JP5443161B2 - ネッキングされた容器を製造する方法 - Google Patents

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Description

この発明は、飲料容器及びエアゾール容器を製造するためのネッキングダイに関する。
ソフトドリンク又はビール用の飲料缶は種々あるが、一般的には、絞りとしごき加工(drawn and iron)技術によって形成され(ＤＩ缶)、缶胴(又は側壁部)及び缶底は、アルミニウム合金シート又は表面処理されたスチールシート等の金属シートを絞りとしごき加工することによって一体に形成される。
これまでのＤＩ缶に代わる方法として、ポリエチレンテレフタレート樹脂(ＰＥＴボトル)から作られる２軸延伸成形容器がある。しかしながら、ＰＥＴボトルはアルミニウムＤＩ缶よりもリサイクル性がかなり低い。
それゆえ、リサイクル可能な金属からＰＥＴボトルの形状を有する容器を製造するために、絞りとしごき加工を利用する研究が行われてきた。ＤＩ技術を用いて金属ボトルを作るときの不利な点の１つは、ネッキング工程に時間と費用を要することである。ネッキングは、典型的には、ボトルのネック部の直径を最終寸法へ徐々に減少させる一連のネッキングダイとノックアウトを含んでいる。例えば、５３ｍｍのボトルスタイルのネッキング工程の場合、缶径を、約５３ｍｍから最終開口径の約２６ｍｍまで縮小するのに必要なネッキングダイとノックアウトの数は２８のオーダである。
しかし、２８の数のネッキングダイとノックアウトの製造に要する費用が高いという不都合がある。これまでのネッキングダイの場合、ネッキング表面は、非常に滑らかな仕上げ面(例えば、Ｒａ０.０５０８μｍ〜０．１０１６μｍ(２〜４マイクロインチ)になるまでポリッシュされるため、これがネッキングシステムのコストに加えられる。また、２８以上ものネッキングダイを通じて缶体にネック部を形成するのに時間を要するため、アルミニウムボトルの製造コストの上昇をもたらすことになる。また、ネッキングステーションを設けるのに、かなりの設備投資が必要となる。
上記問題に鑑み、アルミニウムボトルの製造において、ネッキングダイの必要数を少なくし、ひいては製造コストを低減できる方法が要請されている。
包括的には、本発明は、金属ボトルのネッキングにおいて、１つのネッキングダイに関して、より大きなリダクション(more aggresive reduction)を可能にするネッキングダイを提供することである。
広義において、ネッキングダイは、少なくとも一部分がポリッシュされていない非ポリッシュのネッキング表面(necking surface)と、非ポリッシュのレリーフ(relief)とを含んでおり、前記レリーフはネッキング表面に続いている。
少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面は、非ポリッシュのランド、ポリッシュされたネック半径部及びポリッシュされた肩半径部を含んでいる。非ポリッシュのランドの幾何形状(geometry)及び表面仕上げにより、ネッキングされる構造を崩すことなくネッキングが行われる。
この明細書において、「ポリッシュされた(polished)」という語は、表面が、滑らかに機械仕上げ加工され、表面粗さ(Ｒａ)が約０.０５０８μｍ〜０.１５２４μｍ(２〜６μインチ)の範囲であることを意味する。「非ポリッシュの(non-polished)」という語は、表面が粗く、表面粗さ(Ｒａ)が約０.２０３２μｍ(８μインチ)よりも大きいことを意味する。
本発明の他の態様では、上記のネッキングダイが組み込まれたネッキングシステムが提供される。
広義において、ネッキングシステムは、複数のネッキングダイを含んでおり、各ネッキングダイは、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面と、該ネッキング表面に続くレリーフであって非ポリッシュのレリーフと、を含んでいる。
