罐身的製作方法

2023-06-03 08:30:51

專利名稱：罐身的製作方法
技術領域：
本申請要求2010年2月4日提交的歐洲專利申請EP 10152593、2010年4月12日提交的歐洲專利申請EP 10159582、以及2010年4月12日提交的歐洲專利申請EP10159621的優先權，其內容在此通過引用整體併入。本發明涉及一種容器，並且更具體地涉及用於食物、飲料、氣溶膠等的由金屬薄板形成的金屬容器。
背景技術：
用於食物和飲料的兩片金屬容器通常通過衝拔(DWI，也稱為拉深減薄(D&I))或者深衝(DRD)工藝來製造。術語「兩片」是指i)杯狀罐身以及ii)罩，其將隨後緊固到罐身的開口端以形成容器。在常規DWI (D&I)工藝中(例如美國專利號4，095，544的圖6至圖10中所示)，通過拉深模具拉深由金屬薄板卷衝壓出的平坦(通常)圓形坯體，從而在衝頭的作用下形成淺的第一階段杯。該初始拉深階段不產生坯體的任何有意變薄。此後，為了實現杯的側壁的厚度減小，通過一個或多個環形罐壁減薄模具推動通常安裝在密接衝頭或樁錘的端面上的杯，從而使杯的側壁的伸長。減薄工藝單獨地將不產生第一階段杯的標稱直徑的任何變化。圖I表示在由常規DWI (D&I)工藝產生的容器主體中的金屬的分布。圖I僅為例示性的，並非意在精確地定標。在圖I中示出三個區域，其中
i.區域I代表底座的非減薄材料。這個區域保持與坯體的軋前厚度近似相同的厚度，即它不受常規DWI工藝的單獨製造操作的影響。ii、區域2代表側壁的減薄中段。其厚度(並且從而需要減薄的量)由容器主體需要的性能確定。iii、區域3代表側壁的減薄上段。通常在制罐中，該減薄上段是軋前厚度的大約50-75%。在DRD工藝中(如在US 4，095，544的圖I至圖5中所示)，使用相同的拉深技術來形成第一階段杯。然而，不是採用減薄工藝，第一階段杯然後經歷一次或多次再拉深操作，其用來逐漸減小杯的直徑並且從而使杯的側壁伸長。大多數常規再拉深操作單獨地不是意在產生杯材料的厚度的任何變化。然而，以由一般的DRD工藝製造的容器主體為例，在實踐中在最終容器主體的頂部通常會有一些變厚(10%的級別或者更多)。該變厚是再拉深工藝的自然效應並且當從較大直徑的杯再拉深到較小直徑的杯時由對材料的壓縮效應來解釋。注意具有替代的已知DRD工藝，其通過使用小半徑或複合半徑的拉深模具，通過在拉深和再拉深階段中拉伸使側壁變薄，從而實現杯的側壁的厚度減小。替代地，減薄和再拉深的組合可以用於第一階段杯，從而減小杯的直徑和側壁厚度兩者。例如，在兩片金屬容器(罐)的製造領域中，容器主體通常這樣來生產，將坯體拉深為中間的第一階段杯並且使杯經歷多個再拉深操作直到獲得具有期望標稱直徑的容器主體，然後緊隨著減薄側壁以提供期望的側壁厚度和高度。
然而，以大的商業規模使用的DWI (D&I)和DRD工藝不能用來減小杯的底座中的材料的厚度(並且因此重量)。具體地，拉深通常不會使被拉深的物體的厚度顯著減小，並且減薄僅對杯的側壁起作用。重要地，對於製造兩片容器用杯的已知DWI (D&I)和DRD工藝而言，底座的厚度與坯體的軋前厚度相比保持相對不變。這樣會導致底座比性能目的需要的厚得多。食品、飲料以及其他產品通常包裝在由鋁、馬口鐵鋼、或者鍍層鋼板形成的兩片罐中。兩片罐包括具有整體的底座和側壁的罐身和卷封到罐身的側壁頂部的蓋。通常在ASTM A623或者ASTM A624規格下提供用於制罐的馬口鐵。雖然大多數的商品馬口鐵被熱軋或者在製造工藝的後期退火，但是通常表面冷軋工藝提供可識別的晶粒方向。用於制罐的商品馬口鐵中的晶粒不是等軸的，而是在剖面樣本中限定縱向方向和橫向方向，所述縱向方向限定晶粒方向。在通過廣泛接受的技術放大時，晶粒邊界是可見的，例如在ASTM E 112中描述的那樣。 用於制罐的鋁通常以3104-H19或者3004-H19鋁合金板開始，其是具有用於強度和可成形性的大約1%的錳和1%的鎂的鋁。用來生產用於制罐的商品級鋁的冷軋工藝生產出具有非等軸晶粒結構的金屬薄板。在這種情況下，鋁板晶粒限定縱向方向和橫向方向。因為冷軋的量，使得與用於制罐的商品馬口鐵中的晶粒相比，用於制罐的商品鋁板中的晶粒是細長的。需要利用金屬供應的經濟學高效且有效地使用板材的改進的罐技術和改進的罐。

發明內容
