易拉蓋拉環成型模失效分析與提高其使用壽命的方法初探

馬口鐵易拉蓋是中國剛起步不久的新產品，易拉蓋產品主要用于罐頭食品的包裝，其主要優點是容易開啟，很好地解決了“罐頭好吃，口難開”的問題。

易拉蓋是由蓋的成型和拉環的成型兩者鉚合在一起的。拉環的沖壓成型是易拉蓋生產中極其重要的一環，拉環模具也是所有模具中形狀最為復雜，精度要求很高的復合型模具。一副拉環模具一般由一套模架和十套子模組成，通常分為10～13個工位，沖壓速度一般在300次／min以上。而拉環成型模是整套拉環模中最核心的子模，其功能是將已初步成型的拉環半成品最終沖制成成品，成型模的質量狀況直接關系到拉環最后的質量，而拉環的好壞不僅直接影響到整個易拉蓋的外觀、開啟性能，還直接影響到拉環與蓋的鉚合。

一、拉環成型模的失效分析

拉環的成型模具主要由成型凹模和成型凸模組成，經拉環模前幾道工序沖壓預成型的拉環條料（此時拉環和條料還沒脫離，只有等到與蓋鉚合拉環才與條料脫離），由同步傳動的送料滾筒輸送到成型模具的正確位置，沖床滑塊開始往下沖壓，并最終將拉環成型，拉環的形狀、尺寸和表面質量完全靠成型模具本身的尺寸和精度保證。拉環成型模工作過程，見圖1。

從圖1拉環成型模具的工作過程中我們可以分析看出，成型凹模的主要工作部位是在凹模的斜度及圓角上，經過90°翻邊的拉環對成型凹模的作用力，主要是一個內翻邊力，這個力直接分解出一個拉環切邊與成型凹模表面之間的摩擦力。在拉環的成型過程中，每次成型凹模與拉環切邊相對行程為2.3mm，而沖床的工作頻率一般都在300次／min，經過90°翻邊的半成型拉環切邊就對成型凹模斜度及圓角面就產生了高頻率的摩擦運動，從而產生了一定的摩擦力。由此我們可以得出結論：成型凹模模具的主要失效形式是因摩擦所產生的磨損。

二、提高拉環成型模使用壽命的應對措施

從根本上說，要提高模具的使用壽命，主要應從模具本身的質量入手。而針對拉環成型凹模的磨損失效形式，首先應該提高模具本身的表面硬度從而提高其耐磨性；其次就是要通過減小模具與工件之間的摩擦力來達到減小磨損的目的，而減小模具與工件的摩擦力又可以從模具結構和從工件的成型工藝兩方面入手。

1.從模具本身的質量入手

俗話說，“巧婦難為無米之炊”，任何模具的內在質量關鍵都在于模具材質和熱處理工藝，沒有好的模具材料就無法做出質量過硬的模具。可以說模具的材質決定著模具的整體質量，從而也對模具失效有著最重要和最直接的影響。模具工作面應具備較高的硬度，以增加其耐磨性，同時模具工作面摩擦系數盡可能小，這是對模具提出的基本要求，而這些要求無一不是建立在模具材料之上的。

（1）應用鋼結硬質合金的依據。拉環條料是厚度為0.36～0.38mm的鍍錫（鋅）薄鋼板材料，而且其條料表面還有一層經過鍍錫或鍍鋅的工藝涂層，其作用是防止拉環在使用中生銹，保證易拉蓋拉環在罐頭保質期內不生銹，這種涂層在拉環的成型過程中會脫落，也會形成一種摩擦介質，更加劇了模具的磨損。不僅如此，在成型過程中，半成型拉環切口與成型下模的摩擦更為劇烈，大部分磨損就產生在切口上，長期使用，還能看到切口在成型下模圓角面上磨出一條很深的溝槽，擋住了切口在圓角面的內翻，使拉環不能正常成型。所以，條料的抗彎強度、涂層和切口毛刺都是導致模具的失效因素。正是由于模具工作處于這樣一種狀態下，這就要求模具表面應有較高的硬度以增加其耐磨性，同時模具材料本身的阻尼系數應盡可能小，這樣在粗糙度一定的情況下也可以減小模具表面的摩擦系數。基于這一點，筆者通過對日本、美國現用模具材料的表面進行觀察測試，發現其硬度值一般在HRC58～62之間，其金屬的晶粒較細，具有粉末冶金材料的特征，而鋼結硬質合金就具有這種高強度、表面摩擦系數較小的性能。這就使采用鋼結硬質合金材料制作成型凹模以提高其使用壽命成為可能。

