金屬容器和類似物的擠壓推桿成形方法
2023-07-21 09:29:36 3
專利名稱：金屬容器和類似物的擠壓推桿成形方法
技術領域：
本發明涉及成形金屬容器和類似物的方法，該方法採用內部流體壓力使空心金屬預製件或者工件在模具腔內膨脹。在一個重要的特殊方面，本發明在於提供一種成形具有例如非對稱特徵瓶子形狀的異形形狀的鋁容器或者其它金屬容器的方法。
背景技術：
金屬罐已是眾所周知，廣泛用於裝各種飲料，現在的飲料罐主體不管是單件「拉拔」主體或者兩端開口的主體(在底端和頂端分別具有單獨的密封部件)，一般均具有簡單的直圓筒側壁。因為要求美觀、吸引消費者和/或產品識別，有時希望金屬飲料容器的側壁具有不同的更為複雜的形狀。具體是要求形成一種具有瓶子形狀的金屬容器，而不是普通的圓筒罐形狀。然而，常規的制罐操作不能得到這種結構。
為了這些和其它目的，最好提供一種方便的有效方法，能將工件成形為瓶子形狀或者其它複雜形狀。另外，形成這樣一種工藝規程也是有用的，使得這種規程能夠形成徑向不對稱的異形容器，從而可以增加可用設計的多樣性。
發明內容
本發明在廣義上提供一種成形金屬容器的方法，該容器具有確定的形狀和橫向尺寸，該方法包括將一端封閉的空心金屬預製件配置在模具腔中，該模具模具空腔由模具的壁側向封閉，該模具空腔具有確定的形狀和橫向尺寸，衝頭配置在模具空腔的一端並可以移入到模具空腔中，預製件的封閉端部配置成靠近該衝頭並對著衝頭，預製件的至少一部分開始時與該模具壁向內分開一定距離；使該預製件承受內部流體壓力的作用，從而使預製件向外膨脹，達到基本上完全與模具壁接觸，由此使預製件具有預定形狀和橫向尺寸，在預製件封閉端部施加的流體壓力作用力對著模具空腔的上述一端；或者在預製件開始膨脹之前或者之後，但是在預製件完成膨脹之前，將衝頭推入到模具空腔中，在流體壓力作用力方向的相反方向上接合該預製件的封閉端部，並使該端部位移，由此使預製件的封閉端發生變形。可利用推桿移動衝頭，該推桿能夠向衝頭作用充分大的力，使預製件發生位移和變形。這種方法有時在本文中稱為擠壓推桿成形(PRF)工藝，因為容器是通過施加內部流體壓力和利用推桿推動衝頭形成的。
作為本發明的另一特徵，該衝頭具有異形表面，使預製件的封閉端部發生變形，形成與該異形表面相一致的表面。例如，該衝頭具有拱形形狀，預製件的封閉端部可以變形成拱形形狀。
容器成形的確定形狀可以是瓶子形狀，包括頸部分和橫向尺寸大於頸部分的主體部分，模具腔具有長軸線，預製件也具有長軸線，並配置成基本上與模具空腔共軸線，而衝頭可沿模具空腔的長軸線運動。
有利的是並最好是該模具壁包含拼合模具，在取出已成形的容器時，該拼合模具可以分開。採用這種拼合模具時，上述確定形狀可以是相對於模具空腔的長軸線不對稱的形狀。
該衝頭最好在開始時，在施加流體壓力之前，靠近預製件的封閉端定位或與其接觸，以便限制流體壓力造成的預製件縱向伸長。在預製件的膨脹下部分接觸模具空腔壁之後，開始移動衝頭。
用於形成瓶子形狀容器和類似物的預製件最好是細長的，起始為大體圓筒形的工件，該工件具有與封閉端相對的開口端。在本發明特定實施例中，該預製件的直徑基本上等於瓶子形狀的頸部分，並具有充分大的可成形性，從而可以用單次壓力成形操作膨脹到確定的形狀。如果缺乏這種成形性，則在進行上述PRF方法之前需進行預備步驟，將工件放在比上述模具腔小的模具腔內，並在該工件內加上內部流體壓力，使工件膨脹到中間尺寸和形狀，該中間尺寸和形狀小於確定的形狀和橫向尺寸。
或者，如果伸長的起始大體為圓筒形的工件其起始直徑大於瓶子形狀頸部分尺寸，則成形瓶子形狀容器的方法包括另外的操作步驟，在實施PRF規程之後，使工件的開口端部分承受旋轉成形操作，形成直徑減小的頸部分。
或者，可以用模具縮頸工藝減小預製件項部區域的直徑。可以在膨脹階段之前應用這種模具縮頸工藝。
