CN1592661B - 金属容器和类似物的挤压推杆成形方法 - Google Patents

Abstract

一种成形瓶子形或者其它异形金属容器的方法，该方法使一端封闭的空心金属预制件承受内部流体压力，使得该预制件膨胀以便贴靠具有所需形状的模具空腔(10)的壁，并将冲头(12)推入到模具空腔(10)中，以便在膨胀开始之前或者之后，但在膨胀结束之前，使预制件的封闭端部发生位移和变形。进行加压步骤的方法是，同时向模具空腔内的预制件施加独立可控的内部和外部正流体压力，从而改变这两个压力之间的压差，由此控制应变率。

Description

金属容器和类似物的挤压推杆成形方法

技术领域

本发明涉及成形金属容器和类似物的方法，该方法采用内部流体压力使空心金属预制件或者工件在模具腔内膨胀。在一个重要的特殊方面，本发明在于提供一种成形具有例如非对称特征瓶子形状的异形形状的铝容器或者其它金属容器的方法。

背景技术

金属罐已是众所周知，广泛用于装各种饮料，现在的饮料罐主体不管是单件“拉拔”主体或者两端开口的主体(在底端和顶端分别具有单独的密封部件)，一般均具有简单的直圆筒侧壁。因为要求美观、吸引消费者和/或产品识别，有时希望金属饮料容器的侧壁具有不同的更为复杂的形状。具体是要求形成一种具有瓶子形状的金属容器，而不是普通的圆筒罐形状。然而，常规的制罐操作不能得到这种结构。

为了这些和其它目的，最好提供一种方便的有效方法，能将工件成形为瓶子形状或者其它复杂形状。另外，形成这样一种工艺规程也是有用的，使得这种规程能够形成径向不对称的异形容器，从而可以增加可用设计的多样性。

在美国专利3,040,684中说明一种装置，该装置采用模具空腔和流体压力将预制件成形为球形的门把手。该预制件放置在模具空腔内，充满液压流体，并密封。然后密封模具，向上移动底部推杆，强迫预制件的壁形成与模具空腔一致的形状。在这种工艺中不改变流体体积，预制件的膨胀通过推杆的运动实现。

另一种成形球形门把手的装置说明于美国专利4,362,537，在此专利中采用拼合模具。预制件包括局部形成的门把手，把手的外周面放在下部模具内。上部模具具有模具空腔，模具空腔侧壁部分确定把手的最后形状。上部模具向下挤压静置在下部模具上的预制件上。因此强迫流体进入预制件内部，由此预制件被迫形成模具空腔的形状。

美国专利6182487说明一种用于制造金属容器的方法，该方法采用拼合模具，该模具包括固定模具和活动模具。首先形成圆筒体，该圆筒体具有焊接在外壳上的底部，其底端安装在活动模具上，而圆筒件的开口端部固定于固定模具。用固定模具加压该圆筒件，该活动模具闭合在固定模具上，由此形成容器。

发明内容

本发明在广义上提供一种成形金属容器的方法，该容器具有确定的形状和横向尺寸，该方法包括将一端封闭的空心金属预制件配置在模具腔中，该模具模具空腔由模具的壁侧向封闭，该模具空腔具有确定的形状和横向尺寸，冲头配置在模具空腔的一端并可以移入到模具空腔中，预制件的封闭端部配置成靠近该冲头并对着冲头，预制件的至少一部分开始时与该模具壁向内分开一定距离；使该预制件承受内部流体压力的作用，从而使预制件向外膨胀，达到基本上完全与模具壁接触，由此使预制件具有预定形状和横向尺寸，在预制件封闭端部施加的流体压力作用力对着模具空腔的上述一端；或者在预制件开始膨胀之前或者之后，但是在预制件完成膨胀之前，将冲头推入到模具空腔中，在流体压力作用力方向的相反方向上接合该预制件的封闭端部，并使该端部位移，由此使预制件的封闭端发生变形。可利用推杆移动冲头，该推杆能够向冲头作用充分大的力，使预制件发生位移和变形。这种方法有时在本文中称为挤压推杆成形(PRF)工艺，因为容器是通过施加内部流体压力和利用推杆推动冲头形成的。

