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《金屬包裝設計與制造》（6）
金屬容器的工藝設計及成型工藝基礎
文/吳若梅、劉躍軍
一、容器制造的工藝設計
1、工藝方案設計
產品加工工藝規程的設計即由規定的加工工藝過程及操作方法所形成的工藝文件是金屬容器生產的依據，是吸收先進技術與方法，保持生產過程的合理性和高效性的保證。工藝方案設計有助千系統地運用新的科學技術成果和先進的創造經驗，保證產品質呈，改善勞動條件，提高企業制造工藝水平及管理水平。
2、加工工藝規程的設計內容
制定容器加工工藝規程設計流程如圖2-16所示。
3、包裝容器結構工藝性分析
在正式制訂產品加工工藝規程之前，應先進行其結構工藝性分析。產品結構工藝性分析是在滿足使用要求和性能的前提下，審視產品制造的可行性和經濟性，根據具體的生產類型和生產條件來分析。在現有工藝設備與條件下保證質掀、方便制造、控制制造成本。工藝性設計的原則主要包括下列幾點：
①設計出的產品結構組成的各部分是便于加工和測量的，可以采用標準刀具和輔助工具，加工時工人操作簡便，加工過程便于調整和測置等。
②結構設計時應考慮保證加工質量和精度，并能提高生產效率。如加工工具的位置比較穩定牢固，加工工具應盡量減少種類，節省停機換刀時間，提高工作效率等。
③結構設計時應使產品的標準化程度高。在加工時可以使用標準化的刀具、模具和量具以及測量工具等，既保證了加工質量，又提高了生產效率。
④產品結構設計時應考慮到零件可夾緊，且便于準確定位，加工操作時易千調整找正，保證加工質量，方便測量。
4、工藝路線的設計
工藝路線或生產流程是指產品或零部件在加工過程中，由毛蚽準備到成品包裝入庫的全部工藝過程的先后順序。工藝路線由專職的產品工程師或主管工藝師來負責設計，提出工藝路線表或生產流程表，用以指導工廠車間的分工，并制訂工藝路線卡及其他工藝文件，工藝路線設計步驟如圖2-17所示。
二、容器成型工藝基礎
在金屬容器的制造過程中，包括許多加工工序，這些工序就形成了工藝流程。從制造工藝而言，最重要的就是冷沖壓工藝、焊接工藝和粘接工藝三大加工技術。
1、沖裁工藝
沖裁是利用沖模使材料分離的一種沖壓工藝，在一般情況下往往指落料和沖孔。可以直接把材料制成零件，也可為彎曲、拉深和成型等工序作準備。從板材上沖下所需形狀的零件或毛壞，稱為落料，在工件上沖出所需形狀的孔，叫作沖孔。
根據實驗研究，可將沖裁變形過程分為三個階段：
①彈性變形；
②塑性變形；
③斷裂分離。
沖裁變形過程如圖2-18所示。
沖裁件斷面具有明顯的區域性特征，一般可分成四部分：即光亮帶、剪裂帶、圓角帶和毛刺。四個部分在整個斷面上所占的比例不是固定的，它隨材料的機械性能、厚度、凸凹模的間隙、模具結構和潤滑等條件的不同而變化。沖裁件的質量主要通過斷面光亮帶和剪裂帶的大小、圓角和毛刺多少及其翹曲程度等來判斷。
2、彎曲工藝
金屬板料的彎曲主要由模具及其裝備來完成，彎曲件的加工形式如圖2-19所示。金屬板料彎曲過程大致可以分為彈性彎曲階段和塑料性彎曲階段。在彈性彎曲階段，變形量很少，其應力僅產生于彎曲圓弧的切線方向。隨著外加彎矩的增加，板材的彎曲變形增大，其內、外表層金屬先達到屈服極限，板料開始由彈性變形階段轉入塑性變形階段。隨著彎矩的不斷增加，塑性變形由表向里擴展，最后使整個斷面進入塑性狀態。
3、拉深工藝
將平板毛坯通過拉深模具制成開口筒形或其他斷面形狀的零件，或將開口空心毛坯減小直徑擴大高度的加工工藝，這種工序稱為拉深（或拉延）。用拉深工藝不但可以制成多種形狀薄壁件，還可以與其他沖壓工藝配合制成形狀十分復雜的沖壓件。在包裝工業上，二片結構型金屬罐結構件幾乎都是拉深出來的，因此，它在金屬沖壓生產中占據著很重要的地位。
由于毛坯金屬內部的相互作用，金屬板料內各個小單元體內產生內應力，即在徑向產生拉伸應力，而在切向產生壓縮應力。在這兩種應力的共同作用下，拉深件外部凸緣區的材料發生塑性變形而不斷地拉入凹模內，成為圓筒形零件，坯料拉深過程如圖2-20所示。
4、焊接與粘接工藝
