JP3776886B2 - 金属容器等の圧力ｒａｍ形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空金属プリフォーム又はワークピースを金型空洞に引き伸ばすために内部流体圧力を利用する金属製の容器またはその他の類似したものの形成方法に関する。主要な特別の態様において、本発明は、例えば、非対称のボトル形状のような輪郭を有するアルミニウムまたは他の金属製の容器を形成する方法に適用される。

金属性の缶はよく知られており、飲料用に広く用いられる。現代の飲料缶の本体は、引き抜いて伸ばされた一体ものであるか、両端が開いた本体（すなわち両端（上端と同様に底に別個の閉鎖部材を備えた）であるかにかかわらず、一般に単純な直立した円筒状の側壁を有している。美学的、消費者への訴えおよび／または製造物の識別などの理由により、異なったより複雑な形状を金属飲料容器の側壁に付与すること、特に、普通の円筒缶形状よりむしろビンの形状を持った金属容器を提供することがしばしば求められる。しかしながら、従来の缶の製造方法では、そのような形状は作製できない。

これらおよび他の目的のためには、ワークピースを瓶形または他の複雑な形に形成する便利で有効な方法を提供することが有益である。さらに、製造可能なデザインの種類を増やすために放射状に対称でない輪郭を有する容器形状を形成することができるかかる方法を提供することが有益であろう。
米国特許第３，０４０，６８４号において、水圧と金型空洞を利用してプリフォームからドアノブを形成する装置が開示されている。そのプリフォームは金型空洞内に配置され、水力学的な流体で満たして封止される。それから、金型は閉じられ、ボトムラムが金型空洞の形状に一致するまで、プリフォームの壁を押すように上方に移動する。この方法において、流体の体積は変化せず、プリフォームの伸びは、ラムの移動よって起こる。
他のドアノブを形成するための分割された型が使用されるところの方法が、米国特許第４，３６２，０３７号に開示されている。そのプリフォームは、部分的に形成されたドアノブを含んでおり、そのノブの外側の面は下型上に置かれる。上型は、そのノブの最終形状を画する側壁部分とともに空洞を持っており、この上型は、下型の上に横たわっているプリフォームの上から下にプレスする。それから、流体がプリフォーム内に押し付けられ、それによって、プリフォームを金型空洞の形状にする。
米国特許第６，１８２，４８７号は、固定された金型と移動する金型とを含む分離型を使用する金属容器を製造する方法を開示している。最初に、シリンダーが、シェルに溶接された底部を持つように形成され、底部端が移動型に載せられるように配置され、そのシリンダーの開放端が固定型に取り付けられる。そのシリンダーに固定型を介して圧力がかけられ、容器を形成するために移動型が固定型に近づく。

本発明は、決められた形状と横方向寸法の金属容器を形成する方法を広く提供することを意図しており、その方法は、閉じられた末端を有する中空金属プリフォームを、側面が金型壁に囲まれて前記決められた形状と横方向寸法を画する金型空洞内に、そのプリフォームの閉じられた末端がそのパンチに最も近くに対向しかつそのプリフォームの少なくとも一部分が初期的には金型壁から内側に離れて位置するように、その空洞の一端にその空洞内で移動可能に設けられたパンチとともに配置することと、ほぼ完全に金型壁に接触するまで前記プリフォームを引き伸ばすために、前記プリフォームを、前記閉じられた末端上に前記空洞の一端に向かう方向の力を働かせる内部流体圧にさらして、これによって前記プリフォームを前記定義された形状及び横寸法にすることと、プリフォームが伸び始める前、又はプリフォームが伸び始めた後であってプリフォームの伸びが完了する前に、前記パンチを前記プリフォームの前記閉じられた末端にかみ合わせてその上に流体圧によってかけられた力と反対の方向にはずすために前記パンチを前記空洞の中に移動し、前記プリフォームの前記閉じられた一端を変形することを含む。パンチの移動は、プリフォームを移動させ変形させるのに十分な力を加えることができるラムによってなされる。この方法は、容器が、内部流体圧力を加えることによって、およびラムによるパンチの移動によって形成されるので、圧力ラム形成する（ＰＲＦ）手順とここで呼ぶこともある。

本発明のさらなる特徴として、パンチは輪郭形成表面を有し、プリフォームの閉じた端はその輪郭形成表面に一致するように変形される。例えば、パンチはドーム形状(丸屋根)の輪郭を有し、プリフォームの閉じた端は、ドーム形状の輪郭に変形される。

容器が形成されるところのその定義された形状は、ネック部分と、そのネック部分より横幅が大きいボディ部分を含んでいるボトル形状であってもよい。金型空洞は長軸を有し、プリフォームも長軸を有しており、空洞内に金型と実質的に同軸になるように配置される。パンチは、その長軸に沿って移動可能とされている。

