CN1310681A - 具有增进强度的罐头底部及其制造装置 - Google Patents

具有增进强度的罐头底部及其制造装置 Download PDF

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Abstract

一种罐头(16),它具有一个从罐头侧壁(4)向下向内延伸的大致截顶圆锥部分(8),一个从大致截顶圆锥部分向下延伸的环形凸出部分(16),以及一个从凸起向上向内延伸的中心部分(24)。凸起(16)由被一个向下凸出的弧形部分(18)连接的内、外圆周延伸截顶圆锥壁(12,13)形成。凸起弧形部分的内表面(29)具有邻近凸部内壁(12)的至少0.060英寸(1.52mm)的曲率半径(R3)。罐头底部中心部分包括一个具有至少约0.14英寸(3.6mm)直径的基本平坦碟形中心区(26),以及一个具有不大于1.475英寸(37.47mm)曲率半径(R6)的大致碟形和向下凹陷的环形部分(25)。在一个本发明最佳实施例中,凸起(16)的弧形部分内表面由一个圆的一部分形成并具有一个不大于约0.070英寸(1.8mm)的曲率半径。一种用来制造该罐头底部的装置包括一个凸起冲头(52)以及一个模具(50),凸起冲头的末梢端(60)具有一个等于罐头底部凸起(16)曲率半径的曲率半径(R'3),而模具(50)的曲率半径(R'6)等于穹顶的曲率半径。

Description

具有增进强度的罐头底部及其制造装置
相关申请
本发明是1998年6月3日提出申请的名为具有增进抗压性能的罐头底部及其制造装置的美国申请系列号09/090,000的部分继续申请，因此收编其全部作为参考。
本发明领域
本发明涉及一个罐头，例如用来封装碳酸饮料的金属罐头。尤其是，本发明涉及一种具有增进强度的罐头底部。
发明背景
过去，用来封装碳酸饮料，例如软饮料或啤酒的罐头已经用金属，通常为铝制成。这种罐头用下述传统方法制造：将一个罐头顶端，或者说盖，安装到一个具有整个成形底部的拉伸和压薄罐头体上。
涉及罐头底部几何形状的一些参数对罐头性能起着重要作用。在罐头底部中采用一个在下文中将进一步讨论的环形凸起，该凸起的直径影响着堆叠或嵌套一个罐头底部进入另一罐头顶端的能力。凸起直径还影响罐头的抗翻倒性，这种翻倒例如在充填期间可能发生。
除了堆叠能力和抗翻倒稳定性之外，强度也是罐头底部性能的一个重要方面。例如，由于它的内装物处于可能高达90磅/英寸2的压力之下，罐头必需强到足以抵抗因内压引起的过度变形。因此，用于罐头底部的一个重要强度性能是抗弯强度，它通常被定义为造成罐头底部穹顶部分颠倒或者说反向所需内部压力的最小值--也就是说，罐头底部中心部分从向下凹倒转成向下凸的最小压力。另一个重要性能是抗坠落性，它被定义为当一个充水并加压到60磅/英寸2的罐头坠落到一个坚硬表面上时造成穹顶倒转所需的最小高度。
除了令人满意的性能需要之外，对于罐头制造商来说减少金属使用量也起着巨大的经济鼓励作用。因为每年要卖出数百万个这样的罐头，甚至是金属用量的稍微减少也是符合要求的。对于罐头制造商而言罐头的总体尺寸和一般形状是由饮料业指定的。因此，罐头制造商持续不断的致力于通过改进罐头几何形状细节以便获得一种较强的结构来减少金属的厚度。仅仅几年之前，铝罐头曾用具有约0.0112英寸的金属制成。然而，现在已可提供厚度低达0.0108英寸的铝罐头。
一种已享有重大成功的增大罐头底部强度技术是在罐头底部形成一个向外凹的穹顶。饮料罐头，例如用于软饮料和啤酒的罐头，典型地具有直径约2.6英寸的侧壁。按照惯例，底部穹顶的曲率半径为至少1.550英寸。例如，在颁发时转让给国民罐头股份有限公司的美国专利No.4,685,582[普尔西安尼(Pulciani)等人]披露一种具有2.597英寸侧壁直径和2.120英寸穹顶曲率半径的罐头。与此类似，在颁发时转让给金属盒plc的美国专利No.4,885,924[克莱顿(Claydon)等人]披露一种具有2.59英寸侧壁直径和2.0英寸穹顶曲率半径的罐头，而在颁发时转让给金属容器股份有限公司的美国专利No.4,412,627[霍顿(Houghton)等人]披露一种具有2.600英寸侧壁直径和1.750英寸穹顶曲率半径的罐头。
通过在底部周围形成一个向下和向内延伸并终止在一个环形卷边或者说凸起内的截顶圆锥壁，做出穹顶的罐头底部强度进一步增大。凸起具有圆周延伸的内、外壁，它们可能也呈截顶圆锥形。内、外壁被一个外凸弧形部分连接，所述弧形部分由一个圆的一部分形成。当罐头呈直立取向时弧形部分的基面形成罐头搁置表面。
根据传统的罐头制造技术，在这种做出穹顶、圆锥壁的罐头底部中凸起弧形部分内表面的曲率半径一般为0.050英寸或更小。例如，在本发明出现之前，该即时申请的受让人母体，Crown Cork&Seal公司，出售带有202顶端的铝罐头(即：与底部相对的罐头端直径为2-2/16英寸)，其凸起内表面曲率半径为0.050英寸。与此类似，在颁发时转让给美国铝股份有限公司的美国专利No.3,730,383[杜恩(Dunn)等人]，以及在颁发时转让给国民罐头股份的美国专利No.4,685,582[普尔西安尼(Pulciani)等人]披露一种具有0.040英寸曲率半径的凸起。
