铝容器最优化的拉伸和壁减薄方法与流程

本发明涉及由铝合金制成的饮料罐领域，其也被本领域技术人员称为“罐”或“饮料罐”或甚至“二片式啤酒及饮料罐”；或铝容器的领域，其通过拉伸-减薄(ironing)、即根据特别地包括这两个基本步骤的方法制造。

更特别地，本发明涉及一种用于此类应用且特别具有能提供较低的撕裂率、更好的罐几何形状一致性和更好的罐表面外表优点的最优化减薄方法。

该改进通过受控的冲头粗糙度和纹理、减薄模具几何形状(合模面宽度、工作区域粗糙度、入口几何形状)以及铝片材(金属的内部和外部粗糙度)和制杯机润滑而获得。

背景技术：

除非指定，下文中根据由“铝业协会(aluminumassociation)”在该协会定期出版的“登记记录系列(registrationrecordseries)”中所定义的名称来命名铝合金。

除非另有说明，应用欧洲标准en515中所列出的冶金状态的定义。静态拉伸机械特性(换言之，极限拉伸强度rm(或uts)、0.2％塑性伸长下的拉伸屈服强度rp0.2(或yts)以及伸长率a％(或e％))根据nfeniso6892-1通过拉伸试验测定。

铝合金由于其非常吸引人的视觉外观(特别是与塑料或钢相比)、其适于回收以及其高耐腐蚀性而越来越多地在容器、特别是饮料罐的制造中使用。

饮料罐(本领域技术人员也称为“罐”或“二片式饮料罐”)通常通过拉伸-减薄，使用3104型合金片材，在h19冶金状态中以0.2与0.3mm之间的规格来制造。

片材经历由下料和拉伸组成的用于制杯的第一操作；更具体而言，在该步骤期间，片材卷料进料至压机(也称为“制杯机”)，其切割出称为坯料的圆盘并进行第一深度拉伸操作以生产“杯子”。

然后，杯子被运送至第二压机或“制罐机”，所述杯子于其中经历至少一个第二深度拉伸操作以及多个连续减薄操作；这些操作包括使经深度拉伸的坯料通过减薄工具(称为环或模具)，从而使金属伸长和变薄。

罐的底部也在此时成型。使可锻金属形成为顶部开放式的圆柱形容器。罐的侧壁明显薄于保持未经减薄而接近原始起始规格的底部(底拱)。罐的侧壁由通常称为中间壁及顶壁的壁构成(参见图1)。

然后，将罐在回转机械中修边至所需高度。

在减薄过程中，可发生撕裂(减薄过程中的侧壁断裂或故障)而造成制罐机停止，这降低了生产线性能。此外，在减薄后，罐的光泽外表可发生很大变化。

根据avitzur(1983)已知(参见图2)：“冲压力[……]部分通过杯子底部上的压力传输至变形区[……]，进一步通过壁上的张力且部分通过摩擦力传输。当冲头与杯子内表面之间的摩擦力增加时，施加在壁上的张力更少，因而能够使减薄减小得更多。通过摩擦力差异(即通过具有高于模具摩擦力的锤体摩擦力)及模具角度的适当选择，原则上可通过单个模具而实现无限量的减小……在实践中，直至最近，以单个拉伸通过一个模具仅获得了少许减小…”

专利申请gb1400081(avitzur)公开了一种深度拉伸方法，其中使用冲头通过锥形模具而将中空工件的壁减薄，所述冲头在冲头处的摩擦面大于模具处的摩擦面，使得减薄区中的拉伸应力减小或消除。

专利申请jps577334a(kishimotoakira)公开了具有指定形状、深度和间隔的圆周凹槽线、且设计用于改进罐的移出以及改进罐体减薄时的成型性的冲头。该冲头的纹理并非是各向同性的。

专利申请jp2007275847(daiwacan)公开了一种用于减薄的冲头，其外圆周面被划分为两个部分，使得尖端的部分为粗糙的且末端的部分为光滑的。

专利申请jps61212428(nipponsteel)公开了具有改进的减薄和剥离加工性能的钢板，其在正面和背面上分别具有彼此不同的粗糙表面。

专利us5250634(美国aluminumcompany)公开了一种用于制作刚性容器产品的金属片材，其具有保持少量润滑剂的无裂缝表面。

此外，根据当前技术发展水平，采用以下规范来控制金属与工具之间，即冲头与金属以及模具与金属之间的相互作用：

-两侧的粗糙度ra在0.3与0.5μm之间。

-制杯机润滑由两种组分构成：后润滑油和制杯机润滑油。后润滑油由铝制造商以500mg/m²的平均水平对两侧施用，且制杯机润滑油在制杯压机处以500至1100mg/m²的水平对两侧施用。因此，润滑油(后润滑油加制杯机润滑油)的总量在1000与1600mg/m²之间；更具体而言，对于33cl的罐，其意味着每杯16至24mg。润滑油在金属片材两侧之间的分布为，对于外侧50至60％而对于内侧40至50％。