より有益で好ましくは、金型壁は決まった容器の除去のために分離可能な組型を備える。組型を持つことで、定義された形状は、空洞の長軸に対して非対称であってもよい。

パンチは、好ましくは、流体圧力によるプリフォームの軸方向の伸びを制限するために、流体圧力が加えられる前に、プリフォームの閉じた端に近接又はその端に接するように最初に位置決めされる。パンチの移動は、下に伸びたプリフォームの一部が金型の壁に接触した後に開始されてもよい。ボトル形状の容器又は同種のものを形成するためのプリフォームは、その閉じた端に対向する開いた端を有する長く伸びた初期的には普通のワークピースであることが好ましい。本発明の特定の実施形態では、それは、瓶形のネック部分への直径に実質的に等しいであろうし、単一の圧力成形操作で決められた形状に伸ばすことができるように十分な成形性を有しているであろう。もし、それがかかる成形性を持っていない場合は、第1の上記金型空洞より小さい金型空洞内にワークピースを置いて、そのワークピースを最終的な形状及び横幅より小さい中間的な寸法及び形状に引き伸ばすためにその中で内部流体圧にさらす予備的なステップが、上述したPRF法にさらす前に実行される。また、もし、長い初期的には円筒形状のワークピースが、初期的な径においてボトル形状のネック部より大きい場合は、ボトル形状を形成する方法は、PRF処理の後で、直径を小さくしたネック部を形成するために、ワークピースの開放端の近辺をスピン成形処理にさらすさらなるステップを含むであろう。また、プリフォームのネック領域の径は、金型ネッキング処理を使用して減少させてもよい。この金型ネッキング処理は、伸展ステージの前に適用することができる。そのプリフォームは、アルミニウムプリフォーム（ここで使用されるアルミニウムとは、純粋なアルミニウム金属と、アルミニウム合金の両方を含む用語である。）であってもよいし、約０．２５〜１．５mmの範囲の規格寸法を有する再結晶され回復された微構造を持ったアルミニウム・シートで作られていてもよい。それは、シートの引き伸ばし再引き伸ばし処理によって閉じた端を有する円筒形状として作製されていてもよい。

プリフォームを流体圧力さらす間、（ｉ）ワークピースが伸び始まる前に、第一のピークに上昇し、（ｉｉ）伸び始まるに従って、最小値に下がり、（ｉｉｉ）プリフォームが完全に金型壁に接触する前まで伸びが進むに従って、中間の値まで除除に上昇し、(iv)プリフォームの伸びが完了する間にその中間値から上昇するステージが連続して生じる。この連続した処理ステージに関して、そのプリフォームの閉じた端をはずして変形するためのパンチの変形の開始が、ステージ(iii)の終了とほぼ同時に起こる。典型的な例では、最初に内部流体圧力が印加されるとき、プリフォームの閉じた端はプリフォームが金型壁と接触するように拡大された普通の半球形態をとり、そのプリフォームの閉じた端がこの形状となったと実質的に同時にパンチの変形が開示される。

また、本発明によれば、プリフォームを内部流体圧にさらすステップは、正の外部流体圧より高い正の内部流体圧と正の外部流体圧を上記プリフォームに同時に印加することを含み、上記正の内部流体圧は上記正の外部流体圧より高い。その内部及び外部圧は、それぞれ独立して制御可能な２つの圧力システムによって提供される。そのプリフォームの伸び率は、上記内部正流体圧と上記外部正流体圧の間の差を変化させるために、上記プリフォームに同時にかけられる内部及び外部の上記正流体圧を、独立して制御することにより制御される。これにより、過度の伸び率に関係した問題は回避され、また、容器壁の微構造に損傷を与えるかもしれない静水応力を低下させるというような有利な結果が達成される。

本発明のさらなる別の特徴によれば、プリフォームに温度勾配を引き起こすように、プリフォームが伸びている間に熱を印加することが有利であることが分かった。パンチにヒーターを加えることによって、温度勾配は、プリフォームの底から上に生じる。上から下にプリフォームにおける温度勾配を生じさせる別のヒーターが、金型の一番上に付加されてもよい。さらに、別のヒーターが、金型空洞の側壁に含まれていてもよい。プリフォームの引き伸ばし中に温度勾配を付加することは、拡張の開始のポイントを画定する役目を果たし、成形性が改善される。

また、それは、引き伸ばし段階がスタートする前にプリフォームの底にパンチを接触させ、かつ引き伸ばされている間にパンチによってある軸の方向に荷重することが有利であることが分かった。
プリフォームの閉じた端が引き伸ばされている間にパンチがある軸方向に荷重するこの手順では、プリフォームの閉じた端の移動および変形が、拡張相の完成までは生じないことが好ましい。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照しながら下に述べられる詳細な説明により明白になるであろう。

本発明は、水力（内部流体圧力）とPRFのようなパンチ形成との組合わせを用いて、線対称（容器の幾何学的な軸に関して放射状に対称）でない輪郭形状を有するアルミニウム容器を形成する方法において具体化されるように記述される。

ＰＲＦ製造工程は、プリフォームを作ることと、それに続くプリフォームの最終容器形状の形成という２つの別個のステージを有している。完備された経路形成のためのいくつかの選択肢があり、適切な選択は用いられているアルミニウム・シートの成形性によって決定される。