預製件可以是鋁預製件(本文所用的術語「鋁」是指鋁合金和純鋁金屬)，該預製件可以用鋁板形成，該鋁板具有再結晶的或者恢復的微結構，該微結構的尺寸範圍在約0.25～1.5mm之間。可以通過拉拔-重拉操作或者反向擠壓工藝加工該鋁板，將該板形成為一端封閉的圓筒件。
在用內部流體壓力膨脹預製件的步驟期間，在以下若干連續的階段中在預製件內施加流體壓力(i)在預製件膨脹開始之前將壓力升到第一峰值壓力；(ii)在膨脹開始時將壓力降低到最小值；(iii)在進行膨脹直到預製件膨脹到不完全接觸模具壁時逐漸將流體壓力升到中間值；(iv)在預製件膨脹完成期間從中間壓力值升高該流體壓力。按照這種順序的壓力階段，在本發明的優選實施例中，基本上在階段(iii)的末端開始移動衝頭，使預製件的封閉端部發生位移和變形。
在施加內部流體壓力時，該預製件的封閉端部在預製件接觸模具壁時，一般呈現為大的半圓球形狀；並且基本上在預製件封閉端部呈現為這種形狀時開始移動衝頭。
按照本發明，使預製件承受內部流體壓力作用的操作步驟還包括同時向模具空腔內的預製件施加內部正流體壓力和外部正流體壓力，該內部正流體壓力高於外部正流體壓力。該內部和外部壓力分別由獨立控制的壓力系統提供。可以通過獨立控制同時作用於預製件的內部和外部正流體壓力來控制預製件的應變率，控制內部和外部正流體壓力可以改變內部正流體壓力和外部正流體壓力之間的壓差。這樣，便可以避免由過高應變率所引起的問題，並取得另外的有利結果，例如降低流體靜應力，這種靜應力可能造成對容器壁的微結構損壞。
按照本發明的再一特徵，已經發現，在預製件膨脹期間最好加熱，例如在預製件上形成溫度梯度。通過將加熱器裝在衝頭上，可以在預製件上從底部朝上產生溫度梯度。也可以在模具的頂端裝上分開的加熱器，這種加熱器可以在預製件上從頂端向下形成溫度梯度。還可以在模具空腔的側壁部分裝上另外的加熱器。從而在預製件膨脹期間產生另外的溫度梯度，以便確定開始膨脹的位置和提供改進的成形性。
已經發現，最好使衝頭在開始膨脹之前與預製件的底部接觸，以便在膨脹的整個期間由衝頭施加一定的軸向力。衝頭可以在整個膨脹期間向預製件的封閉端部施加一定軸向力，採用這種操作時，預製件封閉端部的位移和變形最好不發生，直至膨脹操作結束。
從下面的詳細說明以及附圖可以看出本發明的其它特徵和優點。
圖1是簡化的示意透視圖，示出用於實施本發明例示性實施例方法的加工裝置；圖2A和2B是類似於圖1的視圖，示出實施本發明方法第一實施例的順序步驟；圖3是曲線圖，示出內部壓力和推桿位移隨時間的變化，用空氣作流體介質，示出在本發明方法中，使預製件承受到內部流體壓力作用的操作和衝杆的移動操作隨時間的關係；圖4A、4B、4C和4D是類似於圖1的視圖，示出實施本發明方法第二實施例的順序步驟；圖5A和5B分別是類似於圖1的視圖和旋轉成形步驟的簡化示意透視圖，示出實施本發明第三實施例的順序步驟；圖6A、6B、6C和6D是在本發明方法中的順序步驟的計算機生成示意立視圖；圖7是在一段時間(用任何時間單位)內壓力變化的曲線，示出同時向模具腔中的預製件獨立施加可控內部和外部正流體壓力的曲線，並與不存在外部正壓力的內部壓力變化(如圖3所示)進行比較；圖8是在時間過程中應變變化的曲線，該曲線是用有限元分析得到的，示出在圖7中相比較的兩個不同壓力條件下一個特定位置(元)的應變；以及圖9是類似於圖7的曲線圖，示出在內部和外部正流體壓力同時加在模具模具空腔中預製件上時用於成形工藝中的特殊控制機構；圖10是示意圖，示出用加熱的衝頭使預製件膨脹；圖11是曲線圖，示出在預製件膨脹期間加工衝頭上的負載、內部壓力和衝頭的位移；以及圖12是透視圖，分別示出用平圓盤形成預製件的步驟。
具體實施例方式
本發明將作為實施成形鋁容器的方法進行說明，該鋁容器具有不一定是軸對稱(相對於容器的幾何軸線對稱)的異形形狀，這種方法採用流體壓力(內部流體壓力)成形和衝頭成形的聯合成形方法，即採用PRF工藝。