電阻焊應用范圍很廣泛，除在三片金屬罐和鋼桶等包裝容器制造外，在汽車、飛機、電真空器件、儀表制造等工業部門中，電阻焊是重要的焊接工藝之一。
目前制罐業普遍采用的是電阻焊罐身焊接技術。電阻焊法主要包括點焊、縫焊（滾焊）等技術。粘結工藝應用千金屬板料的連接成型則較晚，需要高粘結強度的黏合劑。目前，比較先進的已采用激光焊技術。
電阻焊是利用電流通過焊件時所產生的電阻熱加熱焊件的接合處，使其金屬達到塑性狀態或熔化狀態時施加一定的壓力，使焊件牢固地連接在一起的一種方法。
粘接工藝是利用合成膠黏劑把兩種性質相同或不相同的材料牢固地粘合在一起的連接方法。早前使用的是天然膠黏劑，直到20世紀初，合成膠黏劑面世以后，膠黏劑和粘接技術就進入了新的發展階段。
粘接工藝基本過程即預處理粘接材料的表面，再涂敷適當的膠黏劑，其擴散、流變、滲透后合攏粘接表面，在一定條件下固化。當膠黏劑的大分子與被粘物體表面分子充分接近時，就會彼此相互吸引，產生分子間作用力而結合。同時在滲入表面孔隙中的膠黏劑固化后形成的許多微小鉤狀結構與膠黏劑分子的共同作用下，完成相同或不同材料之間的粘接過程。
三、金屬包裝容器CAE/CAM概述
CAE是指工程設計中的計算機輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)，指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。而CAE軟件可作靜態結構分析，動態分析，研究線性、非線性問題，分析結構（固體）、流體、電磁等。
金屬包裝常用工程設計軟件包括：Coreldraw、Adobe Illustrator、Photoshop、Artios CAD、Impact CAD、Ansys、Solidworks、3DMAX、Pro E等。CAM(computer Aided Manufacturing)是指在機械制造業中，利用電子數字計算機通過各種數值控制機床和設備，通過程序指令控制運作，只要改變程序指令就可改變加工過程，自動完成離散產品的加工、裝配、檢測和包裝等制造過程，加工靈活性和柔性增加。
四、金屬包裝容器集成制造系統
1、制造與制造系統的概念
國際生產工程學會定義“制造”為一個涉及制造業中產品設計、物料選擇、生產計劃、生產過程、質量保證、經營管理、市場銷售和服務的一系列相關活動和工作的總稱。系統是指由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成的具有特定功能的有機整體。“系統”強調的是各組成要素的有機結合，而不是功能的簡單累加，主要要求呈現出綜合性的整體功能。
國際上制造工程系統專家認為制造系統可以從不同角度去定義：
①從結構方面定義，制造系統是制造過程所涉及的硬件（人員、設備、物流等）及其相關軟件所組成的一個統一整體。
②從功能方面定義，制造系統是一個將制造資源（原材料、能源、技術等）轉變為成品或半成品的輸入輸出系統。
③從過程方面定義，制造系統可看成是制造生產的一個運行全過程，包括市場分析、產品設計、工藝規劃、制造實施、檢驗出廠、產品銷售、回收處理等各個環節的制造過程。
包裝（產品）加工系統是一種制造系統，它由機械、裝備、工件、入員及加工技術文件等組成。對于金屬包裝（產品）加工系統輸入則是制造資源（金屬、復合材料等原材料、毛還或半成品、能源和勞力），經過（機械）加工過程制成產品或零組件輸出，這個過程就是制造資源向產品（成品）或零件的轉變過程。一個正在制造產品的包裝生產線或裝配線、工段、車間乃至整個工廠都可以看作是不同層次的金屬包裝制造系統。
2、包裝容器制造系統
從功能角度講，金屬容器的生產過程都由兩大制造系統組成：結構成型制造系統和連接封嚴制造系統。
金屬容器都需通過結構各部分組合起來形成的一定的容積來盛裝被包裝物品。根據用戶要求及包裝形態，通過成型制造系統的各個工序使金屬容器達到規定的結構造型及形狀，在使用和流通過程中保持不變。容器組裝時，還需容器連接和封合制造系統來完成，金屬容器制造系統及主要加工方法如表2-2所示。
表2-2 金屬容器制造系統及主要加工方法
| 系統 |
制造系統 |
注釋 |
工序 |
