包装金属容器结构设(课程设计).doc
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包装金属容器结构课程设计
1内装物分析及其气雾剂选择
1.1内装物及容量
内装物：
杀虫剂
储存温度：
-5—35℃
容量：
约500ml
1.2内装物相关特性分析
内装杀虫药品为液态，根据惯例，我们选择干式喷雾，即增加推进剂的用量或压力，造成微粒直径小于50um的喷雾，雾粒可以在空中悬浮5min以上。
内装物为气、液、液三相式（液态推进剂与液态的物料互不相容，罐内的液体明显的分为两层，同时在液面上方还有呈气相存在的雾化剂）。
1.3气雾剂的选择
喷雾罐内产品之所以能在阀门开启后自动喷出，完全是作为能源物质气化后产生喷发压力的作用。
这种作为能源的物质即为喷雾罐的推进剂，也称气雾剂、雾化剂。
1.3.1气雾剂的主要作用
①汽化内装物，使之形成胶体微粒。
液相与内装物产品混合成混溶液成为均质液体，当液相混合物穿过阀门从大约0.5mm直径的喷口射出时，推进剂由于从气压容器内的高压释放出来而立刻汽化，是内状物产品成细小雾滴。
②填补内状物喷出后的空间，保持压力不变：
掀动按钮时，阀门开启，液体内装物汲管上升并经阀门喷出，此时少量推进剂蒸发为气体来填补空间。
1.3.2气雾剂的喷出系统
（1）两相系统
物料与液态推进剂能充分混合时，罐内只存在气液两相。
例如气态推进剂与混溶的推进剂和物料的均质液体；压缩气体推进剂与液态物料等。
（2）三相系统
a．气、液、液三相式液态推进剂与液态的物料互不相容，罐内的液体明显的分为两层，同时在液面上方还有呈气相存在的雾化剂。
b．固、气、液三相式罐内有固态、液态物料以及液态与气态推进剂时，罐内物质呈现固、液、气三相式系统。
1.3.3气雾剂的分类
气雾剂是气雾的动力源，它能产生气压，使产品以雾状、细流状或泡沫状喷出而分配使用的物质，分为液化气和压缩气体两大类。
（1）压缩气体。
常见的压缩气体有CO2、N2、NO。
压缩气体是以蒸发气体形态溶解于液态物料中，随着内装物的喷出，其压力平稳降低，因此，不能保持常压，但在压力下降时，部分溶解液体可释放到上层空间，以弥补部分压力下降。
（2）液化气体
①碳氢化合物。
常用丙烷、丁烷和异丁烷类天然气体。
这些气体价廉、低毒、化学性质稳定，正常温度下不易引起任何腐蚀，但易燃。
②碳氟化合物。
碳氟化合物是品种最多，使用最安全的一类推进剂。
具有不易燃性，无味、低毒，能取得大的压力范围。
常用的推进剂有二氯二氟代甲烷、三氯氟甲烷等。
常见的推进剂的主要性质见表1-1、表1-2。
表1-1碳氢化合物推进剂的性质
名称
化学名称
分子式
沸点/℃
密度/（g/mL）
绝对压力/kPa
推进剂A-17
丁烷
CH3CH2CH2CH3
﹣1
0.56
212
推进剂A-31
异丁烷
（CH3）2CHCH3
﹣10
0.58
315
推进剂A-108
丙烷
CH3CH2CH3
﹣42
0.50
860
注：
1．名称中的数字指室温（21℃）下的英制表压力。
2．密度与绝对压力均指室温（21℃）下。
表1-2碳氟化合物推进剂的性质
名称
化学名称
分子式
沸点/℃
密度/（g/mL）
绝对压力/kPa
推进剂F-11
三氯氟甲烷
CCl2F
24
1.48
92
推进剂F-12
二氯二氟代甲烷
CCl2F2
﹣29
1.32
585
推进剂F-114
二氯四氟乙烷
CClF2CClF2
4
1.47
190
