RU2296641C2 - Method for plunger molding of metallic containers and similar articles - Google Patents
Method for plunger molding of metallic containers and similar articles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2296641C2 RU2296641C2 RU2003134535/02A RU2003134535A RU2296641C2 RU 2296641 C2 RU2296641 C2 RU 2296641C2 RU 2003134535/02 A RU2003134535/02 A RU 2003134535/02A RU 2003134535 A RU2003134535 A RU 2003134535A RU 2296641 C2 RU2296641 C2 RU 2296641C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- workpiece
- preform
- punch
- closed end
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
- B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
- B21D26/033—Deforming tubular bodies
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
- B21D22/14—Spinning
- B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
- B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
- B21D26/033—Deforming tubular bodies
- B21D26/041—Means for controlling fluid parameters, e.g. pressure or temperature
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
- B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
- B21D26/033—Deforming tubular bodies
- B21D26/047—Mould construction
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
- B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
- B21D26/033—Deforming tubular bodies
- B21D26/049—Deforming bodies having a closed end
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D51/00—Making hollow objects
- B21D51/16—Making hollow objects characterised by the use of the objects
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D51/00—Making hollow objects
- B21D51/16—Making hollow objects characterised by the use of the objects
- B21D51/26—Making hollow objects characterised by the use of the objects cans or tins; Closing same in a permanent manner
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)
- Blow-Moulding Or Thermoforming Of Plastics Or The Like (AREA)
- Containers Having Bodies Formed In One Piece (AREA)
- Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Forging (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к способу формования металлических контейнеров и подобных изделий, использующему внутреннее давление текучей среды для расширения полой металлической заготовки или изделия в полости матрицы. Важный аспект изобретения относится к способам формования алюминиевых или других металлических фасонных контейнеров, например, имеющих форму асимметричной бутылки.The present invention relates to a method for forming metal containers and similar products, using the internal pressure of the fluid to expand a hollow metal billet or product in the cavity of the matrix. An important aspect of the invention relates to methods for forming aluminum or other metal shaped containers, for example, having the shape of an asymmetric bottle.
Уровень техникиState of the art
Металлические банки хорошо известны и широко используются для напитков. Существующие корпуса банок для напитков, либо цельные банки с утоненным при вытяжке корпусом, либо корпуса, открытые с обоих концов (с отдельными "крышками" сверху и снизу), обычно имеют простые вертикальные цилиндрические боковые стенки. Иногда желательно, например, из соображений эстетики, привлекательности для потребителя и/или идентификации продукта придавать боковым стенкам металлического контейнера для напитков более сложную форму и, в частности, выполнять металлический контейнер в форме бутылки, а не в форме простого цилиндра. Однако такую конфигурацию нельзя получить с помощью обычных операций, используемых для изготовления банок.Metal cans are well known and widely used for drinks. Existing beverage can housings, either solid cans with a thinned down hood when the hood is drawn, or cases open at both ends (with separate “lids” at the top and bottom) usually have simple vertical cylindrical side walls. It is sometimes desirable, for example, for reasons of aesthetics, attractiveness to the consumer and / or product identification, to give the side walls of the metal beverage container a more complex shape and, in particular, to make the metal container in the form of a bottle rather than a simple cylinder. However, this configuration cannot be obtained using the usual operations used to make cans.
Для этих и других целей необходимы удобные и эффективные способы придания заготовкам "бутылкообразных" или других сложных форм. Кроме того, желательно использовать такие технологии, которые обеспечили бы формование фасонных контейнеров без радиальной симметрии, что позволит увеличить разнообразие получаемых конфигураций.For these and other purposes, convenient and effective methods are needed to give the blanks “bottle-shaped” or other complex shapes. In addition, it is desirable to use such technologies that would ensure the formation of shaped containers without radial symmetry, which will increase the diversity of the resulting configurations.
В патенте США №3040684 описывается устройство для формования дверных ручек из заготовок с использованием матрицы и гидравлического давления. Заготовку помещают в полость матрицы, заполняют гидравлической жидкостью и запечатывают. Затем матрицу закрывают, перемещают нижний плунжер вверх, вынуждая стенки заготовки принимать форму полости матрицы. Во время этой операции объем текучей среды не изменяется, и расширение заготовки обеспечивается перемещением плунжера.US Pat. No. 3,040,684 describes a device for forming door handles from blanks using a die and hydraulic pressure. The blank is placed in the cavity of the matrix, filled with hydraulic fluid and sealed. Then the matrix is closed, the lower plunger is moved upward, forcing the walls of the workpiece to take the form of a cavity of the matrix. During this operation, the volume of the fluid does not change, and the preform is expanded by moving the plunger.
