KR20140125869A

KR20140125869A - 용기 성형용 다이 및 다이를 만드는 방법

Info

Publication number: KR20140125869A
Application number: KR1020147025828A
Authority: KR
Inventors: 로버트 이 딕; 앤소니 제이 페두사; 게리 엘 마이어스
Original assignee: 알코아 인코포레이티드
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-10-29
Also published as: CN203470642U; GT201400176A; AR090082A1; JP2015508711A; US20130291612A1; MX2014009808A; ZA201405982B; CN103317014A; EA201491538A1; BR112014020239A8; WO2013123396A1; CL2014002124A1; AU2013202226A1; BR112014020239A2; CA2864123A1; EP2814628A1

Abstract

금속 용기 성형용 다이(10)의 제조 방법은 금속 용기 제조용 확장 다이(10)를 제공하는 단계 및 확장 다이의 작업 표면(12)의 적어도 일부를 피닝하는 단계를 포함한다. 금속 용기 성형용 다이(30)의 다른 제조 방법은 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이(30)를 제공하는 단계 및 다이의 작업 표면(32)의 적어도 일부를 피닝하는 단계를 포함한다.

Description

용기 성형용 다이 및 다이를 만드는 방법{DIES FOR SHAPING CONTAINERS AND METHODS FOR MAKING SAME}

본 출원은 2012년 2월 17일에 출원된 미국 가특허출원 제61/600,373호를 우선권 주장하는 것으로서, 이 미국 가특허출원은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 원용되었다.

본 발명은 용기 성형용 다이 및 다이를 만드는 방법에 관한 것이다.

용기 산업에서, 실질적으로 동일하게 성형된 음료 용기는 대량으로 그리고 상대적으로 경제적으로 생산된다. 용기의 직경을 확장시켜 성형된 용기를 생성하거나 전체 용기의 직경을 넓히기 위해서, 여러 개의 상이한 확장 다이를 사용하여 각 금속 용기를 소망하는 정도까지 확장하는 것에 여러 개의 동작이 흔히 요구되었다. 또한, 다이는 용기를 성형하고 축경(縮徑)(neck)하는 데에 사용되어 왔다. 여러 개의 상이한 축경 다이(necking die)를 사용하여 각 금속 용기를 소망하는 정도까지 좁히는 데에 여러 개의 동작이 흔히 요구되었다.

금속 용기 제조용 확장 다이는 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 확장하도록 구성된 작업 표면을 포함한다. 작업 표면은 점진확장부 및 랜드부(land)를 포함한다. 랜드부의 외측 직경은 다이의 최대 직경이다.

일부 실시예에서, 확장 다이의 작업 표면의 일부는 대략 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극(void) 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리(surface finish)를 가진다. 일부 실시예에서, 적어도 확장 다이의 랜드부의 일부는 대략 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리를 가진다. 일부 실시예에서, 점진확장부의 섹션은 대략 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리를 가진다. 폐색된 공극 영역의 최대 비율은 폐색된 공극 영역/측정된 전체 영역이다(퍼센티지를 위해 100을 곱함).

일부 실시예에서, 점진확장부 및/또는 랜드부의 일부를 포함하는, 확장 다이의 작업 표면의 일부는, 대략 1-2000㎣/㎡, 9-1674㎣/㎡, 33-388㎣/㎡, 100-300㎣/㎡, 100-250㎣/㎡, 125-250㎣/㎡, 150-250㎣/㎡ 및 155-231㎣/㎡ 중의 하나의 범위에서 정규화된(normalized) 폐색된 공극 용적을 가진다. 정규화된 폐색된 부피는 폐색된 공극 영역에 영역의 깊이를 곱하여 표면의 계곡부(valleys) 내에 갖힐 수 있는 윤활유(lubricant)를 수량화한 것이다.

점진확장부는 용기의 개방 단부 내로 삽입될 때 용기의 측벽이 작업 표면을 따라 용기를 이동함에 따라 점진적인 방식으로 용기의 직경을 방사상으로 확장시키는 기하구조 및 치수를 가진다.

확장 다이와 관련해서, 랜드부는 다이가 용기를 확장하는 동안 용기의 섹션이 접촉하는 최대 외측 직경을 갖는 확장 다이의 작업 표면의 부분이다. 각 섹션이 랜드부를 갖고, 각 랜드부가 상이한 외측 직경을 갖는 다수의 섹션을 갖는 것도 다이에 있어서 가능하다. 작은 외측 직경을 갖는 랜드부가 큰 외측 직경을 갖는 랜드부보다 용기 내로 더 이동한다. 다수의 랜드부를 갖는 다이의 예시가 도 1에 도시된다.

