KR20040022214A

KR20040022214A - 금속 용기 및 이와 같은 것을 압력-램-성형하는 방법

Info

Publication number: KR20040022214A
Application number: KR10-2003-7014289A
Authority: KR
Inventors: 햄스트라피터; 마케벤스튜어트; 공케빈; 모울톤제임스디.; 말로리로버트더블유.
Original assignee: 알칸 인터내셔널 리미티드
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-05-01
Publication date: 2004-03-11
Also published as: JP2004314180A; KR100875021B1; RU2004120252A

Abstract

본 발명은 병 형상 또는 다른 형상을 가진 금속 용기를 성형하는 방법에 관한 것으로, 프리폼을 소정의 형상으로 성형하는 다이 공동(10)의 벽으로 팽창시키기 위해 폐쇄 단부를 갖는 중공의 금속 프리폼에 내부 유체 압력을 가하고, 팽창이 시작되기 전 또는 후중 어느 한쪽에서 그러나 성형이 완료되기전에 프리폼의 폐쇄 단부를 이동시키고 변형시키기 위해 펀치(12)를 다이 공동(10) 안으로 이동시키는 것에 의해 용기를 성형하고, 압력을 가하는 단계는 다이 공동내에서 프리폼에 독립적으로 제어가능한 내부 및 외부의 양의 유체 압력을 동시에 가하고 변형율을 제어하기 위해 이들 사이에서 압력 차이를 변화시키는 것에 의해 실행되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 용기 및 이와 같은 것을 압력-램-성형하는 방법{METHOD OF PRESSURE-RAM-FORMING METAL CONTAINERS AND THE LIKE}

금속 캔은 음료수용으로 널리 사용된다. 현재 사용되는 음료수 캔 몸체는, 원-피스의 "도로우되고 철판을 입힌" 몸체이거나 또는 (하부에서 뿐만 아니라 상부에서 분리된 폐쇄 부재를 갖는) 양단부에서 개방된 몸체이든지 간에, 일반적으로 단순하고 직립한 원통형 측면 벽을 갖는다. 때때로 미학적, 소비자의 요청 및/또는 제품 표시의 이유때문에 금속 음료수 용기의 측면 벽에 다르고 더욱 복잡한 형상을 부여하거나, 특히 일반적인 원통형 캔 형상과 다른 병 형상을 갖는 금속 용기를 제공하는 것이 요망되고 있다. 그러나, 종래의 캔 제조 작용으로는 이러한 형상을 얻을 수가 없다.

상술한 목적을 위해, 소재를 병 형상 또는 다른 복잡한 형상으로 성형하는 편리하고 효과적인 방법이 제공된다. 더구나, 이것은 다양한 설계를 얻을 수 있고 방사적으로 대칭이 아닌 윤곽된 용기 형상을 성형할 수 있는 절차를 제공하도록 이용할 수 있다.

본 발명은 다이 공동에서 중공의 금속 프리폼 또는 소재를 팽창시키도록 내부 유체 압력을 이용하여 금속 용기 또는 이와 같은 것을 성형하는 방법에 관한 것이다. 중요한 특정 관점으로, 본 발명은 규정된 형상, 예를 들어 비대칭 특징의 병 형상을 갖는 알루미늄 용기 또는 다른 금속 용기를 성형하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 방법을 실행하는 기구를 도시하는 개략 사시도;

도 2A 및 도 2B는 본 발명의 방법의 제 1 실시예를 순차적 단계로 실행하는 도 1의 유사도;

도 3은 본 발명의 방법에서 내부 유체 압력으로 프리폼하는 단계와 펀치를 이동시키는 단계사이에서, 유체 매체와 같은 공기를 이용하여, 시간 관계에 따른 내부 압력 및 램 변위의 그래프를 도시하는 도면;

도 4A, 4B, 4C 및 4D는 본 발명의 방법의 제 2 실시예를 순차적 단계로 실행하는 도 1의 유사도;

도 5A 및 도 5B는 본 발명의 제 3 실시예를 순차적 단계로 실행하는 도 1의 유사도 및 스핀-형성 단계의 개략 사시도;

도 6A, 6B, 6C 및 6D는 본 발명의 방법의 연속 단계를 컴퓨터로 산출한 개략 사시도;

도 7은 다이 공동 내에서 프리폼에 독립적인 제어가능한 내부 및 외부 유체 정압을 동시적으로 적용하고 외부 정압의 부재하에서 그들 사이의 내부 정압(도 3과 같이)을 비교한 특징을 도시하는 시간에 따른 압력 변화 그래프;

도 8은 도 7과 비교되는 두개의 다른 압력 조건하에서 한 특정 위치(요소)에 대한 변형을 도시하는, 제한 요소 분석으로부터 유도되는, 시간에 따른 변형 변화의 그래프;

도 9는 내부 및 외부 유체 정압이 다이 공동내 프리폼에 동시에 적용될때 성형 처리에서 이용할 수 있는 특정 제어 장치에 따른 도 7의 유사도;

도 10은 가열된 펀치를 이용하여 확장되는 프리폼의 개략도;

도 11은 프리폼의 확장동안 펀치상의 하중, 내부 압력 및 펀치의 변위를 도시하는 그래프; 및

도 12는 편평 디스크로부터 프리폼의 제조 단계를 도시하는 개략도이다.

