CN1293959C - 制造罐盖壳体的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种在冲模装置内制造盖壳体的方法和设备，在冲模组内增加了成形环(118)。成形环(118)放置在拉拔垫(14)和冲模芯(16)之间，用于在盖壳成形过程中，给材料一个作用力。应用这个装置可以减小在成形过程中为将材料保持在冲模芯套环和拉拔垫之间而必须作用在拉拔垫上的作用力大小。在成形过程中通过减小保持材料所需的作用力，材料出现起皱和破裂的概率大大减小。
Description
优先权要求
本申请要求享有美国专利申请US10/107,941的优先权，该申请由JamesReed在2002年3月27日提出，名称为“制造罐盖壳体的方法和设备”(律师案卷号MCC02487PTUS)。
技术领域
本发明涉及用于金属饮料容器的罐盖的制造，尤其涉及一种制造罐盖的壳体的新方法和设备，其中在罐盖壳体的成形过程中需要的力比现有的制造方法显著地小。
背景技术
在单份的饮料零售中，铝罐被广泛地用作容器。这类罐的年度销售以十亿计算，经常，随着年代的变化，其设计要被改进以降低成本和提高性能。在制造这类容器的生产工艺和设备方面也进行过另外的改进，以进一步降低成本和消除废料、废品。
本发明的方法和设备特别适于用带有新设计装置的单动式(single-action)机械压力机和双动式(double-action)机械压力机制造罐盖壳体。尽管可以发现基本的罐盖在应用上有许多的变化，但目前包括外部接合部分和连接部分的饮料罐盖的壳体具有一中心面板、埋头孔、接合面板。在罐盖的某些布置中，连接部分几乎是垂直的。在罐盖最近的设计中，连接部分已经与垂直方向成一个角度。饮料罐盖通常由相对薄的金属板材形成。一个罐盖壳体的形成就是一种金属拉拔操作。如果壳体由片状金属的圆形毛坯制成，则使用单作用式压力机形成和成形盖。如果盖由预制成的杯状物来形成，则使用双作用式压力机完成盖子的形成和成形。
为降低成本和提高性能做出的努力中，制造罐和盖所用的片材逐渐变得越来越薄，而所用的合金越来越坚固。目前，材料最初的厚度是0.0088英寸或更小，随着科技的进步，这一厚度将会继续减小。当用来形成盖的片材变得越来越薄时，罐盖的制造变得越来越困难，因为在片材成形过程中，越薄的材料越容易出现起皱和破裂，尤其出现在罐盖的连接部分有一个很大的角度时。当连接部分基本为竖直的盖成形需要用大约400～500磅的作用力时，在壳体成形作业中，施加达1100磅的作用力在装置中来保证用现有材料制成的这样一个盖是很常见的。在成形过程中需要增加的作用力加速了装置的磨损，因此需要增加能量来产生所需的作用力，同时需要增加支撑来防止变形。
因此，需要这样一种形成罐盖壳体的方法，在形成减小原材料缺陷的罐盖同时，能够更好地控制强度高、厚度薄的材料，来形成罐盖壳体，同时要求减小冲压机和装置的负荷，从而延长设备的寿命。另外，还需要能够完成所设想的罐盖壳体成形方法的设备。
发明内容
本发明的目的就是给出一种能同时用在单动式和双动式机械冲压机上的制造罐盖壳体的新的装置结构和方法。本发明的装置包括在传统的冲模冲压机中设置的上部冲模组和下部冲模组。上部和下部冲模组是互相可活动的，来制造罐盖壳体。本发明的装置还包括在冲模组内部增加的一个成形环。通过在冲模组中增加一个成形环，在拉拔作业中，施加在金属上的作用力可以较大地减小。仅需要施加足够的作用力来防止罐盖壳体材料特别是接合面板区域的起皱和承受面板成形力。通过下面对示出现有工艺和本发明优选实施例的附图的详细说明，本发明将更容易于理解。
本发明披露的是一种制造罐盖壳体的方法和设备，该罐盖壳体具有中心面板、埋头孔和结合面板，该结合面板包括在冲模装置中使用小于1100磅的夹紧力在冲模芯套环和拉拔垫之间的夹紧材料，冲模芯套环具有材料对着它被夹紧的外侧部分、一个连接面轮廓和一个内径。形成中心面板的材料的那部分在冲模装置中对着冲模芯接合，冲模芯有一小于冲模芯套环内径尺寸的外径。冲模芯和位于拉拔垫与冲模芯之间的成形环向形成中心面板和接合面板的方向运动。壳体的这些部分在冲模芯、成形环和冲模芯套环之间形成，成形环给位于成形环的成形面和冲模芯套环的连接面轮廓之间的材料提供支撑和作用力。
附图说明
附图合并入说明书且形成说明书的一部分以帮助解释本发明。附图是仅用于图示的目的，而不是本发明具体实施例的确切说明。附图还图示出本发明如何制造、应用的优选实施例，而不应理解为将本发明仅限制于这些图示和描述的例子。通过考虑下面的附图，本发明多方面的益处和特点将更加明显：
图1是在盖成形作业过程中，现有技术的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第1步中各操作部件的位置。