一種罐身，由以下工藝形成該工藝包括在成為底座的至少一部分的金屬上進行拉伸操作，並且然後將已拉伸的材料徑向向外優選地拉深到側壁中。所述側壁的後續減薄從較薄的較為低廉的金屬薄板產生具有期望底座和壁厚的罐。在這方面，不需要在軋鋼機上在金屬薄板上執行附加的軋制步驟，而是金屬可以在制罐工藝期間變薄以實現期望的屬性。由該方法形成的罐身可以具有與由較貴較薄的板製成的罐不同的屬性。例如，在由所公開的方法形成的罐身的底座中，因為拉伸操作所產生的從原板的厚度減少和分布、硬度增加以及由於拉伸操作而使微晶粒結構產生的變化可以是唯一的。這樣的適於卷封到罐蓋上的拉深和減薄金屬罐身包括減薄側壁和與所述側壁一體形成的包圍的非穹頂狀的底座。所述底座的底部面板(也就是，所述底座在外周埋頭孔內的部分)優選地可以具有至少大約64的平均洛氏硬度值。該平均值是穿過中心並且沿著軋制方向所取的點的數字平均值。平均洛氏硬度值可以在64與70之間。這些硬度值是以開始於具有58的起始硬度的常規連續退火T4板的工藝為基礎的。然而本發明並不限於以任何具體的板厚度或者硬度開始。優選地，所述罐身側壁具有在大約O. 006英寸到O. 015英寸之間的平均厚度，並且
所述側壁具有能夠二重卷封到罐蓋的卷邊上的凸緣。根據本發明的另一個實施例或方面，所述罐身底座可以具有(i )至少大約為65的洛氏硬度或者(ii)從原板的洛氏硬度值的至少5的平均硬度變化或者(iii)或者從原板的至少7%的洛氏硬度值的平均變化。優選地，平均洛氏硬度值的增加在5到17之間，並且還可以在6到15之間、或者7到12之間、或者8到10之間。優選地，與起始薄板無關，平均洛氏硬度值的增加在8%到21%之間，並且優選地在10%到16%之間、或者在12%到15%之間。在概述部分中指出的所有罐的側壁優選地具有大約O. 004到大約O. 015英寸之間的厚度，並且更優選地具有大約O. 004英寸到大約O. 007英寸之間的厚度。根據本發明的另一個實施例或方面，所述罐身底座由至少O. 105英寸厚的薄板形成並且包括減薄側壁及與所述側壁一體形成的底座。所述底座包括外周埋頭孔和基本上平坦的底部面板，所述底部面板具有O. 006到O. 015英寸之間的平均厚度和從原板的至少2%的平均厚度減少。優選地，從原板的平均厚度減少在5%到30%之間、或者在10%到25%之間。優選地，平均底部面板厚度在O. 008到O. 012英寸之間、或者在O. 008到O. 010英寸之間。根據本發明的另一個實施例或方面，所述罐身底座為非穹頂狀的並且包括減薄側 壁和外周埋頭孔以及徑向地位於所述埋頭孔內的底壁，底座馬口鐵中的晶粒具有至少1.4的平均縱橫比，優選地在I. 5到2. 5之間、或者在I. 6到2. 2之間、或者大約為I. 8。優選地，與起始薄板材料無關，所述平均縱橫比與形成所述罐身的原板的平均縱橫比相比大至少20%，並且優選地在20%到100%之間、在30%到70%之間、或者在40%到60%之間。


圖I為由常規DWI工藝產生的背景技術的容器主體的側視圖。它示出了材料在容器主體的底座和側壁區域中的分布。圖2為大體上示出了製造一般兩片金屬容器的淨總成本如何隨著金屬薄板的軋前厚度變化的圖表。該圖表示出了減小側壁區域的厚度(例如通過減薄)如何具有降低淨總成本的作用。圖3為與圖2對應的圖表，但是基於UK供應馬口鐵的實際價格數據。在下列附圖中示出了本發明的方面的圖示，參考所附描述
圖4為使用具有穹頂狀輪廓端面的(根據本發明的)「拉伸」衝頭產生的杯的底座厚度的變化的圖表示意圖。圖5a為用來由金屬薄板坯形成第一階段杯的深拉壓力機的工具的側視圖。該圖表示在初始拉深操作開始之前的工具。圖5b與圖5a對應，但是已完成形成第一階段杯的初始拉深操作。圖6a為用來執行本發明的拉伸操作的拉伸設備的側視圖。該圖表示在拉伸操作開始之前的拉伸設備。圖6b示出了圖6a的拉伸設備，但是已完成拉伸操作。圖7表示圖6a和圖6b的替代實施例，其中為了拉伸操作而將預拉伸杯繞著其側
壁夾持。圖8表示圖6a和圖6b中所示的拉伸衝頭的替代實施例。圖9表示圖6a、圖6b和圖8中所示的拉伸衝頭的另一個替代實施例，其中拉伸衝頭的端面包括各種減荷特徵。圖10a-d示出了用來再拉深已拉伸杯的制罐身機組件的立體圖。該圖示出了制罐身機從拉深操作的開始到結束的操作。圖11表示在圖10a-d的制罐身機組件中使用的再拉深模具的細節圖。
圖12表示在本發明的方法期間金屬薄板坯隨著從平板發展為成品杯的在各個階段的金屬薄板坯。圖13a為用來執行本發明的拉伸操作的拉伸設備的側視圖。該圖表示拉伸操作開始之前的拉伸設備。圖13b表示圖13a的拉伸設備，但是已完成拉伸操作。圖14表示圖13a和圖13b中所示的拉伸衝頭的替代實施例。圖15表示圖13a和圖13b中所示的拉伸衝頭的另一個替代實施例，其中拉伸衝頭的端面包括各種減荷特徵。 圖16表示已經在互相分離並且跨過金屬薄板的區域布置的多個「包圍部」上執行了本發明的拉伸操作的金屬薄板的擴展。圖17a和圖17b表示在執行拉伸操作來提供如圖16所示的拉伸板時兩個或更多包圍部的任何同步拉伸可以如何交錯以減少施加在所使用的工具上的載荷。圖18a為用來執行拉深操作的初始拉深階段以由已拉伸金屬薄板形成杯的深拉壓力機按壓的工具的側視圖。該附圖示出該初始拉深階段開始之前的工具。圖18b與圖18a對應，但是已經完成初始拉深階段。圖19表示在本發明的方法期間金屬薄板坯隨著從平板發展為成品杯的在各個階段的金屬薄板坯。圖20表示本發明的杯作為兩片容器的一部分的使用。圖21為根據本發明的方面形成的杯的硬度和厚度以及杯上的測量位置的指示的圖表。圖22為由圖21所示的杯形成的罐身的底座，其中編號位置與圖21的杯中所示的