본 발명은 공동안으로 이동가능한 펀치를 공동의 한 단부에 위치시킨 상태로, 다이 공동내에 폐쇄된 단부를 가지는 중공의 금속 프리폼을 배치시키는 단계, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 펀치와 인접하여 마주보는 관계로 위치되고 프리폼의 적어도 한 부분은 최초에 다이 벽과 내부적으로 간격을 이루고; 프리폼을 다이 벽과 완전히 접촉되도록 외부로 팽창시키기 위해서 내부 유체 압력을 가하여, 이것에 의해 프리폼에 상기 규정된 형상 및 측면 치수를 부여하는 단계, 상기 유체 압력을 가하는 힘은, 상기 폐쇄 단부상에서, 공동의 상기 한 단부로 향하고; 및 프리폼이 팽창하기 전후중 어느 한쪽에서 그러나 프리폼의 팽창이 완료되기 전에, 유체 압력에 의해 가해진 힘의 방향과 대향된 방향으로 프리폼의 폐쇄 단부를 이동시키고 맞물리기 위해 펀치를 공동안으로 이동시키는 단계와 프리폼의 폐쇄 단부를 변형시키는 단계를 포함하는 규정된 형상 및 측면 치수의 금속 용기를 성형하는 방법을 제공한다. 펀치는 프리폼을 이동시키고 변형시키기 위해 펀치에 충분한 힘을 적용시킬 수 있는 램에 의해 이동된다. 이 방법은 용기가 내부 유체 압력에 의해 적용되고 램에 의한 펀치의 이동에 의해 성형되기 때문에 PRF(pressure-ram-forming) 절차로 언급된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 펀치는 윤곽이 형성된 표면을 구비하고, 프리폼의 폐쇄 단부는 윤곽이 형성된 표면을 따르도록 변형된다. 예를 들면, 펀치는 반구형으로된 윤곽을 구비하고, 프리폼의 폐쇄 단부는 반구형의 윤곽으로 변형된다.

상기 규정된 형상은, 용기가 형성되는, 넥부와 상기 넥부보다 측면 치수가 더 큰 몸체부를 포함하는 병 형상이고, 다이 공동은 장축을 가지며, 상기 프리폼은 장축을 가지고 공동과 동축으로 배치되며, 펀치는 공동의 장축을 따라 이동가능하다.

바람직하게는, 다이 벽은 성형된 용기를 제거하기 위해 분리가능한 분할 다이를 포함한다. 분할 다이와 함께 규정된 형상은 공동의 장축에 대해 비대칭일 수 있다.

펀치는 유체 압력에 의해 프리폼의 축방향의 늘어짐을 제한하기 위해, 유체 압력의 적용전에 프리폼 폐쇄 단부와 접촉되거나 또는 처음으로 폐쇄된 위치가 바람직하다. 펀치는 프리폼의 팽창되는 하부 부분이 다이 벽과 접촉된 후 이동될 수 있다.

병 형상의 용기 또는 이와 같은 것을 성형하는 프리폼은 폐쇄 단부와 대향되는 개방 단부를 구비하는 일반적으로 최초에 원통형인 연신된 소재인 것이 바람직하다. 특히 본 발명의 실시예에서, 프리폼은 병 형상의 넥부와 지름이 동일할 수 있고, 단일 압력 성형 작용으로 규정된 형상으로 확장될 수 있는 충분한 성형성을 가질 수 있다. 만일 이러한 성형성이 부족하면, 상기 소재를 전술한 다이 공동보다 더 작은 다이 공동에 위치시키고, 규정된 형상 및 측면 치수보다 작은 중간 크기 및 형상으로 소재를 팽창시키기 위해 공동내의 소재에 내부 유체 압력을 가하는 예비 단계가 상술한 PRF 방법전에 실행될 수 있다.

대안적으로, 만일 연신되고 최초에 원통형인 소재가 병 형상의 넥부보다 지름이 최초에 더 크면, 병 형상의 용기를 성형하는 방법은 PRF 절차의 실행 후 지름이 감소된 넥부를 성형하기 위해 개방 단부 근방의 소재에 스핀 성형 작용을 가하는 또 다른 단계를 포함한다.

대안적으로, 프리폼 넥부의 지름은 다이 넥킹 절차를 이용하여 감소된다. 이 다이 넥킹 절차는 확장 단계전에 적용될 수 있다.

프리폼은 알루미늄 프리폼일 수 있고("알루미늄"의 용어는 알루미늄을 기초로한 합금 뿐만 아니라 순수한 알루미늄 금속에 관한 것으로 이용되며), 약 0.25mm 내지 약 1.5mm 범위의 두께를 갖는 재결정된 또는 리커버(recover)된 미세구조를 가지는 알루미늄 시트로 만들어질 수 있다. 프리폼은 시트에 드로우-리드로우 작용 또는 후방 압출을 가하는 것에 의해 단부가 폐쇄된 실린더로 생성될 수 있다.

프리폼에 내부 유체 압력을 가하는 단계 동안, 프리폼 내에 유체 압력은 (ⅰ) 프리폼이 팽창을 시작하기 전에 제 1 최고점으로 상승하는 단계, (ⅱ) 팽창이 시작될때 최소값으로 하강하는 단계, (ⅲ) 프리폼이 다이 벽과 완전하게 접촉되지 않지만 프리폼이 확장된 상태가 될때까지, 팽창이 진행됨에 따라 점차적으로 중간값까지 상승하는 단계, 및 (ⅳ) 프리폼 팽창이 완성되는 동안 중간값에서 상승하는 단계를 연속적으로 발생시킨다. 이러한 압력 단계의 순서를 참조하면, 본 발명의바람직한 실시예에서 프리폼의 폐쇄 단부를 변형시키고 이동시키기 위하여 펀치의 이동은 단계 (ⅲ)의 끝에서 시작된다.

일반적으로, 내부 유체 압력이 가해지면, 프리폼의 폐쇄 단부는 다이 벽과 접촉되는 프리폼처럼 확대된 반구체의 형상을 띠고; 펀치의 최초 이동은 프리폼 폐쇄 단부가 이 형상을 띠었을시에 시작된다.