图2是在盖成形作业过程中，本发明的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第1步中各操作部件的位置。
图3是在盖成形作业过程中，现有技术的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第2步中各操作部件的位置。
图4是在盖成形作业过程中，本发明的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第2步中各操作部件的位置。
图5是在盖成形作业过程中，现有技术的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第3步中各操作部件的位置。
图6是在盖成形作业过程中，本发明的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第3步中各操作部件的位置。
图7是在盖成形作业过程中，现有技术的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第4步中各操作部件的位置。
图8是在盖成形作业过程中，本发明的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第4步中各操作部件的位置。
图9是在盖成形作业过程中，现有技术的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第5步中各操作部件的位置。
图10是在盖成形作业过程中，本发明的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖形成作业第5步中各操作部件的位置。
图11是在盖成形作业过程中，现有技术的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖的环形埋头孔形成中各操作部件的位置。
图12是在盖成形作业过程中，本发明的装置结构的侧剖面正视图，图示在盖的环形埋头孔形成中各操作部件的位置。
具体实施方式
在下文里，将参照本发明如何制造和应用的例子的附图发明进行说明。附图是仅用于图解的目的，而不一定是本发明具体实施例的准确范围表示。在这些图中，一些相同标号自始至终在图中使用，用来指出相似或相应的零部件。这里说明和叙述的具体实施例是示范性的。许多细节在现有技术中是公知的，因此细节就既没有示出也没有进行说明。并不要求所有示出和说明的细节、部件、元件或步骤都是在本发明中发明的。虽然本发明许多的特点和益处已经在附图和其说明中叙述了，但这些说明只是举例说明而已，同时，在通过权利要求中使用的术语的较宽概括含义表示出的本发明最大范围的原则内，可以作一些改变，特别是在零部件的布置、形状和尺寸等方面。在本文中用到的词“在上面”、“向上”、“在下面”、“向下”用来指罐盖壳时，其表示的内容与盖子位于饮料罐顶部的最后位置时相同。
图1示出用于由金属材料22制造罐盖的已知冲模装置10上的一个实施例。本领域技术人员熟知形成罐盖以提供这里所述的罐盖的一般结构和几何形状的各种方法。冲模装置10包括一个冲模芯套环12、一个拉拔垫14和冲模芯16。对着拉拔垫14夹紧压制材料的冲模芯套环12外侧部分在内曲线处有一个曲率半径R1。曲率半径R1是通常用于获得所需的罐盖接缝面板半径的加工半径。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F1保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间，对于连接部分处于一定倾角的盖，施加在拉拔垫14上的力F1大约为1000到1200磅，对于连接部分大致竖直的盖，施加在拉拔垫14上的力F1大约为400到500磅。力F1作用在材料22上，使材料22在冲模芯套环12和拉拔垫14之间的受力区FA1保持固定。冲模芯套环12的向外弯曲部分有一个曲率半径R3。曲率半径R3是典型的用于获得罐盖上所需的接合面板半径的加工半径。冲模芯套环12在连接面轮廓部分有一个曲率半径R7。曲率半径R7是典型的用于获得所需的罐盖接合面板半径的加工半径。在冲模芯16与材料22连接的边缘位置有一个曲率半径R2。曲率半径R2是典型的用于获得盖子面板再次拉拔半径所需的加工半径。在冲模芯16靠近拉拔垫14的边缘位置有一个曲率半径R4。曲率半径R4和冲模芯套环12上的曲率半径R7是对应的。曲率半径R4结合曲率半径R7形成所需的罐盖的接合面板的半径。