然而，迄今的一般想法是凸起的曲率半径越小，罐头底部的抗压性越高，例如已讨论的上文提及的美国专利No.3,730,383就是如此。因此，美国专利No.4,885,924(上文讨论过)，在颁发时转让给CMB食品罐头plc的美国专利No.5,069,052[波鲁克斯尼克(Porucznik)等人]以及在颁发时转让给美国铝股份有限公司的美国专利No.5,351,852[特拉格塞(Trageser)等人]均披露过用来减小凸起曲率半径以便增加罐头底部强度的方法。美国专利No.5,351,852建议再加工凸起以便减小其曲率半径到0.015英寸，而美国专利No.5,069,052建议再加工凸起以便减小其内表面曲率半径到零以及外表面曲率半径到0.040英寸或更小。
除了它的几何形状之外，成形罐头底部采用的制造装置和工艺也能影响它的强度。例如，如果成形凸起时对金属伸长过度，在罐头底部凸边区内会出现小表面裂纹。如果，有时发生，这些裂纹最初没有远远地延伸透过金属壁，罐头制造商在检查期间可能检测不出来。这样的罐头导致罐头在已被充填和封闭之后失效，这从饮料出售商或最后消费者的立场来说是非常不符要求的。凸起曲率半径越小，这种裂纹发生的可能越大。因为邻近凸起内壁的凸起曲率半径被设想与邻近外壁的半径相比较对抗弯强度具有更大的影响，一些罐头制造商已利用一种比一个简单圆部分更加复杂的凸起形状，它借助于采用两个曲率半径--一个邻近外壁的约0.060英寸的第一内表面曲率半径以及一个邻近内壁的小于0.060英寸的第二内表面曲率半径。例如，在颁发时转让给黛娃(Daiwa)罐头公司的美国专利No.4,431,112[雅马古希(Yamaguchi)]披露一种做出穹顶的罐头底部，尽管它没有一个锥形圆周壁，却带有一个凸起，该凸起具有邻近其内壁的约0.035英寸(0.9mm)的第一曲率半径和一个邻近其外壁的约0.091英寸(2.3mm)的第二曲率半径。另一个罐头制造商已在204顶端罐头内采用一种做出穹顶和锥形壁的底部，其中凸起内表面，它的外壁相对于罐头轴线倾斜约26.5°角，具有一个邻近凸起内壁的约0.054英寸的第一曲率半径以及一个邻近外壁的约0.064英寸的第二曲率半径。
尽管有迄今在该技术中取得的这些改进，提供一种具有使性能，尤其是抗弯强度、抗坠落性、堆叠能力和可制造性最佳化的几何形状的罐头底部应该是符合要求的。
发明概述
本发明的一个目的是：提供一种具有使性能，尤其是抗弯强度、抗坠落性、堆叠能力和可制造性最佳化的几何形状的罐头底部。这个和其他目的在一种罐头中被实现，该罐头包括：一个侧壁部分，以及一个与侧壁部分整体形成的底部部分。底部部分包括：(ⅰ)一个从侧壁部分向下并向内延伸的大致截顶圆锥部分，(ⅱ)一个从大致截顶圆锥部分向下延伸的环形凸起部分，凸起部分由被一个向下凸出的弧形部分连接的内、外圆周延伸壁形成，以及(ⅲ)一个从凸起内壁向上和向内延伸的中心部分，中心部分呈大致穹顶形状并且向下凹陷。在本发明的一个实施例中，弧形部分具有内和外表面，弧形部分内表面具有一个邻近所述内壁的至少0.060英寸的曲率半径。在一个本发明最佳实施例中，该曲率半径也是不大于约0.070英寸。
本发明还包含一种罐头底部部分，它包括(ⅰ)一个从侧壁部分向下并向内延伸的大致截顶圆锥部分，(ⅱ)一个从大致截顶圆锥部分向下延伸的凸起部分，(ⅲ)一个基本平坦的碟形中心区，以及(ⅳ)一个分布在基本平坦的中心区和凸起之间布置的环形穹顶区，环形穹顶区的横截面呈弧形并向下凹陷，环形穹顶区具有不大于约1.475英寸的曲率半径。在一个最佳实施例中，罐头侧壁具有一个约2.6英寸的直径，环形穹顶区的曲率半径为大约1.45英寸，基本平坦的碟形中心区具有至少约0.14英寸的直径，而且基本平坦的碟形中心区从凸起基面部分移位一个至少约0.41英寸的高度。
本发明还包含一种成形罐头底部用的装置，所述罐头底部具有一个在此处形成的环形凸起。该装置包括：(ⅰ)一个中心布置的模具，它具有一个大致穹顶形状并向上凸出的成形表面，(ⅱ)一个可相对于所述模具运动的凸起冲头，所述凸起冲头具有一个末梢端，所述末梢端由被一个向下凸出的弧形部连接的内、外圆周延伸壁形成，所述弧形部分具有一个邻近所述内壁的至少0.060英寸的曲率半径，以及(ⅲ)一个用来在凸起冲头和模具之间造成相对运动的压头。
本发明还包含一种装置，在其中一个中心布置的模具具有一个成形表面，该成形表面具有不大于约1.475英寸的曲率半径。
附图简介
图1是具有根据本发明罐头底部的一个罐头的立体图。
图2是通过图1所示Ⅱ-Ⅱ线剖切的横截面图，显示根据本发明的罐头底部。
图3是通过嵌套在一个相同罐头顶端中的本发明罐头底部剖切的横截面图。
图4是一张曲线图，它显示改变凸起内表面曲率半径对罐头底部抗弯强度的影响。
图5是一张曲线图，它显示当凸起直径变化以便保持在嵌套处穿透深度大致不变时改变凸起内表面曲率半径对罐头底部抗弯强度的影响。
图6是通过根据本发明的一个底部成形工位剖切的纵向横截面图。
图7是通过根据图6所示本发明凸起冲头剖切的纵向横截面图。
最佳实施例描述