PRF製造工藝具有兩個顯著不同的階段，即形成預製件，並在隨後將預製件成形為最後容器。對於整個成形路徑，存在若干選擇，可以根據使用鋁板的成形性進行適當的選擇。
用鋁板製造預製件，該鋁板具有重結晶或者恢復的微結構，該微結構的尺寸在0.25～1.5mm的範圍內。該預製件是一端封閉的圓筒，該圓筒可以採用例如拉拔-重拉(-重拉)工藝或者採用反向擠壓的方法形成。預製件的直徑約在所需容器製品的最小直徑和最大直徑之間。在隨後的成形的操作之前，在預製件上形成螺紋。預製件封閉端部的外形可以設計成有助於形成最後製品的底部形狀。
如圖1所示，本發明方法的加工組件包括拼合模具10，該拼合模具10具有成形的模具空腔11，該模具空腔確定軸向垂直的瓶子形狀；衝頭12，該衝頭具有容器底部所需的形狀(例如，在所示的實施例中，具有使形成容器底部形成拱形形狀的凸拱形形狀)；推桿14，該推桿連接於衝頭。在圖1中僅示出拼合模具中的兩個半模之一，另一半模是所示半模的鏡像；可以明顯看出，兩個半模貼合在一個平面上，該平面包括由模具空腔11的壁限定的瓶子形狀的幾何軸線。
模具空腔11的上部開口端11a(對應於空腔的瓶子形的頸部)的最小直徑等於放在模具空腔中預製件的外直徑(見圖2A)，預製件和空腔之間留有間隙。首先將預製件定位在衝頭12的略微上方，該預製件具有示意示出的加壓頭16，該加壓頭位於開口端部11a，用於進行內部加壓。例如接合於形成在預製件上部開口端的螺紋，以進行加壓，或者通過將管子插入到預製件的開口端利用拼合模進行密封，或者用其它的加壓頭進行加壓。
加壓步驟涉及將例如水或者空氣的流體引入到空心預製件的內部，其壓力應足以使預製件在模具空腔內膨脹，直至預製件的壁基本上完全壓在形成模具空腔的模具壁上，由此使膨脹的預製件具有模具空腔的形狀和橫向尺寸。一般說來，所用的流體可以是可壓縮的流體或者不可壓縮的流體，可以控制其質量、流量、體積和壓力中任何一個參數來控制預製件壁承受的壓力。在選擇流體時，需要考慮應用在成形操作中的溫度狀況，如果用例如水作流體，溫度必須小於100℃，而如果需要較高的溫度，則流體就需要用空氣，或者利用在成形操作的溫度下不沸騰的液體。
作為加壓步驟的結果，在模具壁上形成的花紋細部將會以相反的鏡像方式形成在最後容器的表面上，即使所製造的容器有這些花紋或者總的形狀不是軸對稱的，但是也可以容易地從加工裝置中取出來，因為採用了拼合模具。
在圖2A和2B所示的本發明實施例中，預製件是空心圓筒鋁工件，其下端20是封閉的，其上端22是開口的，其外直徑等於要形成瓶子形狀的頸部外直徑，PRF操作的成形應變在由預製件成形性決定的範圍內(該成形性取決於溫度和變形率)。採用具有這樣的成形特性的預製件時，模具空腔11的形狀應當按照最後產品所需形狀精確成形，該產品能夠在一次PRF操作中成形。推桿14的運動和內部加壓的速率應儘可能減小變形操作的應變並形成容器的所需形狀。頸部和側壁的形狀主要通過內部壓力的作用，造成的預製件的膨脹來形成，而底部的形狀主要由推桿和衝頭的運動以及面向預製件封閉端部20的衝頭表面輪廓確定。
在實施本發明時，正確同步施加內部流體壓力以及操作推桿和衝頭(移入到模具空腔中)是特別重要的。圖3示出代表圖2A和2B成形操作的計算機生成的模擬數據(有限元分析輸出的結果)曲線，由流量控制空氣的壓力。具體是，該曲線示出壓力和推桿位移隨時間的變化。從圖3可以看出，在預製件內的流體壓力以連續的階段變化(i)在預製件開始膨脹以前升到第一壓力峰值24；(ii)在膨脹開始時降低到最小值26；(iii)在膨脹進行時逐漸升高到中間值28，直至預製件膨脹到不完全接觸模具壁；(iv)在預製件膨脹完成期間，從中間值(在30)更快速地上升。根據這種壓力階段順序，在本發明的優選實施例中，基本上在階段(iii)的末尾時，使衝頭開始移動，造成預製件的封閉端部發生位移和變形。在圖上示出時間、壓力和推桿位移的單位。圖6A、6B、6C和6D示出，在圖3中x軸上示出的0.0、0.096、0.134和0.21秒時間內圖3所示工藝對預製件的成形結果(用計算機生成的模擬)。