또한 본 발명에 따르면, 프리폼에 내부 유체 압력을 가하는 단계는 공동내 프리폼에 내부 및 외부의 양의 유체 압력을 동시에 가하는 단계를 포함하고, 내부의 양의 유체 압력은 외부의 양의 유체 압력보다 더 크다. 내부 및 외부 압력은 각각 독립적으로 제어가능한 압력 시스템에 의해 제공된다. 프리폼의 변형율은 프리폼에 내부의 양의 유체 압력과 외부의 양의 유체 압력 사이의 차이를 변경시키도록 동시적으로 가해지는 내부 및 외부의 양의 유체 압력을 독립적으로 제어하는 것에 의해 제어된다. 이러한 방법으로, 변형율 초과에 관련된 문제가 피해지고 용기 벽의 미세구조에 손상을 일으키는 정압 응력의 감소를 얻을 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 프리폼에 온도 변화를 감소시키기 위해, 프리폼의 확장동안 열을 가한다. 펀치에 가열기를 첨가시키는 것에 의해, 온도 변화는 프리폼의 하부에서 위로 감소된다. 프리폼의 상부에서 아래로 온도 변화를 감소시키는 분리 가열기가 다이 상부에 첨가될 수 있다. 또한 가열기는 다이 공동의 측면 벽에 포함될 수 있다. 프리폼의 팽창동안 온도 변화는 팽창 최초 지점을 규정하고 향상된 성형성을 제공한다.

또한 확장 국면의 시작전에 프리폼의 하부와 접촉되는 펀치를 구비하거나 팽창 국면을 통해 펀치에 축방향 하중을 가할 수 있는 잇점을 가진다. 이러한 절차에서 팽창 국면을 통해 프리폼의 폐쇄 단부에 축방향 하중이 가해지면, 프리폼 폐쇄 단부의 이동 및 변형이 팽창 국면의 완료까지 실행되지 않는다.

하기에서는 도면을 참조하여 본 발명의 특징 및 잇점을 기술한다.

본 발명은 하이드로 결합(내부 유체 압력) 및 펀치 성형, 예를 들어 PRF 절차를 이용하여 축대칭이 필요없는(용기의 기하학적 축에 대해 방사적으로 대칭되는) 외형을 가지는 알루미늄 용기를 성형하는 방법에 관한 것이다.

PRF 제조 방법은 두개의 다른 단계, 즉 프리폼을 제조하는 단계 및 프리폼을 최종 용기로 형성하는 단계를 갖는다. 이 방법에서는 성형이 끝나는 동안 몇몇의 옵션을 가지며 사용되는 알루미늄 시트의 형상에 따라 적절한 선택이 결정된다.

프리폼은 재결정되고 또는 원상태로된 미세구조를 구비하고 0.25mm 내지 1.5mm 범위의 게이지를 갖는 알루미늄 시트로 만들어진다. 프리폼은 예를 들어 드로우-리드로우(draw-redraw) 방법에 의해 또는 후방 압출(back-extrusion)에 의해 만들어질 수 있는 폐쇄된 단부 실린더이다. 프리폼의 지름은 소정의 용기 제품의최소 및 최대 지름사이에서 결정된다. 스레드는 성형 작용전에 프리폼상에 형성될 수 있다. 프리폼의 폐쇄된 단부의 형상은 최종 제품의 하부 윤곽의 성형을 도우도록 설계될 수 있다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 방법에서 사용되는 기구 조립체는 축방향으로 수직인 병 모양을 형성하는 윤곽된 공동(11)을 갖는 분할 다이(10), 용기의 하부에 대한 소정의 외형을 갖는(예를 들면, 실시예에서와 같이, 성형된 용기의 하부에 돔 형상을 부여하기 위해 볼록한 돔 외형을 갖는) 펀치(12) 및 펀치에 부착된 램(14)을 포함한다. 도 1에서, 분할 다이는 두개로 분할된 것 중 하나만을 도시하고 있고, 나머지는 도시된 다이의 경상이며; 두개로 분할된 다이는 다이 공동(11)의 벽에 의해 형성된 병 형상의 기하학적 축을 포함하는 평면에서 합쳐진다.

(공동의 병 형상의 넥부와 대응되는) 다이 공동의 상부 개방 단부(11a)에서 다이 공동(11)의 최소 지름은 틈새를 참작하여 공동내에 위치되는 프리폼의 외부 지름과 동일하다(도 2A 참조). 프리폼은 초기에 펀치(12) 약간 위에 위치되고 내부 여압이 되도록 개방 단부(11a)에서 개략적으로 도시되는 압력 부속품(16)을 가진다. 여압은 프리폼의 상부 개방 단부에 형서된 스레드를 결합시키는 것에 의해 또는 프리폼의 개방 단부안으로 튜브를 삽입하는 것에 의해 얻어지고, 시일은 분할 다이 또는 어떤 다른 압력 부속품에 의해 얻어진다.

여압 단계는 프리폼의 벽이 공동을 형성하는 다이 벽에 대해 완전히 압축할 때까지 프리폼을 공동내에 확장시키기 위해서 충분한 압력하에서 물 또는 공기와같은 유체를 중공 프리폼의 내부에 도입시키는 것을 포함하고, 이것에 의해 확장된 프리폼에 공동의 형상 및 측면 치수를 부여한다. 일반적으로, 사용된 유체는 프리폼 벽의 압력을 질량, 플럭스, 체적 또는 압력에 의해 제어할 수 있는 압축성 또는 비압축성 유체이다. 유체를 선택할때는 성형 작용에서 사용되는 온도 조건을 고려할 필요가 있고; 만일 물이 유체이면, 예를 들어, 온도가 100℃ 이하이어야 하며, 만일 고온이 필요하다면, 유체는 성형 작용의 온도에서 끊지 않는 액체나 또는 공기와 같은 가스이어야 한다.

여압 단계의 결과, 다이 벽에서 형성된 릴리프(relief) 특징은 생성된 용기의 표면상에서 역경상 형태로 재현된다. 비록 생성된 용기의 이러한 특징, 또는 전체 형상이 축대칭이 아닐지라도, 용기는 분할 다이의 사용때문에 어려움없이 도구에서 제거된다.