編號位置對應。圖23為常規的杯和罐身底座的晶粒結構的顯微圖。圖24為根據本發明形成的杯和罐身底座的晶粒結構的顯微圖。
具體實施例方式下面描述形成可以形成根據本發明的罐身的杯的兩個示例方法，以及所述杯和罐身。在第一方法中，在已拉深杯上執行拉伸操作，之後執行再拉深操作。在第二方法中，在平坦坯體上執行拉伸操作，之後執行拉深操作。優選地，由任意一種方法形成的杯被壁減薄為成品罐身。本罐身或者成品罐的發明不限於下面描述的具體步驟。而是描述生產罐結構的步驟來示出實現杯或者罐身的屬性的可能方式。根據形成中間杯的第一方法，深拉壓力機10具有拉深襯墊11和拉深模具12 (參見圖5a和圖5b)。如公共軸線14所示，拉深衝頭13與拉深模具12同軸。圓周切割元件15環繞拉深襯墊11。在使用時，金屬薄板20的平坦段在拉深襯墊11和拉深模具12的相對表面之間保持就位。已經使用具有O. 280mm軋前厚度的馬口鐵鋼(回火4)作為金屬薄板20。然而，本發明不局限於具體的厚度或金屬。金屬薄板20的段通常由金屬薄板卷(未示出)切割而成。在金屬薄板20的段已經定位之後，圓周切割元件15向下移動來從金屬薄板切割出圓形的平面坯體21 (參見圖5a)。過剩材料在圖5a上由22指示。在已經從薄板20切割出坯體21之後，拉深衝頭13向下軸向移動通過拉深模具12，以貼著拉深模具的成形表面16將平面坯體逐漸拉深成具有側壁24和整體的底座25的杯23的輪廓。該拉深操作示出在圖5b中，且包括當從壓力機10取下時的已拉深杯23的單獨視圖。在圖5a中包括在拉深模具12的端面與其成形表面16之間的連接處的半徑R12的細節圖。關於常規的拉深操作，半徑R12和由拉深襯墊11施加到坯體21的外周的載荷選擇成，隨著拉深衝頭13逐漸向下移動來將坯體拉深成杯23，允許坯體在拉深襯墊11與拉深模具12的相對表面之間並且沿著成形表面16徑向向內滑動。這樣確保坯體21主要被拉深，而不是被拉伸(變薄)(或者更糟糕地，在拉深模具的端面與成形表面之間的連接處周圍被撕裂)。取決於半徑R12的大小，並且較小程度上地取決於由拉深襯墊11施加的夾持載荷的強度，杯23的壁厚與坯體21的軋前厚度相比將基本上不變，即應該發生可以忽略不計的拉伸或變薄。然而，在本發明的替代實施例中，可以允許由拉深襯墊11施加足夠的載荷以在拉深衝頭13的作用下發生拉深和拉伸的組合。由該初始拉深操作產生的杯23也稱為「第一階段杯」。拉伸操作，第一例示性方法
在圖5a和圖5b所不的初始拉深 呆作之後，將已拉深杯23傳送到拉伸設備30,在圖6a和圖6b中示出了拉伸設備30的示例。拉伸設備30具有兩個臺板31、32，其能夠在通過缸34施加的載荷的作用下沿著平行軸線33相對於彼此移動(參見圖6a和圖6b)。載荷可以以任意常規方式施加，例如氣動地、液壓地或者通過高壓氮氣氣缸。在臺板31上安裝有拉伸衝頭35以及環形夾持環36形式的夾持元件。環形夾持環36位於拉伸衝頭35的徑向外側。拉伸衝頭35設置有穹頂狀端面(參見圖6a和圖6b)。在臺板32上安裝有杯保持器37。杯保持器37是具有環形端面38和與已拉深杯23的內徑相對應的外徑的管狀插入件(參見圖6a和圖6b)。在使用時，已拉深杯23安裝在杯保持器37上，以便環形端面38接觸杯的底座25的對應環形區域26 (參見圖6a和圖6b)。經由缸34施加載荷以便沿著軸線33將臺板31、32朝向彼此移動，直到環形區域26以環形方式可靠地夾持在夾持環36的平面表面與杯保持器37的環形端面38之間。被夾持的環形區域26限定杯的包圍部27。在圖6a和圖6b示出的實施例中，環形夾持因此將底座25分成兩個分離的區域被夾持的環形區域26和包圍部27。然後，拉伸衝頭35軸向地移動通過夾持環36，以將包圍部27的金屬逐漸地變形和拉伸(變薄)成穹頂狀輪廓28。在附圖示出的實施例中，包圍部27向內隆起28到杯中(參見圖6b)。然而，在替代實施例中，包圍部27可以替代地向外隆起到杯的外部。理想地，在該拉伸操作期間施加的夾持載荷足以確保在拉伸期間很少或沒有材料從被夾持的環形區域26 (或者側壁24)流到包圍部27中。這樣有助於使在穹頂狀區域28中發生的拉伸和變薄的量最大。然而，如以上在本發明總體描述中指出的那樣，已經發現當允許有限量的材料從被夾持的環形區域26 (或者從被夾持區域的外部)流到包圍部中時，仍然可以發生包圍部27的拉伸和變薄。總之，底座25的該拉伸操作和由此導致的變薄對於實現 本發明的目的而言是至關重要的，即製造具有比金屬薄板的軋前厚度小的底座厚度的杯或者容器主體。在圖7所示的替代實施例中，在拉伸操作期間夾持側壁24而非底座25。圖7示出了鄰近底座的側壁的環形區域26被夾持在杯保持器370與夾持元件360之間。杯保持器370與夾持元件360的任意一個或兩者可以分段以促進側壁的夾持，並且以適應不同尺寸的杯。側壁24的環形夾持限定被夾持環形區域26內側的包圍部27 (參見圖7)。拉伸衝頭35也在圖7中示出。注意為了容易理解，拉伸設備的其他特徵不包括在圖7中。在另一個替代實施例中，單個拉伸衝頭35由衝頭組件350取代(如圖8所示)。衝頭組件350包括