일부 실시예에서, 확장 다이의 작업 표면의 첫 부분은 원래 직경 부분에서 확장된 직경 부분으로 용기의 이행을 성형하기 위한 기하구조를 갖는다. 일부 실시예에서, 이 변형은 단계적 또는 점진적이다.

일부 실시예에서, 확장 다이는 언더컷(undercut) 부분을 가지며, 랜드부는 점진확장부 및 언더컷 부분 사이에 존재한다. 랜드부 부분은 확장 다이에 의해 성형된 용기의 최종 직경을 설정하기 위한 기하구조 및 치수를 가진다. 일 실시예에서, 확장 다이의 랜드부의 길이는 0.12인치 또는 그 이상일 수 있다. 다른 실시예에서, 확장 다이의 랜드부의 길이는 0.010인치, 0.020인치, 0.04인치, 0.05, 0.08 또는 0.01 또는 그보다 크거나 또는 그보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 확장 다이의 랜드부의 길이는 0.01인치까지 연속적인 반경의 선접촉(line contact) 범위 내이다. 확장 다이의 일부 실시예에서, 언더컷 부분은 랜드부 부분에 뒤따른다. 확장 다이의 일부 실시예에서, 랜드 부분으로부터 언더컷 부분으로의 이행은 혼합된다(blended).

일부 실시예에서, 언더컷 부분의 적어도 일부는 약 8 μin 내지 약 32 μin의 표면 거칠기 평균값(roughness average)(Ra)을 갖는다. 일부 실시예에서, 점진확장부는 약 2 μin 내지 약 6 μin의 표면 거칠기 평균값(Ra)을 갖는다. 일부 실시예에서, 확장 다이의 랜드부의 적어도 일부는 약 8 μin 내지 약 32 μin의 표면 거칠기 평균값(Ra)을 갖는다. 일부 실시예에서, 랜드부, 점진확장부 및/또는 언더컷 부분의 적어도 일부를 포함하는, 확장 다이의 작업 표면의 적어도 일부는 약 1-50 μin, 1-48 μin, 7-43 μin, 20-50 μin, 20-45 μin, 25-45 μin, 30-45 μin, 20-40 μin, 30-40 μin의 범위에서 3차원으로 측정된 표면 거칠기 평균값(Sa)을 가진다.

언더컷 부분은 외경을 갖는 언더컷 표면을 포함한다. 언더컷 표면과 금속 용기 사이의 마찰 접촉을 감소시키기는 하지만 제거하지는 않도록, 언더컷 표면의 외경은 랜드부 부분의 외경보다 적어도 대략 0.01 인치 더 작고, 최소 직경 이상이다. 언더컷 표면의 외경은 확장 중에 발생할 수 있는 붕괴, 파단, 주름 및 모든 다른 물리적 결합을 최소화하도록 치수 설정된다. 일부 실시예에서, 언더컷 표면의 직경은 랜드부 부분의 외경보다 약 0.0075 내지 약 0.035 인치 더 작다. 일부 실시예에서, 언더컷 표면의 직경은 랜드부 부분의 외경보다 약 0.01, 0.02 또는 0.03 인치 더 작다.

일부 실시예에서, 확장 다이의 작업 표면은 금속 용기 내로 삽입될 때, 전체 랜드부 및 언더컷 부분의 적어도 일부가 금속 용기에 진입하여 랜드부가 용기의 적어도 일부의 직경을 확장하게 하도록 치수 설정된다.

다른 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이는 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 좁히도록 구성되는 작업 표면을 포함한다. 작업 표면은 넥(neck) 반경부, 숄더(shoulder) 반경부 및 랜드부를 포함한다. 랜드부의 내경은 다이의 최소 직경이다.

일부 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 작업 표면의 적어도 일부는 약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리를 가진다. 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 일부 실시예에서, 랜드부의 적어도 일부는 약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리를 가진다. 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 일부 실시예에서, 넥 반경부의 적어도 일부 섹션은 약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리를 가진다. 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 일부 실시예에서, 숄더 반경부의 적어도 일부 섹션은 약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리를 가진다.

금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 일부 실시예에서, 넥 반경부, 숄더 반경부 및/또는 랜드부의 일부를 포함하는, 작업 표면의 일부는, 약 1-2000㎣/㎡, 9-1674㎣/㎡, 33-388㎣/㎡, 100-300㎣/㎡, 100-250㎣/㎡, 125-250㎣/㎡, 150-250㎣/㎡ 및 155-231㎣/㎡ 중의 하나의 범위에서 정규화된 폐색된 공극 용적을 가진다.