作为本发明的另一特征，该冲头具有异形表面，使预制件的封闭端部发生变形，形成与该异形表面相一致的表面。例如，该冲头具有拱形形状，预制件的封闭端部可以变形成拱形形状。

容器成形的确定形状可以是瓶子形状，包括颈部分和横向尺寸大于颈部分的主体部分，模具腔具有长轴线，预制件也具有长轴线，并配置成基本上与模具空腔共轴线，而冲头可沿模具空腔的长轴线运动。

有利的是并最好是该模具壁包含拼合模具，在取出已成形的容器时，该拼合模具可以分开。采用这种拼合模具时，上述确定形状可以是相对于模具空腔的长轴线不对称的形状。

该冲头最好在开始时，在施加流体压力之前，靠近预制件的封闭端定位或与其接触，以便限制流体压力造成的预制件纵向伸长。在预制件的膨胀下部分接触模具空腔壁之后，开始移动冲头。

用于形成瓶子形状容器和类似物的预制件最好是细长的，起始为大体圆筒形的工件，该工件具有与封闭端相对的开口端。在本发明特定实施例中，该预制件的直径基本上等于瓶子形状的颈部分，并具有充分大的可成形性，从而可以用单次压力成形操作膨胀到确定的形状。如果缺乏这种成形性，则在进行上述PRF方法之前需进行预备步骤，将工件放在比上述模具腔小的模具腔内，并在该工件内加上内部流体压力，使工件膨胀到中间尺寸和形状，该中间尺寸和形状小于确定的形状和横向尺寸。

或者，如果伸长的起始大体为圆筒形的工件其起始直径大于瓶子形状颈部分尺寸，则成形瓶子形状容器的方法包括另外的操作步骤，在实施PRF规程之后，使工件的开口端部分承受旋转成形操作，形成直径减小的颈部分。

或者，可以用模具缩颈工艺减小预制件项部区域的直径。可以在膨胀阶段之前应用这种模具缩颈工艺。

预制件可以是铝预制件(本文所用的术语“铝”是指铝合金和纯铝金属)，该预制件可以用铝板形成，该铝板具有再结晶的或者恢复的微结构，该微结构的尺寸范围在约0.25～1.5mm之间。可以通过拉拔-重拉操作或者反向挤压工艺加工该铝板，将该板形成为一端封闭的圆筒件。

在用内部流体压力膨胀预制件的步骤期间，在以下若干连续的阶段中在预制件内施加流体压力：(i)在预制件膨胀开始之前将压力升到第一峰值压力；(ii)在膨胀开始时将压力降低到最小值；(iii)在进行膨胀直到预制件膨胀到不完全接触模具壁时逐渐将流体压力升到中间值；(iv)在预制件膨胀完成期间从中间压力值升高该流体压力。按照这种顺序的压力阶段，在本发明的优选实施例中，基本上在阶段(iii)的末端开始移动冲头，使预制件的封闭端部发生位移和变形。

在施加内部流体压力时，该预制件的封闭端部在预制件接触模具壁时，一般呈现为大的半圆球形状；并且基本上在预制件封闭端部呈现为这种形状时开始移动冲头。

按照本发明，使预制件承受内部流体压力作用的操作步骤还包括同时向模具空腔内的预制件施加内部正流体压力和外部正流体压力，该内部正流体压力高于外部正流体压力。该内部和外部压力分别由独立控制的压力系统提供。可以通过独立控制同时作用于预制件的内部和外部正流体压力来控制预制件的应变率，控制内部和外部正流体压力可以改变内部正流体压力和外部正流体压力之间的压差。这样，便可以避免由过高应变率所引起的问题，并取得另外的有利结果，例如降低流体静应力，这种静应力可能造成对容器壁的微结构损坏。

按照本发明的再一特征，已经发现，在预制件膨胀期间最好加热，例如在预制件上形成温度梯度。通过将加热器装在冲头上，可以在预制件上从底部朝上产生温度梯度。也可以在模具的顶端装上分开的加热器，这种加热器可以在预制件上从顶端向下形成温度梯度。还可以在模具空腔的侧壁部分装上另外的加热器。从而在预制件膨胀期间产生另外的温度梯度，以便确定开始膨胀的位置和提供改进的成形性。