少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面を有する本発明のネッキングダイにおけるリダクションの程度は、ポリッシュされている従来のネッキングダイを用いたときのリダクションの程度よりも大きい。
この明細書において、「リダクション(reduction)」という語は、缶本体のネック端部における直径を減じる、ダイのネッキング表面の幾何形状に対応する。ダイシステムにおいて、ボトルネックは、各ダイによって段階的に直径が減じられ、最終寸法が得られる。
本発明の他の態様は、前述のネッキングダイシステムを用いたネッキング方法を提供するものであり、ネッキングシステムは、従来のシステムでは達成できなかったリダクションレベルを達成できるネッキングダイを用いることである。
広義において、ネッキング方法は、
金属ブランクを準備し、
金属ブランクをボトルストック(bottle stock)に成形し、
ボトルストックをネッキングする、ことを含んでおり、ネッキングは、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面を有する少なくとも１つのネッキングダイを用いる。
以下の詳細な説明は、例示であって、発明を限定するものでなく、添付の図面を参照することによって最も良く理解されるであろう。なお、同様な要素及び部品については、同じ引用符号を付している。
図１は、本発明の実施例であって、直径５３ｍｍの缶本体に対して、１４個のダイの段階的ネッキングの過程(progression)を表している。
図２は、本発明に係る初期ネッキングダイの一実施例の断面側面図である。
図２ａは、ボトルストックとネッキング表面の接触角の拡大図である。
図３は、本発明の一実施例であって、ポリッシュされたネッキング表面の表面マッピングを示す図である。
図４は、本発明の一実施例であって、非ポリッシュのネッキング表面の表面マッピングを示す図である。
図５は、本発明に係る中間ネッキングダイの一実施例の断面図である。
図６は、本発明に係る最終ネッキングダイの一実施例の断面図である。
図７は、本発明の実施例であって、１４段階のネッキングシステムにおける各ネッキングダイの肩ネッキング表面の断面側面図である。
図８は、一部分が非ポリッシュのネッキングダイにアルミニウムボトルをネッキングするのに必要なネッキング力と、ポリッシュされたネッキングダイにボトルをネッキングするのに必要な力をプロットしたもので、ｙ軸は、力(ポンド)を表し、ｘ軸は、ボトルがネッキングダイに挿入される距離(インチ)を表している。
図１は、本発明に係るネッキングシステムによるネッキングの各段階後のボトルストックを示している。本発明のネッキングシステムは、ネッキング加工で、従来のネッキングシステムよりも大きなリダクションを達成することができる。図１は、初期ネッキングダイ(initial necking die)でネッキングされた(necked)ボトルストック(1)から、最後のネッキングダイでネッキングされたボトルストック(14)までのネッキングの過程を示している。図１に示すネッキングシステムは１４段階であるが、ネッキング段階の数は、ボトルストックの材料、ボトルストックの側壁の厚さ、ボトルストックの初期直径、ボトルの最終直径、ネック輪郭に要求される形状及びネッキング力によって異なるので、以下の開示は１４段階に限定されるものではない。それゆえ、ネッキングダイはあらゆる数が想定されるものであり、ボトルストックが破壊することなくネッキングを行なうことができる限り、どの数も本発明の範囲内である。
図２は、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面(10)と、該ネッキング表面に続くレリーフであって非ポリッシュのレリーフ(20)とを含むネッキングダイの断面図である。一実施例において、一部分が非ポリッシュの表面(10)は、肩半径部(11)、ネック半径部(12)及びランド部(13)を含んでいる。