금속 용기의 직경을 좁히는 다이와 관련해서, 랜드부는 다이가 용기의 섹션이 접촉하는 최소 내측 직경을 갖는 확장 다이의 작업 표면의 부분이다. 각 섹션이 랜드부를 갖고, 각 랜드부가 상이한 내측 직경을 갖는 다수의 섹션을 갖는 것도 다이에 있어서 가능하다. 큰 내측 직경을 갖는 랜드부가 작은 내측 직경을 갖는 랜드부보다 용기 내로 더 이동한다.

일부 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 랜드부의 길이는 약 0.02인치 내지 약 0.08인치 사이이다. 다른 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 랜드부의 길이는 약 0.03인치 내지 약 0.07인치이다. 다른 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 랜드부의 길이는 약 0.04인치 내지 약 0.06인치이다. 일 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 랜드부의 길이는 약 0.04인치이다. 일 실시예에서, 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 랜드부의 길이는 0.01인치까지 연속적인 반경의 선접촉(line contact) 범위 내이다.

넥 반경부는 다이의 랜드부에 의해 그것의 직경이 좁혀지는 용기의 부분 또는 넥에 바로 인접한 용기 상의 반경을 성형하는 축경 다이의 일부이다.

숄더 반경부는 넥 반경에 인접하게 좁혀지는 용기 상의 반경을 성형하는 축경 다이의 일부이다.

금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 일부 실시예에서, 다이는 릴리프부(relief)를 가지며, 랜드부는 넥 반경부와 릴리프부 사이에 위치한다. 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 일부 실시예에서, 랜드부와 릴리프부 사이의 이행은 혼합된다. 일부 실시예에서, 릴리프부의 적어도 일부는 약 8 μin 내지 약 32 μin의 표면 거칠기 평균(Ra)를 갖는다. 일부 실시예에서, 숄더 반경부의 적어도 일부는 약 2 μin 내지 약 6 μin의 표면 거칠기 평균(Ra)를 갖는다. 일부 실시예에서, 넥 반경부의 적어도 일부는 약 2 μin 내지 약 6 μin의 표면 거칠기 평균(Ra)를 갖는다. 일부 실시예에서, 랜드부의 적어도 일부는 약 8 μin 내지 약 32 μin의 표면 거칠기 평균(Ra)를 갖는다. 일부 실시예에서, 랜드부, 숄더 반경부, 넥 반경부 및/또는 릴리프부의 적어도 일부를 포함하는, 확장 다이의 작업 표면의 적어도 일부는 약 1-50 μin, 1-48 μin, 7-43 μin, 20-50 μin, 20-45 μin, 25-45 μin, 30-45 μin, 20-40 μin, 30-40 μin의 범위에서 3차원으로 측정된 표면 거칠기 평균값(Sa)을 가진다.

릴리프부의 치수는 금속 용기가 랜드부를 통해 축경되어 녹아웃되었을 때, 금속 용기와 축경 다이의 마찰 접촉을 감소시키기 위해서 제공된다. 따라서, 일부 실시예에서, 릴리프부는 넥킹 표면의 Ra와 함께 축경 다이와 축경되는 금속 용기 사이의 마찰 접촉의 감소에 기여하며, 여기서 감소된 마찰 접촉은 축경 성능을 유지하면서도 붕괴의 발생 정도를 감소시키며, 금속 용기의 스트리핑(stripping)을 향상시킨다. 일 실시예에서, 릴리프부는 랜드부의 베이스로부터 적어도 0.005인치 축경 다이 벽 내로 확장한다. 릴리프부는 축경 방향을 따라(y-축을 따라) 축경 다이로 진입하는 금속 용기의 정상부의 전체 길이로 연장하며, 금속 용기와 축경 다이 벽 사이의 마찰 결합을 감소시켜 붕괴의 발생 정도를 감소하면서도 축경 성능을 유지한다. 릴리프부는 릴리프 표면을 포함하며, 금속 용기의 측벽을 축경시에 축경 성능을 유지하면서도 금속 용기의 측벽과 릴리프 표면 사이의 마찰 접촉을 감소시키기는 하지만 제거하지는 않도록 여기서 릴리프 표면의 내경은 적어도 약 0.01 인치 랜드부 부분의 내경보다 크며, 릴리프 표면의 내경은 최대 직경 이하이다. 일부 실시예에서, 릴리프 표면의 직경은 랜드부 부분의 내경보다 약 0.0075 내지 약 0.035인치 크다. 다른 실시예에서, 릴리프 표면의 직경은 랜드부 부분의 내경보다 약 0.01, 0.02 또는 0.03 인치 크다.

일부 실시예에서, 작업 표면은 금속 용기 내로 삽입될 때, 전체 랜드부와 릴리프부의 적어도 일부는 축 방향으로 용기에 대하여 이동하고, 릴리프부의 적어도 일부는 용기의 위쪽 너머로 이동한다.