i)第一組351的環形衝頭元 件351a，其環繞中心芯部衝頭元件351b ;以及
ii)第二組352的環形衝頭元件352a。為了容易理解，圖8僅示出衝頭組件350和已拉深杯23。雖然未在圖8中示出，但是在使用時，在拉伸操作期間將以與圖6a和圖6b示出的實施例相似的方式來夾持杯的底座25的環形區域26。在使用時，第一和第二組的衝頭元件351、352面向包圍部27的相對表面。通過將第一和第二組的衝頭元件351、352兩者朝向彼此移動而將包圍部27變形和拉伸(變薄)，來執行拉伸操作。包圍部27變形為波紋輪廓280 (參見圖8)。在另一個實施例中，單個拉伸衝頭35具有設置在其端面中的凹部/切口 353形式的多個減荷特徵(參見圖9)。在所示的實施例中，具有由單個環形凹部/切口環繞的中心凹部/切口。然而，可以使用凹部/切口的替代構造。已拉伸杯上的(再)拉深操作
對於在圖6a和圖6b中示出的本發明的實施例，在底座中具有其變薄和穹頂狀區域28的已拉伸杯被傳送到制罐身機組件40 (參見圖IOa至圖10d)。制罐身機組件40包括兩個半部41、42 (由圖IOa至圖IOd中的箭頭指示)。制罐身機組件40的第一半部41具有與圓周夾持環44安裝在相同的軸線上的管狀再拉深衝頭43。如可以從圖IOa至圖IOd見到的，夾持環44像套筒一樣圓周地環繞再拉深衝頭43。如從下面的描述將會理解的並且參看圖IOa至圖10d，再拉深衝頭43可以獨立於圓周夾持環44地移動通過圓周夾持環44。制罐身機組件40的第二半部42具有再拉深模具45。再拉深模具45具有管狀部分，其具有與已拉伸杯23的內徑相對應的外徑(參見圖10a)。再拉深模具45沿著其內軸向表面具有成形表面46，其終止於環形端面47 (參見圖IOa至圖10d)。再拉深模具45的環形端面47在寬度方面與已拉伸杯的底座上的環形區域26的寬度對應。在使用時，已拉伸杯23首先安裝在再拉深模具45上(如圖IOa所示)。然後，如圖IOb所示，制罐身機組件40的兩個半部41、42相對於彼此軸向地移動，以便已拉伸杯的底座的環形區域26夾持在再拉深模具45的環形端面47與圓周夾持環44的表面之間。一旦夾持，然後軸向地推動再拉深衝頭43通過夾持環44和再拉深|旲具45 (參見圖IOc和圖IOd上的箭頭A)，以沿著再拉深模具的成形表面46逐漸地再拉深已拉伸杯的材料。再拉深模具45的使用具有兩個作用
i )使得來自側壁24的材料被徑向向內並且然後沿著再拉深模具45的成形表面46軸向地拉深(如圖IOc和圖IOd上的箭頭B所示)。這樣，杯的直徑被減小(如通過比較圖IOa和圖IOd所示);以及
ii)使得底座的穹頂狀區域28中的已拉伸和變薄材料逐漸地被拉出並且從底座傳送到直徑減小的側壁(如圖IOc和圖IOd上的箭頭C所不)。這具有使底座的穹頂狀區域28變平坦的作用(特別參見圖lOd)。圖IOd示出了當再拉深衝頭43已經到達其行程終點時被再拉深的杯23的最終狀態。可以清晰地看到底座的先前穹頂狀區域28已經被基本上拉平，從而提供底座25的厚度比軋前坯體231的厚度薄的杯或容器主體23。如先前所述，底座25的該減小厚度一以及因此的重量減小通過之前執行的拉伸操作能夠實現。如在圖11中的再拉深模具45的細節圖所示，再拉深模具的成形表面46與環形端面47之間的連接處具有在I至3. 2_範圍的半徑R45。半徑R45的提供緩和了會存在於成形表面46與環形端面47之間的連接處的否則尖銳的角，並且因此當繞著該連接處再拉深時降低已拉伸杯23的金屬撕裂的風險。注意雖然圖IOa至圖IOd示出具有環形端面的管狀再拉深衝頭43的使用，但是衝 頭可以替代地具有閉合端面。閉合端面的輪廓可以確定為將對應輪廓按壓到杯的底座中。上面描述的且在圖IOa至圖IOd中示出的拉深操作稱為反向再拉深。這是因為再拉深衝頭43被弓I導來反轉已拉伸杯的輪廓。實際上，再拉深衝頭逆轉材料的方向並且將已拉伸杯翻轉。這可以通過比較圖IOa和圖IOd的杯輪廓看出。在本文的情況下反向再拉深杯具有如下優點
i)阻止已拉伸杯的底座的穹頂狀區域28的不受控翹曲(特別當使用具有閉合端面的再拉深衝頭時)；以及