在開始將內部流體壓力加在空心預製件上時，衝頭12配置在預製件封閉端的下面(按照圖中所示的加工裝置的軸向垂直方向)，其間距很近(例如相接觸)，從而可以在施加內部壓力時，限制預製件的軸向伸長。當預製件的膨脹基本上完成但未完全完成時，起動推桿14，將衝頭向上推，從而在用內部壓力完成預製件的橫向膨脹時，使預製件封閉端部的金屬向上位移，並使該封閉端部成形為衝頭表面的形狀。預製件封閉端部的位移不會使預製件相對於模具移動，或者不會因為在推桿開始向上推動衝頭時已經膨脹的預製件的存在而使預製件側壁出現皺紋(這種皺紋在推桿過早向上移動時可能出現)。
在圖4A～4D中示出本發明的第二實施例方法。在此實施例中，和圖2A和2B所示實施例一樣，圓筒形預製件38的起始外直徑等於最後製品的最小直徑(頸部)。然而在此實施例中，可以假定PRF操作的成形應變超過了預製件的成形性極限。在這種情況下，需要兩次連續的壓力成形操作。第一次操作(圖4A和4B)不需要推桿，只是使預製件在一個簡單的拼合模具40中通過內部加壓，膨脹到較大直徑的工件38a。第二次操作是用PRF工藝(圖4C和4D)，採用已在模具40中預先膨脹的工件，應用具有瓶子形狀模具空腔44的拼合模具42和由推桿48推壓的衝頭46，即採用內部壓力和推桿運動兩種方法最後形成所需瓶子形狀，該瓶子形狀包括側壁形狀和底部輪廓的所有特徵，該底部形狀主要由衝頭46的動作形成。
圖5A和5B示出第三實施例。在此實施例中，預製件50的初始外直徑大於最後瓶子形容器的所需最小外直徑(通常為頸部直徑)。選擇這種預製件是由於要考慮成形操作的成形極限，或者選擇這種預製件是為了降低在PRF操作中的應變。因此，製造最後製品的操作必須包括預製件的徑向膨脹和壓縮兩種操作。因此，單獨用PRF裝置是不能完成的。可以用單次PRF操作(圖5A，採用拼合模具52和推桿推壓的衝頭54)來形成壁的輪廓和底部輪廓(如圖2A和2B的實施例一樣)，然後用旋轉成形或者其它的縮頸操作來成形容器的頸部。如圖5B所示，可以應用2001年5月1日提出的待審查美國專利申請序列號09/846169中說明的那種旋轉成形工藝，該工藝採用許多組串聯旋轉成形圓盤56和圓錐形的心軸58來成形瓶子頸部60。
在實施上述PRF工藝時，PRF的應變很大。因此，應當選擇和調節合金組成，以便使所需產品特性與改進的成形性相匹配。如果還需要提高成形性，則可以如下面說明的，調節成形溫度。因為溫度增加可以得到更好的成形性。因此，需要在高溫下進行PRF操作，和/或預製件需要進行恢復性退火，以便增加其成形性。
本發明不同於例如PET容器的吹塑成形操作的公知壓力成形操作特別在於加上外部衝頭成形部件。不需要例如成形PET瓶子時有時使用的內部衝頭。現在本申請人還不知道哪一種方法可以製造具有本發明所實現直徑範圍的異形形狀的鋁容器。另外，本申請人現在還不知道哪一種方法可以製造非對稱的斷面形狀(例如底部上的支腳或容器側壁上的旋脊)。
還可以應用本發明的方法來成形例如鋼的其它材料的容器。
下面參考圖3(上面已說明)以及圖6A～6D說明將推桿驅動衝頭12移入到模具空腔11中而使預製件的封閉端部20發生位移和變形(如圖2A和2B所示)的重要性，在圖6A～6D中，虛線表示模具空腔11的垂直輪廓，在開始施加內部壓力後拱形衝頭12在不同時間的位移(mm)用該虛線右手側的標尺表示。