已经发现，最好使冲头在开始膨胀之前与预制件的底部接触，以便在膨胀的整个期间由冲头施加一定的轴向力。冲头可以在整个膨胀期间向预制件的封闭端部施加一定轴向力，采用这种操作时，预制件封闭端部的位移和变形最好不发生，直至膨胀操作结束。

从下面的详细说明以及附图可以看出本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1是简化的示意透视图，示出用于实施本发明例示性实施例方法的加工装置；

图2A和2B是类似于图1的视图，示出实施本发明方法第一实施例的顺序步骤；

图3是曲线图，示出内部压力和推杆位移随时间的变化，用空气作流体介质，示出在本发明方法中，使预制件承受到内部流体压力作用的操作和冲杆的移动操作随时间的关系；

图4A、4B、4C和4D是类似于图1的视图，示出实施本发明方法第二实施例的顺序步骤；

图5A和5B分别是类似于图1的视图和旋转成形步骤的简化示意透视图，示出实施本发明第三实施例的顺序步骤；

图6A、6B、6C和6D是在本发明方法中的顺序步骤的计算机生成示意立视图；

图7是在一段时间(用任何时间单位)内压力变化的曲线，示出同时向模具腔中的预制件独立施加可控内部和外部正流体压力的曲线，并与不存在外部正压力的内部压力变化(如图3所示)进行比较；

图8是在时间过程中应变变化的曲线，该曲线是用有限元分析得到的，示出在图7中相比较的两个不同压力条件下一个特定位置(元)的应变；以及

图9是类似于图7的曲线图，示出在内部和外部正流体压力同时加在模具模具空腔中预制件上时用于成形工艺中的特殊控制机构；

图10是示意图，示出用加热的冲头使预制件膨胀；

图11是曲线图，示出在预制件膨胀期间加工冲头上的负载、内部压力和冲头的位移；以及

图12是透视图，分别示出用平圆盘形成预制件的步骤。

具体实施方式

本发明将作为实施成形铝容器的方法进行说明，该铝容器具有不一定是轴对称(相对于容器的几何轴线对称)的异形形状，这种方法采用流体压力(内部流体压力)成形和冲头成形的联合成形方法，即采用PRF工艺。

PRF制造工艺具有两个显著不同的阶段，即形成预制件，并在随后将预制件成形为最后容器。对于整个成形路径，存在若干选择，可以根据使用铝板的成形性进行适当的选择。

用铝板制造预制件，该铝板具有重结晶或者恢复的微结构，该微结构的尺寸在0.25～1.5mm的范围内。该预制件是一端封闭的圆筒，该圆筒可以采用例如拉拔-重拉(-重拉)工艺或者采用反向挤压的方法形成。预制件的直径约在所需容器制品的最小直径和最大直径之间。在随后的成形的操作之前，在预制件上形成螺纹。预制件封闭端部的外形可以设计成有助于形成最后制品的底部形状。

如图1所示，本发明方法的加工组件包括：拼合模具10，该拼合模具10具有成形的模具空腔11，该模具空腔确定轴向垂直的瓶子形状；冲头12，该冲头具有容器底部所需的形状(例如，在所示的实施例中，具有使形成容器底部形成拱形形状的凸拱形形状)；推杆14，该推杆连接于冲头。在图1中仅示出拼合模具中的两个半模之一，另一半模是所示半模的镜像；可以明显看出，两个半模贴合在一个平面上，该平面包括由模具空腔11的壁限定的瓶子形状的几何轴线。

模具空腔11的上部开口端11a(对应于空腔的瓶子形的颈部)的最小直径等于放在模具空腔中预制件的外直径(见图2A)，预制件和空腔之间留有间隙。首先将预制件定位在冲头12的略微上方，该预制件具有示意示出的加压头16，该加压头位于开口端部11a，用于进行内部加压。例如接合于形成在预制件上部开口端的螺纹，以进行加压，或者通过将管子插入到预制件的开口端利用拼合模进行密封，或者用其它的加压头进行加压。