プリフォームは、０．２５mm〜１．５mmの範囲の規格寸法を有する再結晶化、または回復された微構造を有するアルミニウム・シートから作られる。そのプリフォームは、例えば、引き抜き-再引き抜き(−再引き抜き)プロセス又は後方押し出しによって作製することができる閉端シリンダーである。プリフォームの直径は、所望の容器形状の最大径と最小径の間にある。ねじ山が、後の形成操作の前にプリフォーム上に形成されるかもしれない。そのプリフォームの閉端形状は、最終的な生産物のボトム形状の形成を助けるように設計されるであろう。

図１に示されるように、本発明の方法に用いる型押アッセンブリは、垂直軸方向のボトル形状を定義する輪郭に形成された空洞１１を有する割型１０、容器の底の望ましい外径(例えば、図示された形態では、容器の底に決められた丸屋根の形を与えるための窪んだドーム形状)を有するパンチ１２、およびそのパンチに取り付けられたラム１４を含む。図ｌでは、組型の２つの部分のうちの１つだけが示されるが、他方は言うまでもなく図示されたハーフ型の鏡像で示され、２つの型は、金型空洞１１の壁によって定義されるボトル形状の幾何学軸を含む面で合わされる。

金型空洞１１の最小の直径は、それの上部開口端１１ａであるが（それは空洞の瓶形のネックに相当する）、許容されるクリアランスを持って空洞内に配置するためにプリフォーム（図２Ａを参照）の外径と等しい。プリフォームは、最初はわずかにパンチ１２上方に位置決めされ、内部圧をかけることを可能にするために開口端１１ａにおいて模式的に表わされた押圧取付具１６に適合する。内部圧の印加は、例えば、プリフォームの上部開口端に形成されたスリードに連結することによって、又はプリフォームの開口端にチューブを挿入し組型をシールすることによって、または他の適当な押圧取付により達成することができる。

圧力を印加するステップは、中空プリフォームの内部に、プリフォームの壁が空洞を定義する金型壁に対して十分に押さえつけられるまでプリフォームを引き伸ばすのに十分な圧力下にある、水又は空気のような流体を導入すること、それによって、空洞の形状及び横幅を伸ばされたプリフォームに伝達することを含む。一般的には、使用される液体は、プリフォームの壁がさらされる圧力を制御するためにコントロールされていれば、どのような質量、流体、体積又は圧力を持った圧縮性又は非圧縮性の流体であってもよい。流体の選択において、成形処理に使用されるためには、温度条件を考慮にいれる必要がある。例えば、水がその流体であれば、温度は１００℃以下でなければならないし、より高い温度を必要とするならば、流体は、空気のようなガス又は成形処理の温度で沸騰しない液体とするべきである。

圧力印加の結果として、金型壁に形成された精密なレリーフ形状が、逆の鏡像として製造される容器の表面に複写される。生産される容器のそのような形状又は全体形状が線対称でない場合であっても、その容器は割り型を使用することによって難なく型から取り出される。

図２Ａおよび図２Ｂの中に示された本発明の特定の実施形態では、プリフォーム１８は、閉下端２０と開口上端２２とを有し、形成されるべきボトル形状のネック部の外径と等しい外径の中空円筒形状のアルミニウム・ワークピースであり、そのアルミニウム・ワークピースのＰＲＦ処理における形成歪は、プリフォームの成形性（それは温度および変形速度に依存する）により決まる制限内にあるの形成可能なことによってセットされた境界内にある。この成形性を有するプリフォームを用いて、金型空洞１１の形状は最終製品として要求されるどおり正確に作られ、製品は単一のＰＲＦ操作で作ることができる。ラム１４の動きおよび内部圧力の上昇速度は、成形処理における歪を最小限にし、所望の形の容器を製造するような値である。ボトル形状は、主としてラムとパンチ１２の動き及びプリフォーム閉端２０に対向するパンチ表面の輪郭によって決まるものであるけれども、ネックと側壁の特徴的な形状は、主として内部圧力によるプリフォームの伸びの結果として得られる。

内部流体圧力を加えることとラムとパンチの動き(金型空洞への移動)とを適切に同期させることは、本発明を実行する上において重要である。図３は、コンピュータで計算したデータ（有限要素分析出力のシーケンス）のプロットであり、図２A，2Bに示す流量によって制御された空気圧力による成形操作を表わしている。特に、そのグラフは、圧力とラムの時刻履歴を示している。図３から明らかなように、プリフォーム内の流体圧において、(i)プリフォームが伸びはじめる前に第1ピーク２４まで上昇すること、(ii)伸び始まるに従って最小値２６に低下すること、(iii)プリフォームが金型壁に完全に接触しない程度に伸びるまで伸びが進むに従って中間値２８まで徐々に上昇すること、(iv)プリフォームの拡張が完了する間により急速に(30で)中間値から上昇することの連続した状態が生じる。この連続した圧力ステージに関して、本発明の好ましい実施形態では、プリフォームの閉端を配置して変形させるためのパンチの移動の開始は、ステージ(iii)が終了したと実質的に同時（３２に）に起こる。時間、圧力およびラムの移動単位(量)はグラフに示される。プリフォームに対する図３の操作の結果は、図３のx軸上に表されている時間０．０秒、時間０．０９６秒、時間０．１３４秒及び時間０．２１秒について図６Ａ、６Ｂ、6Ｃ及び６Ｄに示されている。