图1中显示一个根据本发明的罐头1。如同传统形式那样，该罐头包括一个在其中做出一个开口的顶端3，以及一个罐头体。罐头体由一个圆筒形侧壁4以及一个与侧壁整体形成的底部6制成。侧壁4具有直径D1。也如同传统形式那样，罐头体用金属制成，所述金属例如是钢或者更适合的是铝，例如具有H-19硬度的3204、3302或3004型铝板。
如图2中所示，罐头底部6包括一个从侧壁4向下和向内延伸的大致截顶圆锥部分8。截顶圆锥部分8包括一个具有曲率半径R1弧段10，它形成一个进入侧壁4的平滑过渡。截顶圆锥部分8最好还包括一个相对于侧壁4的轴线7成α角的直段。
如图2中所示，一个环状凸起16从截顶圆锥部分8向下延伸。凸起16最好分别包括大致为截顶圆锥形的内、外壁12和13。应该指出，内壁12在此项技术中有时被称作“啤酒桶凸边”。最好是，内壁12具有一个相对于侧壁4的轴线7形成γ角的直段，而外壁13具有一个相对于该轴线形成β角的直段。内、外壁12和13由一个环绕延伸的弧形部分18连接。内壁12包括一个具有曲率半径R5的弧段22，它形成一个进入底部6中心部分24的平滑过渡。外壁13包括一个具有曲率半径R2的弧段14，它形成一个进入截顶圆锥部分8的过渡。
在横截面图中，邻近内壁12的凸起16弧形部分18的内表面29部分具有一个曲率半径R3。同样地，邻近外壁13的弧形部分18的内表面29部分具有一个曲率半径R4。凸起16的外表面30的曲率半径等于内表面29的曲率半径加上凸起弧形部分18的金属厚度，该厚度通常实质上与起初的金属板相同。宁可是，R3等于R4。最好是，弧形部分18的内表面29整个地由一个圆的一部分构成，以致于如图2所示那样，只有一个曲率半径构成凸起16的内表面弧形部分18。曲率半径R3的圆心19在围绕底部6的圆周延伸时形成一个直径D2的圆。凸起16的基面27也围绕直径D2形成，罐头1在直立取向时就搁置在基面27上。弧段10的曲率半径R1的中心21从曲率半径R3的中心19沿轴线方向移动一个距离y。最好是，如同下文将讨论的那样，随着R3的值增大，y值减小，以致于y+R3之和保持不变。
一个大致为穹顶形的中心部分24从凸起16向上向内延伸。中心部分24的最中心区26呈碟状，具有直径D3并且基本平坦。中心部分24的环形部分25横截面呈弧形，具有曲率半径R6，并将中心区26连接到凸起16的内壁12上。罐头底部6具有一个从凸起16的基面27延伸到中心部分24顶部的穹顶高度H。
如图3中所示，当两个相同构造的罐头一个在另一个顶上地堆叠时，上罐头的底部6将穿透到下罐头的顶端3中，以致于上罐头凸起16的基面27能在下罐头卷边接缝板40上形成的唇形物下方延伸一个距离d。
图4显示一种有限元素分析或者说FEA结果，旨在显示根据上文讨论定义的抗弯强度如何随一个具有202顶端并采用表Ⅰ中确定及图2所示几何形状的罐头底部凸起16的曲率半径变化。
表Ⅰ-用于FEA的罐头底部几何参数
直径D1       2.608英寸(66.24mm)
直径D2       1.904英寸(48.36mm)
直径D3       0.100英寸(2.54mm)
半径R1       0.170英寸(4.32mm)
半径R2       0.080英寸(2.03mm)
半径R3       可变
半径R4       等于R3
半径R5       0.060英寸(1.52mm)
半径R6       1.550英寸(39.37mm)
距离Y+R3     0.361英寸(9.17mm)
穹顶高度H    0.405英寸(10.29mm)
角度α       60°
角度β       25°
角度γ       8°
在现有技术中已经知道一种202顶端罐头，它具有由表中指定几何形状确定的底部并具有一个凸起16，该凸起具有一个曲率半径R3为0.050英寸的内表面29。如图4中所示，增大凸起内表面29的曲率半径R3至0.060英寸导致抗弯强度显著增加。尤其是，有限元素分析预测：与罐头制造技术中的传统知识相反，在这样一种罐头底部内增大凸起内表面半径从0.050英寸至0.060英寸会增大抗弯强度几乎10％，从95磅/英寸2至104磅/英寸2。
可惜，凸起内表面曲率半径超出0.060英寸的增大不产生抗弯强度的继续增加，反而实际上减少抗弯强度，尽管抗弯强度保持在这种罐头底部原先采用的曲率半径0.050英寸情况下所得抗弯强度之上。
为了校核这些理论预测，曾制造过一些具有202顶端的十二盎司饮料罐头，它们仍采用表Ⅰ中指定并如图2所示的底部几何形状，并具有三个不同的凸起弧形部分18曲率半径R3--0.050、0.055和0.060英寸。曾采用两种不同穹顶高度H并用两种不同型号的0.0108英寸(0.27mm)厚铝板—3204H-19型和3304C5-19型制造具有各自曲率半径尺寸的罐头，以致于存在十二种完全不同型式的罐头。这些罐头用四种强度相关参数进行过试验-- (ⅰ)抗弯强度，它根据上文讨论确定，(ⅱ)底部强度，它根据在侧壁被支承时测量毁坏罐头底部所需最小轴线荷载而获得，(ⅲ)抗坠落性(Drop Resistance)，它通过从不同高度坠落加压到60磅/英寸2的充水罐头来获得；以及(ⅳ)轴线荷载，它通过测量毁坏不支承的罐头侧壁所需最小轴线荷载来获得。这些试验的结果按每型号至少六个罐头取平均值，显示在表Ⅱ中。此外，在堆叠处的穿透深度d也被测量并显示在表Ⅲ中.