本発明の一態様のネッキングダイ構造は、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面(10)が、ネッキング表面とネッキングされるボトルストックとの間の表面接触を減じることにより、ボトルのネッキングに必要な力(以下、ネッキング力(necking force)と称す)を少なくできるようにしたものである。ネッキング表面が粗い表面になると、ポリッシュされた表面よりも、ネッキングされるボトルストックに対する抵抗が少なくなることは予期し得ぬことであった。これまでは、表面が滑らかであると抵抗が少なくなり、必要なネッキング力は小さくなると考えられていた。しかしながら、それとは逆に、滑らかな表面の方がネッキングされるボトルとの表面接触がより大きく、その結果、抵抗が大きくなり、必要なネッキング力が大きくなることがわかった。本発明では、表面粗さを大きくして、ネッキング表面と、ネッキングされるボトルとの表面接触を減じることにより、必要なネッキング力を少なくするものである。
ボトルストックをネッキングするのに必要なネッキング力を小さくすると、ネッキングダイは、従来のネッキングダイよりも大きなリダクションを可能にする。
一実施例において、非ポリッシュのネッキング表面が、ボトルストックの表面(コーティング)の仕上げの美的特徴を損なうことなく観察可能な限りにおいて、非ポリッシュの表面の平均表面粗さ(Ｒａ)は、０.２０３２μｍ(８μインチ)以上で０.８１２８μｍ(３２μ)以下である。一実施例において、ポリッシュされた表面の仕上げは、平均表面粗さ(Ｒａ)０.０５０８μｍ〜０.１５２４μｍ(２μインチ〜６μインチ)である。図３は、ネッキングダイのポリッシュされたランド部(13)の一実施例について、ＡＤＥ／位相シフト解析及びMap Vue Ex−表面マッピングソフトウエアにより作成した表面マッピングを表している。この例において、表面粗さ(Ｒａ)の値は、約０.１２４２μｍ(４.８９μインチ)である。図４は、ネッキングダイの非ポリッシュのランド部(13)の一実施例について、ＡＤＥ／位相シフト解析及びMap Vue Ex−表面マッピングソフトウエアにより作成した表面マッピングを表している。この例において、表面粗さ(Ｒａ)の値は、約０.６５２８μｍ(２５.７μインチ)である。
図２を参照すると、一実施例において、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面(10)は、非ポリッシュのランド部(13)、ポリッシュされたネック半径部(12)及びポリッシュされた肩半径部(11)を含んでいる。他の実施例において、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面(10)は、全体が非ポリッシュである。図２ａを参照すると、ネッキング表面(10)に対するボトルストックの接触角度αは、３２°よりも小さい。なお、接触角度は、ランド部(13)でネッキング表面に直交する線(54)と、ボトルストック(50)がネッキング表面に接触する位置(53)での接線面から直角方向に延びる線(51)とによって形成される角度である。
非ポリッシュのランド部(13)は、ノックアウト(図示せず)と共に、ネッキング加工中、ボトルストックの上部をボトルネックに成形するための作用面を提供する。一実施例において、非ポリッシュのランド部(13)は、ネッキングダイの中心線と平行なダイ壁のネック半径部(12)の接点(tangent point)から延びている。非ポリッシュのランド部(13)は、ネッキング方向に沿って(ｙ軸方向に沿って)、距離Ｙ１だけ延びている。距離Ｙ１は、１２.７ｍｍ(０.５”)よりも小さく、好ましくは約１.５８７５ｍｍ(０.０６２５”)のオーダである。非ポリッシュのランド部(13)の寸法は、例示であって、発明を限定するものではなく、ランドがノックアウトと共に使用したときにネッキング作用を果たすのに適当な寸法である限り、他の寸法も可能であり、それは本発明の範囲内である。