中空プリフォームへの内部流体圧力の導入の最初に、パンチ１２は、印加された内部圧の影響下におけるプリフォームの軸方向の伸びを制限するようにプリフォームの閉端の真下に近接して(例えば、接して)配置される（示されるように工具の軸方向に垂直であると仮定している）。プリフォームの拡張が完全には十分でないが実質的に達成されるときに、プリフォームの横方向の伸びが内部圧力によって完了するので、ラム１４は、上方にパンチを強制的に移動させプリフォームの閉端の金属を上方に配置してパンチ表面の形状に変形させるために作動される。プリフォーム閉端の上方配置は、金型に対して移動させる上方にプリフォームを移動させることができないか、又は、ラムがパンチを上方へ運転し始めるときに、既に発生したプリフォーム拡張の程度に起因して（ラムの早まった上向きの操作によって発生するかもしれない）プリフォームの側面がゆがむ原因となる。

本発明の方法の第二の実施形態は、図４Ａ−４Ｄにおいて図示される。この実施形態では、図２Ａおよび２Ｂの方法のように、円筒状のプリフォーム３８は、最終製品の最小の直径（ネック）と等しい初期外径を有している。しかしながら、この実施形態では、ＰＲＦ操作の歪の形成がプリフォームの成形性の限度を越えると仮定されている。この場合、２つの連続する圧力成形操作が必要とされる。第１の（図４Ａおよび４Ｂ）操作では、単純な割り型４０内において、ラムを用いることなく、プリフォームを内部への圧力印加によってより大きな直径のワークピース３８ａに単に拡張する。第２の操作は、金型４０中で最初に拡張されたワークピースで始まり、ボトル形状の空洞４４を有する割り型４２と、ラム４８によって運転されるパンチ４６を用いる、すなわち、内部圧力とラム移動を使用するＰＲＦ手順（図４Ｃおよび４Ｄ）であり、パンチ４６の動きによって最初に造られる側壁形状と底面の輪郭の全ての特徴を含んでいる最終の所望のボトル形状を製造する。

第三の実施形態は、図５Ａおよび５Ｂで示される。この実施形態では、プリフォーム５０は、所望の最終ボトル形状の最小の外径（通常ネック直径）より大きい初期外径を持つように造られる。プリフォームのこの選択は、前もって形作る操作の成形限界を考察してなされてもよいし、また、ＰＲＦ操作における歪を減少させるように選択してもよい。結果として、最終製品の製造は、直径の拡張とプリフォームの圧縮の両方を含んでいなければならないし、ＰＲＦ装置でこのように単独で達成することができない。単一のＰＲＦ操作（割り型５２とラムで駆動パンチ５４を使用する図５Ａ）は、壁と底のプロファイル（図２Ａおよび２Ｂの実施形態のように）を形成するために用いられ、スピン形成又は、他のネッキング処理が容器のネックを形づくるために必要となる。図５Ｂに図示されるように、引用された２００１年５月１日出願の米国特許出願No. 09/846,169において述べられた前後一列に並んだ複数のスピン形成ディスク５６とボトルのネックを形成するための傾いた主軸５８を利用するタイプのスピン形成方法を使用することは可能である。

上述したＰＲＦ手順の実行では、ＰＲＦ歪は大きいかもしれない。合金組成物が、所望の製造物の特性を提供し、増強された成形性を得るために必要に応じて選択され、又は調整される。さらによりよい成形性が必要となる場合には、温度上昇がよりよい成形性を与えるので、成形温度が後述のように調整される。それゆえ、その成形性を増加させるためにＰＲＦ操作は高い温度で実行され、および／またはプリフォームの回復アニールが必要となるかもしれない。

本発明は、外部パンチを形成する構成要素を加える点で、ＰＥＴ容器の吹込成形のような既知の圧空成形操作と特に異なる。内部パンチは、ペットボトルを形成するためにしばしば用いられたようには、必要とされない。現時点において、出願人は、本発明で達成できる範囲の直径と形状を有するアルミニウム容器を製造する方法を知らない。更に、現時点において、非対称の形状のもの（例えば、容器の底の末端部または側面における螺旋のリブ）を製造する従来の方法は、出願人が知っている限りない。

本発明の方法はまた、鋼のような他の材料からなる容器形状に用いられているにちがいない。
プリフォーム１８（図２Ａ及び２Ｂのように）の閉端２０を置き換えて変形するために金型空洞１１にラムで駆動されるパンチ１２を移動させる重要性は、図６Ａ−6Ｂを考慮しながら図３(上述したもの)を参照して詳細に説明される。図６Ａ−6Ｂにおいて、点線が金型空洞１１の垂直の形状を表わし、内圧の印加を開始した後の種々の時間におけるドーム形状のパンチ１２の位置（ミリメートルで表した）がその点線の右手横の目盛りによって表わされる。