表Ⅱ-试验结果比较-改变凸起曲率半径
抗弯强度    底部强度      抗坠落性    轴线荷载
(磅/英寸2)   (磅)         (英寸2)    (磅)
            3204H-19型铝H=0.0405R3=0.050   96.7     273.7    6.7    232.8R3=0.055   98.3     274.7    6.9    229.6R3=0.060   103.8    284.7    7.6    205.1H=0.0415R3=0.050   97.7     273.0    6.7    227.6R3=0.055   99.5     276.7    6.8    231.2R3=0.060   105.0    283.7    6.8    220.9
                3304C5-19型铝H=0.0405R3=0.050   95.7     268.7     5.9   245.3R3=0.055   99.5     278.0     5.9   237.8R3=0.060   100.5    268.3     6.8   245.7H=0.0415R3=0.050   96.7     269.3    6.0    238.8R3=0.055   99.5     275.7    6.1    242.7R3=0.060   100.8    272.0    6.3    237.0
表Ⅲ-试验结果比较-凸起半径作为堆叠深度的函数
曲率半径R3  堆叠深度d
0.050英寸    0.083英寸
0.055英寸    0.069英寸
0.060英寸    0.062英寸
在表Ⅱ中显示的强度试验比较结果证实如下事实：与传统知识相反，增大在表Ⅰ中指定并在图2中显示的罐头底部上的凸起16的弧形部分18内表面29的曲率半径R3，至少直到0.060英寸，增加而不是减少抗弯曲性。
可惜，如同在表Ⅲ中所示，发现尽管增大凸起16在其内表面29处的曲率半径R3从0.050英寸到0.060英寸显著地增加抗弯强度，它却将堆叠处的穿透深度从0.083英寸减少到0.062英寸。这个危害罐头可堆叠能力的不符要求方面由于增大凸起内表面曲率半径R3沿径向向外推动凸起外壁13而发生了。
图5显示一种具有表Ⅰ中指定并在图2中显示的几何形状的罐头除了在凸起内表面处的曲率半径R3以表Ⅳ中所示方式增加时凸起16的直径D2减少之外的有限元素分析结果：
表Ⅳ-凸起直径随凸起曲率半径的变化
凸起半径R3(英寸)       凸起直径D2(英寸)
0.050                   1.904
0.060                   1.890
0.065                   1.884
0.070                   1.877
如同在图5中可以看到的那样，增大凸起曲率半径R3与适当减小凸起直径D2的结合从理论上导致在0.050英寸到0.070英寸凸起半径范围内抗弯强度持续增大。事实上，最显著的增大发生在凸起内表面曲率半径从0.065英寸增加到0.070英寸的时候。
为了试验来自上文讨论的有限元素分析的理论预测，曾用0.0108英寸(0.27mm)厚度的Alcoa 3004H-19铝板制成具有202顶端和图2所示底部的十二盎司罐头。一半罐头用一种在表Ⅴ中指出的现有技术中已知的底部几何形状做成，它在表ⅴ中被标明为A，而另一半用被标明为B的一种本发明实施例几何形状做成。与上文讨论的理论分析一致，这两个罐头底部几何形状在两个方面有差别。第一，与传统情况相反，凸起16在其内表面29处的曲率半径R3被增大到0.060英寸。第二，凸起直径D2被减小到1.890英寸。
表Ⅴ-比较试验用罐头底部几何参数-凸起直径
        罐头底部A                  罐头底部B直径D1    2.608英寸(66.24mm)         2.608英寸(66.24mm)直径D2    1.904英寸(48.36mm)         1.890英寸(45.94mm)直径D3    0.100英寸(2.54mm)          0.100英寸(2.54m)半径R1    0.170英寸(4.32m)           0.170英寸(4.32mm)半径R2    0.080英寸(2.03mm)          0.080英寸(2.03mm)半径R3    0.050英寸(1.27mm)          0.060英寸(1.52mm)半径R4    0.050英寸(1.27mm)          0.060英寸(1.52mm)半径R5    0.060英寸(1.52mm)          0.060英寸(1.52mm)半径R6    1.550英寸(39.37mm)         1.550英寸(39.37mm)距离Y+R3 0.361英寸(9.17mm)     0.361英寸(9.17mm)高度H     0.405英寸(10.29mm)    0.405英寸(10.29mm)角度α            60°                                         60°角度β            24°                                         25°角度γ            8°                                           8°
比较试验在该两组罐头上重复进行，而且被记录为至少六个罐头平均值的结果显示在表Ⅵ中。
表Ⅵ-比较试验结果-改变凸起半径和凸起直径
         罐头底部A           罐头底部B抗弯强度     93.7磅/英寸2       100.1磅/英寸2底部强度     267.2磅             269.7磅抗坠落性     7.3英寸             6.8英寸轴线荷载     224.1磅             236.8磅穿透深度d    0.085英寸(2.16mm)   0.086英寸(2.18mm)