다른 실시예에서, 금속 용기 제조용 확장 다이는 폐색된 저부를 가지는 금속 용기의 직경을 확장하도록 구성되는 작업 표면을 포함한다. 작업 표면은 점진확장부 및 랜드부를 포함한다. 랜드부의 외경은 다이의 최대 직경이다. 확장 다이가 금속 용기를 확장시킬 때, 작업 표면의 적어도 일부는 금속 용기와 접촉하는 영역과 금속 용기와 접촉하지 않는 영역의 비율이 약 25-99%, 30-71%, 41-71%, 40-55%, 40-52%, 35-55% 및 30-60% 중의 하나의 범위 내인 표면을 가진다. 일부 실시예에서, 이 단락의 확장 다이는 전술한 확장 다이와 동일한 특성을 가진다.

다른 실시예에서, 금속 용기 제조용 다이는 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 좁히도록 구성되는 작업 표면을 포함한다. 작업 표면은 넥 반경부, 숄더 반경부 및 랜드부를 포함한다. 랜드부의 내경은 다이의 최소 직경이다. 다이가 금속 용기를 좁힐 때, 작업 표면의 적어도 일부는 금속 용기와 접촉하는 영역과 금속 용기와 접촉하지 않는 영역의 비율이 약 25-99%, 30-71%, 41-71%, 40-55%, 40-52%, 35-55% 및 30-60% 중의 하나의 범위 내를 갖는 표면을 가진다.

다른 실시예에서, 금속 용기 성형용 다이의 제조 방법은, 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 확장하도록 구성되는 작업 표면을 포함하는 금속 용기 제조용 확장 다이를 제공하는 단계 및 작업 표면의 적어도 일부를 피닝(peening)하는 단계를 포함한다. 작업 표면은 점진확장부 및 랜드부를 포함한다. 랜드부의 외경은 다이의 최대 직경이다.

일부 실시예에서, 랜드부의 적어도 일부는 피닝된다. 일부 실시예에서, 점진확장부의 적어도 일부는 피닝된다.

일부 실시예에서, 작업 표면은 약 1/16 인치 - 3/32 인치 및 1/16 인치 - 5/32 인치 중의 하나의 범위 내의 직경을 가지는 정밀 볼(precision balls)로 피닝된다.

다른 실시예에서, 작업 표면의 피닝된 부분은 약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 가지는 표면 처리를 갖는다.

일부 실시예에서, 작업 표면의 피닝된 부분은 금속 용기와 접촉하는 영역과 금속 용기와 접촉하지 않는 영역이 약 25-99%, 30-71%, 41-71%, 40-55%, 40-52%, 35-55% 및 30-60% 중의 하나의 범위 내의 비율을 갖는다. 일부 실시예에서, 피닝된 작업 표면의 영역의 퍼센트는 약 50-100%, 71-76%, 68-78%, 50-80%, 60-80% 및 60-70% 중의 하나이다. 일부 실시예에서, 다이 표면을 피닝할 동안 정밀 볼을 스러스팅(thrust)하는 데에 사용되는 공기압은 약 10-30psi, 15-20psi 및 15-30psi 중의 하나의 범위 내이다.

다른 실시예에서, 금속 용기 성형용 다이의 제조 방법은, 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 좁히도록 구성되는 작업 표면을 포함하는 금속 용기 제조용 다이를 제공하는 단계 및 작업 표면의 적어도 일부를 피닝하는 단계를 포함한다. 작업 표면은 넥 반경부, 숄더 반경부 및 랜드부를 포함한다. 랜드부의 내경은 다이의 최소 직경이다. 일부 실시예에서, 랜드부의 적어도 일부는 피닝된다. 일부 실시예에서, 숄더 반경부의 적어도 일부는 피닝된다. 일부 실시예에서, 넥 반경부의 적어도 일부는 피닝된다. 일부 실시예에서, 작업 표면은 약 1/16 인치 - 3/32 인치 및 1/16 인치 - 5/32 인치 중의 하나의 범위 내의 직경을 가지는 정밀 볼로 피닝된다. 일부 실시예에서, 작업 표면의 피닝된 부분은 약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 가지는 표면 처리를 갖는다. 일부 실시예에서, 작업 표면의 피닝된 부분은 금속 용기와 접촉하는 영역과 금속 용기와 접촉하지 않는 영역이 약 25-99%, 30-71%, 41-71%, 40-55%, 40-52%, 35-55% 및 30-60% 중의 하나의 범위 내의 비율을 갖는다. 일부 실시예에서, 피닝된 작업 표면의 영역의 퍼센트는 약 50-100%, 71-76%, 68-78%, 50-80%, 60-80% 및 60-70% 중의 하나이다. 일부 실시예에서, 다이 표면을 피닝할 동안 정밀 볼을 스러스팅하는 데에 사용되는 공기압은 약 10-30psi, 15-20psi 및 15-30psi 중의 하나의 범위 내이다.