加压步骤涉及将例如水或者空气的流体引入到空心预制件的内部，其压力应足以使预制件在模具空腔内膨胀，直至预制件的壁基本上完全压在形成模具空腔的模具壁上，由此使膨胀的预制件具有模具空腔的形状和横向尺寸。一般说来，所用的流体可以是可压缩的流体或者不可压缩的流体，可以控制其质量、流量、体积和压力中任何一个参数来控制预制件壁承受的压力。在选择流体时，需要考虑应用在成形操作中的温度状况，如果用例如水作流体，温度必须小于100℃，而如果需要较高的温度，则流体就需要用空气，或者利用在成形操作的温度下不沸腾的液体。

作为加压步骤的结果，在模具壁上形成的花纹细部将会以相反的镜像方式形成在最后容器的表面上，即使所制造的容器有这些花纹或者总的形状不是轴对称的，但是也可以容易地从加工装置中取出来，因为采用了拼合模具。

在图2A和2B所示的本发明实施例中，预制件是空心圆筒铝工件，其下端20是封闭的，其上端22是开口的，其外直径等于要形成瓶子形状的颈部外直径，PRF操作的成形应变在由预制件成形性决定的范围内(该成形性取决于温度和变形率)。采用具有这样的成形特性的预制件时，模具空腔11的形状应当按照最后产品所需形状精确成形，该产品能够在一次PRF操作中成形。推杆14的运动和内部加压的速率应尽可能减小变形操作的应变并形成容器的所需形状。颈部和侧壁的形状主要通过内部压力的作用，造成的预制件的膨胀来形成，而底部的形状主要由推杆和冲头的运动以及面向预制件封闭端部20的冲头表面轮廓确定。

在实施本发明时，正确同步施加内部流体压力以及操作推杆和冲头(移入到模具空腔中)是特别重要的。图3示出代表图2A和2B成形操作的计算机生成的模拟数据(有限元分析输出的结果)曲线，由流量控制空气的压力。具体是，该曲线示出压力和推杆位移随时间的变化。从图3可以看出，在预制件内的流体压力以连续的阶段变化：(i)在预制件开始膨胀以前升到第一压力峰值24；(ii)在膨胀开始时降低到最小值26；(iii)在膨胀进行时逐渐升高到中间值28，直至预制件膨胀到不完全接触模具壁；(iv)在预制件膨胀完成期间，从中间值(在30)更快速地上升。根据这种压力阶段顺序，在本发明的优选实施例中，基本上在阶段(iii)的末尾时，使冲头开始移动，造成预制件的封闭端部发生位移和变形。在图上示出时间、压力和推杆位移的单位。图6A、6B、6C和6D示出，在图3中x轴上示出的0.0、0.096、0.134和0.21秒时间内图3所示工艺对预制件的成形结果(用计算机生成的模拟)。

在开始将内部流体压力加在空心预制件上时，冲头12配置在预制件封闭端的下面(按照图中所示的加工装置的轴向垂直方向)，其间距很近(例如相接触)，从而可以在施加内部压力时，限制预制件的轴向伸长。当预制件的膨胀基本上完成但未完全完成时，起动推杆14，将冲头向上推，从而在用内部压力完成预制件的横向膨胀时，使预制件封闭端部的金属向上位移，并使该封闭端部成形为冲头表面的形状。预制件封闭端部的位移不会使预制件相对于模具移动，或者不会因为在推杆开始向上推动冲头时已经膨胀的预制件的存在而使预制件侧壁出现皱纹(这种皱纹在推杆过早向上移动时可能出现)。

在图4A～4D中示出本发明的第二实施例方法。在此实施例中，和图2A和2B所示实施例一样，圆筒形预制件38的起始外直径等于最后制品的最小直径(颈部)。然而在此实施例中，可以假定PRF操作的成形应变超过了预制件的成形性极限。在这种情况下，需要两次连续的压力成形操作。第一次操作(图4A和4B)不需要推杆，只是使预制件在一个简单的拼合模具40中通过内部加压，膨胀到较大直径的工件38a。第二次操作是用PRF工艺(图4C和4D)，采用已在模具40中预先膨胀的工件，应用具有瓶子形状模具空腔44的拼合模具42和由推杆48推压的冲头46，即采用内部压力和推杆运动两种方法最后形成所需瓶子形状，该瓶子形状包括侧壁形状和底部轮廓的所有特征，该底部形状主要由冲头46的动作形成。