В патенте США №4362037 описано другое устройство для формования дверной ручки, в котором используется разъемная матрица. Заготовка представляет собой частично отформованную дверную ручку, круглый наружный торец которой помещают в нижнюю матрицу. Верхняя матрица имеет полость, участки боковых стенок которой определяют окончательную форму ручки. Этой верхней матрицей нажимают вниз на заготовку, опирающуюся на нижнюю матрицу. Затем внутрь заготовки нагнетают жидкость, тем самым вынуждая заготовку принимать форму полости матрицы.US Pat. No. 4,362,037 describes another device for molding a door handle that uses a split matrix. The blank is a partially molded doorknob, the round outer end of which is placed in the lower matrix. The upper matrix has a cavity, sections of the side walls of which determine the final shape of the handle. This upper matrix is pressed down onto the workpiece resting on the lower matrix. Then, liquid is injected into the preform, thereby forcing the preform to take the form of a matrix cavity.
В патенте США №6182487 описывается способ изготовления металлического сосуда, использующий разъемную матрицу, которая состоит из неподвижной и подвижной матриц. Сначала формуют цилиндр, дно которого приваривают к оболочке, после чего цилиндр устанавливают нижним торцом в подвижной матрице, а открытый конец цилиндра крепится к неподвижной матрице. Через неподвижную матрицу в цилиндр подают давление, а подвижную матрицу смыкают с неподвижной для формирования сосуда.US Pat. No. 6,182,487 describes a method for manufacturing a metal vessel using a split matrix that consists of a fixed and a movable matrix. First, a cylinder is formed, the bottom of which is welded to the shell, after which the cylinder is installed with the bottom end in the movable matrix, and the open end of the cylinder is attached to the fixed matrix. Pressure is applied to the cylinder through the stationary matrix, and the movable matrix is closed to the stationary one to form the vessel.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящее изобретение обеспечивает способ формования металлического контейнера заданной формы и заданных поперечных размеров, согласно которому размещают в полости матрицы полую металлическую заготовку, имеющую закрытый конец. Полость матрицы окружена стенкой матрицы, определяющей указанные форму и поперечные размеры. У одного из концов полости расположен пуансон с возможностью перемещения внутрь полости. Закрытый конец заготовки размещают в направлении и вблизи пуансона, при этом по меньшей мере часть заготовки первоначально имеет зазор со стенками матрицы. Заготовку подвергают воздействию внутреннего давления текучей среды для расширения заготовки наружу до вхождения по существу в полный контакт со стенками матрицы с целью придания заготовке заданной формы и заданных поперечных размеров. Давление текучей среды воздействует на закрытый конец заготовки с усилием, направленным в сторону указанного конца полости. Пуансон перемещают внутрь полости либо до начала расширения заготовки, либо после начала, но до завершения расширения заготовки, для вхождения в контакт с закрытым концом заготовки и смещения этого конца в направлении, противоположном направлению усилия воздействия текучей среды на указанный закрытый конец заготовки. В результате обеспечивается деформирование закрытого конца заготовки. Перемещение пуансона производят с помощью плунжера, способного прикладывать достаточное усилие к пуансону для смещения и деформации заготовки. Этот способ иногда называют способом плунжерного формования под давлением (PRF-формование), поскольку контейнер формуется как за счет приложенного внутреннего давления текучей среды, так и за счет перемещения пуансона плунжером.The present invention provides a method of forming a metal container of a given shape and given transverse dimensions, according to which a hollow metal billet having a closed end is placed in the matrix cavity. The cavity of the matrix is surrounded by a wall of the matrix that defines the specified shape and transverse dimensions. A punch is located at one end of the cavity with the ability to move inside the cavity. The closed end of the preform is placed in the direction and near the punch, with at least a portion of the preform initially having a gap with the walls of the matrix. The workpiece is subjected to internal fluid pressure to expand the workpiece outward until it comes into substantially full contact with the walls of the matrix in order to give the workpiece a given shape and predetermined transverse dimensions. The pressure of the fluid acts on the closed end of the workpiece with a force directed towards the specified end of the cavity. The punch is moved into the cavity either before the expansion of the preform begins, or after the beginning, but before the expansion of the preform is completed, to come into contact with the closed end of the preform and to displace this end in the direction opposite to the direction of the force of the fluid acting on the closed end of the preform. The result is the deformation of the closed end of the workpiece. The movement of the punch is carried out using a plunger capable of applying sufficient force to the punch to displace and deform the workpiece. This method is sometimes called the method of plunger molding under pressure (PRF-molding), because the container is molded due to the applied internal pressure of the fluid, and due to the movement of the punch by the plunger.
