上模座的下方设置拉伸模凹模，与拉伸模上气缸连接的拉伸模上模芯设置在拉伸模凹模的中央。

作为优选，成型模包括成型模下模座，成型模下模座的中央设有成型模下模芯，成型模下模芯的外周设有成型模顶料圈，成型模下模座的下方设有成型模下气缸，成型模下气缸的活塞通过穿过的成型模下模座的成型模顶杆与成型模顶料圈连接；成型模上模座设置在成型模上模板下方，成型模上模座的下方设置成型模凹模，与成型模上气缸连接的成型模上模芯设置在成型模凹模的中央。

作为优选，切边模包括切边模下模座，切边模下模座上设有凸模，围绕凸模的外周设有切断刀；切边模上模座设置在切边模上模板下方，切边模上模座的下方设置切边模凹模，与切边模上气缸连接的切边模定位圈设置在切边模凹模的中央。

作为优选，冲杯模顶料圈的顶面凸设有环绕冲杯模下模芯的环形凸筋，所述冲杯模顶料圈上的环形凸筋与冲杯模顶料圈内侧边缘之间的距离相等，环形凸筋内侧的冲杯模顶料圈上表面为等宽的环状结构，环形凸筋的环形中心线与冲杯模顶料圈内侧边缘之间的距离为5-15毫米；冲杯模凸凹模的底面设有与环形凸筋对应的环形凹槽，所述环形凹槽的横截面呈梯形，环形凹槽的深度是罐体材料厚度的0.8至1.2倍，环形凹槽的槽底宽度是罐体材料厚度的2至4倍，环形凹槽的槽口宽度是罐体材料厚度的5至8倍，所述环形凸筋的横截面与环形凹槽的横截面相适配。

罐体材料在拉伸成型的过程中，由片料变成立体的盒形件，在凸模和凹模的边缘部分存在水平方向的拉力和垂直方向的挤压力，从而导致罐体材料有起皱的趋势。当模具的压边力不够时，罐体材料边缘容易产生失稳起皱，而通过提高压边力可以改善这一现象。但在生产厂家为了降低生产成本，提高产品竞争力，使用高硬度、低延展性的罐体材料的情况下，如果采用传统的平面压边方式，同时不断提高压边力就容易造成工件拉伸破裂。采用在冲杯模顶料圈上平面与冲杯模凸凹模下平面之间设置环形凸筋及相应的环形凹槽后，罐体材料拉伸时，拉伸最外围是传统的平面压料，当材料流入凸模和凹模之间成型的过程中，需要经过环形凸筋及环形凹槽的过渡，罐体材料在其阻力的作用下会减缓失稳起皱的趋势，从而达到减少或消除起皱的目的。合理选择环形凹槽及其适配的环形凸筋的横截面大小，可以调整阻力的大小，以适应不同材质的罐体材料。而环形凹槽与环形凸筋之间的间隙通常为一片罐体材料的厚度。

作为优选，冲杯模为独立结构，拉伸模、成型模及切边模为一体化多工序级进模结构，所述冲杯模、拉伸模、成型模及切边模之间设有罐体夹持传送装置。将拉伸模、成型模及切边模做成为一体化的多工序级进模结构，可以使用同一动力源，缩小模具体积，简化工艺。此时拉伸、成型及切边属于级进式冲压成型模具，包括模架、拉伸模、成型模和切边模。模架主要包括下模板、上模板、气缸等，是整个模具的基础架构。拉伸模主要包括下模芯、下模座、顶杆、顶料圈、凹模、上模芯、上模座等。成型模结构功能同拉伸模类似，主要包括下模座、顶杆、顶料圈、下模芯、凹模、上模芯、上模座等。切边模主要包括下模座、凸模、切断刀、凹模、定位圈、上模座等。其运行原理如下：在动力源的作用下，上模板带动三个模具的上模向下运动，拉伸模的凹模与下模芯作用完成拉伸工序，成型模的凹模与下模芯作用完成成型工序，切边模的定位圈对为修边产品定位，然后凹模继续向下运动，与凸模配合完成修边，继续向下死点运动，切断刀切断废料，经过下死点后，上模板带动三个模具的上模向上运动至上死点，完成拉伸、成型及切边过程。

作为另一种可选方案，冲杯模、拉伸模、成型模及切边模均为独立结构，所述冲杯模、拉伸模、成型模及切边模之间设有罐体夹持传送装置。本方案的拉伸模、成型模及切边模独立设置，需分别使用动力源，其工作原理与前述一体化结构类同。