图5A和5B示出第三实施例。在此实施例中，预制件50的初始外直径大于最后瓶子形容器的所需最小外直径(通常为颈部直径)。选择这种预制件是由于要考虑成形操作的成形极限，或者选择这种预制件是为了降低在PRF操作中的应变。因此，制造最后制品的操作必须包括预制件的径向膨胀和压缩两种操作。因此，单独用PRF装置是不能完成的。可以用单次PRF操作(图5A，采用拼合模具52和推杆推压的冲头54)来形成壁的轮廓和底部轮廓(如图2A和2B的实施例一样)，然后用旋转成形或者其它的缩颈操作来成形容器的颈部。如图5B所示，可以应用2001年5月1日提出的待审查美国专利申请序列号09/846169中说明的那种旋转成形工艺，该工艺采用许多组串联旋转成形圆盘56和圆锥形的心轴58来成形瓶子颈部60。

在实施上述PRF工艺时，PRF的应变很大。因此，应当选择和调节合金组成，以便使所需产品特性与改进的成形性相匹配。如果还需要提高成形性，则可以如下面说明的，调节成形温度。因为温度增加可以得到更好的成形性。因此，需要在高温下进行PRF操作，和/或预制件需要进行恢复性退火，以便增加其成形性。

本发明不同于例如PET容器的吹塑成形操作的公知压力成形操作特别在于加上外部冲头成形部件。不需要例如成形PET瓶子时有时使用的内部冲头。现在本申请人还不知道哪一种方法可以制造具有本发明所实现直径范围的异形形状的铝容器。另外，本申请人现在还不知道哪一种方法可以制造非对称的断面形状(例如底部上的支脚或容器侧壁上的旋脊)。

还可以应用本发明的方法来成形例如钢的其它材料的容器。

下面参考图3(上面已说明)以及图6A～6D说明将推杆驱动冲头12移入到模具空腔11中而使预制件的封闭端部20发生位移和变形(如图2A和2B所示)的重要性，在图6A～6D中，虚线表示模具空腔11的垂直轮廓，在开始施加内部压力后拱形冲头12在不同时间的位移(mm)用该虚线右手侧的标尺表示。

该推杆在成形铝瓶子时有两个重要作用。即它限制轴向张力应变，并成形容器底部的形状。开始时，推杆驱动的冲头12与预制件18的底部靠得很近，或者刚好接触(图6A)。这样便可以尽量减小预制件侧壁的轴向伸长，这种轴向伸长在内部压力作用下原本是会发生的。因此，当增加内压力时，预制件的侧壁将膨胀以便接触模具的内部，而不会显著伸长。通常，预制件的中央部分首先膨胀，然后膨胀区域向上和向下沿预制件的长度发展。在此时，预制件的底部逐渐变成半球形的形状，该半球的半径近似等于模具空腔的半径(图6B)。在此时或者在此前必须起动推杆，将冲头12往上推(图6C)。推杆头部的轮廓(即冲头表面轮廓)完全确定容器底部轮廓。当内部流体压力使预制件成形在模具空腔壁(比较在图6B、6C和6D中的瓶子肩部和颈部)上时，推杆的移动加上内部压力的作用将使预制件的底部形成冲头表面的轮廓，达到所需形状(图6D)，而不会造成过分的张力应变，这种张力应变很可能性造成破损。推杆的向上运动将压缩力作用在预制件的半球形区域，减小了由加压操作引起的总应变，有助于使材料径向向外流动，充满冲头前部的轮廓。

如果相对于内部加压速度过早地使冲头移动，则预制件可能会因为受到压缩轴向力的作用而发生皱纹和折曲。如果这种移动太晚，则材料将沿轴向方向发生过分应变，可能造成破裂。因此，为了成功地进行成形，操作需要使内部加压速率与推杆和冲头前部的运动相配合。采用工艺的有限元分析(FEA)可以最好地实现必须的同步。图3是根据FEA的结果画出的。

本发明迄今为止在图3中进行说明和描述，在模具空腔内没有任何正的(高于大气压)流体压力作用在预制件的外部。在这种情况下，模具空腔中的预制件外部压力基本上是外部大气压力。当预制件膨胀时，在模具空腔中的空气将通过为此目的配置的连通模具空腔和模具外部的适当排气口或者通道排出(在预制件的外部和模具空腔壁之间的体积逐渐缩小)。

