JP2014223661A

JP2014223661A - カップ成形方法

Info

Publication number: JP2014223661A
Application number: JP2013104920A
Authority: JP
Inventors: 光悦山崎; Koetsu Yamazaki; 真也牧野; Shinya Makino; 晶韓; Akira Kan
Original assignee: Universal Can Corp
Current assignee: Altemira Can Co Ltd
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-12-04

Abstract

【課題】円周方向に沿う成形高さのばらつきを小さくして、材料の歩留まりを高めることができるカップ成形方法を提供する。【解決手段】円形ブランク材をブランクホルダとダイとの間で押さえながらパンチにより絞り加工して有底円筒状のカップを成形する方法であって、ブランクホルダを半径方向に沿う分割線に沿って複数のブロック体に分割しておき、これらブロック体による円形ブランク材に対する単位面積当たりの荷重を、少なくとも、円形ブランク材の圧延方向と平行な０?方向を含む円弧面状の第１領域が４５?方向を含む円弧面状の第２領域よりも大きくなるように設定して絞り加工する。【選択図】図６

Description

本発明は、円形ブランク材をブランクホルダとダイとの間で押さえながらパンチにより絞り加工して有底円筒状のカップを成形するカップ成形方法に係り、特に、絞りしごき加工により成形される飲料用缶等の前工程として行われるカップ成形方法に関する。

蓋との２ピース構造とされる飲料用缶は、アルミニウム合金製シート材から円形ブランク材を打ち抜きながら絞り加工して、有底円筒状のカップを成形するカップ成形工程と、カップをさらに縮径しながら胴部を絞りしごき加工する、いわゆるＤＩ（ＤｒａｗｉｎｇａｎｄＩｒｏｎｉｎｇ）成形工程とを経て、直径に比して高さの大きいＤＩ缶が成形され、そのＤＩ缶の開放端をトリミングした後に、ネッキング加工等を施して製造される。

以下の特許文献１〜３に記載の技術は、カップ成形技術として従来知られたものである。
特許文献１では、円形ブランク材をダイとの間で押さえるブランクホルダを外周側のアウターホルダーと内周側のインナーホルダとに分割することにより、インナーホルダが受ける圧力を変化させ自動的によわめて、円形ブランク材の周縁端部の破断を防止することが開示されている。
特許文献２では、ブランク押さえとダイとが所定のテーパ角で分割されるとともに、半径方向にスライド可能に支持され、これら移動ブランク押さえと移動ダイとの間にブランクの外周部をクランプし、移動ダイの下降にしたがって移動ブランク押さえの外周面がダイホルダの内周面を摺動して、ブランクの半径方向に移動するようにしたものが開示されている。
特許文献３では、しわ押さえ力を成形初期から中期までは高くしてしわの発生と成長を抑える一方、成形後期では適正な値に減圧することで割れの発生と材料の過剰な流れ込みによるしわの残留を防ぐようにしたものが開示されている。

特開２００１−２３９３２８号公報特開２０１０−２２７９８６号公報特開平０９−０３８７２８号公報

ところで、このようにして成形されたカップをＤＩ成形する際に、胴部のしごき加工が大きいので、トリミング前のＤＩ缶の成形高さ（外底面から開放端までの高さ）が円周方向でばらつく現象が生じる。このため、ＤＩ成形後にトリミング加工によって開放端を揃えることが行われるが、その際の材料ロスをできるだけ小さくするために、ＤＩ缶の成形高さのばらつきを極力抑える必要がある。その抑制のためには、材料の改善とともに、ＤＩ成形の前工程であるカップ成形時においてカップの成形高さのばらつきを小さく揃えることが求められる。
前述した特許文献記載の技術は、円形ブランク材の絞り加工時のしわ押さえ力を制御するものであり、しわの発生を少なくすることには一定の効果を有するが、カップの開放端の高さを円周方向で揃えるには不十分であり、さらなる改善が望まれる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、円周方向に沿う成形高さのばらつきを小さくして、材料の歩留まりを高めることができるカップ成形方法を提供することを目的とする。

本発明のカップ成形方法は、円形ブランク材をブランクホルダとダイとの間で押さえながらパンチにより絞り加工して有底円筒状のカップを成形する方法であって、前記ブランクホルダを半径方向に沿う分割線に沿って複数のブロック体に分割しておき、これらブロック体による前記円形ブランク材に対する単位面積当たりの荷重を、少なくとも、前記円形ブランク材の圧延方向と平行な０°方向を含む円弧面状の第１領域が４５°方向を含む円弧面状の第２領域よりも大きくなるように設定して絞り加工することを特徴とする。