前述锥形罐拉伸模具的锥形罐拉伸成型方法，包括以下步骤：

a.冲杯步骤：罐体材料送入冲杯模，切下罐体拉伸所需的片料，固定片料的边缘并完成片料的第一次拉伸，第一次拉伸后的罐体高度控制在成品罐体高度的50%至70%（即当成品罐体的高度为50mm时，第一次拉伸后的罐体高度控制在25mm-35mm），第一次拉伸后的罐体锥度控制在成品罐体锥度的80%至120%（即当成品罐体的锥度为5度时，第一次拉伸后的罐体锥度控制在4度至6度），第一次拉伸后的罐体中间横截面积控制在成品罐体中间横截面积的90%至95%（即当成品罐体的中间横截面积为100平方厘米时，第一次拉伸后罐体的中间横截面积控制在90平方厘米至95平方厘米），第一次拉伸的翻边宽度是成品罐体翻边宽度的8-12倍，压边力为200-700kPa，完成冲杯步骤的罐体通过罐体夹持传送装置传送至拉伸模。

b.拉伸步骤：对第一次拉伸后的罐体进行第二次拉伸，第二次拉伸后的罐体高度控制在成品罐体高度的70%至90%且大于第一次拉伸后的罐体高度，第二次拉伸后的罐体锥度控制在成品罐体锥度的90%至110%，第二次拉伸后的罐体中间横截面积控制在成品罐体中间横截面积的95%至100%，完成拉伸步骤的罐体通过罐体夹持传送装置传送至成型模。

c.成型步骤，对第二次拉伸后的罐体进行最终成型，包括罐体扩口、翻边、罐壁加强筋及罐底加强筋的拉伸成型，成型步骤后的罐体高度为成品罐体高度，成型步骤后的罐体锥度为成品罐体锥度；成型步骤后的罐体中间横截面积为成品罐体中间横截面积，完成成型步骤的罐体通过罐体夹持传送装置传送至切边模。

d.切边步骤，对成型后的罐体翻边部分进行切边修剪，切边修剪后的罐体翻边结构满足二重卷封的罐盖配合要求，完成切边步骤的罐体通过罐体夹持传送装置移出切边模。

本发明的方法针对高硬度、低延展性材料的锥形食品罐的成型，通过采用等拉伸比的多道工序成型，逐步增加拉伸高度，基本保持拉伸的横截面积不变或变化较少，使成型过程中后续工序的拉伸曲率变化基本相同，控制材料流动趋势，解决锥形两片罐成型过程中出现的失稳起皱以及易见的破裂问题。罐体的成型主要依靠材料的流动，由于三次成型的横截面大小相同，造成冲杯工序需要考虑在拉伸系数小的情况下，如何更好的解决材料流动的问题。落片材料的面内拉力与材料流动方向的夹角小，随着冲压深度的增加，罐壁与法兰交界圆角处罐壁受平行于冲压方向的力，而法兰处的材料受垂直于冲压方向的力，两者处的材料流动通过圆角衔接。要保证法兰处的材料的流动性不受影响。冲杯工序为保证材料流动性，其重点为压边力的选择以及圆角的衔接过渡，一般压边力为200-700kPa（即2-7bar）比较合适。拉伸工序的原理与冲杯工序基本相同，在冲杯工序的基础上增加拉伸高度。成型工序的模具为满足产品特征成型，最后修剪余边，完成整个产品成型。

本发明的成型步骤包括罐身过渡结构的成型，另外本发明未详细表述模具在工作过程中使用的罐体夹持传送装置，该部分内容参见申请人在先申请的“往复式夹持传送装置” （公开号为CN106144436A）。同时，本发明通过对罐体结构（如高度、横截面积等）的限定来表述相应的模具结构，这对本领域的技术人员来说是完全可以理解的。

本发明的有益效果是：它有效地解决了现有技术的锥形罐冲压时易出现罐体破裂，且罐体过渡圆角处产生失稳起皱现象的问题，本发明的锥形罐拉伸模具及罐体拉伸成型方法在保证锥形罐各项性能要求的前提下，能有效解决罐体破裂及过渡圆角处失稳起皱的问题，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明锥形罐拉伸模具冲杯模的一种结构示意图；