通过例示性方式，特别针对铝容器进行说明，FEA已经证明，在不存在任何正的外部压力时，当预制件开始塑性变形(流动)时，预制件的应变率将变得非常高，基本上是不可控的，因为在挤压推杆成形操作的处理温度下(例如约300℃)，铝合金的加工硬化率很低或者为零。

即，在这种温度下，铝合金的加工硬化率基本上为零，而且随着应变率的增加其塑性(即成形极限)降低。因此，成形所需最后形状容器制品的能力随成形操作应变率的增加和铝塑性的降低而减小。

按照本发明的另一重要特征，可以在预制件内部施加正流体压力的同时，向模具空腔中预制件的外侧施加正流体压力。这些外部和内部正流体压力分别由独立的可控压力系统提供。通过将一个独立可控的正流体压力源连接于上述排出口或者通道便可以方便地输送外部正流体压力，从而在模具和膨胀的预制件之间的空间内保持正的压力。

图7和8比较了挤压推杆成形容器时，在加上和不加上正外部压力控制条件下，压力和时间的变化以及应变随时间的变化(术语“应变”是指外力作用在一个物体上产生的单位长度伸长)。对于没有外部正流体压力作用在预制件的情况，图7的线101对应于在图3中表示为“压力”的线。图8的线103代表由FEA确定的一个特定位置(元素)形成的应变。很明显，在这种情况下应变几乎是瞬时的，这表示变形率很高，只需很短时间便可使预制件膨胀到接触模具壁。相反，图7中的线105、107和109分别代表在控制内部和外部两个压力时即向模具空腔内的预制件同时加上独立可控的外部和内部正流体压力时的内部正流体压力、外部正流体压力以及两种压力之间的压力差。内部压力高于外部压力，因而形成预制件膨胀所需的净正内外压力差。图8的线111代表在由线105、107和109表示的独立可控内、外压力条件下的周向应变(在膨胀期间在水平面上沿预制件外周面产生的应变)。还应当看到，由线111示出的周向应变可以达到与线103示出的最后应变相同的最后值，只是经过更长时间在更低的应变速度下得到。图8的线115代表轴向应变(当预制件伸长时在垂直方向产生的应变)。

由于将独立可控的内部和外部正流体压力作用在模具空腔中的预制件上，并改变该内部和外部压力之间的压力差，因此成形操作完全保持在可控状态下，并可以防止很高的不可控应变速率。可以用两种方法增加预制件的塑性以及操作的成形极限。首先，降低成形操作的应变速度可以增加铝合金固有塑性。其次，加上外部正压力(也可以加负压力)也可以减小膨胀预制件壁上的流体静应力。这样便可以减小与金属微隙和金属间微粒有关的有害作用。术语“流体静应力”是指在x、y和z方向的三个正交应力的算术平均值。

因此，通过控制成形操作的应变率和降低成形期间金属中的流体静应力，上面说明的本发明特征提高了挤压推杆成形操作的能力以便成功制造瓶子形铝容器和类似物。

根据制造预制件的金属的材料特性选择压力差。具体是，必须考虑到金属的曲服应力和加工硬化率。为使预制件形成塑性流动(即非弹性流动)，该压力差必须使预制件中的有效应力(Mises应力)超过曲服应力。如果存在正的加工硬化率，则超过曲服应力的固定作用有效应力(由压力产生)将使金属发生变形，达到等于该固定作用有效应力的应力水平。在该点，变形率接近于零。在加工硬化速率很低或者为零时，金属将在很高的应变速率下发生变形，直至与模具的壁接触，或者发生破裂。在用于PRF工艺的较高的温度下，铝合金加工硬化率可以低到零。

适合于用来形成内部和外部压力的气体例子包括(但不限于)氮气、空气和氩气以及这些气体的任何混合物。

在预制件壁的任何点和任何时间的塑性应变率取决于瞬时的有效应力，该应力又仅取决于该压力差。外部压力的选择取决于内部压力，总的原则是可以达到和控制在预制件壁上的有效应力，因而控制应变率。