円形ブランク材の材料として用いられる圧延板は、その圧延方向とこれと交差する方向とで材料組織が異なったものとなる。このため、円筒状に絞り加工した際に、圧延方向とその交差方向とで材料の伸びが異なり、圧延方向に伸びにくく、これに対して４５°交差する方向に伸び易くなる結果、４５°方向の成形高さが０°方向（圧延方向）よりも大きくなる。図１０及び図１１は、従来技術のカップ成形方法により成形したカップの１／４周分の周方向位置と成形高さを示すものであるが、圧延方向に対して４５°方向で最も成形高さが大きくなり、このため、カップの開放端に、高さ方向に大きく突出した部分（耳と称される）が発生する。

本発明は、ブランクホルダを少なくとも圧延方向と平行な０°方向を含む第１領域と４５°方向を含む第２領域とを押圧可能なように分割しておき、円形ブランク材を押さえる単位面積当たりの荷重が、第１領域の方で大きくなるようにして絞り加工することにより、伸びにくい０°方向の第１領域を強く押さえて、第１領域に強制的に伸びを生じさせるようにし、一方、伸び易い４５°方向の第２領域については単位面積当たりの荷重を小さくして、伸びを抑えるようにしている。これにより、第１領域と第２領域との材料の伸びが均等化し、カップの成形高さのばらつきを小さく抑えて、耳の発生を抑制することができる。
なお、ブランクホルダの押圧面はリング面状に形成されるので、０°方向は、その延長方向である１８０°方向も含むものとし、４５°方向は、０°に対して４５°ずれた方向（すなわち＋４５°及び−４５°）と、１８０°に対して４５°ずれた方向（すなわち１３５°及び２２５°）とを含むものとする。

本発明のカップ成形方法において、前記第１領域と前記第２領域との間の分割線が前記圧延方向と平行な０°方向に対して２０°以上３０°以下の角度範囲内に配置されているとよい。
この２０°以上３０°以下の角度は、その延長線である２００°以上２１０°以下の角度、及び０°を中心とするこれらの線対称角度も含むものとする。

さらに、本発明のカップ成形方法において、９０°方向を含む円弧面状の第３領域における単位面積当たりの荷重が前記第２領域よりも大きくかつ第１領域よりも小さくなるように設定して絞り加工するとよい。

圧延板は、圧延方向が最も伸びにくいが、これと直交する９０°方向も圧延方向に次いで伸びにくい。そこで、第１領域及び第２領域に加えて、９０°方向を含む第３領域もさらに分割し、この第３領域の単位面積当たり荷重を第１領域よりも小さいが第２領域よりも大きく設定することにより、カップの円周方向の高さのばらつきをさらに小さく抑えることができる。

本発明のカップ成形方法は、ブランクホルダを分割して、圧延方向と平行な０°方向を含む第１領域を、４５°方向を含む第２領域よりも単位面積当たりの荷重が大きくなるようにしたことにより、材料の伸びを円周方向に均等化して、カップの成形高さのばらつきを小さく抑えることができ、これにより、その後のＤＩ成形時のトリミング代を小さくして、材料の歩留まりを向上させることができる。

本発明に係るカップ成形方法の一実施形態で用いられるカップ成形装置の要部を示す縦断面図である。図１に示すカップ成形装置において円形ブランク材を打ち抜いた状態を示す縦断面図である。図２に示す状態から円形ブランク材を絞り加工始めた状態を示す縦断面図である。図３に示す状態からカップを成形した状態を示す縦断面図である。図1に用いられているブランクホルダの斜視図である。一実施形態におけるブランクホルダの荷重負荷領域を示す平面図である。図１のカップ成形装置により成形されるカップの斜視図である。図7のカップから成形されるＤＩ缶の斜視図である。他の実施形態におけるブランクホルダの荷重負荷領域を示す平面図である。従来技術のカップ成形方法により成形したカップの周方向位置と耳の高さの関係を示すグラフである。従来技術のカップ成形時の材料の流動状態をシミュレーションにより求めた解析図である。

以下、本発明に係るカップ成形方法の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、このカップ成形方法に用いられるカップ成形装置の要部を示している。このカップ成形装置は、図示略のプレス機本体にカップ成形金型１が取り付けられて構成されており、カップ成形金型１は、ダイ２、パンチ３、ブランクホルダ４、ブランク抜きダイ５等を備える構成とされている。