Другой особенностью изобретения является то, что пуансон имеет фасонную поверхность, а закрытый конец заготовки деформируют для соответствия этой фасонной поверхности. Например, пуансон может иметь куполообразный профиль, так что закрытый конец заготовки при деформации приобретает форму купола.Another feature of the invention is that the punch has a shaped surface, and the closed end of the workpiece is deformed to fit this shaped surface. For example, the punch may have a dome-shaped profile, so that the closed end of the preform takes on the shape of a dome upon deformation.
Заданная форма, которую приобретает контейнер, может представлять собой форму бутылки, включающую горловинную часть и корпусную часть, имеющую большие поперечные размеры, чем горловинная часть. Полость матрицы и заготовка имеют продольные оси, причем заготовку размещают по существу соосно с полостью, а пуансон перемещают вдоль продольной оси полости.The predetermined shape that the container takes may be a bottle shape including a neck portion and a body portion having larger transverse dimensions than the neck portion. The cavity of the matrix and the workpiece have longitudinal axes, the workpiece being placed essentially coaxial with the cavity, and the punch is moved along the longitudinal axis of the cavity.
В предпочтительном варианте стенка матрицы содержит составную часть, выполненную с возможностью отделения для удаления сформованного контейнера. В случае разъемной матрицы заданная форма может быть асимметричной относительно продольной оси полости.In a preferred embodiment, the matrix wall comprises a component configured to separate to remove the molded container. In the case of a detachable matrix, the predetermined shape may be asymmetric with respect to the longitudinal axis of the cavity.
Для ограничения осевого удлинения заготовки под воздействием давления текучей среды целесообразно, чтобы первоначально, то есть до приложения давления текучей среды, пуансон располагался вблизи закрытого конца заготовки или в контакте с ним. Перемещение пуансона может начинаться после того, как расширяющаяся нижняя часть заготовки вошла в контакт со стенкой матрицы.To limit the axial elongation of the preform under the influence of the fluid pressure, it is advisable that initially, that is, before the application of the fluid pressure, the punch is located near the closed end of the preform or in contact with it. The movement of the punch may begin after the expanding lower part of the preform has come into contact with the die wall.
Предпочтительно, чтобы заготовка для формования контейнера в виде бутылки или подобной конфигурации была выполнена в виде удлиненного и первоначально по существу цилиндрического изделия, имеющего открытый конец, противоположный закрытому концу изделия. В конкретных вариантах осуществления данного изобретения диаметр такого изделия может быть по существу равен диаметру горловинной части контейнера в виде бутылки, а изделие обладает способностью к формованию, достаточной для расширения до заданной формы за одну операцию формования под давлением. Если такая способность к формованию недостаточна, то прежде чем приступать к PRF-формованию, описанному выше, заготовку предварительно помещают в полость матрицы меньших размеров, чем вышеупомянутая полость, и подвергают в этой полости воздействию внутреннего давления текучей среды, чтобы расширить заготовку до промежуточного размера и формы, которые меньше заданных поперечных размеров и заданной формы.Preferably, the preform for molding the container in the form of a bottle or a similar configuration is made in the form of an elongated and initially substantially cylindrical product having an open end opposite the closed end of the product. In specific embodiments of the invention, the diameter of such an article may be substantially equal to the diameter of the neck of the bottle-shaped container, and the article is capable of molding sufficient to expand to a predetermined shape in a single injection molding operation. If this molding ability is insufficient, then before proceeding with the PRF molding described above, the preform is preliminarily placed in a cavity of a matrix smaller than the aforementioned cavity and subjected to internal pressure of the fluid in this cavity to expand the preform to an intermediate size and forms that are smaller than the specified transverse dimensions and the given shape.