)使材料從穹頂狀區域28到側壁24的傳送最大。注意雖然圖IOa至圖IOd所示的實施例示出了反向再拉深，但是常規的再拉深也是起作用的；即，其中再拉深衝頭沿著相反的方向作用來反向再拉深並且不將杯翻轉。圖12示出了金屬坯體21經歷的變化從
a)在已經採取任何成形操作之前；到
b)在深拉壓力機10中成形為第一階段杯；到
c)在拉伸設備30中執行拉伸和變薄操作；到
d)由制罐身機組件40產生的再拉深杯。在已拉伸杯的穹頂狀區域28上的位置在圖12中由X表示。該圖示出了在X至X』處徑向拉出中的再拉深操作的效果。該圖表示在拉伸之後在該位置處的杯的底座(te#)(並且在再拉深操作之後)相對於坯體21的軋前厚度具有減小的厚度，即te#< tiLU。如前面所述，通過拉伸操作能夠實現底座的該變薄。為了使得具有其變薄底座的杯的側壁24的高度最大，再拉深杯也可以通過一系列減薄模具(未示出)被拉深而經歷側壁的減薄。該減薄操作具有增大側壁高度並且減小側壁厚度的作用，並且因此使杯的包圍體積最大。拉伸操作，第二例示性方法
根據形成圖6a和圖6b所示的中間杯的第二方法，金屬薄板10』的平坦段設置在拉伸設備20』(其一個示例示出在圖13a和圖13b中)內。具有O. 280mm軋前厚度的馬口鐵鋼(回火4)用於金屬薄板10』。然而，本發明不限於具體的厚度或金屬。金屬薄板10』的段通常由金屬薄板卷(未示出)切割而成。拉伸設備20』具有兩個臺板21』、22』，其能夠在通過缸24』施加的載荷的作用下沿著平行軸線23』相對於彼此移動(參見圖13a和圖13b)。載荷可以以任意常規方式施加，例如氣動地、液壓地或者通過高壓氮氣氣缸。
在臺板21』上安裝有拉伸衝頭25』以及第一夾持環26』形式的夾持元件。第一夾持環26』位於拉伸衝頭25』的徑向外側。拉伸衝頭25』設置有穹頂狀端面(參見13a和圖13b)。在臺板22』上安裝有第二夾持環27』。第二夾持環27』是具有環形端面28』的管狀插入件(參見圖13a和圖13b)。在使用時，經由缸24』施加載荷以便沿著軸線23』將臺板21』、22』朝向彼此移動，直到金屬薄板10』的平坦段以環形方式可靠地夾持在第一和第二夾持環26』、27』之間，從而在金屬薄板的段上限定被夾持的環形區域15』。被夾持的環形區域15』限定金屬薄板10』上的包圍部16』。然後，拉伸衝頭25』軸向地移動通過第一夾持環26』，以將包圍部16』的金屬逐漸地變形和拉伸(變薄)成穹頂狀輪廓17』(參見圖13b)。理想地，在該拉伸操作期間施加的夾持載荷足以確保在拉伸期間很少或沒有材料
從被夾持的環形區域15』流到包圍部16』中。這樣有助於使在包圍部16』中發生的拉伸和變薄的量最大。然而，如以上在本發明總體描述中指出的那樣，已經發現當允許有限量的金屬從被夾持的環形區域15』(或者從被夾持區域的外部)流到包圍部中時，仍然可以發生包圍部16』的金屬的拉伸和變薄。在替代實施例中，單個拉伸衝頭25』由衝頭組件250』取代(如圖14所示)。衝頭組件250，包括
i)第一組251』的環形衝頭元件251a』，其環繞中心芯部衝頭元件251b』 ；以及
ii)第二組252』的環形衝頭元件252a』。為了容易理解，圖14僅示出衝頭組件250』和金屬薄板10』的段。雖然未在圖14中示出，但是在使用時，在拉伸操作期間將以與圖13a和圖13b示出的實施例相似的環形方式來夾持金屬薄板10』的環形區域15』。在使用時，第一和第二組的衝頭元件251』、252』面向金屬薄板10』的包圍部16』的相對表面。通過將第一和第二組的衝頭元件251』、252』兩者朝向彼此移動而將包圍部16』的金屬變形和拉伸(變薄)，來執行拉伸操作。包圍部16』變形為波紋輪廓170』(參見圖 14)。在另一個實施例中，單個拉伸衝頭25』具有設置在其端面中的凹部/切口 253』形式的多個減荷特徵(參見圖15)。在圖15所示的實施例中，具有由單個環形凹部/切口環繞的中心凹部/切口。然而，可以使用凹部/切口的替代構造。在圖13a和圖13b中示出了衝壓金屬薄板10』的段中的單個包圍部的實施例。然而，在圖13a和圖13b中示出的裝置可以用來拉伸和變薄互相分離並且跨過金屬薄板10』的區域布置的多個包圍部16』。圖16示出金屬薄板10』的已經經歷這樣的拉伸操作以限定跨過薄板的區域布置的多個已拉伸和變薄穹頂狀包圍部16』、17』的段。雖然這是利用跨過金屬薄板10』的區域執行多個連續拉伸操作的單個拉伸衝頭來完成的，但是優選地該裝置包括多個拉伸衝頭，其允許在跨過金屬薄板的區域布置的對應的多個包圍部上執行同步的拉伸操作。然而，為了減少施加在用於拉伸的工具上的載荷，使任何同步拉伸操作交錯以便不是同時拉伸跨過薄板的所有包圍部是有益的。圖17a和圖17b示出六組包圍部-『a』、『b』、『c』、『d』、『e』和『f』。在使用時，每個組中的所有包圍部將被同步地拉伸。在圖17a示出的實施例中，拉伸將從組『a』徑向向外發展到組『b』、到組『C』、到組『d』、到組『e』、到組『f』。在圖17b示出的替代實施例中，拉伸將從組『f』徑向向內發展到組『e』、到組『d』、到組『C』、到組『b』、到組『a』。一旦完成拉伸，將從已拉伸金屬薄板切割單獨的坯體用於後續拉深。注意圖16、圖17a和圖17b僅為例示性的並且不意在按比例的。拉深操作的拉深階段，第二例示性方法