ダイ２は、ダイプレート１１によりダイホルダ１２に固定されており、その中心部にパンチ３が挿入可能な成形用孔部１３が上下方向に沿って形成され、この成形用孔部１３の周囲の上面が平坦面に形成されている。そして、このダイ２の上面にブランクホルダ４が対向配置されている。
ブランクホルダ４は、全体としてはリングブロック状に形成されているが、図５に示すように、半径方向に沿う分割線１７に沿って複数のセグメント状のブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂに分割されている。この実施形態では４個のブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂに分割されており、各ブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂは、その下面が円弧面状に形成されている。

円形ブランク材２１となるシート材２２は、圧延方向に沿って長尺な帯板状に形成されており、コイル状に巻き取られた状態から繰り出され、カップ成形装置のカップ成形金型１内に送られる。図１に示す例では、図１の左から右に送られ、その送り方向に圧延方向が配置される。そして、ブランクホルダ４の分割線１７は、各ブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂにより、シート材２２の圧延方向と平行な０°方向を含む円弧面状の第１領域２５と、４５°方向を含む円弧面状の第２領域２６とに押圧領域を分けるように配置されている。
ブロック体１５Ａ，１５Ｂが第１領域２５、ブロック体１６Ａ，１６Ｂが第２領域２６をそれぞれ押圧する。

これらブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂの０°に対する分割線１７の角度としては、図６に示すように、θ１が１５°以上４０°以下、θ２が１４０°以上１６５°以下、及びこれらθ１の延長線である１９５°以上２２０°以下、θ２の延長線である３２０°以上３４５°とすることが可能であり、各ブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂによる押圧荷重を適切に設定することにより、耳の発生を抑えることができる。好ましくは、θ１が２０°以上４０°以下、θ２が１４０°以上１６０°以下、及びこれらθ１の延長線である２００°以上２２０°以下、θ２の延長線である３２０°以上３４０°とするとよい。

例えば、ブランクホルダ４が３０°、１５０°、２１０°、３３０°の分割線１７で分割されることにより、圧延方向に対して−３０°（＋３３０°）〜＋３０°及び１５０°〜２１０°の角度で囲まれた二つの第１領域２５と、これら第１領域２５を除く３０°〜１５０°及び２１０°〜３３０°の角度で囲まれた二つの第２領域２６とを押圧可能なように各ブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂが配置される（便宜上、ブランクホルダ４の分割線１７を図６にも示している。後述の図９においても同様。）。
そして、これら各ブロック体１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂは、これらを個々に押圧可能な流体圧シリンダ等の加圧手段１８を介して上型プレート１９に保持されている。

また、ブランク抜きダイ５が上型プレート１９に固定されている。このブランク抜きダイ５は、ブランクホルダ４を囲むリング状に形成され、その内周部下端に刃部３１が周方向に沿って設けられている。一方、下型に配置されるダイ（以下、絞りダイということもある）２の外周部上端には、ブランク抜きダイ５の刃部３１と噛み合う刃部３２が周方向に沿って設けられており、これらブランク抜きダイ５と絞りダイ２との両刃部３１，３２によりシート材２２が円形ブランク材２１に打ち抜かれるようになっている。したがって、絞りダイ２は円形ブランク材２１を打ち抜く、打ち抜きパンチを兼ねる構造である。
なお、パンチ３は、上型プレート１９の中心の貫通孔３４、ブランクホルダ４の貫通孔３３を経由して、ダイ２の成形用孔部１３に対向配置されており、上型プレート１９とは別に上下移動して成形用孔部１３に挿入可能とされている。また、図１〜図４において、符号３５は絞りダイ２の成形用孔部１３内に上下移動可能に配置され、成形後のカップを排出するためのストリッパを示す。

このように構成したカップ成形装置によりカップを成形する方法について説明する。
図１に示すように、カップ成形金型１の絞りダイ２からブランクホルダ４、ブランク抜きダイ５、パンチ３を上方に退避させた状態で、矢印で示すようにシート材２２をダイ２の上面に送り込み、まず、ブランクホルダ４及びブランク抜きダイ５を下降することにより、図２に示すように、シート材２２を絞りダイ２の上面とブランクホルダ４との間に挟み込むとともに、ブランク抜きダイ５の刃部３１と絞りダイ２の刃部３２との間でシート材２２を円形ブランク材２１に打ち抜く。