도 2A 및 도 2B에 도시된 본 발명의 실시예에서, 프리폼(18)은 형성되어진 병 형상의 넥부의 외부 지름과 동등한 외부 지름을 가지며, 폐쇄된 하부 단부(20)와 개방된 상부 단부(22)를 갖는 중공의 원통형 알루미늄 소재이고, PRF 작용에 의해 형성되는 변형은 (온도 및 변형율에 따른)프리폼의 성형성에 의해 설정된 경계내에 존재한다. 이러한 성형성 특성을 가지는 프리폼에서, 다이 공동(11)의 형상은 최종 제품의 요구에 따라 만들어지고 제품은 단일 PRF 작용으로 만들어질 수 있다. 램(14)의 이동 및 내부 여압율은 성형 작용의 변형을 최소화시키고 소정의 용기 형상을 생성한다. 넥부 및 측면벽 특징은 내부 압력에 의한 프리폼의 팽창으로 형성되고, 반면에 하부 형상은 램 및 펀치(12)의 이동에 의해 형성되고, 펀치 표면의 윤곽은 프리폼 폐쇄 단부(20)와 면하게 된다.

내부 유체 압력 적용의 적절한 동기 및 램과 펀치의 작용(다이 공동으로 이동)은 본 발명의 실행에서 중요하다. 도 3은 플럭스에 의해 제어되고, 대기압을 갖는 도 2A 및 도 2B의 성형 작용을 나타내는 컴퓨터로 생성된 시뮬레이션된 데이터(한정된 요소의 분석 출력 결과)의 그래프를 나타낸다. 특히, 그래프는 압력과 램 타임을 나타낸다. 도 3에서 명백해진 바와 같이, 프리폼내에 유체 압력은 (ⅰ) 프리폼이 팽창을 시작하기 전에 제 1 최고점(24)으로 상승하는 단계, (ⅱ) 팽창이 시작되면 최소값(26)까지 하강하는 단계, (ⅲ) 비록 다이 벽과 완전하게 접촉되지 않지만 프리폼이 확장될때까지 프리폼의 팽창 처리와 같이 점차적으로 중간값(28)까지 상승하는 단계, 및 (ⅳ) 프리폼 팽창이 완성되는 동안 중간값에서 빠르게 상승("30"에서)하는 단계를 연속적으로 발생시킨다. 이러한 연속적인 압력 단계를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서 프리폼의 폐쇄된 단부를 변형시키고 이동시키기 위한 펀치의 최조 이동은 단계 (ⅲ)의 끝에서 발생한다. 시간, 압력 및 램 변위의 단위는 그래프상에 나타난다. 도 3에서 나타내어지는 (컴퓨터로 생성한 시뮬레이션에서) 프리폼상에 작용 효과는 도 3의 x-축상에 나타나는 0.0초, 0.096초, 0.134초 및 0.21초에 대하여 도 6A, 6B, 6C 및 6D에서 도시된다.

중공의 프리폼에 내부 유체 압력을 최초로 도입하는 곳에서, 펀치(12)는 공급된 내부 압력의 영향하에서 프리폼의 축방향 확장을 제한하기 위해서, 밀접하게 근접한 관계(예를 들면, 접촉)로 (도시된 바와같이, 기구의 축방향의 수직 방향을 가정하여)프리폼의 폐쇄 단부 아래에 배치된다. 프리폼의 팽창이 완전하게 완성되지 않을때, 램(14)은 펀치를 위로 이동시키도록 작동하여, 프리폼의 폐쇄 단부의 금속을 위로 이동시키고 내부 압력에 의해 프리폼의 측면 팽창이 완성되면 폐쇄된 단부를 펀치 표면의 윤곽으로 변형시킨다. 폐쇄된 프리폼 단부의 상승 이동은 다이에 상대적으로 프리폼을 위로 이동시킬 수 없으며 램이 펀치를 위로 구동시키기 시작할때 이미 발생된 프리폼 팽창의 크기때문에 프리폼의 측면벽은 (램의 너무 이른 상승 작용에 의해 발생되는 것처럼)구부려지게 된다.

본 발명의 방법의 제 2 실시예는 도 4A 내지 도 4D에서 도시된다. 이 실시예에서, 도 2A 및 도 2B에서 처럼, 원통형 프리폼(38)은 최종 제품의 최소 지름(넥부)과 같은 최초 외부 지름을 가진다. 그러나, 이 실시예에서 PRF 작용의 성형 변형은 프리폼의 성형성 제한을 초과하는 것으로 가정한다. 이 경우, 두개의 연속적인 압력 성형 작용이 필요하다. 제 1 작용(도 4A 및 도 4B)은 램을 필요로 하지 않고 단순 분할 다이(40)내에 프리폼이 내부 여압에 의해 더 큰 지름 소재(38a)까지 팽창한다. 제 2 작용은 PRF 절차(도 4C 및 도 4D)이고, 소재가 다이(40)에서 팽창할때 시작하고, 병 형상 공동(44)을 가지는 분할 다이(42) 및 예를 들어, 내부 압력 및 램의 이동 모두를 이용하는 램(48)에 의해 구동되는 펀치(46)를 가지는 분할 다이(42)를 사용하고, 펀치 작용에 의해 생성되는 병의 윤곽 및 측면 벽 형상의 모든 특징을 포함하는 소정의 최종 병 형상을 생성한다.