アルミニウムボトルの形成において、ラムは２つの本質的な機能を果たす。それは軸の伸歪を制限し、容器の底の形を形成する。最初に、ラムで駆動されるパンチ１２は、プリフォーム１８（図６Ａ）の底に隣接して、又はちょうど接して保持される。これは、内部圧力印加の結果として、生じるであろうプリフォーム側壁２５の軸方向の伸びを最小限にする役目を果たす。このように、内圧が増加するように、プリフォームの側壁は大きく長手方向に伸びることなく金型の内部と接触するために拡張するだろう。通常、プリフォームの中央の領域が最初に拡張するだろう。また、拡張したこの領域は上向き・下方へであるプリフォームの長さに沿って成長するだろう。ある時点で、プリフォームの底が、金型空洞（図６Ｂ）の半球とほぼ等しい半径の半球となる。それは、パンチ１２を上方に駆動するためにラムが働かなければならない時におけるこの時又はその直前である（図６Ｃ）。ラムの鼻の輪郭（例えば、パンチ表面輪郭）は完全に容器の底の形状を画定する。内部流体圧力が金型空洞壁に対するプリフォームの鋳造を完成したとき（図６Ｂ、６Ｃおよび６Ｄにおけるボトルの肩とネック比較）、所望の外形（図６Ｄ）になるように、内圧と結合したラムの運動により、プリフォームの底がパンチ表面の外形に、失敗に導くような過度の歪が生じない程度に押し付けられる。ラムの上向きの運動はプリフォームの半球の領域に圧縮力を印加し、圧力処理操作によってもたらされる通常の歪を減少させ、パンチ鼻の輪郭を満たすために材料を放射状に外へ送り出すのを支援する。

内部圧力の印加率に比較してラム移動が早すぎる場合は、プリフォームは軸方向の圧縮力により曲がったり折れたりしがちである。また、遅すぎる場合は、材料は、失敗の原因となる軸方向に過度の負荷を受けるであろう。このように、内部圧力の印加率とラムおよびパンチ鼻の移動の調整が、好結果を得るためには必要である。必要なタイミングは、プロセスの有限要素分析によって得られるものがベストである。図３はＦＥＡの結果に基づいている。

本発明はこれまで、あたかも正の（すなわち、大気圧を超える）流体圧力が、金型空洞内のプリフォームの外に印加されないかのように記載し、図３において例示した。かかる場合では、空洞内のプリフォームにかかる外圧は実質的に周囲の大気圧になるだろう。プリフォームが拡張するように、空洞内の空気は、その目的で備えられた、金型空洞と金型の外部の間に通じる、適切な排気開口または通路によって追い出されるだろう（プリフォームの外部と金型壁の間の体積が減少することによって）。

特に、アルミニウム容器について図示して述べた。それは、正のどのような外圧も無い状態におけるＦＥＡによって示された。一旦、プリフォームがプラスチックのように変形し始まれば（流れはじまれば）、圧力ラム形成操作のプロセス温度（例えば、３００℃）における、アルミニウム合金の低い、又はゼロ加工硬化率により、プリフォームにおける伸び率は非常に高くなり、基本的に制御することはできない。

すなわち、かかる温度で、アルミニウム合金の加工硬化速度は本質的にゼロであり、延性（すなわち、成形限界）は増加する伸び率とともに減少する。このように、所望の最終形状の容器を作る能力は、形成操作の伸び率の増加およびアルミニウムの延性の減少にしたがって減少する。

本発明のさらに重要な形態によれば、正の流体圧力が、プリフォームの内部に正の流体圧力の印加と同時に、金型空洞内におけるプリフォームの外部に印加される。これらの外部・内部の正の流体圧力は、２つの独立して制御される圧力システムによってそれぞれ印加される。外部の正の流体圧力は、金型と拡張するプリフォームの間の体積中で正の圧力を維持するために、前述の排気開口または通路に正の流体圧力の独立して制御可能なソースを接続することにより適切に供給することができる。

図７および８は、容器を圧力ラム形成するために正の外圧制御がある場合と無い場合における、時間に対する圧力および時刻経過に対する伸びを比較するものである（ここで「伸び」は、外部の力によってボディに生じた単位長あたりの伸びに関係するものである。）。図７のライン１０１は、プリフォームに作用する外部の正の流体圧力がない場合の、図３における「圧力」を示すラインに相当し、図８のライン１０３は、ＦＥＡによって決定されるような１つの特定の位置（要素）について得られた負荷を表わす。明らかに、その伸びはこの場合ほとんど瞬間的であり、非常に高い伸び率と、プリフォームを金型壁に接触させるまで広げるための大変短い時間を示している。対照的に、図７の、ライン１０５、１０７および１０９はそれぞれ、内部正流体圧、外部正流体圧及びその２つの間の差を表わし、内圧と外圧が両方とも制御された場合、すなわち、外部正流体圧力と内部正流体圧力が独立して制御され、金型内のプリフォームに同時に印加される場合、内部圧力は、プリフォームの伸びをもたらすのに必要とされる正の内部−外部圧力差が生じるように、外部圧力より高い。図８のライン１１１は、ライン１０５、１０７および１０９によって示された、独立して制御された内部−外圧状態に対するフープ歪（プリフォームの周囲のまわりの水平面においてそれが拡張するにしたがって生成された歪）を表わし、ライン１１１によって示されたフープ歪は、より長時間を経過したときに、はるかに低い伸び速度のライン１０３の最終値と同じ最終値に到達する。図８のライン１１５は、軸方向の伸び（プリフォームの延びに従って、垂直方向に生じる伸び）を表わす。