可以看出，根据本发明制造的罐头的抗弯强度比现有技术罐头大几乎7％(即100.1磅/英寸2对93.7磅/英寸2)。这样一种增加是非常重要的。例如，可以指望，即使初始金属板厚度从0.0108英寸减少到0.0104英寸--减少几乎4％，抗弯强度的这一增大将允许被碳酸饮料罐通常采用的90磅/英寸2抗弯强度要求得到满足。板厚的这种减小会产生明显的成本节省。抗坠落性的稍微减小不被认为具有统计意义。
这两类罐头内凸边壁12的金属厚度也被测量过。这些测量显示，根据本发明的罐头底部(类型B)的该凸边壁厚比现有技术罐头底部(类型A)的凸边壁厚大0.0003英寸--即0.0098英寸(0.249mm)对0.0095英寸(0.241mm)。凸边壁厚的这种增大也是重要的，因为它显示本发明导致在初始凸边区域内金属伸长较少(金属伸长越多，它变得越薄)。制造试验已经证明，这种金属伸长的减小能减少由于凸边表面破裂造成的罐头失效事故。
最后，由于凸起直径D2减小，穿透深度d被保持，借此确保甚至在罐头具有相对较小顶端(即尺寸202)情况下凸起曲率半径的增大也不会危害堆叠能力。在这方面，凸起外壁13的相对较小角度β(即25°)也有助于获得良好的穿透。因此，根据本发明，如果要求良好的堆叠能力，(ⅰ)凸起16弧形部分18内表面29的曲率半径R3应保持在0.060英寸到0.070英寸范围内，(ⅱ)凸起外壁13的角度β应不大于约25°，而且(ⅲ)对于具有202或者更小尺寸的罐头来说凸起直径D2应不大于1.89英寸。
可惜，减小凸起直径D2将减少罐头呈直立位置取向时的翻倒稳定性。由于摆动的罐头在制作期间不可能适当地充填并可能对最终用户造成烦恼，翻倒稳定性是重要的。所以，在具有202顶端的罐头中增大凸起曲率半径到超过0.070英寸值可能是不符合要求的，因为这将导致堆叠穿透保持不变时凸起直径小于1.877英寸。然而，尽管抗弯强度的最大增加是在凸起内表面半径R3的值为0.070英寸情况下获得的，此值也导致最小的凸起直径D2。所以，取决于堆叠能力对翻倒稳定性要求的相对重要性，凸起16弧形部分18内表面29的曲率半径R3最佳值可能是小于0.070英寸，例如大约0.060英寸或大约0.065英寸。
根据本发明的另一个方面，底部6的强度也能通过小心地调整中心部分24的半径R5来增大。尤其是，业已发现，通过减少半径R6能得到抗坠落性的显著增加。R6的这种减小最好被大致平坦中心区26直径D3的增加以及穹顶高度H的增加伴随。
表Ⅶ显示具有三种不同底部几何形状的十二盎司罐头的抗坠落性和抗弯强度试验结果。除非用别的方式指出，这些底部与表Ⅴ所示罐头底部B的几何形状是相同的。每种罐头底部在一条典型试验线上用三种不同初始厚度的铝(Alcoa 3104)成形。每种几何形状/厚度情况有十二个罐头被试验。这些罐头的试验结果列举在下面的表Ⅵ和Ⅶ中。
表Ⅵ-比较试验结果-改变穹顶尺寸-典型试验线
      罐头底部B       罐头底部C         罐头底部D半径R6   1.550英寸       1.475英寸         1.450英寸
      (39.37mm)       (37.47mm)         (36.83mm)直径D3   0.100英寸       0.140英寸         0.139英寸
      (2.54mm)        (3.56mm)          (3.53mm)高度H     0.405英寸       0.405英寸         0.410英寸
      (10.29mm)       (10.29mm)         (10.41mm)
其余参数与表Ⅰ同
0.0108英寸厚度抗坠落性平均       6.07英寸      6.64英寸       8.00英寸最大       7英寸         8英寸          9英寸最小       5英寸         6英寸          7英寸抗弯强度平均     99.8磅/英寸2   98.2磅/英寸2  98.7磅/英寸2最大     100.4磅/英寸2  99.0磅/英寸2  99.5磅/英寸2最小     99.2磅/英寸2   97.6磅/英寸2  97.5磅/英寸2
     0.0106英寸厚度抗坠落性平均     5.50英寸        6.07英寸       7.29英寸最大     6英寸           7英寸          8英寸最小     5英寸           5英寸          6英寸抗弯强度平均     95.2磅/英寸2   94.0磅/英寸2  94.6磅/英寸2最大     95.7磅/英寸2   95.6磅/英寸2  95.8磅/英寸2最小     94.2磅/英寸2   93.2磅/英寸2  93.7磅/英寸2
     0.0104英寸厚度抗坠落性平均     4.79英寸        5.79英寸       6.36英寸最大     5英寸           7英寸          7英寸最小     4英寸           4英寸          6英寸抗弯强度平均     94.1磅/英寸2   92.3磅/英寸2  93.3磅/英寸2最大     95.9磅/英寸2   93.4磅/英寸2  93.8磅/英寸2最小     93.7磅/英寸2   91.6磅/英寸2  92.3磅/英寸2
表Ⅷ-在底部B上抗坠落性和抗弯强度的百分比改变金属厚度               底部C                底部D
          抗坠落性   抗弯强度   抗坠落性   抗弯强度0.0108英寸    +8.6％     -1.6％     +31.8％    -1.1％0.0106英寸    +10.4％    -1.2％     +32.5％    -0.6％0.0104英寸    +20.9％    -1.9％     +32.8％    -0.8％