作为杀虫剂的雾化剂，由于储存温度在-5℃～35℃之间，考虑到内装物的特性及使用环境等问题，必须选用化学性质稳定及常温下不与包装容器发生反应的推进剂。
因此，选用推进剂A-108，丙烷（CH3CH2CH3），沸点低（-42℃），正常温度下不容易引起任何变化。
2罐形及尺寸规格的确定
金属罐的罐型、尺寸以及封口方式都受到制罐设备的限制，目前许多金属容器的规格尺寸、结构形式都已标准化。
因此，金属罐的设计实质上根据用户要求选定罐型、材料、封口形式以及外在表面进行装潢设计。
2.1喷雾罐的罐型和结构
喷雾罐的罐型和结构的确定必须考虑包装要求和制造成本等综合因素。
（1）影响成本的因素。
圆形罐和其他异型罐相比，不仅制作相对容易，而且用料较省。
因此在设计金属罐时，从节约用料、降低成本这一角度出发，应尽量选用圆形罐。
此外，二片罐生产线的生产效率比三片罐高，按设备投资远比三片罐大，在确定金属罐的造型结构、进行经济核算时必须考虑这些因素。
（2）应满足内装物的包装要求。
在选定罐型时，要根据内装物的特性、包装要求来确定金属罐的结构、形状、封口形状、底和盖以及侧缝的结构等。
此外，在金属罐的盖和底上要不要设置膨胀圈，罐身周围是否需要辊压环筋，都要视生产工艺、运输环境的具体要求而定。
综上所述，由于此次设计的是杀虫气雾剂喷雾罐，所以罐身选择圆形三片罐。
2.2喷雾罐的规格尺寸
根据GB13042—1998（包装容器/气雾罐）标准，容积按国际标准不大于1000ml由下表得:
规格（mm）
罐（mm）
罐高度（mm）
全容积（mL）
罐口内直（mm）
变形压力（MPa）
爆破压力（MPa）
65
65
135～313
405～1000
25.4±0.10
21.2
≧1.44
52
52
79.5～202.5
140～405
45
45
101.6～183.6
140～270
表2-1喷雾罐可选择的规格及主要参数
由于我们设计的容器为500ml的喷雾罐，所以选中Φ65mm的规格
可得：
查容量公差表（表2—2）可知，431～650ml喷雾罐的容量公差范围为±13ml。
选取h=160mm时，符合公差范围。
即容积V为（500±13）ml
表2—2容量公差
包装容量或满口容量
mL
公差
％
mL
＜80
±5
80～100
±4
101～150
±4
151～200
±6
201～430
±3
431～650
±13
651～1000
±2
1001～1400
±20
3喷雾罐材料的选择及依据
3.1喷雾罐的原材料选择
（1）材料种类确定
制作喷雾罐的金属材料有镀锡薄钢板和铝材，分别称之为Z型罐和Y型罐，镀锡薄钢板是以低碳薄钢板为原材料，两面通过热浸镀锡或电镀锡的方法，使薄钢板两面进行等后或等差镀锡获得的。
因为镀锡薄钢板因锡层无毒、无味、柔软、附着于钢基板上，使之具有良好的焊接性能，并具有光亮的外表。
具有原材钢板的力学性能，同时又有表面锡层的保护，克服了无锡钢板易生锈、不耐腐蚀的缺点，成型的金属包装容器，表面光亮美观，也易于涂饰和印刷，所以镀锡薄钢板的Z型罐在生产中被广泛应用，所以在此我们设计使用这一罐型。
按照国家标准，马口铁喷雾罐采用厚度为0.18～0.40mm，硬度为HR30T为48～65，镀锡量为4.9～20.29g/m2。
（2）材料厚度的确定
可按罐内压力P、材料许用应力来确定板材的厚度，计算公式如下：
（3—1）
式中P——罐内压力，MPa；
D——罐内径，cm；
σ——罐内工作压力，MPa；
［σ］罐身材料许用应力，MPa；