該推桿在成形鋁瓶子時有兩個重要作用。即它限制軸向張力應變，並成形容器底部的形狀。開始時，推桿驅動的衝頭12與預製件18的底部靠得很近，或者剛好接觸(圖6A)。這樣便可以儘量減小預製件側壁的軸向伸長，這種軸向伸長在內部壓力作用下原本是會發生的。因此，當增加內壓力時，預製件的側壁將膨脹以便接觸模具的內部，而不會顯著伸長。通常，預製件的中央部分首先膨脹，然後膨脹區域向上和向下沿預製件的長度發展。在此時，預製件的底部逐漸變成半球形的形狀，該半球的半徑近似等於模具空腔的半徑(圖6B)。在此時或者在此前必須起動推桿，將衝頭12往上推(圖6C)。推桿頭部的輪廓(即衝頭表面輪廓)完全確定容器底部輪廓。當內部流體壓力使預製件成形在模具空腔壁(比較在圖6B、6C和6D中的瓶子肩部和頸部)上時，推桿的移動加上內部壓力的作用將使預製件的底部形成衝頭表面的輪廓，達到所需形狀(圖6D)，而不會造成過分的張力應變，這種張力應變很可能性造成破損。推桿的向上運動將壓縮力作用在預製件的半球形區域，減小了由加壓操作引起的總應變，有助於使材料徑向向外流動，充滿衝頭前部的輪廓。
如果相對於內部加壓速度過早地使衝頭移動，則預製件可能會因為受到壓縮軸向力的作用而發生皺紋和折曲。如果這種移動太晚，則材料將沿軸向方向發生過分應變，可能造成破裂。固此，為了成功地進行成形，操作需要使內部加壓速率與推桿和衝頭前部的運動相配合。採用工藝的有限元分析(FEA)可以最好地實現必須的同步。圖3是根據FEA的結果畫出的。
本發明迄今為止在圖3中進行說明和描述，在模具空腔內沒有任何正的(高於大氣壓)流體壓力作用在預製件的外部。在這種情況下，模具空腔中的預製件外部壓力基本上是外部大氣壓力。當預製件膨脹時，在模具空腔中的空氣將通過為此目的配置的連通模具空腔和模具外部的適當排氣口或者通道排出(在預製件的外部和模具空腔壁之間的體積逐漸縮小)。
通過例示性方式，特別針對鋁容器進行說明，FEA已經證明，在不存在任何正的外部壓力時，當預製件開始塑性變形(流動)時，預製件的應變率將變得非常高，基本上是不可控的，因為在擠壓推桿成形操作的處理溫度下(例如約300℃)，鋁合金的加工硬化率很低或者為零。
即，在這種溫度下，鋁合金的加工硬化率基本上為零，而且隨著應變率的增加其塑性(即成形極限)降低。因此，成形所需最後形狀容器製品的能力隨成形操作應變率的增加和鋁塑性的降低而減小。
按照本發明的另一重要特徵，可以在預製件內部施加正流體壓力的同時，向模具空腔中預製件的外側施加正流體壓力。這些外部和內部正流體壓力分別由獨立的可控壓力系統提供。通過將一個獨立可控的正流體壓力源連接於上述排出口或者通道便可以方便地輸送外部正流體壓力，從而在模具和膨脹的預製件之間的空間內保持正的壓力。
圖7和8比較了擠壓推桿成形容器時，在加上和不加上正外部壓力控制條件下，壓力和時間的變化以及應變隨時間的變化(術語「應變」是指外力作用在一個物體上產生的單位長度伸長)。對於沒有外部正流體壓力作用在預製件的情況，圖7的線101對應於在圖3中表示為「壓力」的線。圖8的線103代表由FEA確定的一個特定位置(元素)形成的應變。很明顯，在這種情況下應變幾乎是瞬時的，這表示變形率很高，只需很短時間便可使預製件膨脹到接觸模具壁。相反，圖7中的線105、107和109分別代表在控制內部和外部兩個壓力時即向模具空腔內的預製件同時加上獨立可控的外部和內部正流體壓力時的內部正流體壓力、外部正流體壓力以及兩種壓力之間的壓力差。內部壓力高於外部壓力，因而形成預製件膨脹所需的淨正內外壓力差。圖8的線111代表在由線105、107和109表示的獨立可控內、外壓力條件下的周向應變(在膨脹期間在水平面上沿預製件外周面產生的應變)。還應當看到，由線111示出的周向應變可以達到與線103示出的最後應變相同的最後值，只是經過更長時間在更低的應變速度下得到。圖8的線115代表軸向應變(當預製件伸長時在垂直方向產生的應變)。