图9示出可以用于成形工艺的不同控制机构。采用有限元模拟法来优化工艺。在图9中，线120代表作用在预制件上的内部压力(Pin)，线122代表作用在预制件上的外部压力(Pout)，而线124代表压力差(Pdiff＝Pin-Pout)。此图示出一种控制方法的压力曲线。在这种情况下，在内腔中的流体质量保持恒定，而在外腔(在预制件的外面)的压力则线性降低。随应变率变化的一些材料特性也包含在这种模拟中。后一种控制机构现在是优选的，因为它是工艺变得更为简单。

图10涉及本发明的另一实施例，该实施例中加热预制件，使预制件产生温度梯度。如图10所示，冲头12接触预制件18的底部，该冲头包括加热元件19，该加热元件加热该预制件，从底部向上加热，使得在增加内部压力时，预制件的膨胀从底部朝上进行。

图11是曲线图，示出膨胀工艺。图中的一条线表示推杆/冲头的位移，而另一条线线表示推杆/冲头上的负载，二者均随时间变化。第三条线表示预制件中的内部压力。

在点A，推杆预先加上约22.7kg的压力，而在点B，对预制件施加内部压力，并保持在1.14MPa的水平。在所述的工艺中，在点B和C之间的推杆的位置是步进式的，以使推杆的压力保持在68kg。在当推杆位置增加一定增量之后推杆负载不再急速下降时(点C到点D)，推杆将继续倾斜上升，位移达到约25mm和负载达到约454kg(点E)。在推杆从点D倾斜上升到点E期间，在预制件膨胀的同时，成形容器的底部轮廓，因而点E代表容器的成形结束。

尽管图11的曲线示出步进式的过程，但也可以通过一种平滑的操作，例如用计算机控制工艺，使预制件膨胀和成形为容器。这种工艺的优点是，由于存在温度梯度，所以在推杆和冲头向上移动时，便逐步地从底部到顶部发生膨胀。可以看出，与先前所述的方法相比，这种方法导致改进成形性的要求降低，在前面说明的方法中，膨胀基本上同时在预制件的整个长度上发生。

尽管图10示出加热元件仅装在冲头12中，但是为了有助于成形，也可以形成不同的加热区域。例如，可以围绕预制件的顶部配置另外的单独加热器，以及在模具空腔的侧壁内形成另一单独的加热元件。通过在这些区域中的各个区域中独立地控制温度，可以对各种容器设计提出最佳的膨胀历程。

图12示出用平圆盘制造预制件的典型顺序。可以采用标准的拉拔/重拉方法将铝板70首先拉拔成浅封闭端的圆筒71，然后再将该圆筒重拉成具有较小直径和较长侧壁的第二圆筒72。然后重拉圆筒72，形成圆筒73，随后重拉该圆筒形成圆筒74。应该注意到，该圆筒74具有长而薄的结构。

应当明白，本发明不限于上面具体说明的工艺和实施例，而可以用另外的方法实施而不违背本发明的精神。

Claims (25)

1.一种成形金属容器的方法，该容器具有确定的形状和横向尺寸，方法包括：将一端封闭的空心金属预制件放在模具空腔中，该模具空腔具有确定所述形状和横向尺寸的模具壁，预制件的至少一部分在开始时与该模具壁向内分开一定距离；向该预制件施加内部流体压力，使该预制件向外膨胀到基本上完全与模具壁接触，由此使预制件成形为确定的形状和横向尺寸，

其特征在于，模具空腔的尺寸定为可以侧向封闭一端封闭的空心金属预制件，冲头配置在模具空腔的一端，可推入到模具空腔中，预制件位于模具空腔内，预制件的封闭端部靠近冲头配置，并面向该冲头，向该预制件施加内部流体压力，使预制件向外膨胀，并在封闭端部上施加流体压力，然后在预制件开始膨胀之前或者之后，但在预制件膨胀结束之前，将冲头推入到模具空腔的一端，使得在与流体作用力方向相反的方向上接合该预制件的封闭端部，并使该端部发生位移，由此在将预制件向外膨胀到基本上与模具壁完全接触的同时，使该预制件的封闭端部变形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加内部流体压力的方法是，向模具空腔内的预制件同时施加内部正流体压力和外部正流体压力，内部正流体压力高于外部正流体压力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在向预制件施加内部流体压力之前，加热在模具空腔内的预制件，在其上产生温度梯度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该预制件是细长的初始形状大体为圆筒形的工件，具有可膨胀的封闭端部和与该封闭端部相对的开口端部。