-递送的制罐机冲头具有同时抛光、研磨的表面，刀鼻半径和再加工锥体抛光(ra≤0.05μm)，主体研磨(ra≤0.3μm)。

-制罐机冲头由制罐商以通常在工业上称为交叉阴影线的方法纹理化。该方法随制罐商改变且有时可控性较差。

-减薄模具的工作表面由横切角(1)、合模面宽度(2)及其角度(3)、横切表面(7)与合模面之间的交叉点(5)、出射角(4)以及这些区域的表面粗糙度来限定(参见图3)。通常工业上采用7与8°之间的横切角、0.38与0.76mm之间的合模面宽度；合模面角度(3)可以在0至5’之间，使得朝向合模面出射方向的直径更大；交叉点(5)和(6)各自在横切表面(7)与合模面(8)之间以及合模面与出射表面(9)之间突锐地出现；出射角(4)在2°与8°之间，并且表面粗糙度通常指定为ra≤0.05μm或ra≤0.10μm。当前，以标准三减薄模具进程获得的平均撕裂率在20ppm与150ppm之间，其中第三模具有效减薄比在38％与44％之间。罐的标准60°反射比低于73％。典型的顶壁厚度变化性为约11μm。

由于每年制造的饮料罐的量非常巨大(3200亿个)，因此制造方法的每个微小改进都可产生极大的节约。

技术问题

待解决的问题为，找到确保高制造生产率(如在长时间周期和稳定方式下的低撕裂率或低缩颈坏料率)的最佳减薄条件。

减薄之后预成型的罐外壁的光泽外表是装饰后最终罐产品的视觉外表品质的关键性质。待解决的问题为，找到使60°下测量的反射比最大化、同时使前述制造生产率保持在合理水平的最佳减薄条件。最后，主要目的之一为减少制造罐的金属量。其可通过减小顶壁、中间壁或底拱的厚度来完成。待解决的问题为，找到能够势必减小这些厚度、同时使前述制造生产率保持在合理水平的最佳减薄条件。

技术方案

本发明涉及一种通过“拉伸-减薄”进行的铝合金饮料罐的制造方法，其特征在于通过以下特性中的至少一个，产生制罐机冲头与铝片材之间高于减薄模具与所述铝片材之间的摩擦力：

-内表面粗糙度明显高于外表面(通常ra>0.4μm相较于ra<0.3μm)的铝合金片材，

-具有在横切表面以及出射表面与合模面之间的倒圆角交叉点的减薄模具，其中工作区域中的表面具有低于约0.03μm的ra，以及其中合模面的宽度低于约0.38mm，

-具有特高粗糙度(其中粗糙度ra高于0.35μm)和各向同性纹理的制罐机冲头。

在此目的下，该制造方法使用具有粗糙度ra通常低于0.3μm、与模具接触的外表面以及粗糙度ra通常高于0.4μm、与冲头接触的内表面的铝合金片材作为材料，和/或使用具有特高粗糙度的以ra高于0.35μm为特征、具有各向同性纹理的冲头，和/或使用如下减薄模具，该减薄模具具有在横切表面(7)与合模面(8)之间有利地半径为0.5至4.6mm的倒圆角交叉点(5)(其为工作区域)、在合模面与出射表面(9)之间半径低于1.2mm的倒圆角交叉点(6)、工作区域中低于0.03μm的粗糙度ra(参见图4)以及通常低于0.38mm的短合模面宽度。

本发明还涉及一种通过“拉伸-减薄”进行的铝合金饮料罐的制造方法，其特征在于该制造方法使用两侧均为光滑表面的铝片材，或将其与如上所定义的特别粗糙的冲头组合使用。

有利地，本发明的制造方法不使用内部制杯机润滑。

本发明还涉及一种通过例如上述方法制造的饮料罐，其特征在于该饮料罐在最后的减薄步骤之后即刻(即在任何补充表面处理之前以及在无任何补充表面处理的情况下)在60°下测量的反射比高于73％。