图2显示一个在本发明的冲模装置110上利用金属材料22制造罐盖的实施例。本发明的装置110包括一个冲模芯套环环12、一个拉拔垫14、冲模芯116和一个成形环118。冲模芯套环12上对着拉拔垫14夹紧材料22外侧部分在内曲线处有一个曲率半径R1。曲率半径R1是典型的用于获得所需的罐盖接合面板半径的加工半径。例如，材料的厚度为0.0088英寸或更小，所需的接合面板半径在0.055～0.080英寸之间。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F2保持在冲模芯套环环12和拉拔垫14之间，力F2大约为200到300磅。力F2作用在材料22上，使材料22在冲模芯套环12和拉拔垫14之间的受力区FA2保持固定。冲模芯套环12的内径在向外弯曲部分有一个曲率半径R3。曲率半径R3是典型的用于获得所需的罐盖接合面板半径的加工半径。冲模芯套环12在连接面轮廓的向内弯曲部分有一个曲率半径R7。曲率半径R7是典型的用于获得所需的罐盖接合面板半径的加工半径。在冲模芯116与材料22初始接触的边缘位置有一个曲率半径R6。曲率半径R6是典型的用于获得将材料22再次形成板壁的所需半径的加工半径。成形环118处在拉拔垫14和冲模芯116之间。成形环118在拉拔过程中为接合面板的连接部分提供一个支撑面，来减小所需的作用力，减少罐头盖起皱的可能性，特别是连接部分以一定倾角形成的罐盖起皱的可能性。成形环118也有助于防止壳体在拉拔过程中形成的临界角和半径的变形。成形环118在靠近拉拔垫14和材料22的一角处有一个曲率半径R5。曲率半径R5和冲模芯套环12上的曲率半径R7是对应的。曲率半径R5结合曲率半径R7形成所需的罐盖的接合面板的半径。冲模芯116和成形环118一起向材料22运动以实现如图2所示的结构。相对于现有技术的拉拔过程，成形环的应用使得盖成形过程是一个拉拔/再次拉拔的过程。在本发明的一个实施例中，多个成套的上部和下部冲模一起安装成一个协作的矩阵或模式中，来同时制造出成套的罐盖。
图3显示现有的工艺中利用冲模装置10由金属材料22制造罐盖的第二步骤。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F1的作用下继续保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。冲模芯16继续向材料22运动，通过在冲模芯16上的曲率半径R2和冲模芯套环12上的曲率半径R1处拉拔材料22提供一个开始形成罐盖壳体中心板24和接合板26的相对作用力。可以看出，这一步骤中，材料22形成接合面板26连接部分的那一部分没有得到支撑。
图4显示在由金属材料22制造罐盖的第二步骤中本发明的冲模装置110的一个实施例。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F2的作用下继续保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。冲模芯116在材料22上作用一个相对的力，通过在冲模芯116上的曲率半径R6处拉拔材料22来形成中心面板24。在如图4所示的成形位置，成形环118与材料22已经接触，并在材料22的受力区FA3上作用一个大约200到400磅的相对力F3来形成罐头盖接合面板26的连接部分。
图5显示现有的工艺中利用冲模装置10由金属材料22制造罐盖的第三步骤。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F1的作用下继续保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。在如图5所示的成形位置，冲模芯16向材料22运动，继续形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26。冲模芯16的一部分已经向上运动并略微超过冲模芯套环12的内径，在冲模芯16的曲率半径R2和冲模芯套环12的曲率半径R1和R3处继续拉拔材料22。可以看出，在现有的罐盖成形工艺的第三步骤中，材料22形成接合面板26连接部分的那一部分的没有得到支撑。
图6显示由金属材料22制造罐盖的第三阶段中本发明的冲模装置110一个具体实施例。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F2继续保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。在如图6所示的成形位置，可以相信力F2仅仅是为防止接合面板26起皱而提供一个足够的作用力。相信力F2不是为在盖成形过程中拉拔材料22的目的提供的。冲模芯116和成形环118向材料22运动，以进一步形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26。通过成形环118作用于材料22上的力F3使材料22靠着冲模芯套环12的内径和连接面。在冲模芯116的曲率半径R6、成形环118的曲率半径R5、冲模芯套环12的曲率半径R1、R3和R7处拉拔材料。