容易看出，借助于减小半径R6到不大于1.475英寸数值导致抗坠落性增加。尤其是，在将大致平坦的中心区26的直径D3从0.10英寸增加0.040英寸时到大约0.14英寸(底部C)的同时，将穹顶半径R6从1.550英寸减少0.075英寸到1.475英寸，导致抗坠落性随金属厚度而定增加大约10-20％，以及抗弯强度减少仅大约1-2％。进一步减小穹顶半径R6另一个0.025英寸到大约1.45英寸，在此同时保持D3为大约0.14英寸并同时增大穹顶高度0.005英寸到大约0.41英寸(底部D)，对于所有三种金属厚度而言抗坠落性的改进增大到30％以上，且不存在抗弯强度的进一步减少。
为了证实这些结果，曾在两个不同的商业罐头制造厂中用初始厚度0.0106英寸的3004铝制造十二盎司的202罐头，它们具有如上所述的底部几何形状B和D，以及通常按下表Ⅷ确定的儿何形状E和F。
表Ⅷ-底部几何形状-改变穹顶直径-制造厂
罐头底部E      罐头底部F半径R6 1.55英寸(39.37mm)  1.50英寸(38.1mm)直径D3 0.100英寸(2.54mm)  0.110英寸(2.79mm)高度H   0.41英寸(10.41mm)  0.41英寸(10.41mm)
其余参数与表Ⅰ同
四种几何形状中的每一种制造十二个罐头。这些罐头的试验结果显示在下表Ⅸ中。
表Ⅸ-比较试验结果-改变穹顶直径
1#工厂
          底部B      底部E      底部F      底部D平均高度H     0.406英寸  0.411英寸  0.410英寸  0.411英寸抗坠落性平均          5.5英寸    5.3英寸    6.0英寸    6.9英寸最大          6英寸      6英寸      7英寸      8英寸最小          5英寸      5英寸      5英寸      6英寸抗弯强度平均         96.9磅/     97.5磅/    96.2磅/    96.4磅/
         英寸2      英寸2    英寸2     英寸2最大         97.6磅/     98.2磅/    96.0磅/    97.0磅/
         英寸2      英寸2     英寸2     英寸2最小         96.0磅/     96.2磅/    94.5磅/    96.0磅/
         英寸2      英寸2     英寸2     英寸2轴向荷载平均         215.7磅     235.4磅    239.8磅    209.1磅最大         249磅       250磅      257磅      246磅最小         192磅       192磅      220磅      184磅
                       2#工厂
         底部B       底部E      底部F      底部D平均高度H    0.405英寸   0.411英寸  0.411英寸  0.411英寸抗坠落性平均         6.3英寸     5.75英寸   6.4英寸    6.6英寸最大         7英寸       6英寸      7英寸      8英寸最小         5英寸       5英寸      6英寸      6英寸抗弯强度平均         96.7磅/     96.7磅/    96.7磅/    96.2磅/
         英寸2      英寸2     英寸2     英寸2最大         97.6磅/     97.6磅/    97.8磅/    96.9磅/
         英寸2      英寸2     英寸2     英寸2最小         96.0磅/     95.8磅/    95.9磅/    94.9磅/
         英寸2      英寸2     英寸2     英寸2轴向荷载平均    224.5磅    235.4磅    232.5磅    223.6磅最大    238磅      245磅      246磅      232磅最小    218磅      227磅      180磅      209磅
因为1#工厂正好在本试验之前已在运用0.0108英寸厚的金属板，它推测对于底部几何形状D而言轴线荷载的减小可能是由于稳定该过程的时间不足。因此，第二组几何形状D罐头被制造并发现具有大致相同的抗坠落性(平均6.8英寸)和抗弯强度(平均95磅/英寸2)但明显较高的轴线荷载(平均244磅)。
通过比较底部几何形状D和底部几何形状B的试验结果可以看出，减少穹顶半径R6到1.450英寸，在此同时增加大致平坦的中心区直径D3到0.140英寸和增加穹顶高度到0.410英寸，导致在1#工厂在对抗弯强度影响甚小(小于1％)的情况下抗坠落性增大25.5％，尽管在2#工厂仅增大4.8％。还有，比较底部几何形状E与底部几何形状B的结果显示，在不减少穹顶半径R6情况下增大穹顶高度H实际上减小抗坠落性。
因此，根据本发明，为了最佳化罐头，例如一个具有大约2.6英寸(66mm)侧壁直径的罐头的底部强度，穹顶半径R6应不大于约1.475英寸(37.47mm)，并且更适当的应是大约1.45英寸(36.8mm)。此外，大致平坦中心区的直径D3应该是至少约0.14英寸(3.6mm)，并且最好应是等于约0.14英寸，而且穹顶高度应该是至少约0.41英寸(10.4mm)，并且最好应该是等于约0.41英寸。
下面讨论一种用来成形上文披露的罐头底部6的最佳装置和方法。
在传统的罐头成形过程中，金属坯料被放置在一台冲床中，并在其中变形为一个杯形状。然后将该杯转入一台壁压薄机并再拉伸成完工罐头的侧壁和底部的大概形状。接着，再拉伸后的杯通过压薄工位并最后使侧壁形成为完工罐头的最终形状。此外，采用一个底部成形工位以便成形罐头底部。在上文提及的美国专利No.4,685,582[普尔西安尼(Pulciani)等人]中披露的一种罐头底部成形工位，收编在此作为参考。