图2是本发明锥形罐拉伸模具拉伸模、成型模及切边模的一种组结构示意图；

图3是本发明冲杯工序完成后的一种罐体结构示意图；

图4是本发明拉伸工序完成后的一种罐体结构示意图；

图5是本发明成型工序完成后的一种罐体结构示意图；

图6是本发明切边工序完成后的一种罐体结构示意图；

图7是本发明冲杯模工作时其顶料圈与凸凹模的一种配合结构示意图，图中显示了环形凸筋、环形凹槽及罐体材料。

图中：1.冲杯模下模板，2.冲杯模下气缸，3.冲杯模下模座，4.冲杯模固定座，5.冲杯模顶杆，6.冲杯模凹模， 7.冲杯模顶料圈，8.冲杯模下模芯，9.冲杯模卸料圈，10.冲杯模凸凹模，11.冲杯模上模芯， 12.冲杯模上模座，13.冲杯模上模板， 14拉伸模下模板，15.拉伸模上模板，16.拉伸模下气缸， 17.拉伸模下模芯，18.拉伸模下模座， 19.拉伸模顶杆，20.拉伸模顶料圈， 21.拉伸模凹模，22.拉伸模上模芯，23.拉伸模上模座， 24.成型模下模座，25.成型模顶杆，26.成型模顶料圈，27.成型模下模芯，28.成型模凹模，29.成型模上模芯， 30.成型模上模座， 31.切边模下模座，32.凸模，33.切断刀， 34.切边模凹模，35.切边模定位圈，36.切边模上模座，37.成型模下气缸,38.弹簧，39.罐体，40.翻边，41. 环形凸筋，42.环形凹槽，43.罐体材料。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

实施例1

在如图1所示的实施例1中，一种锥形罐拉伸模具，包括用于罐体材料的切片落料及第一次拉伸的冲杯模（见图1），所述冲杯模包括冲杯模下模板1及设于冲杯模下模板上的冲杯模下模座3，冲杯模下模座的中央设有冲杯模下模芯8，冲杯模下模座上设有环绕冲杯模下模芯的冲杯模固定座4、冲杯模固定座上设置冲杯模凹模6，冲杯模下模座的下方设有冲杯模下气缸2，冲杯模下气缸的活塞通过穿过的冲杯模下模座的冲杯模顶杆5与设置在冲杯模凹模内侧的冲杯模顶料圈7连接，冲杯模上模座12设置在冲杯模上模板13下方，冲杯模上模座的下方设置冲杯模凸凹模10，与冲杯模上气缸连接的冲杯模上模芯11设置在冲杯模凸凹模的中央，套设在冲杯模凸凹模外周的冲杯模卸料圈9通过弹簧38连接在冲杯模上模座上。

通过冲杯模第一次拉伸后的罐体39高度为成品罐体高度的50%至70%（本实施例为50%），第一次拉伸后的罐体锥度为成品罐体锥度的80%至120%（本实施例为80%），第一次拉伸后的罐体中间横截面积为成品罐体中间横截面积的90%至95%（本实施例为90%），第一次拉伸的翻边宽度是成品罐体翻边40宽度的8-12倍（本实施例为10倍，见图3）。

拉伸模（见图2）用于对第一次拉伸后的罐体进行第二次拉伸，所述拉伸模包括拉伸模下模板14及设于拉伸模下模板上的拉伸模下模座18，拉伸模下模座的中央设有拉伸模下模芯17，拉伸模下模芯的外周设有拉伸模顶料圈20，拉伸模下模座的下方设有拉伸模下气缸16，拉伸模下气缸的活塞通过穿过的拉伸模下模座的拉伸模顶杆19与拉伸模顶料圈连接；拉伸模上模座23设置在拉伸模上模板15下方，拉伸模上模座的下方设置拉伸模凹模21，与拉伸模上气缸连接的拉伸模上模芯22设置在拉伸模凹模的中央。

通过拉伸模第二次拉伸后的罐体高度为成品罐体高度的70%至90%且大于第一次拉伸后的罐体高度，即第二次拉伸在第一次拉伸的基础上进行，在高度上是增加的（本实施例为70%），第二次拉伸后的罐体锥度为成品罐体锥度的90%至110%（本实施例为90%），第二次拉伸后的罐体中间横截面积控制在成品罐体中间横截面积的95%至100%（本实施例为95%，见图4）；