（2）鋼結硬質合金模具的制造工藝。選用GT35鋼結硬質合金制造成拉環成型凹模。GT35是一種以鉻鉬合金作粘結相，35%（重量）碳化鈦作硬質相的鋼結硬質合金，它具有較好的工藝性能，可以進行鍛造、機械切削加工和熱處理。模具的制造工藝是：材料燒結出爐后，經過多次鍛造，以改善材料的組織性能，然后對材料進行退火處理，其硬度控制在HRC40內，接著進行車削或銑削加工，之后材料再進行熱處理淬火，硬度值控制在HRC68～72，最后進行磨削加工至模具成品零件，要求高的還需經過超聲波拋光處理。

2.從模具的結構入手

通過對多個拉環成型凹模的磨損情況仔細分析，筆者發現每件成型凹模磨損最嚴重的位置是在底部的斜度與底部的圓弧的相切處，再根據成型前的拉環形狀及尺寸與成型凹模的型腔比對，模擬拉環成型的全過程，發現成型凹模的斜度在沖壓成型的過程中起到非常重要的作用，它對拉環的成型不僅能起到引導作用，還有預成型的作用。如果成型凹模斜度小，在同樣的成型行程中對拉環的尺寸改變就小，致使拉環在圓角處的成型急促，幾乎所有的作用力都集中在斜度與圓弧的切點處，從而加劇此處的磨損，縮短了模具的使用壽命。若將斜度加大，在同樣的成型行程中對拉環的尺寸改變就增大，從而使得拉環的成型在斜面上和圓角處均勻地進行，同時使拉環成型前的銳邊在到達圓角前進行較好的預卷，減小了拉環在圓角處的成型難度和力度，也減小了銳角對圓角處的激烈摩擦，最大限度地減小了磨損，從而使模具的磨損在斜度與圓角處比較均勻，使模具的綜合壽命有了較大的提高。

根據上述分析，筆者將模具原來15°的斜度加大為20°，模具的使用壽命普遍提高了20%。圖2為斜度修改前后的凹模示意圖。

3.從拉環成型工藝改進入手

通過對所有報廢模具的仔細分析，筆者發現幾乎每個模具的形腔內都有一條很深的凹痕，表面還有明顯的刮痕，像是被刮刀鏟刮了一樣。而通過對成型前拉環的形狀分析，筆者又發現：拉環成型前的外形輪廓邊一般接近90°，拉環在成型的過程拉環切口的銳角與成型凹模的斜面和圓角部分直接接觸，此銳角對成型模工作表面形成了接近于刮削的劇烈摩擦，這是導致模具壽命減弱的一個重要原因。基于這種分析和認識，筆者著手改變拉環成型工藝，也就是在90°翻邊前即對拉環切口部分進行合理的預成型，這樣就保證在成型時避免了切口銳角與模具工作表面的直接接觸，從而達到提高模具的使用壽命的目的。

三、結束語

通過對拉環成型模，特別是成型凹模的失效形式分析，確定其主要的失效是磨損，而90°翻邊切口、涂層等都是對模具表面產生劇烈摩擦的因素，模具結構、拉環成型工藝和模具自身的質量都對模具的使用壽命有著及其重大的影響。通過改進這三個因素，尤其是應用GT35鋼結硬質合金，模具的使用壽命基本上提高了5倍，從根本上解決了易拉蓋拉環成型模容易磨損而失效的難題。

（作者單位：浙江省杭州市蕭山區技工學校）