次いで、この打ち抜かれた円形ブランク材２１をブランクホルダ４と絞りダイ２との間に挟んだ状態で、パンチ３を下降して、絞りダイ２との間で絞り加工を施す。この絞り加工により、図３に示すように、パンチ３の下降に伴って円形ブランク材２１の中央部が下方に突出するように絞り加工され、周縁部は絞りダイ２の上面とブランクホルダ４の下面との間に挟まれた状態でパンチ３の下降に引き込まれるように滑りながら半径方向内方に移動する。
パンチ３が下降死点に達すると、図４に示すように、円形ブランク材２１の周縁部も絞りダイ２の成形用孔部１３内に引き込まれ、パンチ３の外周面と絞りダイ２の内周面とにより円筒状に成形され、有底筒状のカップ４１となる。
そして、パンチ３の上昇により、ストリッパ３５がカップ４１を押し上げて絞りダイ２の成形用孔部１３から排出する。

以上の一連のカップ成形工程において、ブランクホルダ４は、円形ブランク材２１への荷重を第１領域２５と第２領域２６とで変えて作用する。具体的には、第２領域２６に作用する単位面積当たりの荷重よりも、第１領域２５に作用する単位面積当たりの荷重を大きくする。前者が圧延方向と平行な０°方向を含む領域であり、後者が４５°方向を含む領域である。
すなわち、前述したように、圧延材であるシート材２２は、圧延方向に伸びにくく、これに対して４５°交差する方向に伸び易いという性質を有しており、この材料の性質に対応するように、単位面積当たりの荷重を、圧延方向と平行な０°を含む第１領域２５を大きく、４５°方向を含む第２領域２６を小さくするのである。これにより、伸びにくい０°方向を強く押さえて強制的に伸びを生じさせ、伸び易い４５°方向の荷重を小さくして伸びを抑えるように制御することができる。
図１０に、従来技術のカップ成形方法において成形したカップの１／４周分の成形高さを展開したが、４５°方向に最も耳が大きくなるところ、本発明のように、第１領域２５に作用する力を大きく、第２領域２６に作用する力を小さくすることにより、白抜き矢印で示すように、耳の高さを減少させ、耳の周方向両側の成形高さを高くするように制御することができる。

そして、このようにして単位面積当たりの荷重を周方向で変えることにより、材料の伸びを周方向でほぼ均等化し、カップ４１として成形した際の耳の発生を小さくして、カップ４１の成形高さのばらつきを小さく抑えることができる。図７に二点鎖線により耳４２を誇張して示したが、本発明の成形方法により、この耳４２の発生を飛躍的に小さくすることができる。
得られたカップ４１は、その後、ＤＩ成形により、図８に示すように、縮径されるとともに、胴部がしごき絞り加工され、直径に比して高さの大きいＤＩ缶４５として成形され、その成形後に開放端部がトリミングされる。このとき、カップ成形において成形高さのばらつきが小さくなっているので、ＤＩ缶４５としての成形高さのばらつきも小さく抑えることができ、このため、トリミング代４６を小さくすることができ、材料の使用効率を高めることができる。

前述の一実施形態では、ブランクホルダ４を４個の領域に分割したが、圧延方向に次いで９０°方向も４５°方向に比べて伸びが小さい傾向にあるので、９０°方向を含む領域をさらに分割して、合計６個の領域に分割することも可能である。
６分割する場合は、図９に示すように、分割線１７を前述のθ１、θ２及びこれらの延長線に加えて、θ３が５５°以上７５°以下、θ４が１０５°以上１２５°以下、及びθ３の延長線である２３５°以上２５５°以下、θ４の延長線である２８５°以上３０５°以下とするのが好ましい。

そして、ブランクホルダによる荷重領域を、０°方向を含む円弧面状の第１領域２５と、４５°方向を含む円弧面状の第２領域２６と、９０°方向を含む円弧面状の第３領域２７とに分割し、第３領域２７の単位面積当たり荷重を第１領域２５よりも小さいが第２領域２６よりも大きく設定する。
このように６個の領域２５，２６，２７に分割することにより、円形ブランク材２１に対する荷重をより細かく調整することができ、耳４２の発生をさらに抑制して、成形高さのばらつきをより小さくすることができる。