成型模用于对第二次拉伸后的罐体进行最终成型（见图2），包括罐体扩口、翻边、罐壁加强筋、罐底加强筋及罐体各个部位的圆弧过渡结构的成型。所述成型模包括成型模下模座24，成型模下模座的中央设有成型模下模芯27，成型模下模芯的外周设有成型模顶料圈26，成型模下模座的下方设有成型模下气缸37，成型模下气缸的活塞通过穿过的成型模下模座的成型模顶杆25与成型模顶料圈连接；成型模上模座30设置在成型模上模板下方，成型模上模座的下方设置成型模凹模28，与成型模上气缸连接的成型模上模芯29设置在成型模凹模的中央。成型后的罐体高度为成品罐体高度，成型后的罐体锥度为成品罐体锥度，成型后的罐体中间横截面积为成品罐体中间横截面积（见图5）。

切边模用于对成型后的罐体翻边部分进行切边修剪（见图2），切边修剪后的罐体翻边结构满足二重卷封的罐盖配合要求（见图6）。切边模包括切边模下模座31，切边模下模座上设有凸模32，围绕凸模的外周设有切断刀33；切边模上模座36设置在切边模上模板下方，切边模上模座的下方设置切边模凹模34，与切边模上气缸连接的切边模定位圈35设置在切边模凹模的中央。

本实施例的冲杯模为独立结构，拉伸模、成型模及切边模为一体化多工序级进模结构，成型模与切边的上模板与拉伸模的上模板一体设置，成型模与切边的下模板与拉伸模的下模板一体设置，使用同一动力源，三个模具同步运动，冲杯模、拉伸模、成型模及切边模之间设有罐体夹持传送装置，用于模具之间的罐体自动传送。

本实施例的锥形罐拉伸模具的锥形罐拉伸成型方法，包括以下步骤：

a.冲杯步骤：罐体材料送入冲杯模，切下罐体拉伸所需的片料，固定片料的边缘并完成片料的第一次拉伸，第一次拉伸后的罐体高度控制在成品罐体高度的50%，第一次拉伸后的罐体锥度控制在成品罐体锥度的80%，第一次拉伸后的罐体中间横截面积控制在成品罐体中间横截面积的90%，第一次拉伸的翻边宽度是成品罐体翻边宽度的10倍，压边力为400kPa，完成冲杯步骤的罐体通过罐体夹持传送装置传送至拉伸模。

b.拉伸步骤：对第一次拉伸后的罐体进行第二次拉伸，第二次拉伸后的罐体高度控制在成品罐体高度的70%，第二次拉伸后的罐体锥度控制在成品罐体锥度的90%，第二次拉伸后的罐体中间横截面积控制在成品罐体中间横截面积的95%，完成拉伸步骤的罐体通过罐体夹持传送装置传送至成型模。

c.成型步骤，对第二次拉伸后的罐体进行最终成型，包括罐体扩口、翻边、罐壁加强筋及罐底加强筋的拉伸成型，成型后的罐体高度为成品罐体高度，成型后的罐体锥度为成品罐体锥度，成型后的罐体中间横截面积为成品罐体中间横截面积，完成成型步骤的罐体通过罐体夹持传送装置传送至切边模。

d.切边步骤，对成型后的罐体翻边部分进行切边修剪，切边修剪后的罐体翻边结构满足二重卷封的罐盖配合要求，完成切边步骤的罐体通过罐体夹持传送装置移出切边模。

实施例2

实施例2的冲杯模、拉伸模、成型模及切边模均为独立结构，冲杯模、拉伸模、成型模及切边模之间设有罐体夹持传送装置。冲杯模顶料圈的顶面凸设有环绕冲杯模下模芯的环形凸筋41（见图7），所述冲杯模顶料圈上的环形凸筋与冲杯模顶料圈内侧边缘之间的距离相等，环形凸筋内侧的冲杯模顶料圈上表面为等宽的环状结构，环形凸筋的环形中心线与冲杯模顶料圈内侧边缘之间的距离为5-15毫米（本实施例为10毫米）；冲杯模凸凹模的底面设有与环形凸筋对应的环形凹槽42，所述环形凹槽的横截面呈梯形，环形凹槽的深度是罐体材料厚度的1.1倍，环形凹槽的槽底宽度是罐体材料43厚度的3.5倍，环形凹槽的槽口宽度是罐体材料厚度的6.5倍，所述环形凸筋的横截面与环形凹槽的横截面相适配。本实施例的拉伸模、成型模及切边模均独立设置模具，需分别使用动力源，其余和实施例1相同。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征或技术数据可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施方式，这些本发明没有详细描述的实施方式是本领域技术人员无需创造性劳动就可以轻易实现的，因此这些未详细描述的实施方式也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。