t——罐身壁厚，cm。
由已知得：
P=0.8Mpa[σ]=245Mpa
选用的喷雾罐直径D=65mm，代入公式（3—1）算得：
镀锡薄钢板喷雾罐采用材料厚度一般为0.18～0.5mm，硬度值HR30T为48～65，锡量为4.9～20.2g/m，故板材厚度选0.3mm。
3.2喷雾罐的辅助材料选择
（1）喷雾罐内涂料
内涂料是指金属罐内表面的涂料，它是为了防止金属罐盛装内装物长期直接接触使金属腐蚀或释放出金属离子污染内装物而必须使用的涂料，主要起保护装物的作用。
内涂料一般有以下几种：
①水果型涂料；②谷物型涂料；③肉类型涂料；④一般型涂料。
（2）喷雾罐外涂料
金属罐外壁涂覆涂料一般采用印铁方式，色泽鲜艳、光亮美观、容易保护，集装饰、广告、说明于一体。
主要分为如下几种：
①打底涂料。
用于金属表面并与油墨起连接作用，是金属和油墨之间的一层涂料，其作用是使涂膜牢固地附着金属表面上，并能油墨结合良好。
②白色涂料。
主要用于满版白色为底色的金属薄板印刷。
以使印在白色上面的彩色油墨更加鲜艳。
③照光油。
照光油也照光漆，涂布在印刷后的金属表面，能使表面增加光泽、美观，并可以保护印刷面。
同时，也使其增加一定硬度，使表面的涂膜具有一定的柔顺性和耐化学腐蚀性。
（3）印刷油墨
常用的金属罐印刷油墨及用途见下表
表3—1常用的金属罐印刷油墨及用途
印刷类型
油墨牌号
用途
胶印
GMD系列
适于两片罐、气雾罐印刷
胶印
GMW系列
两片罐印刷
胶印
MCCCM系列
适于三片罐、气雾罐印刷
平版
FSP-3系列
适于马口铁罐印刷
网印
A14系列
适于铝罐印刷
（4）密封胶
密封胶的主要功用是在金属罐的二重卷边内实现密封。
在金属罐使用、装卸、贮存、运输期间、甚至当卷边发生物理撞击时，它都能对罐内装物起到保护作用。
常用的密封胶有水性密封胶和溶剂性密封胶。
①水溶性密封胶。
大部分水基密封胶是从一种乳剂形式的聚合物开始的，俗称乳胶。
它的优缺点如下：
a．优点：
环保（无挥发性可燃性溶剂）；粘度和总固体含量范围大；适用于所有金属罐类型，且在盛装溶剂、油和压力气雾剂的金属罐是具有卓越的物理性能。
b．缺点：
注胶后的罐盖必须加热强制干燥；可能发生腐蚀、磨损喷嘴顶针和微生物滋生；密封胶在零摄氏度以下可能发生冻结和凝结。
②溶剂性密封胶。
溶剂性密封胶是将橡胶和填料粉碎后与溶剂混合而成。
溶剂性密封胶一般有地低固体分散体（30％～40％）和高固体含量分散体（50％～60％）。
a．优点：
比水溶性密封胶更加稳定及容易注胶，注胶后的罐盖可以风干；干燥时对气温和湿度的敏感度较低；粘度随着温度而变化，但一般不会冻结或凝结。
b．缺点：
液体因含溶剂而易燃，且对人体接触有伤害；有机物挥发不利于环境保护。
4喷雾罐容器的结构设计
4.1喷雾罐整体结构形式
金属气雾罐（如图4.1）按罐开孔形状分为Z型罐和Y型罐，Y型罐为铝制罐，由于经济和技术的条件，我们选择的材料为镀锡薄钢板的Z型罐。
Z型罐是由罐身、罐肩、罐底组成的三片罐，罐身纵接缝采用电阻焊式焊接成型，上下口缘翻边成缩颈翻边，与罐肩罐底采用二重卷边，这样能尽可能节约材料
图4.1喷雾罐的基本结构图4.2三片罐的结构
1-上盖；2-罐盖；3-卷边部分；
4-组合翼；5-带组合翼的侧接缝；6-罐底；
7-总高；8-罐高；9-标签高
气雾罐底为了提高耐压强度，设计成加工成凹球面型结构。
如图（图4.3）为Z型罐罐底结构。
图4.3Z型罐罐底结构
4.2喷雾罐的细节结构与尺寸设计
4.2.1罐口结构与尺寸