如图6所示，用来制造本发明罐头底部6的一种装置41包括：(ⅰ)一个压头42，(ⅱ)一个凸起冲头52，下文将进一步讨论，(ⅲ)围绕着凸起冲头的一个大致圆筒形的冲头套管44，(ⅳ)一个具有上凸成形面的中心布置穹顶模具50，(ⅴ)一个支承面48，(ⅵ)一个抽出器46，以及(ⅶ)一个中心保持螺栓54。
在工作中，将未成形底部的金属坯料放置在冲头套管和凸起冲头52上。然后压头42前进使冲头套管44和凸起冲头52朝穹顶模具50移动，以致于金属坯料最终压靠在穹顶模具成形面上，并被拉伸越过冲头套管和凸起冲头的末梢表面，如图6中所示，借此形成罐头底部6。
如图6中所示，穹顶模具50具有约等于穹顶部分24曲率半径R6的曲率半径R′6。曲率半径R′6从中心轴线偏移一个距离X，该距离约等于大致平坦中心区26直径D3之半。因此，在一个本发明最佳实施例中，穹顶模具50的曲率半径R′6应不大于约1.475英寸(37.47mm)，更适合的是约1.45英寸(36.8mm)。此外，R′6的中心应该从中心轴线移位至少约0.07英寸(1.8mm)，而且穹顶高度H应该是至少约0.41英寸(10.4mm)。
如图7所示，根据本发明，凸起冲头52的末梢端60具有(ⅰ)一个邻近其内壁62的曲率半径R′3(ⅱ)一个邻近其外壁63的曲率半径R′4以及(ⅲ)一个直径D′2。根据本发明，(ⅰ)凸起冲头52的曲率半径R′3和R′4等于上文讨论的罐头底部6的凸起16内表面29曲率半径R3和R4，而且(ⅱ)凸起冲头直径D′2等于上文讨论的罐头底部凸起直径D2。因此，宁可是，邻近其内壁62的凸起冲头52末梢端61的曲率半径R′3大于0.060英寸。更适合的是，(ⅰ)凸起冲头52的末梢端60由一个圆的一部分成形，以致于邻近外壁64的曲率半径R′4等于R′3，(ⅱ)曲率半径R′3也小于0.070英寸，而且(ⅲ)在制造具有202或者更小尺寸顶端的罐头时直径D′2不大于1.89英寸。
本发明在不超出其精神和本质特征情况下可具体化成其它形式，因此在指明本发明范围时，应参照所附权利要求而不是前面的说明书。

Claims (41)

1．一种罐头，它包括
a)一个侧壁部分，以及
b)一个与所述侧壁部分整体形成的底部部分，所述底部部分包括：
    (ⅰ)一个从所述侧壁部分向下并向内延伸的大致截顶圆锥部分；
    (ⅱ)一个从所述大致截顶圆锥部分向下延伸的环形凸起部分，所述
凸起部分由被一个向下凸出的弧形部分连接的内、外圆周延伸壁形
成，所述弧形部分具有内和外表面，所述弧形部分的所述内表面具有
 一个邻近所述凸起内壁的至少0.060英寸的曲率半径；以及
    (ⅲ)一个从所述凸起内壁向上和向内延伸的中心部分，所述中心部
分呈大致穹顶形状并且向下凹陷。
2．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述曲率半径不大于约0.070英寸。
3．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述曲率半径为大约0.060英寸。
4．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述曲率半径为大约0.065英寸。
5．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述曲率半径为大约0.070英寸。
6．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述弧形部分具有一个邻近所述外壁的至少0.060英寸的曲率半径。
7．根据权利要求6的罐头，其特征为，邻近所述外壁的所述弧形部分的所述曲率半径等于邻近所述内壁的所述弧形部分的所述曲率半径。
8．根据权利要求7的罐头，其特征为，所述弧形部分在横截面图中是一个圆的一部分。
9．根据权利要求6的罐头，其特征为，邻近所述内和外壁的所述弧形部分的所述曲率半径不大于约0.070英寸。
10．根据权利要求1的罐头，进一步包括一个在所述侧壁上形成并与所述底部部分相对的顶端，所述顶端具有一个约为2-2/16英寸的直径，其中，所述曲率半径具有一个中心，而且其特征为，在所述弧形部分围绕所述底部部分圆周延伸时所述凸起部分具有一个由所述曲率半径的所述中心确定的直径，所述直径不大于约1.89英寸。
11．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述侧壁部分确定一根轴线，而且其特征为，所述凸起的所述外壁相对于所述轴线被定向在一个不大于约25°的角度处。
12．根据权利要求1的罐头，其特征为，所述侧壁和底部部分由铝形成。
13．根据权利要求1的罐头，其特征为，形成所述凸起的所述铝具有一个厚度，所述厚度小于0.011英寸。
14．一种罐头，它包括：
a)一个侧壁部分，所述侧壁部分确定所述罐头的一根中心轴线；以及
b)一个与所述侧壁部分整体形成的底部部分，所述底部部分包括：
    (ⅰ)一个从所述侧壁部分向下并向内延伸的第一大致截顶圆锥壁；
    (ⅱ)一个从所述第一截顶圆锥壁向下延伸的凸起部分，所述凸起部
分由第二和第三大致截顶圆锥壁形成，所述第二截顶圆锥壁相对于
所述轴线定向在一个大约8°的角度处，所述第三截顶圆锥壁相对
于所述轴线定向在一个大约25°的角度处，所述第二和第三截顶圆
锥壁由一个下凸弧形部分连接，所述弧形部分具有内、外表面，所
述弧形部分的所述内表面具有一个单独的曲率半径，所述曲率半径
在0.060到0.070英寸范围内；以及
    (ⅲ)一个从所述凸起向上和向内延伸的中心部分，所述中心部分包
括一个向下凹陷的大致穹顶形状部分。
15．根据权利要求14的罐头，其特征为，所述第二截顶圆锥壁从所述第三截顶圆锥壁沿径向向内地布置。
16．根据权利要求14的罐头，进一步包括一个在所述侧壁上形成并与所述底部相对的顶端，所述顶端具有大约2-2/16英寸的直径，而且所述凸起部分具有一个在所述弧形部分围绕所述底部部分圆周延伸时由所述曲率半径的中心确定的直径，由曲率半径中心确定的所述直径不大于约1.89英寸。