제 3 실시예는 도 5A 및 도 5B에서 도시된다. 이 실시예에서, 프리폼(50)은 최종 병 형상 용기의 소정의 최소 외부 지름(보통 넥부 지름)보다 더 큰 최초 외부 지름을 갖도록 만들어진다. 이러한 프리폼의 선택은 프리폼 작용의 성형 한계를고려한 결과이거나 또는 PRF 작용에서 변형을 감소시키기 위해 선택된다. 그 결과, 최종 제품의 제조는 프리폼의 직경 확장 및 압축 모두를 포함하고 따라서 PRF 장치 단독으로 이루어질 수 없다. 단일 PRF 작용(도 5A, 분할 다이(52) 및 램-구동 펀치(54) 사용)은 (도 2A 및 도 2B의 실시예에서와 같이) 벽 및 하부 형상을 형성하도록 이용되고 스핀 성형 또는 또 다른 네킹(necking) 작용은 용기의 넥부를 형상시키기 위해 필요하다. 도 5B에 도시되는 바와같이, 이것은 스핀 형성 디스크(56)의 복수의 직렬 세트와 병 넥부(60)을 형상시키기 위한 테이퍼진 맨드릴(58)을 이용하는 2001년 5월 1일자로 출원된 공동 계류중인 미국특허출원 제 09/846,169 호에 개시된 유형의 스핀 성형 절차를 사용할 수 있다.

상술한 PRF 절차의 실행에서, PRF 변형은 클 수 있다. 따라서 합금 조성물은 소정 제품 특성의 결합 및 강화된 성형성을 제공하도록 선택되거나 조절된다. 만일 더 나은 성형성이 필요하면, 온도의 증가는 더 나은 성형성을 부여하기 때문에 성형 온도를 후술하는 바와 같이 조절할 수 있고; 그러면, PRF 작용은 상승된 온도로 처리될 필요가 있고 및/또는 프리폼은 이것의 성형성을 증가시키기 위해 회복 풀림이 필요할 수 있다.

본 발명은 PET 용기의 블로우-성형, 특히 외부 펀치-성형 요소가 첨가된 공지의 압력-성형 작용과 다르다. PET 병-성형용으로 사용될때 내부 펀치는 필요하지 않는다. 현재, 본 발명에 의해 얻어질 수 있는 지름 범위와 형상을 가지는 알루미늄 용기를 생산하기 위한 적용 방법은 알려져 있지 않다. 또한, 대칭 형상(예를 들면, 용기의 측면상에 나선형 리브 또는 하부상에 다리(feet))을 생성하는 방법도 공지되어 있지 않다.

또한 본 발명의 방법은 스틸과 같은 또 다른 재료로 용기를 형상화하도록 이용될 수 있다.

점선이 다이 공동(11)의 수직 형상을 나타내고, 반구형의 윤곽이 형성된 펀치(12)의 이동(밀리미터로)이 점선의 우측 측면상에 나타나는 도 6A-6D를 고려할때 프리폼(18)의 폐쇄 단부(20)를 (도 2A 및 2B에서 처럼)이동시키고 변형시키기 위해 램-종동 펀치(12)를 다이 공동(11)안으로 이동시키는 중요성을 도 3을 참조하여 설명할 수 있다.

램은 알루미늄 병의 성형에서 두 개의 필수적인 기능을 가진다. 이것은 축방향의 인장 변형을 제한하고 용기 하부의 형상을 형성한다. 램-종동 펀치(12)는 최초에 프리폼(18) 하부에 밀접하게 인접하여, 또는 접촉되어 수용된다(도 6A). 이것은 내부 여압의 결과 발생할 수 있는 프리폼 측면 벽의 축방향 늘어짐을 최소화 시킨다. 따라서, 내부 압력이 증가할때, 프리폼의 측면 벽은 현저한 늘어짐없이 다이 내부와 접촉하도록 팽창한다. 일반적으로, 프리폼의 중심 영역이 첫번째로 팽창되고, 이 팽창된 영역은 프리폼의 길이를 따라 상하 모두로 성장한다. 그리고 조만간 어떤 지점에서 프리폼의 하부는 반구체의 형상으로 되고, 반구체의 반경은 대략 다이 공동의 반경과 동일하다(도 6B). 이 지점에서 또는 이 지점전에서 램은 펀치(12)를 위로 구동시키도록 작동한다(도 6C). 램의 돌출부 형상(예를 들면, 펀치 표면 윤곽)은 용기 하부의 형상을 형성한다. 내부 유체 압력이 (도 6B, 6C 및 6D의 병 어깨부와 넥부를 비교하여)다이 공동 벽에서 프리폼의 몰딩을 완성하면, 내부 압력과 협력되는, 램의 이동은 작업을 실패할 수 있는 인장 변형의 초과없이 소정의 윤곽을 생성하는 방법으로 프리폼의 하부를 펀치 표면의 윤곽으로 만든다(도 6D). 램의 상승 이동은 프리폼의 반구형 영역에 압축력을 적용시키고, 여압 작용에 의한 일반적인 변형을 감소시키며, 재료에 펀치 돌출부의 윤곽이 생성되도록 재료를 방사적으로 외부로 팽창시키는데 도움을 준다.

만일 램 이동이 너무 일찍 적용되면, 내부 여압율과 상대적으로, 축방향의 압축력 때문에 프리폼은 구부려지고 접어진다. 만일 너무 늦으면, 재료가 축방향으로 변형이 초과되어 성형에 실패하게 된다. 따라서, 성공적인 성형 작용을 위해서는 내부 여압율과 램 및 펀치 돌출부의 이동이 협력되야 한다. 필요한 시간은 처리의 FEA(finite element analysis)에 의해 얻어진다. 도 3은 FEA의 결과를 기초로 한다.

따라서 본 발명은, 도 3에서, 마치 양의 (예를 들어, 초대기압) 유체 압력이 다이 공동내에 프리폼의 외부에 적용되지 않는 것처럼, 기술하고 있다. 이러한 경우에, 공동내 프리폼상에 외부 압력은 대기압일 수 있다. 프리폼이 확장될때, 공동내의 공기는 적절한 배출구 또는 다이 공동과 다이 외부사이를 연통할 목적으로 제공되는 통로를 통해 (프리폼의 외부와 다이 벽사이에서 체적의 점진적인 감소에 의해)배출된다.