气雾罐罐口口缘需要管封，以及阀门的固定盖、密封垫圈组构，实现对气雾罐的密封。
气雾罐的罐口结构、规格尺寸见下图（图4.4）和下表（表4-1）。
图4.4Z型喷雾罐灌顶开口结构
表4—1金属喷雾罐灌顶开口尺寸／mm
开孔
形状
外径
D1
内径D2
接触高度H
半径R
最小值
最大值
平均值
（10只）
Z型
31.3±0.15
25.4±0.10
3.85
4.15
4.00±0.13
1.45
Y型
31.20±0.20
25.4±0.10
3.95
4.55
4.25±0.20
1.50
因此，可选择：
D1=31.20±0.15mm
D2=25.40±0.10mm
H=4.00±0.13mm
R=1.45mm
4.2.2二重卷边结构与尺寸
钢制喷雾罐的二重卷边结构与尺寸如图4.5所示。
图4.5二重卷边结构与尺寸
4.2.3气雾阀主要尺寸
表4—2气雾阀的主要结构尺寸／mm
d1
d2
高度h
半径r
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
31.08
+0.20
-0.15
25.15
±0.08
3.5
+0.10
-0.30
1.60
图4.6气雾阀的主要结构尺寸
4.3阀门的结构设计
4.3.1阀门的工作原理和结构
工作原理及结构说明：
开口直径为25.4mm的金属喷雾罐所采用的标准结构如图4.7所示，平时通过弹簧的压力作用，阀门处于关闭状态，当按动按钮时，发杆向下运动，阀杆喷孔离开密封圈处于开口状态，使杆体和阀体混合室连通，在推进剂的压力作用下使内装物经导管，阀体喷孔，混合室，再通过阀体喷孔，阀杆，最后从按钮喷孔喷出。
当弹簧将阀杆顶回，阀杆喷孔被密封，阀门又处于关闭状态。
图
4.7标准阀门结构示意图
1-触动器；2-阀杆；3-阀座；4-衬垫5-阀门杯；6-蒸发开关；7-阀体；8-阀体喷嘴；9-导管；10-弹簧；11-混合室；12-阀杆喷嘴；13-喷嘴
4.3.2阀门的主要构件
（1）阀门的喷孔。
内装物的输出形态不仅与推进剂的配方有关，而且与阀门的零件结构，特别是各零件中内装物通过的小孔的大小密切相关。
阀门一般有四个孔即阀体喷孔、排气孔（蒸发开关）、阀杆喷孔与按钮喷孔。
标准按键喷孔的喷出状态为实錐体倒锥形按钮喷孔可以扩大喷雾锥角。
常见内装物的阀门喷孔规格见表4—3。
表4—3喷雾罐阀门喷口规格／mm
内装物
阀体喷孔
排气孔
阀杆喷孔
按钮喷孔
喷射速度/（g/s）
喷发胶
1.57
0.33
0.33
0.33
0.8
祛臭剂
0.46
0.46
0.46
0.38RT
0.7
室内清新剂
0.76
——
0.46
0.51
1.0
杀虫剂
0.36
——
0.33
0.51RT
0.5
防冻剂
1.57
——
2×0.91
1.02
9.0
注：
1．RT系倒锥形孔。
2．喷射速度在21℃以下。
（2）阀杆。
阀杆上有阀杆喷孔来控制流量，孔径规格有规定的，一般为0.3～0.7mm。
阀杆中的膨胀室结构是雾化喷出物的重要场所之一，内装液从阀杆喷孔进入膨胀室膨胀，使雾粒均匀细化，再从按钮孔进入大气中继续膨胀。
（3）汲管。
汲管也叫导管，它的作用是将内装物导入阀内，汲管材料必须长期接触内装物，不发生收缩和溶胀，通常采用聚氯乙烯。
汲管的长度以刚好弯曲到容器底部为宜。
为了达到控制流量的效果，采用内径为0.4毫米的毛细管。
为了在倒立情况下仍能使用，有时采用6~10毫米的大口径汲管。
（4）阀杆密封垫（垫座）。