金型空洞内のプリフォームに作用し、独立して制御可能な内部と外部の正の流体圧力を同時に提供し、それらの内部と外部の正の流体圧力の差を変化させることによって、
形成する操作は完全に制御され、非常に高い制御しがたい伸び率は回避される。プリフォームの延性およびこのように操作の形成限界は、２つの理由により増加する。第一に、形成する操作の伸び速度を減少させることが、アルミニウム合金の固有の延性を増加させる。第二に、外部正圧の付加が伸びているプリフォームの壁の静水圧歪を減少させる（そして、もしかしてネガティブにする。）これが、金属内のマイクロボイドおよび金属間粒子に関係したダメージの不利益を弱めることができた。ここで、「静水圧歪」という用語は、ｘ，ｙ，ｚ方向の３つの正規の歪の算術平均をいう。

そのように記載された本発明の特徴は、形成操作の伸び率を制御し、形成中の金属における静水歪を減少させることによるボトル形状又は同種のものアルミニウム容器を成功裡に作る圧力ラム形成操作の能力を向上させる。

圧力差の選択は、プリフォームが作られている金属の材料特性に基づいている。特に、降伏応力および金属の加工硬化速度は考慮されるべきである。プリフォームが塑性的に（例えば、非弾性的に）流れるためには、圧力差は、プリフォームにおける有効な（ミーゼス）歪が降伏応力を超えるようにすべきである。正の加工硬化がある場合には、降伏応力を超えて印加される固定された有効歪（圧力による）は、金属をその印加される実効歪に等しい歪レベルに変形させるだろう。そのポイントでは、変形速度は０に近づくであろう。加工硬化率が低い又はゼロである場合には、成形型（金型）の壁と接触するか、または、破砕が生じるまで、高い伸び率で変形するであろう。ＰＲＦプロセス用に予定された高い温度で、アルミニウム合金の加工硬化速度は０に近い。

内部・外圧の両方を供給するための使用に適したガスの例として、これに限定されるものではないが、窒素、空気およびアルゴン、およびこれらのガスのいずれかの組合わせが挙げられる。

プリフォームの壁のいずれかの点における塑性伸び率は、いずれかの時点で、圧力差だけに依存する瞬間的な有効な圧力だけに依存する。外圧の選択は、有効な圧力及びそのような歪速度に到達し制御する全体的な原理で、プリフォームの壁における内圧に依存する。

図９は、成形プロセスの中で用いることができる別の管理機構を示す。有限要素シミュレーションがプロセスを最適化するために用いられた。図９において、ライン１２０は、プリフォームに作用する内圧（Ｐｉｎ）を示し、ライン１２２は、プリフォームに作用する外圧（Ｐｏｕｔ）を示し、ライン１２４は、圧力差（Ｐｄｉｆｆ＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を示す。この図は、１つの制御方法における圧力履歴を示す。この場合、内部キャビティーの流体量は一定に保たれ、キャビティー外部の圧力が（プリフォームの外側の）直線的に減少している。材料特性に依存する伸び率もシミュレーションに含まれている。この後者の管理機構は、より単純なプロセスであるから現時点では好ましい。

図１０は、プリフォームに温度勾配をもたらす熱がプリフォームに加えられる本発明の別の形態に関する。図１０に示されるように、パンチ１２は、プリフォーム１８の底に接し、そのパンチ１２は加熱要素１９を含んでいる。これが、底からプリフォームを熱し、内圧が増加されたときに、底からプリフォームの拡張を成長させる。

図ｌ１は、拡張プロセスを図示するグラフを示している。グラフの１ラインは、ラム／パンチの置換を示し、それに対して、他方は、ラム／パンチ上の負荷の変化を示し、いずれも時間の関数として示している。第三のラインはプリフォーム中の内圧を示す。

ポイントＡでは、ラムには、約２２．７ｋｇの圧縮負荷があらかじめかけられ、ポイントＢでは、プリフォームの内部に加圧され、１．１４のＭＰａのレベルに保持される。図示された手順では、６８ｋｇの圧縮ラム負荷を維持するために、ラムの位置はポイントＢとＣの間にステップが設けられた。ラム位置（ポイントＣからＤ）における増加の後にラム負荷がもはや急速に減少しなくなったとき、ラムの立ち上がりが、約２５ｍｍの位置及び約４５４ｋｇ（ポイントＥ）の負荷まで継続された。ラムのポイントＤからポイントＥへの立ち上がりの間、ポイントＥが容器形成の完成を表わすように容器のボトル形状がプリフォームの伸びと同時に形成された。

図１１のグラフは、段階状の手順を示しているが、コンピューター化された制御手順を利用することによって、１つの滑らかな操作で、プリフォームを容器にまで広げて形成することもまた可能である。
この手順の利点は、温度勾配を引き起こされたにより、ラムとパンチが上昇するにしたがって、拡張が底から上へと徐々に進むことにある。拡張がプリフォームの全長さを越えて本質的に同時に起こる前に記載した方法と比較したときに、この方式により修正され改善された成形性が得られることが示された。