本発明の他の態様は、ネッキングダイ壁のネッキング表面(10)に続く位置にあるレリーフ(20)である。レリーフ(20)の寸法は、ボトルストックとネッキングダイとの摩擦接触、ボトルストックがランド(13)を通じてネッキングされた後はボトルストックとノックアウトとの摩擦接触を低減できるように設定される。それゆえ、幾つかの実施例において、レリーフ(20)は、一部分が非ポリッシュのネッキング表面(10)と共に、ネッキングダイ壁とネッキングされたボトルストックとの間の摩擦接触を低減する作用があり、摩擦接触の低減は、ネッキング性能を維持し、ボトルストックの破壊の発生を少なくし、ボトルストックのストリッピング(stripping)を向上させる。
一実施例において、レリーフ(20)は、ネッキングダイ壁の中へ、距離Ｘ２だけ入り込んでいる。距離Ｘ２は、ランド(13)の基部(13a)から測定して０.１２７ｍｍ(０.００５インチ)以上である。レリーフ(20)は、ボトルストックの頂部の全長をネッキング方向に沿って(ｙ軸に沿って)延びており、ネッキングダイに入って、ボトルストックとネッキングダイ壁との摩擦接触を低減し、ボトルストックの破壊を少なくし、ネッキング性能を維持する。好ましい実施例において、レリーフ(20)は、非ポリッシュの表面である。
本発明の他の実施例では、ネッキングダイの少なくとも１つはボトルストックの直径をより多く減じることができるネッキングシステムを提供する。図２は、最初のダイ(introductory die)を表しているけれど、肩半径(11)、ネック半径(12)、ランド(13)及びレリーフ(20)に関する上記説明は同様に適用され、ネッキングシステムの各ネッキングダイの場合も同様である。その後のダイの少なくとも１つのネッキング表面の幾何形状により、リダクションの増加がもたらされる。ここで「リダクション(reduction)」という語は、ボトルストックの初期直径から最終直径までボトルストックの直径の減少に対応する。
一実施例において、最初のダイのリダクションは５％よりも大きく、好ましくは９％よりも大きい。ダイの頂部の内径は、ダクションの程度を決めるのに測定される寸法の１つである。ネッキングシステムのダイによって達成可能なリダクションの程度は、部分的には、ネッキング表面の表面仕上げ、ネッキング力、ボトルストックの材質、ボトルストック、要求されるネック形状及び側壁の厚さに依存する。一実施例において、最初のネッキングダイは、９％よりも大きなリダクションをもたらし、アルミニウム協会３１０４のアルミニウムシートから、上側壁の厚さが０.２１５９ｍｍ(０.００８５インチ)以上、ベーキング後(post bake)の降伏強度が約２３４.４３〜約２５５.１１５ＭＰａ(約３４〜３７ｋｓｉ)のネッキングされたアルミニウムボトルパッケージを作ることができるように設計される。
図５は、本発明に係る中間ダイの一実施例を示しており、中間ネッキングダイが用いられるのは、初期ネッキングダイでボトルストックがネッキングされた後である。図２に示される初期ネッキングダイと比べると、図５に示される中間のネッキングダイは、リダクションの程度が小さい。一実施例において、複数の中間ダイがあるが、各ダイのリダクションは４％〜７％である。中間ネッキングダイの数は、ボトルストックの初期直径、要求される最終直径及びネック形状に依存する。
図６は、本発明に係る最終ネッキングダイの一実施例を示している。最終ネッキングダイが用いられるのは、ボトルストックが中間ネッキングダイによるネッキングで仕上げられた後である。最終ネッキングダイのネッキング表面により、仕上げ製品のネック寸法が得られる。一実施例において、最終ネッキングダイによるリダクションは４％よりも小さい。一実施例において、最終ネッキングダイは１.９％のリダクションをもたらすことができる。非常に好ましい実施例におけるネッキングシステムでは、複数のネッキングダイは、リダクションが９％よりも大きい初期ネッキングダイと、リダクションが４.１〜６.１％の１２個の中間ダイと、リダクションが１.９％の最終ネッキングダイとを含んでいる。