17．根据权利要求14的罐头，其特征为，所述穹顶形状部分具有一个约1.55英寸的曲率半径。
18．根据权利要求14的罐头，其特征为，所述凸起弧形部分的所述内表面的所述曲率半径是一个第一曲率半径并具有一个第一中心，而且所述第一截顶圆锥壁包括一个具有一个第二曲率半径的弧形部分，所述第二曲率半径具有一个第二中心，所述第二中心从所述第一中心沿所述轴线移位一个距离，所述距离和所述第一曲率半径之和是大约0.361英寸。
19．根据权利要求14的罐头，其特征为，所述第一截顶圆锥壁相对于所述轴线被定向在约60°角度处。
20．一种成形罐头底部用的装置，所述罐头底部具有一个在此处形成的环形凸起，所述装置包括：
a)一个中心布置的模具，它具有一个大致穹顶形状并向上凸出的成形表面；
b)一个可相对于所述模具运动的凸起冲头，所述凸起冲头具有一个末梢端，所述末梢端由被一个向下凸出的弧形部连接的内、外圆周延伸壁形成，所述弧形部分具有一个邻近所述内壁的至少0.060英寸的曲率半径；
c)一个用来在所述凸起冲头和所述模具之间造成相对运动的压头。
21．一种罐头，它包括：
a)一个具有约2.6英寸直径的侧壁部分；以及
b)一个与所述侧壁部分整体形成的底部部分，所述底部部分包括：
    (ⅰ)一个从所述侧壁部分向下并向内延伸的大致截顶圆锥部分；
    (ⅱ)一个从所述大致截顶圆锥部分向下延伸的环形凸起部
分；
    (ⅲ)一个基本平坦的碟形中心区；以及
    (ⅳ)一个分布在所述基本平坦的中心区和所述凸起之间布置
的环形穹顶区，所述环形穹顶区的横截面呈环形并向下凹陷，所述
环形穹顶区具有不大于约1.475英寸的曲率半径。
22．根据权利要求21的罐头，其特征为，所述环形穹顶区的所述曲率半径为大约1.45英寸。
23．根据权利要求21的罐头，其特征为，所述基本平坦的碟形中心区具有至少约0.14英寸的直径。
24．根据权利要求21的罐头，其特征为，所述凸起具有一个基底部部分，而且其特征为，所述基本平坦的碟形中心区从所述凸起基底部部分移位一个至少约0.41英寸的高度。
25．根据权利要求21的罐头，其特征为，所述凸起部分由被一个向下凸的弧形部分连接的内和外圆延伸壁形成，所述弧形部分具有内和外表面，所述弧形部分的所述内表面具有邻近所述凸起内壁的至少0.060英寸的曲率半径。
26．根据权利要求25的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的所述内表面的所述曲率半径不大于约0.070英寸。
27．根据权利要求25的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的所述内表面的所述曲率半径为大约0.060英寸。
28．根据权利要求25的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的所述内表面的所述曲率半径为大约0.065英寸。
29．根据权利要求25的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的所述内表面的所述曲率半径为大约0.070英寸。
30．根据权利要求25的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的横截面为一个圆的一部分。
31．根据权利要求21的罐头，其特征为，所述侧壁和底部部分由铝形成。
32．根据权利要求21的罐头，其特征为，形成所述凸起的所述铝具有一个厚度，所述厚度为小于0.011英寸。
33．一种罐头，它包括：
a)一个具有约2.6英寸直径的侧壁部分；以及
b)一个与所述侧壁部分整体形成的底部部分，所述底部部分包括：
    (ⅰ)一个从所述侧壁部分向下并向内延伸的大致截顶圆锥部分；
    (ⅱ)一个从所述大致截顶圆锥部分向下延伸并形成内和外壁
的环形凸起部分；
    (ⅲ)一个具有至少约0.14英寸直径的基本平坦的碟形中心
区；以及
    (ⅳ)一个将所述大致平坦中心区连接到所述凸起的所述内壁
的环形区，所述环形区的横截面呈环形并向下凹陷，所述环形区具
有不大于约1.475英寸的曲率半径。
34．根据权利要求33的罐头，其特征为，所述环形区的所述曲率半径具有一个约1.45英寸的曲率半径。
35．根据权利要求33的罐头，其特征为，所述基本平坦的碟形中心区具有一个0.139英寸的直径。
36．根据权利要求33的罐头，其特征为，所述凸起具有一个基底部部分，而且其特征为，所述基本平坦的碟形中心区从所述凸起基底部偏移一个至少约0.41英寸的高度。
37．根据权利要求33的罐头，其特征为，所述凸起部分由被一个向下凸的弧形部分连接的内和外圆周延伸壁形成，所述弧形部分具有内和外表面，所述弧形部分的所述内表面具有邻近所述凸起内壁的至少0.060英寸的曲率半径。
38．根据权利要求37的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的所述内表面的所述曲率半径不大于约0.070英寸。
39．根据权利要求37的罐头，其特征为，所述凸起的所述弧形部分的所述内表面的所述曲率半径为大约0.060英寸。
40．一种成形罐头底部用的装置，所述罐头底部具有一个在此处形成的环形凸起，所述装置包括：
a)一个中心布置的模具，它具有一个大致穹顶形状并向上凸出的成形表面，所述成形表面具有一个不大于约1.475英寸的曲率半径；
b)一个可相对于所述模具运动的凸起冲头，所述凸起冲头具有一个末梢端，所述末梢端由被一个向下凸出的弧形部连接的内、外圆周延伸壁形成，所述弧形部分具有一个邻近所述内壁的在0.060至0.070英寸范围内的曲率半径；
c)一个用来在所述凸起冲头和所述模具之间造成相对运动的压头。
41．根据权利要求40的装置，其特征为，所述成形表面具有一个不大于约1.45英寸的曲率半径。
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