在完成拉伸操作時，金屬薄板10』與其已拉伸和變薄穹頂狀包圍部16』、17』 一起移動到深拉壓力機30』。深拉壓力機30』具有拉深襯墊31』和拉深模具32』(參見圖18a和18b)。如公共軸線34』所示，拉深衝頭33』與拉深模具32』同軸。圓周切割元件36』環繞拉深襯墊31』。在使用時，金屬薄板10』的段在拉深襯墊31』和拉深模具32』的相對表面之間保 持就位。薄板10』定位為穹頂狀包圍部16』、17』在拉深模具32』的孔上方位於中央。在金屬薄板10』已經定位之後，圓周切割元件36』向下移動來從金屬薄板10』切割出坯體11』(參見圖18a)。過剩材料在圖18a上由12』指示。在已經從薄板10』切割出坯體11』之後，拉深衝頭33』向下軸向移動到與坯體11』接觸(參見圖18b)。拉深衝頭33』首先接觸位於與穹頂狀包圍部16』、17』相鄰並且徑向向外的位置的環形區域18a』上的坯體11』(參見圖18a)。設置在拉深衝頭33』中的凹部35』避免在拉深期間穹頂狀包圍部16』、17』的破碎。拉深衝頭33』繼續向下移動通過拉深模具32』以貼著模具的成形表面37』將坯體11』逐漸拉深成具有側壁19』 sw和整體的底座19』 b的杯19』的輪廓。然而，拉深衝頭33』對坯體11』的作用也導致穹頂狀包圍部16』、17』的材料被向外拉動和轉移(如由圖18b的箭頭D所示)。該初始拉深階段導致穹頂狀區域高度的減小，因為它的材料已經被向外拉深。取決於拉深的深度，在該初始拉深階段，拉深可以足以將穹頂狀包圍部16』、17』的一些已拉伸和變薄材料拉動和轉移到側壁19’sw內，而不是該已拉伸和變薄材料完全保留在底座19』 b內。圖18b包括由使用深拉壓力機30』獲得的已拉深杯19』的單獨視圖，其中底座中的由17』』表示的穹頂狀區域的高度減小。在圖18a中包括在拉深模具32』的端面與其成形表面37』之間的連接處的半徑R』32的細節圖。關於常規的拉深操作，半徑R』 32和由拉深襯墊31』施加到坯體11』的外周的載荷選擇成，隨著拉深衝頭33』逐漸向下移動來將坯體拉深成杯19』，允許坯體在拉深襯墊31』與拉深模具32』的相對表面之間並且沿著成形表面37』徑向向內滑動。這樣確保坯體11』主要被拉深，而不是被拉伸(變薄)(或者更糟糕地，在拉深模具的端面與成形表面37』之間的連接處周圍被撕裂)。取決於半徑R』32的大小，並且較小程度上地取決於由拉深襯墊31』施加的夾持載荷的強度，在該初始拉深階段期間應該發生可以忽略不計的拉伸或變薄。然而，在本發明的替代實施例中，可以允許由拉深襯墊31』施加足夠的載荷以在拉深衝頭33』的作用下發生拉深和進一步拉伸的組合。由該初始拉深階段產生的杯19』也稱為「第一階段杯」。在未示出在圖18a和圖18b中的本發明的替代實施例中，如果拉深的深度是足夠的，那麼在該初始拉深階段中將使穹頂狀包圍部16』、17』基本上被拉平，以限定具有基本上平坦底座19』b的杯19』。從在圖18a和圖18b中示出並且如上面所述的深拉工藝獲得的第一階段杯19』傳送到制罐身機組件40，在制罐身機組件40處可以如前面關於已拉伸杯23描述的那樣執行再拉深工藝。
圖19示出金屬薄板10』從進行任何成形操作之前(視圖a)、到拉伸設備20』中的拉伸操作之後(視圖b)、到深拉壓力機30』中的初始拉深階段之後(視圖C)、以及到最終制罐身機組件40中的再拉深階段之後(視圖d)所經歷的變化。附圖清楚地示出，成品杯的底座具有相對於金屬薄板10』的乳如厚度(t&U)減小的厚度(tg#)，即t_〈 t_。如如面所述，該減小的厚度(相對於金屬薄板的軋前厚度)通過本發明的拉伸工藝能夠實現。初始拉深階段在逐漸向外拉動和轉移穹頂狀包圍部16』、17』的材料方面的效果示出在圖19的視圖b和c上，其中由於初始拉深階段使得在位置X的材料被向外拉動和轉移到位置V。再拉深階段的效果示出在圖19的視圖d中，其中在位置X』處的材料被拉動和轉移到側壁19』撕中的位置父』』。為了使具有其變薄底座的杯的側壁19』 sw的高度最大，杯也可以在減薄操作中通過一系列減薄模具(未示出)被拉深而經歷側壁的減薄。該減薄操作具有增大側壁高度並且減小側壁厚度的作用。