위의 모든 실시예는 윤활유의 사용 없이 금속 용기를 좁히거나 확장하는 데에 사용될 수 있다. 위의 모든 실시예는 투피스(two-piece) 용기로도 알려진, 폐색되고, 일체화된 저부를 가지는 취출되고(drawn) 다림질된(ironed) 알루미늄 컨테이너를 포함하는 금속 용기의 임의의 타입의 사용에 있어서도 적합하다. 위의 모든 실시예에서, 금속 용기를 포함하는 금속은 종래에 알려진 알루미늄 및 강철을 포함하는 임의의 금속일 수 있으나, 그것에 한정되는 것은 아니다. 금속 용기는 돔(dome)을 가지거나 가지지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 용기는 폐색된 저부를 갖는 원피스(one-piece) 금속 용기이다. 일부 실시예에서, 금속 용기는 다수의 금속 조각이 서로 접합되어(seamed) 구성된다.

약 1%-30%, 4%-26%, 10%-26%, 10%-20%, 10%-15% 및 12%-15% 중의 하나의 범위의 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리는 여기서 "텍스쳐드(textured) 표면"으로 언급될 것이다. 개방된 공극 용적 및 폐색된 공극 용적은 여기서 참조로서 결합되는 "Surface Characterisation in Forming Processes by Functional 3D Parameters"(S.Weidel, U.Engel, Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2007) 33: 130-136)에서 기술되며 WinSam(윈도우즈 용 표면 분석 모듈, Surface Analysis Module for Windows)에 의해 특징지어졌다.

일 실시예에서, 텍스쳐드 표면은 매끈하지만 잔물결이 있는(dimpled) 텍스쳐(texture)를 생성하는 정밀 볼 베어링으로 피닝을 통해서, 넥킹 및 확장 다이 상에 생성된다. 피닝은 다이보다 큰 경도를 가져서 툴 표면에 딤플(dimple)을 생성하는 스러스팅 정밀 볼을 포함한다. 처리된 표면의 디자인은 볼의 크기 및 경도, 블라스트 프로세스(blast process)의 속도, 및 다이를 향한 반복적인 때림의 횟수에 의존한다. 이 명세서를 위해, 정밀 볼은 약 1% 이상 차이가 나지 않는 직경을 갖는 볼을 뜻한다.

툴 표면은 매끄러우나, 편평하지는 않으며, 과도한 잔해 발생 또는 툴 마모 없이 마찰을 감소시킬 수 있다. 감소된 마찰은 다이와 금속 용기 사이의 접촉 영역이 감소되는 것에 기인한다. 접촉 영역은 여기서 참조로서 결합되는 "Surface Characterisation in Forming Processes by Functional 3D Parameters"(S.Weidel, U.Engel, Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2007) 33: 130-136)에서 기술되며 WinSam(윈도우즈 용 표면 분석 모듈, Surface Analysis Module for Windows)에 의해 특징지어졌다. 감소된 마찰은 용기에 데미지(damage)를 주는 것 없이 확장 다이 또는 축경 다이에 한 번의 스트로크(stroke)로 큰 규모의 금속 용기를 확장 또는 축경시킬 수 있다. 데미지는 금속 용기의 주름, 균열, 루더링(ludering), 붕괴 또는 금속 용기의 외관을 손상시키는 임의의 것을 포함한다.

본 발명의 일부 실시예는 3차원 표면 파라미터를 사용하여 텍스쳐드 표면의 지형을 관찰하여 워크피스와 툴의 접촉 영역을 최소화하는 것을 목표로 한다.

일부 실시예에서, 확장 또는 축경 다이 상의 텍스쳐드 표면의 사용은 다음과 같은 장점의 임의의 조합을 가질 수 있다: 마찰의 감소에 따라 용기에 데미지 없이 확장 또는 축경 다이의 한 번의 스트로크로 성형하는 금속의 크기를 최대화하여, 그에 따라 금속을 성형하는 단계의 횟수를 감소하고, 스크랩(scrap)의 양을 감소시키며, 최종 제품 치수 사양을 만족하도록 요구되는 초기 하중을 감소시키며, 금속 용기를 성형할 때, 윤활유의 사용 수요를 없앤다. 일부 실시예에서, 정밀 볼로 다이를 피닝하는 것은 하이 폴리쉬(highly polished) 다이보다 일정하게 결점 없이 금속 용기를 성형할 수 있는 다이를 만들게 해준다.