本発明の他の態様は、前述したネッキングシステムを用いてボトルをネッキングする方法に関するもので、ディスク又はスラグ等のアルミニウムブランクを準備し、該ブランクをアルミニウムボトルストックに成形し、アルミニウムボトルストックをネッキングすることを含んでおり、ネッキングは、少なくとも一部分が非ポリッシュのネッキング表面を有する少なくとも１つのネッキングダイを用いる。
本発明のネッキングシステムは、ダイとノックアウトの数が削減されているので、ボトル製造におけるネッキング工程の機械工具設備に関する費用を低減できる利点がある。
ネッキングダイの段階数を少なくすることにより、本発明は、ボトル製造におけるネッキング工程の時間を短縮できる利点がある。
上記説明は、飲料用、エアゾール用又はその他ネッキングされることができるあらゆる容器に適していることは留意されるべきである。また、上記説明は、絞りとしごき加工及び衝撃押出によるネッキング方法にも等しく適用されることができる。
本発明の概要を説明したが、本発明をさらに例示して、それから得られる幾つかの利点を明らかにするために、実施例を以下に示す。
表１は、１４段階のネッキング工程によってもたらされるリダクションを示しており、アルミニウムボトルストックからネッキングすることにより、上側壁の厚さが０．２１５９ｍｍ(０.００８５インチ)以上、ベーキング後の降伏強度が約２３４.４３〜約２５５．１１５ＭＰａ(約３４〜３７ｋｓｉ)であるアルミニウムボトルパッケージを形成できるように設計される。アルミニウムの組成は、アルミニウム協会(ＡＡ)３１０４である。表１に示されるように、ボトルストックは、約５３．０１ｍｍ(２.０８７０インチ)の初期直径から２６．０３ｍｍ(１.０２５インチ)の最終直径まで、破損(例えば、壁の崩壊)を生じることなくネッキングされることができた。
Figure 0005443161
表１に示されるように、ネッキングシステムは、第１のネッキングダイのリダクションは約９％、１２個の中間ネッキングダイのリダクションは約４.１〜６.１％、最終ネッキングダイのリダクションは１.９％である。図７は、表１に示される１４段階のネッキングシステムの各ネッキングダイの肩部ネッキング表面の断面側面図である。
図８は、非ポリッシュのランドを有する発明例のネッキングダイにボトルをネッキングするのに必要な力を参照ライン(100)で示しており、ポリッシュされた比較例のネッキングダイにアルミニウム容器をネッキングするのに必要な力を参照ライン(105)で示している。非ポリッシュのランド及び実験の対照ダイを有するネッキングダイの幾何形状は、図２に示すネッキングダイと同様である。ネッキングされるダイは、上側壁シートの厚さが約０.２１５９ｍｍ(０.００８５インチ)、ベーキング後の降伏強度が約２３４.４３〜約２５５.１１５ＭＰａ(約３４〜３７ｋｓｉ)、アルミニウムの組成はアルミニウム協会３１０４である。ネッキングされるアルミニウムボトルストックの上側壁の厚さは約０.２１５９ｍｍ(０.００８５インチ)で、ベーキング後の降伏強度が約２３４.４３〜約２５５.１１５ＭＰａ(約３４〜３７ｋｓｉ)であった。
図８に示す参照ライン(100)と、ポリッシュされたネッキング表面の参照ライン(105)について、データ位置(110)に示されるように、ネッキングされるボトルが非ポリッシュのランドと接触する位置を始点として、ネッキング力は有意な減少を示している。
好ましい実施例を説明したが、発明は、添付の特許請求の範囲内で変形可能であることは理解されるべきである。

Claims (11)

  1. 金属ボトルストックに使用し得る形状に作られた複数のネッキングダイを具え、少なくとも一つのネッキングダイは、ネッキング表面とレリーフを含んでおり、前記ネッキング表面は、ランド部と、ネック半径部と、肩半径部とを含み、各々が内径を有しており、
    ランド部はネック半径部とレリーフの間に位置し、ランド部の内径はダイの最小直径であり、
    ネック半径部と肩半径部の内径はランド部の内径よりも大きい、ネッキングシステムであって、
    前記レリーフは、平均表面粗さ(Ｒａ)が約０.２０３２μｍ(８μインチ)〜約０.８１２８μｍ(３２μインチ)であって、
    ａ）レリーフ表面と、