该零件的作用是密封阀体、U型盖、阀杆孔，并有关闭阀门功能。
密封衬垫的材料必须具有耐化学性、良好的弹性、刚度、重复强度等力学性能、和内装物接触不发生收缩和溶胀。
（5）阀体。
阀体是固定在U型盖上，内部装有弹簧、阀杆，部分汲管的构件。
阀体的材料有尼龙、聚缩醛等高强度塑料盒金属。
（6）弹簧。
弹簧的作用是依靠弹力顶起阀杆，封闭阀门。
通常采用不锈钢弹簧，不能太硬。
应根据橡胶阀座的硬度及其阀杆接触面的形状，来确定弹簧的刚性。
（7）U型盖。
用于安装固定阀门的顶盖，用于25.4mm口径的喷雾罐。
需要内喷涂，马口铁盖与铝罐接触时应注意防腐蚀问题。
（8）按钮。
按钮开关一般用聚乙烯制造。
分为一件型（图4.8）和两件型（图4.9），如下图所示。
图4.8一件型按钮开关及喷嘴形状
图4.9两件型开关按钮
5喷雾罐的封口形式
5.1罐身与罐盖、罐底的封口
三片罐由罐身、罐底、罐肩组成，罐身接缝处采用电阻滚焊封边。
上下口缘翻边成缩颈结构，罐身与罐盖、罐底用二重卷边封合。
5.2喷雾罐开口的封合
5.2.1采用U形盖安装方式
国际上有两种统一的安装方式，U型盖安装方式和GV型盖安装方式。
我们采用U型盖安装方式，板材厚度采用0.375mm。
这种安装方式在金属喷雾罐中应用最多。
如下图（a）所示。
容器盖的中央部位设有直径为25.4mm的开口，开口周围形成一个圆形卷边，然后将U形盖固定到上面，如图（b）所示。
（a）容器开口部分（b）U型盖结构设计
图5.1U型盖安装方式的容器
5.2.2开口密封方法
从图b可以看出，喷雾罐的密封是靠U形盖与容器开口卷边的咬合实现的。
卷边是保持气密性的重要部位。
它必须具有咬合时及咬合后不变的形状和强度。
如下图所示。
卷边还承担U形盖密封填料的密封面。
除了要严格控制它的形状尺寸外，其表面要有一定的圆滑性。
图5.3喷雾罐的咬合卷边结构
1—卷边；2—U型密封垫圈；3—U型盖；
CD—咬合直径；CH—咬合高度
为了正确地进行卷边咬合，从开口观察，容器和卷边应是同心圆，并且具有平行性。
卷边的形状，U形盖的形状，U形密封盖垫的厚度，咬合卷边等尺寸精度都非常重要咬合直径CD和咬合高度CH都是卷边咬合的重要尺寸。
其中CH的算式如下：
CH=H＋t＋δ（5—1）
式中H——接触高度，是规定直径与卷边上规定深度接触时的高度。
国标GB13042-91中规定，对Y形开口形状的接触高度为3.9mm，对Z形口形状的接触高度为3.85mm；
t——U形盖的板厚；
δ—压缩后U形盖密封垫的厚度。
对于有涂层的气雾罐，CH的值应在上式基础上再加上涂层的厚度0.381mm
另外，咬合直径CD则以咬合高度CH不损卷边形状的位置而定。
边的形状和强度以及咬合的尺寸都是经验数值，目前尚无定论。
6喷雾罐的制造工艺
6.1三片罐加工工艺流程
6.1.1制造工艺流程
三片喷雾罐的制造工艺除了罐盖与普通的三片罐不同之外，其余完全一样。
具体的工艺流程如下：
（1）罐盖（罐底）：
板料分切→涂油→冲裁成型→圆边→注胶→烘干
（2）罐身：
板材下料→印刷→裁罐身→成圆→搭接焊结→补涂→烘干（滚筋）→翻边→封底→检验→罐装→封盖
6.1.2罐身纵缝焊接
三片喷雾罐的罐身板经过卷圆成型后，其侧缝需焊接，通常有锡焊和滚焊两种焊接方法。
由于锡焊焊锡中含铅量多，当内装物中含有有机硫化物时，产生黑色的硫化铅沉淀物会堵塞阀门，还会由于乙酸盐和硝酸盐的阴离子作用而溶解，从而引起侧缝的泄漏。
目前罐体纵接缝一般采用电阻滚焊法焊接，即罐体接缝通过电极被熔融以后加压焊合。