도 1은 두 개의 랜드부를 가지는 확장 다이의 단면도이다.
도 2는 도 1의 확장 다이의 부분 단면도이다.
도 3은 금속 용기의 직경을 좁히기 위한 다이의 단면도이다.
도 4는 금속 유동의 방향을 도시한다.
도 5는 전술한 바와 같이 피닝된 후의 축경 다이의 작업 표면의 일부의 내측 직경을 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 축경 다이의 작업 표면의 일부의 내측 직경의 가시 이미지의 작은 영역을 도시한다.
도 7은 지표면의 표면 지형을 도시한다.
도 8은 도 5 내지 7에서 도시한 피닝된 표면 및 지표면의 평균 횡방향 Ra를 도시하는 챠트이다.
도 9는 확장 다이의 피닝된 작업 표면의 표면 지형을 도시한다.
도 10은 도 9에 도시된 표면 지형을 자국(indentation)의 깊이 및 높이를 도시하는 대응 라인 프로파일과 함께 도시한다.
도 11은 도 9 및 10에 도시된 피닝된 작업 표면의 베어링 영역 곡선을 도시한다.
도 12는 용기의 확장 동안 금속 용기 상에 위치한 피닝된 작업 표면을 갖는 확장 다이의 성형 부하의 양을 도시한다.
도 13은 피닝된 작업 표면을 갖는 확장 다이의 성형 에너지를 도시한다.
도 14는 피닝되지 않은 표면에 대하여 표면 베어링 영역 대비 마찰에 기인한 에너지를 도시한다.
도 15는 피닝된 표면에 대하여 표면 베어링 영역 대비 마찰에 기인한 에너지를 도시한다.

예시적 확장 다이(10)가 도 1 및 2에 도시된다. 점진확장부(14) 및 랜드부(16)를 포함하는 작업 표면(12)이 도시된다. 언더컷부(18) 또한 도시된다.

금속 용기의 직경을 좁히도록 구성된 작업 표면(32)을 갖는 예시적 다이(30)가 도 3에 도시된다. 작업 표면은 넥 반경부(34), 숄더 반경부(36) 및 랜드부(38)를 포함한다. 릴리프부(40) 또한 도시된다.

일 실시예에서, 축경 다이의 작업 표면은 0.093 인치 직경의 클래스(Class) 1000 볼로 피닝되었다. 볼의 품질은 먼지 발생 또는 볼의 균열을 최소화하기에 충분하다. 피닝된 축경 다이의 분석은 다음과 같다.

·축경 다이의 내측 직경은 직각 랜스(lance)를 사용하여 처리되었다.

·축경 다이의 내측 직경의 레플리카(replica)는 일단부에서 취해졌다.

·지형 및 거칠기 데이터는 레플리카로부터 얻은 것이다.

·레플리카로부터의 모든 지형 이미지는 다이 표면의 실제 지형을 묘사하도록 반전되었다(inverted).

·정의

- Sci는 코어 유체 보유 지수이다. Sci>1은 양호한 유체 보유를 나타낸다.

- Svi는 골짜기 유체 보유 지수이다. 0<Svi<0.2의 높은 Sci는 골짜기 영역에서 양호한 유체 보유를 나타낸다.

- Vcl은 유체를 가두기 위해서 가용한 표면에서의 공극 용적(void volume)을 나타내는 폐색된 공극 용적이다.

- Vop는 유체를 탈출시키는 것을 허용하는 표면에서의 공극 용적을 나타내는 개방된 공극 용적이다.

·도구

- 지형 - NanoFocus μSurf I

·0.8mm X 0.8mm의 시계(field of view, FOV)를 부여하는 20X 대물렌즈(objective)를 사용

·큰 시계(LFOV) 지형 5.5mm X 2.15mm

도 4는 다음의 지형 이미지에 관한 금속 유동의 방향을 도시한다.

도 5는 전술한 바와 같이 피닝된 후의 축경 다이의 작업 표면의 일부의 내측 직경을 나타낸다.

도 6은 도 5에 도시된 축경 다이의 작업 표면의 일부의 내측 직경의 가시 이미지의 작은 영역을 도시한다.

피닝 후의 축경 다이의 작업 표면의 표면 특성은 다음과 같다: Sa 평균 = 18.8 μin, Sci 평균 = 1.63, Svi 평균 = 0.11, Vcl 평균 = 72.2 ㎣/㎡, Vop 평균 = 1965 ㎣/㎡.

도 7은 지상의, 피닝되지 않은 표면을 나타낸다. 도 7에 도시된 표면의 표면 특성은 다음과 같다: Sa 평균 = 20.5 μin, Sci 평균 = 1.24, Svi 평균 = 0.16, Vcl 평균 = 46.6 ㎣/㎡, Vop 평균 = 2640 ㎣/㎡.