특정 알루미늄 용기를 참조하여 설명하면, 이것은 양의 외부 압력이 적용되지 않는 FEA에 의해 도시되고, 일단 프리폼이 (유동)소성적으로 변형되기 시작하면, 압력-램-형성 작용의 처리 온도(예를 들면, 약 300℃)에서 알루미늄 합금의 낮은 또는 영인 가공 경화율 때문에, 프리폼에서 변형율이 매우 높게 되고 제어를 할 수 없게 된다.

즉 다시 말하면, 이러한 온도에서 알루미늄 합금의 가공 경화율은 영이고 연성(예를 들면, 성형 한계)은 증가되는 변형율과 함께 감소된다. 따라서, 소정의 최종 형상을 갖는 용기 제품을 만들 수 있는 능력은 성형 작용의 변형율이 증가되고 알루미늄의 연성이 감소될때 작게된다.

본 발명의 또 다른 중요한 특징에 따라, 양의 유체 압력은 다이 공동내의 프리폼 외부에 적용되고, 동시에 프리폼의 내부에 양의 유체 압력이 적용된다. 이러한 외부 및 내부의 양의 유체 압력은 두개의 독립적으로 제어되는 압력 시스템에 의해 각각 제공된다. 외부의 양의 유체 압력은 다이와 팽창된 프리폼 사이의 체적에서 양의 압력을 유지시키기 위해, 독립적으로 제어가능한 양의 유체 압력의 공급원을 상술한 배출구 또는 통로에 연결시키는 것에 의해 편리하게 공급할 수 있다.

도 7 및 도 8은 양의 외부 압력을 제어하거나 제어하는것 없이 용기를 압력-램-성형하는데 있어 시간 대 압력 및 시간 대 변형을 비교한 것이다(여기서 "변형"은 외부 힘에 의해 몸체에서 생성된 단위 길이당 신장을 말한다). 도 7의 선(101)은 프리폼에 작용되는 외부의 양의 유체 압력이 없는 경우에 대하여 도 3에서 "압력"으로 표시된 선과 대응되고; 도 8의 선(103)은 FEA에 의해 결정된 한 특정 위치(요소)에 대한 변형율의 결과를 나타낸다. 의심할 여지없이, 프리폼이 다이 벽과 접촉되도록 팽창시키기 위해서 매우 높은 변형율과 매우 짧은 시간을 부여한 경우에는 변형이 거의 동시적으로 된다. 대조적으로, 도 7의 선(105,107 및 109)은 내부 및 외부 압력 모두가 제어될때, 예를 들어, 독립적으로 제어되는 외부 및 내부의 양의 유체 압력이 다이 공동내 프리폼에 동시적으로 제공될때, 각각 내부의 양의 유체 압력, 외부의 양의 유체 압력 및 그 둘사이의 차이를 나타내고; 내부 압력은 프리폼 팽창에 필요한 양의 내부-외부 압력 차이가 존재하도록 외부 압력보다 더 크다. 도 8에서 선(111)은 선(105,107 및 109)에 의해 나타나는 독립적으로 제어되는 내부-외부 압력 조건에 대한 후프 변형(프리폼이 팽창될때 프리폼의 원주 둘레 수평면에서 생성되는 변형)을 나타내고; 선(111)에 도시된 후프 변형은 선(103)의 값과 같은 동일한 최종 값에 도달하지만 더 긴 시간이 필요하고 따라서 변형율이 더 작다. 도 8의 선(115)은 축방향 변형(프리폼이 늘어질때 수직 방향에서 생성되는 변형)을 나타낸다.

다이 공동내 프리폼상에 작용하는 독립적으로 제어가능한 내부 및 외부의 양의 유체 압력을 동시에 제공하고, 이러한 내부 및 외부 압력의 차이를 변화시키는 것에 의해, 매우 높고 제어가 불가능한 변형율을 피하도록 제어하여 성형 작용을 완성되게 유지시킨다. 프리폼의 연성은, 작용의 성형 제한, 두가지 이유때문에 증가한다. 첫째로, 성형 작용의 변형율의 감소는 알루미늄 합금의 본래의 연성을 증가시킨다. 둘째로, 외부의 양의 압력의 부가는 팽창된 프리폼의 벽에서 정수 응력을 감소시킨다(잠재적으로 음의 압력으로 만든다). 이것은 금속에서 마이크로보이드(microvoid) 및 중간 금속 입자와 결합되는 유해한 효과를 감소시킬 수 있다. 여기서 "정수 응력"은 x, y 및 z방향의 세 응력의 산술적인 평균값이다.

상기 기술된 본 발명의 특징은 성형 작용의 변형율을 제어하고 성형동안 금속에서 정수 응력을 감소시키는 것에 의해, 병형상과 같은 알루미늄 용기를 만드는 압력-램-셩형 작용의 능력을 강화시킨다.

압력 차이의 선택은 프리폼이 만들어지는 금속의 재료의 특성을 기초로 한다. 특히, 금속의 가공 경화율 및 항복 응력이 고려되어야 한다. 프리폼을 소성적(예를 들면, 비탄성적으로)으로 유동시키기 위해서, 압력 차이는 유효(Mises) 응력이 항복 응력을 초과하도록 해야 한다. 만일 양의 가공 경화율이 존재하면, 항복 응력의 초과에서 고정되게 적용된 (압력에서)유효 응력은 적용된 유효 응력의 레벨과 같은 응력 레벨로 금속을 변형시킨다. 그 지점에서 변형율은 영에 접근한다. 가공 경화율이 매우 낮거나 또는 영인 경우에, 금속은 몰드(다이)의 벽과 접촉되거나 또는 파손이 발생되는 것중 어느 하나가 될때까지 높은 변형율에서 변형된다. PRF 처리에 대해 예상되는 상승 온도에서, 알루미늄 합금의 가공-경화율은 낮거나 제로가 된다.