結構成形制造系統 |
連接封嚴制造系統 |
容器連接系統的焊接、卷封等都是一個制造系統 |
金屬容器 |
沖裁、彎曲、拉深、翻邊、縮口、脹形、旋壓、擠壓、壓印等。 |
焊接（電焊焊、錫焊、激光焊）、粘接法、卷封法、蓋封式等 |
3、集成制造系統
計算機集成制造系統CIMS(Contemporary Integrated Manufacturing System) 是數字化、信息化、智能化、綠色化、集成優化的制造系統，它是信息時代的一種新型生產制造模式，通常由經營管理與決策子系統、工程分析與設計子系統、加工生產子系統及支撐平臺子系統（如網絡／數據庫／集成框架）組成。
CIMS的功能構成包括下列內容：
①管理功能。能夠對生產計劃、材料采購、倉儲和運輸、資金和財務以及人力資源進行合理配置和有效協調。
②設計功能。能夠運用CAD、CAE、CAPP（計算機輔助工藝編制）、NCP（數控程序編制）等技術手段實現產品設計、工藝設計等。制造功能CIMS 能夠按工藝要求，自動組織協調生產設備(CNC、FMC、FMS、FAL、機器人等）、儲運設備和輔助設備（送料、排屑、清洗等設備）完成制造過程。
③質最控制功能。運用CAQ（計算機輔助質量管理）來完成生產過程的質量管理和質量保證，它不僅在軟件上形成質量管理體系，在硬件上還參與生產過程的測試與監控。
④集成控制與網絡功能。采用多層計算機管理模式，例如工廠控制級、車間控制級、單元控制級、工作站控制級、設備控制級等，各級間分工明確、資源共享，并依賴網絡實現信息傳遞。CIMS還能夠與客戶建立網絡溝通渠道，實現自動定貨、服務反饋、外協合作等。
CIMS所需解決的關鍵技術主要有信息集成、過程集成和企業集成等問題：
①信息集成。針對設計、管理和加工制造的不同單元，實現信息正確、高效的共享和交換，是改善企業技術和管理水平必須首先解決的問題。信息集成的首要問題是建立企業的系統模型。利用企業的系統模型來科學的分析和綜合企業的各部分的功能關系、信息關系和動態關系，解決企業的物質流、信息流、價值流、決策流之間的關系，這是企業信息集成的基礎。其次，由于系統中包含了不同的操作系統、控制系統、數據庫和應用軟件，且各系統間可能使用不同的通信協議，因此信息集成還要處理好信息間的接口問題。
②過程集成。企業為了提高T（效率）、Q(質量）、C（成本）、S（服務）、E(環境）等目標，除了信息集成這一手段外，還必須處理好過程間的優化與協調。過程集成要求將產品開發、工藝設計、生產制造、供應銷售中的各串行過程盡量轉變為并行過程，如在產品設計時就考慮到下游工作中的可制造性、可裝配性、可維護性等，并預見產品的質量、售后服務內容等。過程集成還包括快速反應和動態調整，即當某一過程出現未預見偏差，相關過程及時調整規劃和方案。
③企業集成。充分利用全球的物質資源、信息資源、技術資源、制造資源、人才資源和用戶資源，滿足以人為核心的智能化和以用戶為中心的產品柔性化是CIMS全球化目標，企業集成就是解決資源共享、資源優化、信息服務、虛擬制造、并行工程、網絡平臺等方面的關鍵技術。
目前金屬包裝容器制造業會采用的企業管理軟件，如用友、智邦國際、金蝶、神州數碼、浪潮、博科、新中大、金算盤、八百客、XTools等各具特點，擁有豐富的企業應用軟件產品線，覆蓋了企業資源計劃ERP (Enterprise Resource Planning)、供應鏈管理SCM(Supply Chain Manageme nt)、客戶關系管理CRM (Customer Relationship Management)、人力資源管理HR(Human Res ources)、企業資產管理EAM(Enterprise Asset Management)、辦公自動化OA(Office Automation)等業務領域，可以為客戶提供完整的企業應用軟件產品和解決方案。產品模塊由統一的技術平臺研發，無論是一體化程度，還是集成性、穩定性、擴展性和靈活度等方面都非常高，可以為企業快速成長及多分支機構提供服務。
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