도 8은 양 피닝된 표면 및 지표면의 평균 횡방향 Ra를 나타내는 챠트이다.

결론

·피닝된 표면은 유사한 Ra값을 갖는 지표면보다 거의 두 배의 폐색된 공극 용적을 갖는다.

·유체 보유 파라미터 Sci, 및 Svi는 모두 지표면보다 피닝된 축경 다이 상의 표면이 유체 보유가 더 뛰어나다는 것을 나타낸다.

·폐색된 공극 용적 Vcl, 및 개방된 공극 용적 Vop 파라미터 또한 축경 다이 상의 피닝된 표면이 유체 보유가 양호하다는 것을 나타낸다.

·이는 피닝된 표면이 지표면보다 더 양호한 마찰공학 상의 성능을 갖는다는 것을 나타낸다.

다른 예에서, 확장 다이는 0.1575인치(4mm) 클래스 1000 볼로 피닝되었다.

도 9 및 10은 피닝 후의 작업 표면의 일부의 표면 지형을 나타낸다. 도 11은 작업 표면의 피닝된 부분의 베어링 영역 곡선을 나타낸다.

다른 예에서, 몇몇 확장 다이의 작업 표면은 피닝에 의해 조정되었고(modified), 마찰에 관한 결과효과는 하드터닝되고(hard turning) 라이트 폴리싱(light polishing)되어 왔던 다이 표면으로부터의 베이스 라인 마찰과 비교되었다. 하드터닝되고 라이트 폴리싱된 표면은 텍스쳐링되지 않았으나 8 내지 10 μin의 Ra값을 갖는다. 다른 모든 요소는 일정하게 유지되었다(예비성형(Pre-Form), 툴 기하구조, 에어 스트리핑 사용하지 않음, 윤활유 사용하지 않음). 10 개의 샘플이 각 표면 조합으로부터 취해졌다. "B 볼"은 1/16인치 직경을 갖는 정밀 볼이다. "C 볼"은 3/32인치 직경을 갖는 정밀 볼이다.

툴 표면에 기인한 마찰의 변화는 성형 에너지의 변화로부터 볼 때 명백하다. 성형 에너지 합계는 수치 적분 기술을 이용하여 부하 대 변위 데이터로부터 계산되었다.

툴 표면은 Sa(표면 거칠기를 위한 3차원 파라미터), Vcl(정상화된 폐색된 공극 용적), αclm(폐색된 공극 영역(/측정된 총 영역)의 최대 비율) 및 각 표면 처리의 접촉 영역의 퍼센티지에 의해 특징지어진다.

변형 에너지는 마찰이 없는 상태에서 성형 에너지를 제공하기 위해서 주어진 툴 및 예비성형 샘플 기하구조를 사용해서 유한요소 분석법을 사용하여 계산되었다. 그리고 나서 마찰 데이터는 마찰에 기인한 에너지 수치에 도달하기 위해 성형 에너지 총합으로부터 변형 에너지를 빼서 표로 만들어진다.

결과는 접촉 영역의 퍼센티지로 특징지어진 각 표면을 위한 마찰 에너지의 퍼센티지 변화로 제공된다.

도 12는 금속 용기 상에 위치하는 확장 다이의 성형 부하의 양을 도시한다. 도 13은 성형 에너지를 도시한다. 도 14는 피닝되지 않은 표면에 대하여 표면 베어링 영역 대 마찰에 기인한 에너지를 도시한다. 도 15는 피닝된 표면에 대하여 표면 베어링 영역 대 마찰에 기인한 에너지를 도시한다.

* 표준 편차 계산은 성형 에너지 데이터로부터 고리형(open circled) 특이점(outlier)은 제외한다.

·원래의 하드터닝 및 라이트 폴리싱 외에 'C' 볼 처리를 부가한 툴 표면은 윤활유의 사용 없이 15 내지 19 퍼센트 만큼의 성형 에너지를 감소시키는 것으로 나타났다.

·더 작은 직경의 볼('B' 볼)을 사용하는 것이 윤활유의 사용 없이 4 내지 10 퍼센트 만큼의 성형 에너지를 감소시키는 것으로 나타났다.

·앞서 생성된 'B' 볼 표면을 'C' 볼로 리피닝하는 것은 성형 에너지에 있어서 통계적으로 현저한 변화를 생성하지는 않는다.

이 명세서를 위해, 맨위, 맨 아래, 밑에, 위에, 아래에, 상부에 등의 용어는, 제조 또는 성형 단계 또는 프로세스 동안 금속 용기의 지향과 관계없이, 편평한 표면 상에 놓인 처리된 금속 용기의 위치에 상대적이다. 처리된 금속 용기는 그것이 말단 소비자에게 사용되기 전에 추가적인 성형 단계를 거치지 않을 금속 용기이다. 일부 실시예에서, 용기의 위쪽은 개구를 갖는다.