    ｂ）レリーフ表面の内径と、を有しており、レリーフ表面の内径はランド部の内径よりも少なくとも約０.２５４ｍｍ(０.０１インチ)大きく、金属ボトルストックをネッキングする際にネッキング性能を維持しつつ、金属ボトルストックとレリーフ表面との摩擦接触を低減しうる寸法であり、
    少なくとも一つのネッキングダイは、金属ボトルストックをネッキングする際にランド部全体とレリーフがボトルストックに対して軸方向に移動し、該レリーフの少なくとも一部分はボトルストックの最上面を超えて移動しうる寸法であることを特徴とする、ネッキングシステム。
  2. ランド部は、平均表面粗さ(Ｒａ)が約０.２０３２μｍ(８μインチ)〜約０.８１２８μｍ(３２μインチ)である請求項１のネッキングシステム。
  3. ネック半径部と肩半径部は、平均表面粗さ(Ｒａ)が約０.０５０８μｍ(２μインチ)〜約０.１５２４μｍ(６μインチ)である請求項２のネッキングシステム。
  4. 複数のネッキングダイは、上側壁の厚さが約０.２１５９ｍｍ(０.００８５インチ)以上の金属シート缶から、ネッキングされたボトルパッケージを作ることができる形状とされており、初期ダイは、初期リダクション率が約９％よりも大きい請求項１のネッキングシステム。
  5. 金属シートは、ベーキング後の降伏強度が約２３４.４３〜約２５５.１１５ＭＰａ(約３４〜約３７ｋｓｉ)である請求項４のネッキングシステム。
  6. 金属ブランクをネッキングする方法であって、
    ボトルストックからなる金属ブランクを準備するステップ、
    金属ブランクを初期内径を有する容器に成形するステップ、
    成形された容器を、少なくとも一つのネッキングダイでボトルにネッキングするステップを有しており、
    少なくとも一つのネッキングダイはネッキング表面とレリーフとを含んでおり、前記ネッキング表面は、ランド部と、ネック半径部と、肩半径部とを含み、各々が内径を有しており、ランド部はネック半径部とレリーフの間に位置し、ランド部の内径はダイの最小直径であり、ネック半径部と肩半径部の内径はランド部の内径よりも大きく、
    前記レリーフは、平均表面粗さ(Ｒａ)が約０.２０３２μｍ(８μインチ)〜約０.８１２８μｍ(３２μインチ)であって、
    ａ）レリーフ表面と、
    ｂ）レリーフ表面の内径と、を有しており、レリーフ表面の内径はランド部の内径よりも少なくとも約０.２５４ｍｍ(０.０１インチ)大きく、金属ボトルストックをネッキングする際にネッキング性能を維持しつつ、金属ボトルストック表面とレリーフ表面との摩擦接触を低減しうる寸法であり、
    ボトルストックをネッキングするステップは、容器を、少なくとも一つのネッキングダイに挿入することを含んでおり、ランド部とレリーフは容器に対して軸方向に移動し、レリーフの少なくとも一部分は容器の最上面を超えて移動することを特徴とする、方法。
  7. ランド部は、仕上げ表面Ｒａが約０.２０３２μｍ(８μインチ)〜約０.８１２８μｍ(３２μインチ)で、ネック半径部と肩半径部は、仕上げ表面Ｒａが約０.０５０８μｍ(２μインチ)〜約０.１５２４μｍ(６μインチ)である請求項６の方法。
  8. ボトルストックは、エアゾール缶又は飲料ボトルの幾何形状を有している請求項６のネッキング方法。
  9. 肩半径部は、複数のネッキングダイの各ネッキングダイに対して一定であるボディー半径部を有している請求項１のネッキングシステム。
  10. ボディー半径部は、複数のネッキングダイの各ネッキングダイの中心線から一定距離の位置、及び、複数のネッキングダイの各ネッキングダイの入口開口部から一定距離の位置に座標の原点を有している請求項９のネッキングシステム。
  11. 座標は、複数のネッキングダイの各ネッキングダイの中心線から約１１.５６ｍｍ(０.４５５インチ)で、複数のネッキングダイの各ネッキングダイの入口開口部から約６.９８５ｍｍ(０.２７５インチ)である、請求項１０のネッキングシステム。
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