圖20為容器100的示意圖，其中最終形成杯19』(或者已拉伸杯23)用作容器主體110。優選地，杯19』(或者已拉伸杯23)經歷常規的減薄工藝(在圖中未示出)以實現期望的側壁厚度。容器主體110在其進入開口處被向外展開為凸緣111。罐蓋120設置有卷封面121，其使得罐蓋能夠通過卷封到凸緣111而緊固到容器主體。為了討論杯或者罐身，術語「中間杯」是指可以由以上方法形成的杯例如19』或23，並且術語「罐身」是指減薄工藝之後的杯的結構。圖21為根據上面所述的第一方法(杯拉伸)由O. 0110英寸厚度的常規馬口鐵(也就是連續退火的，T4)製備的已拉伸杯123的材料厚度分布和洛氏硬度分布的圖表。圖22表示罐身底座124在再拉深和減薄工藝之後的剖面。底座124上標註的位置與圖21中所示的在杯123上標註的位置對應。底座124包括在其中心的相對平面的無波紋中心面板130、環繞底部面板130的凸臺或者凹部132以及外周波紋134。面板130、凹部132以及波紋134 —起形成底部面板140。波紋134彎曲為埋頭孔波紋(countersink bead) 34的內側壁,其底部形成供罐身倚靠的直立表面。波紋134的上壁優選地平滑地彎曲為罐身側壁。由於底部面板140為相對無結構的，所以底座124可以被認為是非穹頂狀的(undomed)。下面的信息根據厚度分布、硬度分布以及微晶粒結構的屬性描述罐身的杯123和底座124。本文提供的每個厚度、硬度以及晶粒縱橫比值取決於進入的薄板厚度、硬度、退火、化學性質等，並且取決於容器的期望屬性、期望的再拉深程度、容器的最終目標以及其他公知參數。關於厚度和硬度分布，可以從中心沿著晶粒方向徑向地進行測量，其從薄板上的軋制標記是清楚的。本文提供的厚度、硬度以及晶粒縱橫比的值和範圍適用於任何烘焙或烘烤工藝之前的罐身，而且也適用於與罐蓋卷封在一起的成品罐身。如圖21所示，杯123的厚度從點O處的中心的O. 0097英寸單調地下降到點3處的O. 0095英寸，並且增加直到杯的被拉伸區域的邊界附近的點8。被拉伸底座從中心點O到點9 (在被拉伸穹頂狀邊緣附近)的數字平均厚度為O. 0099英寸(平均厚度減小9. 8%)，並且被拉伸底座的點O到點6 (也就是，底部面板140)的平均厚度為O. 0096英寸(平均壁厚減小12. 2%)。發明人推測，當由例如具有大約O. 011或者O. 0115英寸的起始厚度的CA、T4板等常規馬口鐵形成時，罐底部面板或者杯的整體被拉伸部分可以形成在O. 006到O. 015英寸之間的厚度範圍內，更優選地在O. 008到O. 010英寸之間。預期厚度減小至少2%，優選地在5%到30%之間，更優選地在10%到25%之間。如所預期地，因為與拉伸工藝相關的加工硬化，使得硬度值與厚度值逆相關。在點O到點9的整個被拉伸區域上，進入原板洛氏硬度值58 (RH T-30)顯著地增加到63的最小值(增加8. 6%)和66的平均值(增加13. 8%)。對於底部面板140，最小硬度值為65 (增加
12.1%)，並且平均硬度值為66. 7 (增加15. 0%)。發明人推測，整個罐底部140的硬度值可以達到至少63，優選地在63到75之間，並且更優選地在64到70之間。並且，發明人推測，罐底部140的平均硬度值優選地為至少64，優選地為64到70，並且更優選地為68。罐底部140的平均硬度值從進入的原板的在RH刻度上的至少5的增加、並且更特別地5到17之間的增加、6到15之間的增加、7到12之 間的增加以及8到10之間的增加，被認為是可以實現的並且是有益的。罐底部140的平均RH值的增加為至少7%，優選地在8%到21%之間，更優選地在10%到16%之間，並且更優選地在12%到15%之間。如圖21所示，在該示例中平均洛氏硬度值在整個被拉伸杯上的增加為大約8，並且在底部面板140中為8. 7。圖23和圖24為總體上根據ASTM E 112並且根據行業實踐的在各罐底部的中心處或附近剖開的已拋光和蝕刻罐剖面的顯微照片。圖23示出由常規馬口鐵(CA，T4)形成的拉深和減薄罐的剖面。因為常規DWI工藝不是可觀地加工罐的底部中心，所以圖23的顯微圖被認為非常接近進入原板的結構。圖24示出根據上面所述方法形成的罐的剖面。在準備樣本來確定晶粒邊界時，可以通過測量沿著軋制方向(也就是，水平地沿著圖23和圖24的朝向)測量晶粒長度並且將它除以與軋制方向垂直(也就是，豎直地沿著圖23和圖24的朝向)的晶粒尺寸來確定晶粒的縱橫比。發明人推測，在中心面板的底部中心處(對應於圖22中的點O)所取的根據本發明形成的罐身的平均晶粒縱橫比為至少I. 4，優選地在I. 5到2. 5之間，更優選地在I. 6到2. 2之間。在圖24的示例中，平均縱橫比為大約I. 8。發明人推測，罐身124將具有至少20%的增加(與原板相比)，優選地在20%到100%之間，更優選地在30%到70%之間，並且更優選地在40%到60%之間。可以通過選擇代表性晶粒來獲得平均值。上述測量提供本發明的方面的例示，本文的其他值和範圍是以本文所述的發明人對技術的可實現和可行能力的估計為基礎的。
權利要求