내부 및 외부 압력 모두를 공급하기 위해 사용하기 적합한 가스로는, 제한없이, 질소, 공기 및 아르곤, 및 이러한 가스들의 어떤 화합물을 포함한다.

프리폼 벽의 어떤 지점에서의 소성 변형율은, 어떤 적정 지점에서, 압력 차이에 따른 순간적인 유효 응력에 따른다. 외부 압력의 선택은 유효 응력 및 이것에 의한 프리폼 벽의 변형율을 얻고 제어하기 위한 전체적인 법칙을 가진 상태에서 내부 압력에 따른다.

도 9는 성형 처리에서 이용할 수 있는 다른 제어 장치를 도시한다. 한정된 요소의 시뮬레이션은 처리를 최적화하도록 사용된다. 도 9에서, 선(120)은 프리폼상에서 작용되는 내부 압력(Pin)을 나타내고, 선(122)은 프리폼상에서 작용되는 외부 압력(Pout)을 나타내고, 선(124)은 압력 차이(Pdiff=Pin-Pout)를 나타낸다. 이 도면은 한 제어 방법에 따른 압력 변화를 도시한다. 이 경우, 내부 공동에서의 유체 질량은 일정하게 유지되고 외부 공동(프리폼의 외부)에서의 압력은 선형적으로 감소된다. 또한 시뮬레이션에서 재료 특성에 따른 변형율이 포함된다. 이 후자의 제어 장치는 더 단순한 처리를 제공하기 때문에 바람직하다.

도 10은 프리폼에 열이 적용되고 프리폼에서 온도 변화가 감소되는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 것이다. 도 10에서 도시되는 바와 같이, 펀치(12)는 프리폼(18)의 하부와 접촉되고 펀치(12)는 가열 요소(19)를 포함한다. 이것은 내부 압력이 증가될때 프리폼의 팽창이 하부에서 위로 되도록 프리폼을 하부에서 위로 가열한다.

도 11은 팽창 처리를 설명하는 그래프를 도시한다. 그래프의 한 선은 시간에 따른 램/펀치의 이동을 도시하고 또 다른 선은 시간에 따른 램/펀치상에 하중의 변화를 도시한다.

지점 A에서 램은 약 22.7㎏의 압축 하중으로 전하중(pre-load)되고 지점 B에서 프리폼은 내부적으로 압축되고 1.14MPa의 레벨로 유지된다. 절차를 예를 들어 설명하면, 램의 위치는 68kg의 압축 램 하중을 유지시키기 위해 지점 B와 지점 C사이에서 단계적으로 된다. 램 하중이 램 위치(지점 C와 D)로 증가된 후 더 이상 빠르게 감소되지 않으면, 램의 램핑은 약 25mm의 이동 및 약 454kg의 하중(지점 E)으로 계속된다. 지점 D에서 지점 E까지 램을 램핑하는 동안, 용기의 하부 형상은 지점 E에서 용기 성형의 완료를 나타내도록 프리폼의 팽창과 동시적으로 성형된다.

도 11의 그래프는 단계적인 절차를 도시하지만, 하나의 스무스한 작용, 예를 들면, 컴퓨터로 처리되는 제어를 이용하는 것에 의해 용기안으로 프리폼을 팽창시키고 성형하는 것이 가능하다. 이러한 절차의 잇점은 감소된 온도 변화 때문에 발생되며, 램과 펀치가 위로 이동할때 하부에서 상부까지 점차적으로 팽창된다. 이러한 기술은 프리폼의 전체 길이에서 팽창이 동시적으로 발생되는 상술한 방법과 비교하여 볼때 감소되고 향상된 성형성을 이끌어 냄을 알 수 있다.

도 10에서는 펀치(12)내에서만 가열 요소가 도시되지만, 성형을 돕기 위한 다른 가열 영역을 제공하는 것이 가능하다. 예를 들면, 프리폼의 상부 둘레에서 다른 분리 가열기 뿐만 아니라 다이 공동의 측면 벽내에서 다른 분리 가열 요소가 존재할 수 있다. 이러한 각각의 영역에서 독립적으로 온도를 조작하는 것에 의해, 다양한 용기 설계에서 최적의 팽창 변화를 가질 수 있다.

도 12는 편평한 디스크로부터 프리폼을 제작하는 일반적인 순서를 도시한다. 표준 드로우/리드로우 기술은 얇게 폐쇄된 단부 실린더(71)안으로 드로우되고 그때 더 작은 지름과 더 긴 측면 벽을 갖는 제 2 실린더(72)로 재드로우되는 알루미늄 시트(70)와 함께 사용된다. 실린더(72)는 실린더(74)로 재드로우되는 실린더(73)를 성형하기 위해 재드로우된다. 실린더(74)는 길고 가느다란 형상을 가진다.

본 발명은 상술한 절차 및 실시예에 제한되지 않지만 본 발명의 정신에 벗어남이 없이 또 다른 방법으로 실행할 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims

(a) 공동안으로 이동가능한 펀치를 공동의 한 단부에 위치시킨 상태로, 다이 공동내에 폐쇄된 단부를 가지는 중공의 금속 프리폼을 배치시키는 단계, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 펀치와 인접하여 마주보는 관계로 위치되고 프리폼의 적어도 한 부분은 최초에 다이 벽과 내부적으로 간격을 이루고;

(b) 프리폼을 다이 벽과 완전히 접촉되도록 외부로 팽창시키기 위해서 내부 유체 압력을 가하여, 이것에 의해 프리폼에 상기 규정된 형상 및 측면 치수를 부여하는 단계, 상기 유체 압력을 가하는 힘은, 상기 폐쇄 단부상에서, 공동의 상기 한 단부로 향하고; 및