图7显示现有技术中利用冲模装置10由金属材料22制造罐盖的第四步骤。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F1保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。在如图7所示的成形位置，冲模芯16拉拔材料22，形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26。冲模芯16继续向前运动，超过冲模芯套环12的内径，在冲模芯16的曲率半径R2和冲模芯套环12的曲率半径R1和R3处拉拔材料22，此时，冲模芯16的曲率半径R4刚好接触到材料22。拉拔和保持材料22最初的力通过力F1被证实。在成形过程的这一步中，材料22受到巨大的应力和折皱，容易翘曲和起皱，特别是材料22没有得到支撑的那一部分。
图8显示由金属材料22制造罐盖的第四阶段中本发明的冲模装置110的一个具体实施例。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F2保持在冲模芯套环环12和拉拔垫14之间。在如图8所示的成形位置，可以相信力F2是最初为防止接合面板26起皱而提供的力，而不是为提供盖成形拉拔力而提供的。冲模芯116拉拔材料22，形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26。通过成形环118作用在材料22上的力F3继续为形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26的连接部分提供拉拔压力。冲模芯116进一步运动超过冲模芯套环12的内径，在冲模芯116的曲率半径R6和冲模芯套环12的曲率半径R3处继续拉拔材料22。
图9显示现有技术中利用冲模装置10由金属材料22制造罐盖的第五步骤。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F1保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。在如图9所示的成形位置，冲模芯16拉拔材料22，形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26。冲模芯16运动到它最远点，超过冲模芯套环12的内径，在冲模芯16和冲模芯套环12之间基本上所有的点处拉拔材料22。拉拔和保持材料22的力的大小最初通过力F1供给。在成形过程的这一步中，中心面板24和接合面板26的成形基本完成。
图10显示在由金属材料22制造罐盖的第五阶段中本发明的冲模装置110的一个具体实施例。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F2保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。在如图10所示的成形位置，可以相信力F2是为防止接合面板26起皱提供的力，而不是为提供盖成形拉拔力而提供的力。通过成形环118作用在材料22上的力F3继续为形成罐盖壳体的中心面板24和接合面板26的连接部分提供拉拔压力。在如图10所示的成形位置，冲模芯116运动到它最远点，超过冲模芯套环环12的内径，基本完成了罐盖壳体的中心面板24和接合面板26的成形。
图11显示在现有技术中利用冲模装置10形成罐盖的环形埋头孔28。材料22主要通过施加在拉拔垫14上的力F1保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间。在如图11所示的环形埋头孔形成的过程中，冲模芯16有一个反向的运动，开始远离冲模芯套环12运动。面板形成冲头38在与冲模芯16相反的材料22的另一侧向着冲模芯套环12运动，将材料22向着冲模芯套环12挤压，从而形成环形埋头孔28。虽然这里叙述和显示的成形过程中的这一步是出现在罐盖壳体成形之后，但是，在许多成形过程中，根据使用的生产装置，环形埋头孔的形成是在成形过程中其它时候出现的，但其方法与上述方法相同。