这种焊接法最大优点是不用焊锡，除白铁皮以外的钢板都可以使用，由于这种焊缝的强度比钢板本身高，所以不用担心锡焊罐中常常出现的蠕变问题。
6.1.3罐身与罐盖，罐底的封合
三片喷雾罐的罐身与罐盖，罐底的结合不都是采用二重卷边工艺封合的，为保证罐的气密性，卷边必须外涂密封胶。
6.2坯料尺寸的确定
6.2.1罐身板的尺寸确定
由于采用的电阻焊罐，罐身板的长度和宽度计算方法如下：
（1）罐身板长度
L=［π（D+tb）＋ls］±0.2～0.3（6—1）
式中L——罐身板计算长度，mm；
D——圆罐直径，这里D=65mm；
tb——镀锡薄钢板的厚度，前面算出tb=0.3mm；
ls——焊缝搭边宽度，一般为0.3～0.5mm，这里取0.32mm。
代入数据算得：
L=205.75mm
（2）罐身板宽度
B=（h＋lb）±0.05（6—2）
式中B——罐身板计算宽度，mm；
h——成品罐外高，前面算出h=170mm；
lb——罐身口缘翻边用料宽度，一般取2.5～3.5，这里取3.0mm。
代入数据算得：
B=174mm
6.2.2罐盖与罐底型坯尺寸
（1）灌盖外凸状，罐底凹球面状，依据面积不变原则，坯件落料尺寸可通过成型后的罐盖罐底尺寸面积计算，公式如下：
D1=D＋k（6—3）
D1——罐盖（底）板落料计算尺寸，mm；
D——罐内径，mm；
k——修正系数，mm。
k值选取与罐形大小、设备条件、薄钢板及胶膜厚度有关，一般情况可以下可参照表6—1选取。
表6—1罐盖（底）板料计算修正系数
罐内径/mm
52.3
65.3～72.9
83.3～98.9
105.1
153.4
k值/mm
15.5
16.0
16.5
17.0
18.0
6.2.3二重卷边的尺寸计算
二重卷边是罐身与罐盖（底）的组合，以五层卷边形式咬合在一起的卷封形式。
6.1二重卷边结构
1—罐盖（底）；2—罐身
（1）卷边厚度（T）。
卷边厚度T是指卷边外部测得的垂直于卷边叠层的最大尺寸。
其计算公式如下：
T＝3tc＋2tb＋∑g（6-4）
式中tc——罐盖（底）坯板厚度，mm；
tb——罐身坯板厚度，mm；
∑g——层间间隙之和，约为0.15～0.25mm。
卷边厚度T受卷边轮封卷压力影响，一般压力大T值小，压力小则T值大。
（2）卷边宽度（W）。
卷边宽度是指从卷边外部测得的平行于卷边叠层的最大尺寸。
其计算公式如下：
W＝2.6tc＋BH＋Lc（6-5）
式中BH——身钩长度，mm；
Lc——身钩空隙，mm，要求越小越好。
卷边宽度大小还受压辊沟槽的形状、卷封压力及下托盘推力等因素影响。
且身钩长度BH对罐的影响较大，一般来说，BH值小，容易产生渗漏现象，BH值太大则容易产生垂边，故身钩长度BH必需适中。
（3）埋头度（C）。
埋头度是指卷边项部至盖平面的距离，它一般由上压头凸缘厚度决定，即：
C＝W＋α（6-6）
式中W——卷边宽度，mm；
α——修正系数，一般为0.15～0.30mm。
（4）罐身身钩长度（BH）。
罐身身钩长度是指罐身翻边向内弯曲成钩状的长度。
其值为1.8～2.2mm。
（5）罐盖盖钩长度（CH）。
罐盖盖钩长度是指罐盖圆边翻向卷边内部弯曲部分的长度。
盖钩长度取决于头道压辊沟槽的形状，其值与身钩基本一致。
（6）叠接长度（OL）。
叠接长度是指二重卷边成型后，卷边内部盖钩与身钩相互叠接的长度。
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