1.一種適於卷封到罐蓋上的拉深減薄金屬罐身，所述罐身包括 減薄側壁； 與所述側壁一體形成的包圍的非穹頂狀的底座，所述底座的底部面板具有至少大約64的平均洛氏硬度值。
2.如權利要求I所述的罐身，其中平均洛氏硬度值在64到70之間。
3.如權利要求2所述的罐身，其中平均洛氏硬度值為大約68。
4.如前述權利要求任意一項所述的罐身，其中所述側壁具有在大約O.006英寸到O.015英寸之間的平均厚度。
5.如前述權利要求任意一項所述的罐身，其中所述側壁具有能夠二重卷封到罐蓋的卷邊上的凸緣。
6.一種適於卷封到罐蓋上的拉深減薄金屬罐身，所述罐身包括 減薄側壁，具有能夠二重卷封到罐蓋的卷邊上的凸緣； 與所述側壁一體形成的包圍的非穹頂狀的底座，所述底座具有(i )至少大約為65的洛氏硬度值或者(ii)從原板的洛氏硬度值的至少5的平均硬度變化或者(iii)或者從原板的至少7%的洛氏硬度值的平均變化。
7.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在5到17之間。
8.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在6到15之間。
9.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在7到12之間。
10.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在8到10之間。
11.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在8%到21%之間。
12.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在10%到16%之間。
13.如權利要求6所述的罐身，其中平均洛氏硬度值的增加在12%到15%之間。
14.如權利要求6所述的罐身，其中所述側壁具有大約O.006英寸到大約O. 015英寸之間的厚度。
15.一種適於卷封到罐蓋上並且由至少O. 105英寸厚的薄板形成的拉深減薄金屬罐身，所述罐身包括 減薄側壁； 與所述側壁一體形成的底座，所述底座包括外周埋頭孔和基本上平坦的底部面板，所述底部面板具有O. 006到O. 015英寸之間的平均厚度，所述底部面板具有從原板的至少2%的平均厚度減少。
16.如權利要求15所述的罐身，其中所述底部面板具有從原板的5%到30%之間的平均厚度減少。
17.如權利要求15所述的罐身，其中所述底部面板具有從原板的10%到25%之間的平均厚度減少。
18.如權利要求15所述的罐身，其中平均底部面板厚度在O.008到O. 012英寸之間。
19.如權利要求15所述的罐身，其中平均底部面板厚度在O.008到O. 010英寸之間。
20.一種由馬口鐵形成的拉深減薄金屬罐身，所述罐身包括 減薄側壁；以及 與所述側壁一體形成的非穹頂狀的底座，所述底座包括外周埋頭孔和徑向地位於所述埋頭孔內的底壁，底座馬口鐵中的晶粒具有至少I. 4的平均縱橫比。
21.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比在I.5到2. 5之間。
22.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比在I.6到2. 2之間。
23.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比為大約I.8。
24.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比與形成所述罐身的原板的平均縱橫比相比大至少20%。
25.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比與形成所述罐身的原板的平均縱橫比相比大20%到100%之間。
26.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比與形成所述罐身的原板的平均縱橫比相比大30%到70%之間。
27.如權利要求20所述的罐身，其中所述平均縱橫比與形成所述罐身的原板的平均縱橫比相比大40%到60%之間。
全文摘要
一種適於卷封到罐蓋上的拉深減薄金屬罐身，所述罐身包括減薄側壁、與所述側壁一體形成的包圍的非穹頂狀的底座，所述底座的底部面板具有至少大約64的平均洛氏硬度值。
文檔編號B65D1/16GK102858643SQ201180016908
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月4日 優先權日2010年2月4日
發明者A.普雷斯塞特, S.蒙羅, K.溫森特, J.賴利 申請人:皇冠包裝技術公司