図１０はパンチ１２内のだけ加熱要素を示しているが、成形を援助する異なった加熱ゾーンを持っていてもよい。例えば、プリフォームの上面近くにさらに別のヒーターを持つこともできるし、金型空洞の側壁の中に別のヒーター要素を持つこともできる。これらの領域の各々の温度を独立して操作することによって、最適の伸張履歴が様々な容器デザイン用に展開される。

図１２は、平面ディスクからなるプリフォームの作製における典型的なシーケンスを示す。１つの標準的な引き抜き／再引き抜き技術がアルミニウム・シート７０に用いられる。最初に浅い閉端シリンダーになるように引き抜かれ、それからより小さな直径およびより長い側壁の第２シリンダー７２になるように再引き抜きされる。シリンダー７２はそれからシリンダー７３を形成するために再引き抜きされ、それはシリンダ７４を形成するために再引き抜きされる。シリンダ７４が長い薄い形態を有していることが注目されるだろう。
本発明は、上述した特定の手順及び形態に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲で他の方法で実施することができることは理解されるべきである。

図１は、本発明の方法を実施するための一実施形態の装置の単純化された模式的な斜視図である。 図２Ａは、本発明の方法の第一実施形態の処理における図1の後の次に続く段階を示す、図１と同様の図である。 図２Ｂは、本発明の方法の第一実施形態の処理における図1の後の次に続く段階を示す、図１と同様の図である。 図３は、本発明における時間を関数として示した内部流体圧力とラム移動のグラフであり、流体媒体として空気を用い、プリフォームを内部流体圧力にさらすステップとパンチを移動させるステップの間における時間関係と本発明におけるパンチの移動とを示している。 図４Ａは、本発明の方法の第二の実施形態の処理における連続したステージを示す図１に類似した図である。 図４Ｂは、本発明の方法の第二の実施形態の処理における連続したステージを示す図１に類似した図である。 図４Ｃは、本発明の方法の第二の実施形態の処理における連続したステージを示す図１に類似した図である。 図４Ｄは、本発明の方法の第二の実施形態の処理における連続したステージを示す図１に類似した図である。 図５Ａは、本発明の第三の実施形態の処理のスピンフォーミングステップにおける連続したステージを示す図ｌに類似した単純化された模式的な斜視図である。 図５Ｂは、本発明の第三の実施形態の処理のスピンフォーミングステップにおける連続したステージを示す図ｌに類似した単純化された模式的な斜視図である。 図６Ａは、本発明の方法における連続したステージをコンピュータにより作成した正面図である。 図６Ｂは、本発明の方法における連続したステージをコンピュータにより作成した正面図である。 図６Ｃは、本発明の方法における連続したステージをコンピュータにより作成した正面図である。 図６Ｄは、本発明の方法における連続したステージをコンピュータにより作成した正面図である。 図７は、金型空洞内のプリフォームに独立して制御可能な内部と外部の正の流体圧力を同時に印加したときの様子を外部正流体圧がない状態における内部圧力変化（図３のように）と比較しながら示す、時間経過に対する（任意時間単位を用いて）圧力変化のグラフである。 図８は、時間の経過とともに変化する伸びを有限要素法により求めたグラフであり、図７で比較された２つの異なった圧力条件の下における１つの特定の位置（要素）での伸びを示している。 図９は、図７と同様のグラフであり、形成プロセスで使用できる内部と外部の正流体圧を同時に金型空洞内のプリフォームに印加できる特別の制御メカニズムを示している。 図１０は、熱したパンチを用いて、プリフォームを伸ばすことを示す模式的な図である。 図１１は、プリフォームが伸びている間のパンチへの荷重、内部圧力及びパンチの移動を示すグラフである。 図１２は、平面ディスクからなるプリフォームの製造における各ステージを示す斜視図である。

Claims (25)