(c) 유체 압력에 의해 가해진 힘의 방향과 대향된 방향으로 프리폼의 폐쇄 단부를 이동시키고 맞물리기 위해 펀치를 공동안으로 이동시키는 단계와 프리폼의 폐쇄 단부를 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 규정된 형상 및 측면 치수의 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 펀치는 프리폼이 확장을 시작을 한 후 그러나 단계 (b)에서 프리폼의 팽창이 완성되기전에 공동안으로 이동되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 펀치는 프리폼의 팽창 시작전에 프리폼의 폐쇄 단부와 접촉되게 이동되고 상기 접촉은 프리폼의 팽창을 통해 유지되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 펀치는 윤곽이 형성된 표면을 구비하고, 상기 프리폼의 폐쇄 단부는 상기 윤곽이 형성된 표면과 같은 모양이 되도록 변형되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 규정된 형상은 넥부와 상기 넥부보다 측면 치수가 더 큰 몸체부를 포함하는 병이고, 상기 프리폼은 장축을 가지며 스텝 (a)에서 상기 공동과 동축으로 배치되며, 상기 펀치는 공동의 장축을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 펀치는 반구형의 윤곽을 가지며, 단계 (c)는 상기 프리폼의 상기 폐쇄된 단부를 상기 반구형의 윤곽으로 변형시키는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 벽은 단계 (c)에 따라 성형된 용기를 제거하기 위해 분리가능한 분할 다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 규정된 형상은 상기 공동의 상기 장축에 대해 비대칭인 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 펀치는 상기 유체 압력에 의해 프리폼의 축방향의 늘어짐을 제한하기 위해, 단계 (b)가 시작하는 곳에서, 최초로 위치되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

단계 (c)는 상기 프리폼의 일부가 다이 벽과 접촉하는 동시에 시작되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 프리폼은 개방 단부와 대향되는 상기 폐쇄 단부를 구비하는 일반적으로최초에 원통형이고 연장되는 소재이고 상기 병 형상의 상기 넥부의 지름과 동일한 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 소재는 단일 압력 성형 작용으로 상기 규정된 형상으로 확장될 수 있는 충분한 성형성을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 11 항에 있어서,

언급된 첫번째의 다이 공동보다 더 작은 다이 공동에 소재를 위치시키고 단계 (a), (b) 및 (c)를 실행하기 전에 상기 규정된 형상 및 측면 치수보다 작은 중간 크기 및 형상으로 소재를 팽창시키기 위해 소재에 내부 유체 압력을 가하는 예비 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 프리폼은 개방 단부와 대향되는 상기 폐쇄 단부를 구비하는 일반적으로 최초에 원통형이고 연장되는 소재이고 상기 병 형상의 상기 넥부 보다 지름이 더 크며; 단계(a), (b) 및 (c)를 실행한 후 지름이 감소된 넥부를 성형하기 위해 소재에, 인접한 상기 개방 단부에, 스핀 성형 작용을 가하는 또 다른 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 프리폼은 알루미늄 프리폼인 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 15 항에 있어서,

단계 (a)를 실행하기 전에, 0.25mm 내지 1.5mm 범위의 두께를 갖는 재결정되고 또는 리커버된 미세구조를 가지는 알루미늄 시트로부터 프리폼을 만드는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 프리폼은 상기 시트에 드로우-리드로우 작용 또는 후방 압출을 가하는 것에 의해 폐쇄된 단부 실린더와 같이 생성되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,

단계 (b)동안, 프리폼 내에 유체 압력은 (ⅰ) 프리폼이 팽창을 시작하기 전에 제 1 최고점으로 상승하는 단계, (ⅱ) 팽창이 시작될때 처럼 최소값으로 하강하는 단계, (ⅲ) 다이 벽과 완전하게 접촉되지 않지만 프리폼이 확장될때까지 표현된 절차와 같이 점차적으로 중간값까지 상승하는 단계, 및 (ⅳ) 프리폼 팽창이 완성되는 동안 중간값에서 상승하는 단계를 연속적으로 발생시키고; 여기서 프리폼의 폐쇄 단부를 변형시키고 이동시키기 위한 단계 (c)에서 펀치의 최조 이동은 단계 (ⅲ)의 끝에서 발생되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,

단계 (b)동안, 프리폼의 폐쇄 단부는 단계 (b)에서 다이 벽과 최초로 접촉되는 프리폼의 상기 부분처럼 확대된 반구체의 형상을 띠고; 여기서 프리폼의 폐쇄 단부를 변형시키고 이동시키기 위한 단계 (c)에서 펀치의 최초 이동은 프리폼 폐쇄 단부가 상기 형상을 띠었을시에 발생되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,

단계 (b)는 공동내 프리폼에 내부의 양의 유체 압력과 외부의 양의 유체 압력을 동시에 적용하는 단계를 포함하고, 상기 내부의 양의 유체 압력은 상기 외부의 양의 유체 압력보다 더 큰 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 20 항에 있어서,

프리폼의 내부 및 외부의 양의 유체 압력을 독립적으로 제어하는 것에 의해 상기 내부의 양의 유체 압력과 상기 외부의 양의 유체 압력사이의 차이를 변경시키고, 이것에 의해 프리폼의 변형율을 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 3 항에 있어서,

폐쇄된 단부에서 시작되고 위로 확장되는 프리폼의 온도 변화를 감소시키기 위해 펀치의 가열 수단에 의해 프리폼에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상부에서 시작되고 아래로 확장되는 프리폼의 온도 변화를 감소시키기 위해 프리폼의 상부 둘레에 있는 가열 수단에 의해 프리폼에 열을 가하는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,

다이의 측면벽에 있는 가열 수단에 의해 프리폼에 열을 적용시키는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.
제 1 항 내지 제 24 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 펀치는 확장 국면의 끝에서 프리폼의 폐쇄 단부를 이동시키고 변형시키기 위해 작동되는 것을 특징으로 하는 금속 용기를 성형하는 방법.