应注意的是，73％的值为平均值。例如，关于图5或8，图上的每个点为平均值，其由每次运行约8,000至10,000个罐获得，并且按三个罐及每个罐测量十次来计算。

本发明还涉及一种用于通过“拉伸-减薄”进行的铝合金饮料罐制造方法的减薄模具，其特征在于该减薄模具具有横切表面(7)与合模面(8)之间半径为0.5至4.6mm的倒圆角交叉点(5)、合模面与出射表面(9)之间半径低于1.2mm的倒圆角交叉点(6)、粗糙度ra低于0.03μm的工作区域中的表面以及低于0.38mm的合模面宽度。

最后，本发明还涉及一种用于通过“拉伸-减薄”进行的铝合金饮料罐制造方法的制罐机冲头，其特征在于该制罐机冲头具有高于0.35μm的粗糙度ra和各向同性纹理。

附图说明

图1展示了典型的“饮料罐”的主体，其具有“底部”(底拱)(11)、“中间壁”(12)和“顶壁”(13)。

图2展示了减薄步骤，其具有冲头(21)、模具(22)、“尚未变形区”(23)、“已变形区”(24)、“变形区”(25)和“壁拉伸区”(26)。

图3展示了根据当前技术发展水平的“减薄模具的工作表面”，其具有“横切角”(1)、“合模面宽度”(2)、“合模面角度”(3)、“出射角”(4)、“横切表面与合模面之间的突锐交叉点”(51)、“合模面角度与出射角之间的突锐交叉点”(61)、“横切表面”(7)、“合模面表面”(8)、“出射表面”(9)。

图4展示了根据实施方案的“具有倒圆角交叉点的减薄模具工作表面”，其具有“横切角”(1)、“合模面宽度”(2)、“合模面角度”(3)、“出射角”(4)、“横切表面与合模面之间的倒圆角交叉点”(5)、“出射表面与合模面之间的倒圆角交叉点”(6)、“横切表面”(7)、“合模面表面”(8)、“出射表面”(9)。

图5展示了“60°下测量的反射比”(以％为单位)随“金属粗糙度”的变化：低粗糙度为0.23μm，高粗糙度为0.49μm。菱形点为平均值。

图6展示了“撕裂比”(以ppm为单位)随“第三减薄比”(以％为单位)的变化，黑色关于冲头粗糙度ra0.20μm，白色关于粗糙度ra0.47μm。

图7展示了平均厚度范围(最大值减最小值)(以μm为单位)随合模面宽度(以mm为单位)的变化，左图关于中间壁(12)(图1)而右图关于顶壁(13)(图1)。

图8展示了“60°下测量的反射比”(以％为单位)随横切表面以及出射表面与合模面之间的交叉点的突锐性的变化：0关于半径在0.5至4.6mm之间的倒圆角交叉点(5)和半径低于1.2mm的倒圆角交叉点(6)，1关于突锐交叉点(参见图4)。菱形点为平均值。

具体实施方式

减薄之后外壁的光泽外表是装饰后最终产品的视觉外表品质的关键性质。该性质可使用雾浊效应和图像清晰度来定性评估。

最适合定性评估该性质的测量方法之一为相对于平整罐壁的法向成60°的镜面反射比。本文中讨论的全部反射比测量都是对类似于在制罐厂中进行的减薄及洗涤操作之后的罐预成型件实施。

粗糙度根据标准nfeniso4287测量。各向同性纹理为粗糙度测量不取决于测量方向的纹理。就高于0.35μm的粗糙度ra和各向同性纹理而言，对于任何测量方向的粗糙度ra均高于0.35μm。

为解决问题，本发明旨在增大冲头与金属之间的摩擦力，并同时减小减薄模具与金属之间的摩擦力。因此，产生制罐机冲头与铝片材之间高于减薄模具与所述铝片材之间的摩擦力。

在该目的下，有效地单独或组合使用若干解决方案。

·第一实施方案包括使用具有差异化粗糙度的金属即铝合金片材。更精确地，其意指与模具接触、以ra低于0.3μm为特征的外部光滑表面，以及与冲头接触、以ra高于0.4μm为特征的内部粗糙表面。

在外部使用光滑金属的主要优点为改善罐的亮度，其中60°反射比至少为73％。另一方面，在内部提供粗糙金属有助于增大与冲头的摩擦力，并因此降低撕裂率。

在给定的顶壁厚度下，中间壁的下向计量(downgauging)受第三模具的减薄比限制。通过使用具有差异化粗糙度、具体地为内部粗糙度较高的金属，极限第三减薄比可增加至高于44％，并因此可减小中间壁的厚度。