次に、本発明の効果を確認するために、シミュレーションにより、ブランクホルダの分割線を種々の角度で設定して、カップの成形試験を実施した。
円形ブランク材としては、ＪＩＳ３００４のアルミニウム合金を用い、元板厚０．２０８ｍｍとした。パンチの外径が９４．８６ｍｍ、絞りダイの内径が９５．８８ｍｍに設定した。ブランクホルダは、内径が９５．３８ｍｍ、外径が１５７．５ｍｍとした。
まず、従来技術として、分割されていないリング状のブランクホルダにより、成形初期状態の荷重を５．１４Ｎ／ｍｍ^２としてカップを成形したところ、耳の高さの最大がほぼ４５°方向位置で６．４６ｍｍ（０°〜９０°の角度範囲における面積としては２４８ｍｍ^２）であった。また、ＤＩ缶に成形したときのトリムラインとなる位置をカップの段階で想定すると、高さ３９．３３ｍｍであった。このトリムラインは、最も低い成形高さ以下で一定高さにトリミング可能な最小高さに設定される。

これに対してブランクホルダを４個の領域に分割して、各領域に表に示す単位面積当たりの荷重をかけた条件でカップ成形し、それぞれ耳の面積とトリムラインの最小高さを求めた。結果を表１〜表５に示す。表の各欄において、左下の数字がトリムラインの最小高さ（ｍｍ）、右上の数字が耳の面積（ｍｍ^２）を示しており、耳の面積については、０°〜９０°の１／４周分についてのみ求めている。
表１がθ１＝１５°、表２がθ１＝２０°、表３がθ１＝２５°、表４がθ１＝３０°、表５がθ１＝４０°としたときの結果である。

これらの結果より、円形ブランク材に対する荷重領域を分割し、各領域における単位面積当たりの荷重を適切に分配することにより、耳の発生を抑制することができる。耳の発生面積が従来技術よりも小さいものが好ましく、θ１が２０°以上３０°以下のものが単位面積当たりの荷重の若干の変動にかかわらずに良好な値を示している。この耳の発生面積の抑制に加えて、さらにトリムラインが従来技術より高くなるものがより好ましい。

特に良好であったのが、θ１＝１５°では第１領域が１０．２８Ｎ／ｍｍ^２、第２領域が３．７０Ｎ／ｍｍ^２、θ１＝２０°では第１領域が９．２５Ｎ／ｍｍ^２、第２領域が３．０８Ｎ／ｍｍ^２、θ１＝２５°では第１領域が８．６４Ｎ／ｍｍ^２、第２領域が２．８５Ｎ／ｍｍ^２、θ１＝３０°では第１領域が８．２２Ｎ／ｍｍ^２、第２領域が２．５７Ｎ／ｍｍ^２、θ１＝４０°では第１領域が７．７１Ｎ／ｍｍ^２、第２領域が２．４７Ｎ／ｍｍ^２であり、これらの中で最も良い結果が得られたのが、θ１＝２０°で第１領域が９．２５Ｎ／ｍｍ^２、第２領域が３．０８Ｎ／ｍｍ^２のものである。
いずれの結果も、しわについては、従来技術に比べてわずかに大きくなるものも認められたが、パンチと絞りダイとのクリアランスの調整等により、実用上問題ないレベルにまで解決できるものであった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、ブランクホルダの各ブロック体の加圧手段を流体圧シリンダにより構成したが、ばね等の弾性部材を用いて、各領域に対する単位面積当たりの荷重を異ならせるように構成してもよい。

１カップ成形金型
２ダイ（絞りダイ）
３パンチ
４ブランクホルダ
５ブランク抜きダイ
１１ダイプレート
１２ダイホルダ
１３成形用孔部
１５Ａ，１５Ｂ，１６Ａ，１６Ｂブロック体
１７分割線
１８加圧手段
１９上型プレート
２１円形ブランク材
２２シート材
２５第１領域
２６第２領域
２７第３領域
３１，３２刃部
３３，３４貫通孔
３５ストリッパ

Claims

円形ブランク材をブランクホルダとダイとの間で押さえながらパンチにより絞り加工して有底円筒状のカップを成形する方法であって、
前記ブランクホルダを半径方向に沿う分割線に沿って複数のブロック体に分割しておき、これらブロック体による前記円形ブランク材に対する単位面積当たりの荷重を、少なくとも、前記円形ブランク材の圧延方向と平行な０°方向を含む円弧面状の第１領域が４５°方向を含む円弧面状の第２領域よりも大きくなるように設定して絞り加工することを特徴とするカップ成形方法。
前記第１領域と前記第２領域との間の分割線が前記圧延方向と平行な０°方向に対して２０°以上３０°以下の角度範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１記載のカップ成形方法。
９０°方向を含む円弧面状の第３領域における単位面積当たりの荷重が前記第２領域よりも大きくかつ第１領域よりも小さくなるように設定して絞り加工することを特徴とする請求項１又は２記載のカップ成形方法。