由於將獨立可控的內部和外部正流體壓力作用在模具空腔中的預製件上，並改變該內部和外部壓力之間的壓力差，因此成形操作完全保持在可控狀態下，並可以防止很高的不可控應變速率。可以用兩種方法增加預製件的塑性以及操作的成形極限。首先，降低成形操作的應變速度可以增加鋁合金固有塑性。其次，加上外部正壓力(也可以加負壓力)也可以減小膨脹預製件壁上的流體靜應力。這樣便可以減小與金屬微隙和金屬間微粒有關的有害作用。術語「流體靜應力」是指在x、y和z方向的三個正交應力的算術平均值。
因此，通過控制成形操作的應變率和降低成形期間金屬中的流體靜應力，上面說明的本發明特徵提高了擠壓推桿成形操作的能力以便成功製造瓶子形鋁容器和類似物。
根據製造預製件的金屬的材料特性選擇壓力差。具體是，必須考慮到金屬的曲服應力和加工硬化率。為使預製件形成塑性流動(即非彈性流動)，該壓力差必須使預製件中的有效應力(Mises應力)超過曲服應力。如果存在正的加工硬化率，則超過曲服應力的固定作用有效應力(由壓力產生)將使金屬發生變形，達到等於該固定作用有效應力的應力水平。在該點，變形率接近於零。在加工硬化速率很低或者為零時，金屬將在很高的應變速率下發生變形，直至與模具的壁接觸，或者發生破裂。在用於PRF工藝的較高的溫度下，鋁合金加工硬化率可以低到零。
適合於用來形成內部和外部壓力的氣體例子包括(但不限於)氮氣、空氣和氬氣以及這些氣體的任何混合物。
在預製件壁的任何點和任何時間的塑性應變率取決於瞬時的有效應力，該應力又僅取決於該壓力差。外部壓力的選擇取決於內部壓力，總的原則是可以達到和控制在預製件壁上的有效應力，因而控制應變率。
圖9示出可以用於成形工藝的不同控制機構。採用有限元模擬法來優化工藝。在圖9中，線120代表作用在預製件上的內部壓力(Pin)，線122代表作用在預製件上的外部壓力(Pout)，而線124代表壓力差(Pdiff＝Pin-Pout)。此圖示出一種控制方法的壓力曲線。在這種情況下，在內腔中的流體質量保持恆定，而在外腔(在預製件的外面)的壓力則線性降低。隨應變率變化的一些材料特性也包含在這種模擬中。後一種控制機構現在是優選的，因為它是工藝變得更為簡單。
圖10涉及本發明的另一實施例，該實施例中加熱預製件，使預製件產生溫度梯度。如圖10所示，衝頭12接觸預製件18的底部，該衝頭包括加熱元件19，該加熱元件加熱該預製件，從底部向上加熱，使得在增加內部壓力時，預製件的膨脹從底部朝上進行。
圖11是曲線圖，示出膨脹工藝。圖中的一條線表示推桿/衝頭的位移，而另一條線線表示推桿/衝頭上的負載，二者均隨時間變化。第三條線表示預製件中的內部壓力。
在點A，推桿預先加上約22.7kg的壓力，而在點B，對預製件施加內部壓力，並保持在1.14MPa的水平。在所述的工藝中，在點B和C之間的推桿的位置是步進式的，以使推桿的壓力保持在68kg。在當推桿位置增加一定增量之後推桿負載不再急速下降時(點C到點D)，推桿將繼續傾斜上升，位移達到約25mm和負載達到約454kg(點E)。在推桿從點D傾斜上升到點E期間，在預製件膨脹的同時，成形容器的底部輪廓，因而點E代表容器的成形結束。
儘管圖11的曲線示出步進式的過程，但也可以通過一種平滑的操作，例如用計算機控制工藝，使預製件膨脹和成形為容器。這種工藝的優點是，由於存在溫度梯度，所以在推桿和衝頭向上移動時，便逐步地從底部到頂部發生膨脹。可以看出，與先前所述的方法相比，這種方法導致改進成形性的要求降低，在前面說明的方法中，膨脹基本上同時在預製件的整個長度上發生。
儘管圖10示出加熱元件僅裝在衝頭12中，但是為了有助於成形，也可以形成不同的加熱區域。例如，可以圍繞預製件的頂部配置另外的單獨加熱器，以及在模具空腔的側壁內形成另一單獨的加熱元件。通過在這些區域中的各個區域中獨立地控制溫度，可以對各種容器設計提出最佳的膨脹歷程。
圖12示出用平圓盤製造預製件的典型順序。可以採用標準的拉拔/重拉方法將鋁板70首先拉拔成淺封閉端的圓筒71，然後再將該圓筒重拉成具有較小直徑和較長側壁的第二圓筒72。然後重拉圓筒72，形成圓筒73，隨後重拉該圓筒形成圓筒74。應該注意到，該圓筒74具有長而薄的結構。