1. 決められた形状と横方向寸法に金属を成形する方法であって、
   閉じられた末端を有する中空金属プリフォームを、前記形状と前記横方向寸法を定義する金型の空洞内に初期的にはその少なくとも一部が金型壁から内側に離れるように配置するステップ（ａ）と、
   ほぼ完全に前記金型壁に接触するまで前記プリフォームを外側に引き伸ばすために、内部流体圧を前記プリフォームに加えて、これによって前記プリフォームを前記金型壁に接触させるステップ（ｂ）とを含み、
   前記金型の空洞は、前記閉じられた末端を有する前記中空金属プリフォームを、前記空洞の一端に前記空洞内を移動可能に位置するパンチとともに、横方向に取り囲む必要な寸法とされており、
   前記プリフォームは、そのプリフォームの前記閉じられた末端が前記パンチに対して直前で対向するように前記空洞内に位置し、
   前記内部流体圧が、前記プリフォームを外側に引き伸ばし、前記閉じた末端に前記流体圧を持続して加えるために、前記プリフォームに加えられ、
   前記プリフォームが伸び始める前または後であって前記プリフォームの伸張が完了する前に、前記パンチが前記空洞の前記一端に向かって移動し、前記プリフォームの閉じられた末端を、前記流体圧によってかけられた力の方向と反対の方向に後退させ、
   前記プリフォームが外側にほぼ十分に前記金型壁に接触するまで伸びている間に、前記プリフォームの閉じられた末端を変形することを特徴とする方法。
2. 前記金型内で、前記プリフォームに、正の外部流体圧より高い正の内部流体圧と正の外部流体圧を加えることによって前記内部流体圧が加えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記プリフォームを前記内部流体圧力にさらす前に、温度勾配が生じるように前記金型内で熱が前記プリフォームに加えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記プリフォームが、伸張可能な閉じた端とその閉じた端に対向する開放端を有する円筒状ワークピースであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記パンチは、前記プリフォームが延び始めた後であって前記プリフォームの伸張が完了する前に前記空洞の中に移動されることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の方法。
6. 前記パンチは、前記プリフォームが伸びはじめる前に前記閉じられた末端と接触するまで移動され、その接触が前記プリフォームが伸びている間維持されることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の方法。
7. 前記パンチは輪郭形成表面を有し、前記プリフォームの閉じられた末端はその輪郭形成表面に一致するように変形されることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の方法。
8. 前記決められた形状は、ネック部と横方向寸法が前記ネック部より大きい本体部を含むボトル形状であり、前記金型の空洞は長軸を持っており、前記プリフォームは長軸を持ちかつステップ(a)において前記空洞と同軸に配置され、前記パンチは前記空洞の長軸に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の方法。
9. 前記パンチはドーム(丸屋根)形状の輪郭を有しており、前記ドーム形状の輪郭に前記プリフォームの閉じられた末端を変形することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記金型は、成形された容器の除去を可能にする分離型を含むことを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の方法。
11. 前記決められた形状は、前記空洞の前記長軸に関して非対称であることを特徴とする請求項８、９又は１０に記載の方法。
12. 前記パンチの位置は、前記流体圧による前記プリフォームの軸方向の伸びを制限するために前記ステップ（ｂ）の最初に初期設定されることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか1つに記載の方法。
13. 前記プリフォームは、前記閉じられた末端に対向する開放端を有する伸ばされた初期的には円柱形状のワークピースであり、その径は前記ボトル形状の前記ネック部分の直径と実質的に等しいことを特徴とする請求項８〜１２のうちのいずれか１つに記載の方法。
14. 前記ワークピースは、一度の圧力成形操作によって前記決められた形状まで拡張される十分な成形性を有することを特徴とする請求項８〜１３のうちのいずれか１つに記載の方法。
15. 前記ステップ(a)を実行する前に、前記ワークピースを前記金型の空洞より小さい金型の空洞内に置いて、その中の前記ワークピースを中間のサイズで前記決められた形状と横方向寸法より小さい形状に伸ばすためにそのワークピースを内部流体圧にさらすことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記プリフォームは、初期的には前記閉じられた末端に対向する開放端を有する長い普通の円筒形状のワークピースであり、前記ボトル形状の前記ネック部より大きい径であり、
    前記ステップ（a）（b）を実行した後に、そのワークピースの前記開放端の近接部分を径が小さいネック部を形成するためにスピン形成操作にさらすステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 前記ワークピースはアルミニウムワークピースであることを特徴とする請求項１〜１６のうちのいずれか１つに記載の方法。
18. 再結晶化又は回復されたマイクロ構造を有し、０．２５mm〜１．５mmの範囲の厚さを有するアルミニウムシートから前記プリフォームを作製するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７による方法。
19. 前記プリフォームは、前記シートを引き抜き-再引き抜き処理又は逆押し出しにより閉末端シリンダーとして作製されたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記ステップ（ｂ）の前記ワークピース内の前記内部流体圧において、（ｉ）前記ワークピースが伸び始まる前に、第一のピークに上昇すること、（ｉｉ）伸び始まるに従って、最小値に下がること、（ｉｉｉ）前記プリフォームが完全に前記金型壁に接触する前まで伸びが進むに従って、中間の値まで除除に上昇すること、(iv)前記プリフォームの伸びが完了する間にその中間値から上昇するステージが連続して生じ、前記プリフォームの閉じた端を変形するための前記パンチの移動の開始が、ステージ(iii)の終了とほぼ同時に起こることを特徴とする請求項１〜１９のうちのいずれかの１つに記載の方法。
21. 前記ステップ（ｂ）の間、前記プリフォームの部分が前記ステップ(b)で前記金型壁に最初に接触するように、前記プリフォームの閉じた端は拡大された普通の半球形状をとり、そして、前記プリフォームの閉じた端を移動させて変形するための前記パンチの移動が、前記プリフォームの閉じた端が前記形状を取るとほぼ同時に開始されることを特徴とする請求項１〜１９のうちのいずれか１つに記載された方法。
22. 前記内部流体圧と前記外部流体圧の間の差を変化させるために、前記プリフォームが同時にさらされる内部及び外部の前記流体圧を独立して制御することにより前記プリフォームの伸び率を制御することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
23. 前記プリフォームに温度勾配をつけるために前記パンチ内の加熱手段によって前記閉じた底から上方に向かって熱が前記プリフォームに加えられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
24. 前記プリフォームに温度勾配をつけるために、前記プリフォームの上端の周りの加熱手段により前記閉じた底から上方に向かって前記プリフォームに熱が加えられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
25. 前記金型の側壁の中の加熱手段により前記プリフォームに熱が加えられることを特徴とする請求項２３または２４に記載の方法。
    

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