图12显示在本发明的冲模装置110的一个具体实施例中罐盖的环形埋头孔28的形成。材料22通过施加在拉拔垫14上的力F2保持在冲模芯套环12和拉拔垫14之间，以及主要通过施加在成形环118上的力F3保持在成形环118和冲模芯套环12之间。在成形过程中，力F3支撑环形埋头孔的外壁。这样可以基本防止环形埋头孔28的变形，也能够保证在罐头盖的成形和再次成形过程中，具有多种不同曲率半径的大量不同的接合面板26的成形。在如图12所示的环形埋头孔28的成形中，冲模芯116有一个反向的运动。面板形成冲头38具有小于冲模芯116外径D2的外径D1，它在材料22的与冲模芯116相反的一侧朝着冲模芯套环12运动，向着冲模芯套环12挤压材料22，形成环形埋头孔28。虽然这里叙述和显示的成形过程中的这一步是出现在罐盖壳体成形之后，但是，在许多成形过程中，根据使用的生产装置，环形埋头孔的形成是在成形过程中其它时候出现的，但其方法与这里叙述的方法相同。
上面示出和叙述的具体实施例是典型的。许多细节可以经常在现有技术中发现，因此，这样的细节就既未示出也不叙述了。不要求这里示出和叙述的所有细节、零件、元件或步骤都是在本发明之中发明的。虽然本发明许多的特点和益处已经在附图和其说明中叙述了，但这些说明只是示例而已，同时，在由后附权利要求中术语的较宽含义所表示的本发明的最大程度的原则内，特别是在零部件的布置、形状和尺寸上可以有一些改变。
上述具体例子的限定性描述和附图不是指出什么是侵犯本专利的，而是至少提供一种怎样应用和操作本发明的解释说明。本发明的界限和本专利保护的范围在下面的权利要求书中予以限定和说明。
已经参照本发明的某些优选实施例对本发明进行叙述，应当知道，公开的具体实施例比实质上是示例性的而非限制性的，同时在上述公开的内容中能想到可以有很大程度上的变化、更改、改变、替换，例如，本发明的一些特征并不和其他特征一起对应地使用。基于对本发明优选实施例上述说明的回顾，许多这样的变化和更改对本领域技术人员将是显而易见的和需要的。因此，将附加的权利要求书较宽地并与本发明的范围一致地进行解释是恰当的。
Claims (6)
1、一种用于制造罐盖壳体的方法，该壳体包括一个中心面板、一个埋头孔、一个接合面板，该接合面板包括连接部分和外侧部分，该方法包括：
通过在材料(22)的方向对拉拔垫(14)施加一个刚好足以将材料(22)保持在冲模芯套环(12)和拉拔垫(14)之间的作用力，将材料(22)在冲模装置(110)保持在冲模芯套环(12)和拉拔垫(14)之间，冲模芯套环(12)具有外侧部分、连接面轮廓和一内径；
使材料(22)上形成中心面板的那部分对着冲模装置(110)中的冲模芯(116)接合，冲模芯(116)具有一外径，该外径小于冲模芯套环(12)的内径；
通过给冲模芯(116)施加相反的力，使冲模芯(116)沿一个方向运动来形成罐盖壳体的中心面板；
使一位于拉拔垫(14)和冲模芯(116)之间的具有成形面的成形环(118)运动，直到成形环(118)的成形面与将形成罐盖壳体的接合面板的连接部分的材料(22)接合为止；
在材料(22)的方向上给成形环(118)施加一个作用力，以在冲模芯套环(12)的连接面轮廓和成形环(118)的成形面之间形成罐盖壳体接合面板的连接部分；
继续给拉拔垫(14)施加一个刚好足以将材料(22)保持固定在冲模芯套环(12)和拉拔垫(14)之间并且防止罐盖壳体接合面板的起皱的作用力，；
当成形环(118)继续给位于成形环(118)的成形面和冲模芯套环(12)的连接面轮廓之间的材料(22)提供支撑和提供作用力时，使冲模芯(116)沿一个方向进一步运动以形成中心面板。
使冲模芯(116)反向运动；
使材料的中心面板和与面板形成冲头(38)接合，面板成形冲头(38)具有一比冲模芯(116)的外径小的外径；
当成形环(118)继续给位于成形环(118)的成形面和冲模芯套环(12)的连接面轮廓之间的材料(22)提供支撑和提供作用力时，使弥补形成冲头(38)沿朝着材料(22)的方向运动以形成埋头孔。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：埋头孔的成形是在罐盖壳体制造过程中的其它步骤前出现。
3、由权利要求1所述的方法制造的用于铝制罐上的盖。
4、一种用于制造罐盖壳体的设备，包括：
一个冲模芯套环，其具有带材料接触面的外侧部分、连接面轮廓和一内径；
一个拉拔垫，其具有外径、内径以及与材料接触面；
可操作地连接到该拉拔垫的第一力组件，其用于施加一足够于将所述罐盖壳固定在冲模芯环的材料接触表面和该拉拔垫的材料接触表面之间的作用力；
一个冲模芯，其具有小于冲模芯套环内径的外径；
一个成形环，其包括内径，外径和成形面；
可操作地连接到该成形环上的第二力组件；
一个面板形成冲头，该冲头具有比冲模芯的外径小的外径；和
可操作地连接到形成冲头的面板上的第三力组件。
5、如权利要求4所述的设备，其特征在于：第一力组件提供的力小于1100磅。
6、如权利要求4所述的设备，其特征在于：第二力组件提供的力小于1100磅。
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