應當明白，本發明不限於上面具體說明的工藝和實施例，而可以用另外的方法實施而不違背本發明的精神。
權利要求
1.一種成形金屬容器的方法，該金屬容器具有確定的形狀和橫向尺寸，該方法包括(a)將一端封閉的空心金屬預製件配置在模具空腔中，該模具空腔由模具壁封閉，並確定所述形狀和橫向尺寸，在模具空腔的一端配置衝頭，該衝頭可以移入到模具空腔中，預製件的封閉端部靠近衝頭配置，面向該衝頭，預製件的至少一部分開始時與模具壁向內分開一定距離；(b)向預製件施加內部流體壓力，從而使預製件向外膨脹，達到基本上完全接觸模具壁，由此使預製件形成所述確定形狀和橫向尺寸，作用在所述封閉端部上的流體壓力作用力的方向向著模具空腔的所述一端；(c)將衝頭推入到模具空腔中，使其在流體壓力作用力方向的相反方向接合該預製件的封閉端部，並使該端部位移，由此形成預製件的封閉端部。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在預製件開始膨脹之後和預製件在步驟(b)完成膨脹之前，將衝頭推入模具空腔中。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在預製件開始膨脹之前推入衝頭，使其與預製件的封閉端部接觸，並在預製件的整個膨脹中保持此接觸。
4.如權利要求1、2或者3所述的方法，其特徵在於，所述衝頭具有異形表面，預製件的封閉端部被成形為與所述異形表面的形狀一致。
5.如權利要求1～4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述確定的形狀是瓶子形狀，其包括頸部和橫向尺寸比頸部大的主體部分，所述模具空腔具有長軸線，所述預製件具有長軸線，而且該長軸線在步驟(a)中基本上配置成與所述模具空腔共軸線，所述衝頭可沿模具空腔的長軸線移動。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述衝頭具有拱形形狀；操作步驟(c)使所述預製件的所述封閉端部成形為所述拱形形狀。
7.如權利要求1～6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述模具壁包括拼合的模具，所述拼合模具可以分離，以便在步驟(c)之後取出已成形的容器。
8.如權利要求1～7中任一項所述的方法，其特徵在於，所述確定形狀相對於所述模具空腔的長軸線是不對稱的。
9.如權利要求1～8中任一項所述的方法，其特徵在於，在開始步驟(b)時開始定位所述衝頭，以便限制由所述流體壓力造成的預製件軸向伸長。
10.如權利要求1～9中任一項所述的方法，其特徵在於，在預製件的所述部分開始接觸模具壁的基本同時開始步驟(c)。
11.如權利要求1～10中任一項所述的方法，其特徵在於，所述預製件是細長的大體為圓筒形的工件，一端是開口的，相對的一端是封閉的，其直徑基本上等於所述瓶子形狀的所述頸部分的直徑。
12.如權利要求1～11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述工件具有充分的成形性，從而可以在單次壓力成形操作中膨脹成所述確定形狀。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，包括將工件放在一個比第一所述模具空腔小的模具空腔中的步驟，並使該工件在此模具空腔中承受內部流體壓力，從而在進行步驟(a)、(b)和(c)之前，使該工件膨脹到一個比所述確定形狀和橫向尺寸小的中間尺寸和形狀。