5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，在预制件开始膨胀之后和在预制件加压和膨胀步骤中预制件膨胀结束之前，将冲头推入模具腔中。

6.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，在预制件开始膨胀之前，将冲头移入到与预制件的封闭端部接触，并在整个预制件膨胀期间保持此接触。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冲头具有异形表面，该预制件的封闭端部被变形成与所述异形表面贴合。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定形状是瓶子形状，其包括颈部分和横向尺寸大于颈部分的主体部分，所述模具空腔具有长轴线，所述预制件也具有长轴线，而且在实施所述预制件放入模具步骤时，配置成基本上与所述模具空腔共轴线，所述冲头可沿所述模具空腔的长轴线移动。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述冲头具有拱形形状；冲头推入空腔步骤使所述预制件的封闭端部变形成所述拱形形状。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具壁包括可以分离的拼合模具，以便在冲头推入空腔步骤之后除去已成形的容器。

11.如权利要求8、9或者10所述的方法，其特征在于，所述确定形状相对于所述模具空腔的所述长轴线是非对称的。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在预制件加压和膨胀步骤开始时，初步定位所述冲头，以限制所述流体压力造成的预制件伸长。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预制件是细长的初始形状大体为圆筒形的工件，其具有与所述封闭端部相对的开口端部，该开口端部的直径基本上等于所述瓶子形状所述颈部分的直径。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述工件具有充分的成形性，从而可以用单次压力成形操作膨胀到所述确定形状。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于在进行预制件放入模具步骤、预制件加压和膨胀步骤和冲头推入空腔步骤之前的预备步骤，该预备步骤将工件放置在比所述模具空腔小的一个模具空腔中，并向该工件施加内部流体压力，使工件膨胀到小于所述确定形状和横向尺寸的中间尺寸和形状。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预制件是细长的初始形状大体为圆筒形的工件，其具有与所述封闭端部相对的开口端部，其直径大于所述瓶子形状所述颈部分的直径；还包括在进行预制件放入模具步骤、预制件加压和膨胀步骤和冲头推入空腔步骤之后的另一步骤，该步骤使得所述开口端部附近的该工件进行旋转成形工艺，由此形成直径减小的颈部分。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预制件是铝预制件。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于在进行预制件放入模具步骤之前，用铝板制造预制件的步骤，该铝板具有重结晶的或者恢复的微结构，该微结构的尺寸在约0.25～1.5mm的范围内。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述铝板进行拉拔-重拉工艺或者反向挤压，将所述预制件成形为一端封闭的圆筒件。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在预制件加压和膨胀步骤期间，在以下连续的步骤中在预制件内施加流体压力：(i)在预制件开始膨胀之前将压力升到第一压力峰值；(ii)在开始膨胀时将压力降到最小值；(iii)在进行膨胀时逐渐将压力升到中间值，直至预制件膨胀到不完全接触模具壁；(iv)在预制件膨胀完成时期，从中间值升高该压力；在冲头推入空腔步骤中开始移动冲头，使得基本上在阶段(iii)结束时，使预制件的封闭端部发生位移和变形。

21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在预制件加压和膨胀步骤期间，当预制件的所述部分在预制件加压和膨胀步骤中开始接触模具壁时，预制件的密封端部呈现为增大的大体半球形的形状；在冲头推入空腔步骤中开始移动冲头，以便大体在预制件的封闭端部呈现所述形状时，使预制件的封闭端部发生位移和变形。

22.如权利要求2所述的方法，其特征在于，独立控制同时加在预制件上的内部和外部正流体压力，以便改变所述内部正流体压力和所述外部正流体压力之间的压力差，由此控制预制件的应变率。

23.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用冲头上的加热元件加热该预制件，由此在预制件上形成从封闭端部朝上延伸的温度梯度。

24.如权利要求3所述的方法，其特征在于，可以利用模具中围绕预制件顶部的加热装置加热该预制件，由此在预制件上形成从顶部向下延伸的温度梯度。

25.如权利要求23或者24所述的方法，其特征在于，利用装在模具侧壁中的加热装置加热该预制件。

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