본 발명이 그것의 특정 버전을 참고로 상당히 자세히 기술되었으나, 다른 버전도 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위 및 사상은 여기에 포함되는 버전의 기재 사항에 제한되어서는 안 된다.

청구항, 요약 및 도면을 포함하는 명세서에 개시된 모든 특징들, 그리고 개시된 임의의 방법 또는 프로세스에서의 모든 단계들은, 그러한 특징 및/또는 단계의 적어도 몇몇의 상호 배타적인 조합을 제외하고는, 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 청구항, 요약, 및 도면을 포함하는 명세서에 개시된 각 특징은, 명시적으로 다르게 기재된 것이 아니라면, 동일, 균등 또는 유사한 목적을 제공하는 대안적 특징으로 교체될 수 있다. 따라서, 명시적으로 다르게 기재된 것이 아니라면, 개시된 각 특징은 균등한 또는 유사한 특징의 포괄적인 시리즈의 단지 일례에 불과하다.

특정한 기능을 수행하는 "수단" 또는 특정한 기능을 수행하는 "단계"를 명확하게 기재하지 않는 청구항 내의 임의의 구성요소는 35 U.S.C. §112에 명시된 "~을 위한 수단 또는 단계" 조항으로 해석되어서는 안 될 것이다.

Claims

금속 용기 제조용 확장 다이로서,
폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 확장하도록 구성된 작업 표면을 포함하고, 상기 작업 표면은,
점진확장부; 및
랜드부를 포함하고,
상기 랜드부의 외경은 상기 다이의 최대 직경이고,
상기 작업 표면의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는
금속 용기 제조용 확장 다이.
제 1 항에 있어서,
상기 랜드부의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
확장 다이.
제 1 항에 있어서,
상기 점진확장부의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
확장 다이.
제 1 항에 있어서,
언더컷 부분을 더 포함하고, 상기 랜드부는 상기 점진확장부와 상기 언더컷 부분 사이에 위치하는
확장 다이.
금속 용기 제조용 다이로서,
폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 좁히도록 구성되는 작업 표면을 포함하고, 상기 작업 표면은,
넥 반경부;
숄더 반경부; 및
랜드부를 포함하고,
상기 랜드부의 내경은 상기 다이의 최소 직경이고,
상기 작업 표면의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
금속 용기를 제조하는 다이.
제 5 항에 있어서,
상기 랜드부의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
다이.
제 5 항에 있어서,
상기 넥 반경부의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
다이.
제 5 항에 있어서,
상기 숄더 반경부의 적어도 일부는 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
다이.
제 5 항에 있어서,
릴리프부를 더 포함하고, 상기 랜드부는 상기 넥 반경부와 상기 릴리프부 사이에 위치하는
다이.
금속 용기 성형용 다이의 제조 방법으로서,
금속 용기 제조용 확장 다이를 제공하는 단계로서, 상기 확장 다이는 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 확장하도록 구성되는 작업 표면을 포함하고, 상기 작업 표면은, 점진확장부 및 랜드부를 포함하고, 상기 랜드부의 외경은 상기 다이의 최대 직경인, 상기 금속 용기 제조용 확장 다이를 제공하는 단계와,
상기 작업 표면의 적어도 일부를 피닝하는 단계를 포함하는
금속 용기 성형용 다이의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 랜드부의 적어도 일부는 피닝된
제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 점진확장부의 적어도 일부는 피닝된
제조 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 작업 표면의 상기 피닝된 부분은 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
제조 방법.
금속 용기 성형용 다이의 제조 방법으로서,
금속 용기 제조용 다이를 제공하는 단계로서, 상기 다이는 폐색된 저부를 갖는 금속 용기의 직경을 좁히도록 구성되는 작업 표면을 포함하고, 상기 작업 표면은, 넥 반경부, 숄더 반경부, 및 랜드부를 포함하고, 상기 랜드부의 내경은 상기 다이의 최소 직경인, 상기 금속 용기 제조용 다이를 제공하는 단계와,
상기 작업 표면의 적어도 일부를 피닝하는 단계를 포함하는
금속 용기 성형용 다이의 제조 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 랜드부의 적어도 일부는 피닝된
제조 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 숄더 반경부의 적어도 일부는 피닝된
제조 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 넥 반경부의 적어도 일부는 피닝된
제조 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 작업 표면의 상기 피닝된 부분은 1% 내지 30% 범위에서 폐색된 공극 영역의 최대 비율을 갖는 표면 처리부를 가지는
제조 방법.