·第二实施方案包括使用与本领域技术人员公知的现有交叉阴影线实践相比具有以ra高于0.35μm为特征的特高粗糙度、具有各向同性纹理的冲头。其使得能够大幅增加内部摩擦力，并因此降低撕裂率或在相同撕裂率下将减薄比增加至高于44％。

在给定的顶壁厚度下，中间壁的下向计量受第三模具的减薄比限制。通过使用特别粗糙的冲头，极限第三减薄比可增加至高于44％，并因此可减小中间壁的厚度。

·优选地，本发明的制造方法在无内部制杯机润滑的情况下运作。其使得能够增加内部摩擦力，并因此降低撕裂率或在相同撕裂率下增加减薄比。

对于给定的顶壁厚度，中间壁的下向计量受第三模具的减薄比限制，其不能超过所谓的“极限减薄比”。在高于该上限时，减薄无法无故障地进行。在无任何内部制杯机润滑的情况下，“极限减薄比”增加使得可在工业上实施高于44％的第三减薄比。因此，中间壁的厚度可减小。

包括使用两侧均为光滑表面的片材的变体方案确实有助于通过降低冲头与金属之间的摩擦力而增加撕裂率。然而，该负面后果可通过组合使用特别粗糙的冲头或不使用内部制杯机润滑而得以防止。

第三实施方案包括使用这样的减薄模具，其具有横切表面(7)与合模面(8)之间半径为0.5至4.6mm的倒圆角交叉点(5)(其为工作区域)、合模面与出射表面(9)之间半径小于1.2mm的倒圆角交叉点(6)、低于0.03μm的工作区域中粗糙度ra(参见图4)以及低于0.38mm的短合模面宽度。

这使得能够更好地控制顶壁厚度，通常将现有的变化性除以2，并且这有助于改善罐壁的亮度，即60°反射比高于73％。

缩颈生产线效率对顶壁厚度变化性敏感，较高的变化性引发较低的效率。具有工作区域中低于0.03μm的ra和/或通常低于0.38mm的较短合模面宽度的倒圆角减薄模具使得能够改善顶壁的一致性，并因此改善缩颈生产线效率。

具有工作区域中低于0.03μm的ra和/或通常低于0.38mm的合模面宽度的倒圆角减薄模具使得能够改善顶壁的一致性，并因此对于相同的较低的规范限制而言，减少了顶壁厚度目标。

实施例

在若干次试验活动过程中，在原型设计拉伸-减薄前-端生产线上使用h19冶金状态中规格为0.26mm的3104型合金片材，获得了一方面金属、工具和制造参数与另一方面罐的制造生产率和光泽外表之间的上述关联的一些实施例。对于在一组固定条件下的每次运行，生产约10,000个罐并对发生撕裂进行计数。针对取自运行开始、中间和结束时的样品，测量罐预成型件的厚度、重量和反射比。

·第一实施例比较了用取自相同母卷料但具有两种不同表面精加工的金属进行的若干次运行：一种具有低粗糙度(ra为0.23μm)而另一种具有高粗糙度(ra为0.49μm)。图5比较了该对称(即两侧相同)金属粗糙度对减薄之后的罐壁反射比的影响。低粗糙度平均产生较高的反射比。图5上的每个点为每次运行约10,000个罐(按三个罐及每个罐测量十次计算)的平均值。

·第二实施例比较了用具有相同纹理化表面精加工但具有不同粗糙度ra(分别为0.20μm和0.47μm)的两个冲头进行的若干次运行。图6示出增加冲头的粗糙度降低了对若干第三减薄比的平均撕裂率。图6上的各个点通过对约8,000个具有相同第一减薄比和第二减薄比的罐的试验获得。

·第三实施例涉及生产运行期间罐壁厚度的变化性。图7示出合模面宽度影响中间壁和顶壁的厚度：合模面尺寸最小，则厚度分布最集中。图7上的每个点为对约10,000个罐的运行中所取约30个样品的每罐4次测量的平均值。所比较的全部运行在相同冲头但不同模具设计下完成。

·第四实施例涉及模具设计对反射比的影响。图8示出对于使用相同冲头的若干次运行，平均地，具有半径为0.5至4.6mm的倒圆角交叉点(5)(图4)和半径低于1.2mm的倒圆角交叉点(6)(图4)的模具使得能够生产具有较高反射比的罐。更具体地，将具有光滑外表面(ra低于0.3μm)的金属与具有倒圆角交叉点的模具相结合，能够达到最高的反射比值(高于74％)，比标准情况更优约4％。