14.如權利要求1～11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述預製件是細長的大體圓筒形的工件，具有與所述封閉端部相對的開口端部，該預製件的直徑大於所述瓶子形狀的所述頸部分；還包括在靠近所述開口端部旋轉成形該工件的另一步驟，以便在進行步驟(a)、(b)和(c)之後，形成直徑減小的頸部分。
15.如權利要求1～14中任一項所述的方法，其特徵在於，所述預製件是鋁預製件。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，還包括在進行步驟(a)之前用鋁板製造預製件的步驟，該鋁板具有重結晶的或者恢復的微結構，微結構的尺寸在約0.25～1.5mm之間。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述鋁板進行採用拉拔-重拉操作或者反向擠壓，將所述預製件作成為一端封閉的圓筒。
18.如權利要求1～17中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(b)期間，在以下連續的步驟中在預製件內施加流體壓力(i)在預製件開始膨脹之前，將壓力升到第一壓力峰值；(ii)在開始膨脹時將壓力降到最小值；(iii)在進行膨脹時逐漸將壓力升到中間值，直至預製件膨脹到不完全接觸模具壁；(iv)在預製件膨脹完成時期，從中間值升高該壓力；在步驟(c)中開始移動衝頭，使得基本上在階段(iii)結束時，使預製件的封閉端部位移和變形。
19.如權利要求1～17中任一項所述的方法，其特徵在於，在步驟(b)期間，當預製件的所述部分在步驟(b)中開始接觸模具壁時，預製件的密封端部呈現為增大的大體半球形的形狀；在步驟(c)中開始移動衝頭，以便大體在預製件的封閉端部呈現所述形狀時，使預製件的封閉端部發生位移和變形。
20.如權利要求1～17中任一項所述的方法，其特徵在於，步驟(b)包括向模具空腔內的預製件同時施加內部正流體壓力和外部正流體壓力，所述內部正流體壓力高於所述外部正流體壓力。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，包括獨立控制同時作用在預製件上的內部和外部正流體壓力，以便改變所述內部正流體壓力和所述外部正流體壓力之間的壓差，由此控制預製件的應變率。
22.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，利用衝頭上的加熱元件加熱該預製件，由此在預製件上形成從封閉端部朝上延伸的溫度梯度。
23.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，可以利用模具中圍繞預製件頂部的加熱裝置加熱該預製件，由此在預製件上形成從頂部向下延伸的溫度梯度。
24.如權利要求22或者23所述的方法，其特徵在於，利用裝在模具側壁中的加熱裝置加熱該預製件。
25.如權利要求1～24中任一項所述的方法，其特徵在於，基本上在膨脹操作結束時驅動該衝頭，使預製件的封閉端部發生位移和變形。
全文摘要
一種成形瓶子形或者其它異形金屬容器的方法，該方法使一端封閉的空心金屬預製件承受內部流體壓力，使得該預製件膨脹以便貼靠具有所需形狀的模具空腔(10)的壁，並將衝頭(12)推入到模具空腔(10)中，以便在膨脹開始之前或者之後，但在膨脹結束之前，使預製件的封閉端部發生位移和變形。進行加壓步驟的方法是，同時向模具空腔內的預製件施加獨立可控的內部和外部正流體壓力，從而改變這兩個壓力之間的壓差，由此控制應變率。
文檔編號B21D22/16GK1592661SQ02813384
公開日2005年3月9日 申請日期2002年5月1日 優先權日2001年5月1日
發明者P·哈姆斯特拉, S·梅斯文, K·貢, J·D·穆爾頓, R·W·馬洛裡 申請人:艾爾坎國際有限公司