Альтернативно, если удлиненное и первоначально по существу цилиндрическое изделие имеет больший первоначальный диаметр, чем горловинная часть бутылки, то способ формования контейнера в виде бутылки может содержать дополнительный этап вращательного формования изделия на участке вблизи его открытого конца, чтобы образовать горловинную часть уменьшенного диаметра. Этот этап следует за выполнением PRF-формования.Alternatively, if the elongated and initially substantially cylindrical product has a larger initial diameter than the neck of the bottle, the method of forming the container in the form of a bottle may include an additional step of rotationally molding the product at a portion near its open end to form a neck of a reduced diameter. This step follows the implementation of the PRF molding.
Можно также уменьшить диаметр горловинной части заготовки путем сужения с помощью протяжного кольца. Эта операция сужения с помощью протяжного кольца может быть проведена до этапа расширения.You can also reduce the diameter of the neck of the workpiece by narrowing with a lingering ring. This narrowing operation using a lingering ring can be carried out prior to the expansion step.
Заготовка может быть алюминиевой (используемый здесь термин "алюминий" обозначает сплавы на основе алюминия, а также чистый алюминий) и может изготавливаться из листа алюминия, имеющего рекристаллизованную или восстановленную микроструктуру и толщину в пределах приблизительно от 0,25 до 1,5 мм. Заготовку могут изготавливать в виде цилиндра с закрытым концом путем многократной вытяжки или прессованием обратным методом.The billet may be aluminum (the term "aluminum" as used herein refers to aluminum-based alloys as well as pure aluminum) and may be made from an aluminum sheet having a recrystallized or reduced microstructure and a thickness in the range of about 0.25 to 1.5 mm. The blank can be made in the form of a cylinder with a closed end by repeated drawing or pressing by the reverse method.
Во время воздействия на заготовку внутреннего давления текучей среды давление текучей среды внутри заготовки проходит ряд последовательных стадий: (i) повышение до первого максимума до начала расширения заготовки, (ii) падение до минимального значения после начала расширения, (iii) постепенное повышение до промежуточного значения по мере расширения заготовки, но до ее неполного вхождения в контакт со стенкой матрицы, и (iv) повышение от этого промежуточного давления при завершении расширения заготовки. В предпочтительном варианте настоящего изобретения перемещение пуансона, осуществляющего смещение и деформацию закрытого конца заготовки, в этой последовательности стадий изменения давления начинают в конце стадии (iii).When the internal pressure of the fluid is applied to the workpiece, the fluid pressure inside the workpiece goes through a series of successive stages: (i) increase to the first maximum before the expansion of the workpiece begins, (ii) drop to the minimum value after the start of expansion, (iii) gradually increase to an intermediate value as the preform expands, but until it comes into incomplete contact with the matrix wall, and (iv) an increase from this intermediate pressure at the completion of the preform expansion. In a preferred embodiment of the present invention, the movement of the punch displacing and deforming the closed end of the preform in this sequence of stages of pressure change begins at the end of stage (iii).
В процессе приложения внутреннего давления текучей среды закрытый конец заготовки приобретает увеличенную и по существу полусферическую конфигурацию, когда заготовка входит в контакт со стенкой матрицы, при этом перемещение пуансона начинают по существу в тот момент, когда закрытый конец заготовки приобретет эту конфигурацию.During the application of internal fluid pressure, the closed end of the preform takes on an enlarged and substantially hemispherical configuration when the preform comes into contact with the die wall, and the movement of the punch begins essentially at the moment the closed end of the preform acquires this configuration.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением приложение к заготовке внутреннего давления текучей среды представляет собой одновременное приложение к находящейся в полости заготовки избыточного внутреннего давления текучей среды и избыточного внешнего давления текучей среды, причем избыточное внутреннее давление больше избыточного внешнего давления. Внутреннее и внешнее давления обеспечиваются соответственно двумя барическими системами, имеющими независимое регулирование. Скорость деформации в заготовке регулируют путем независимого регулирования внутреннего и внешнего избыточных давлений текучей среды, прилагаемых одновременно к заготовке с целью изменения разности между этими давлениями. В результате устраняются трудности, связанные с чрезмерными скоростями деформации, и достигаются дополнительные положительные результаты, например уменьшение гидростатических напряжений, которые способны вызвать повреждения микроструктуры стенок контейнера.In addition, in accordance with the present invention, the application to the preform of the internal fluid pressure is a simultaneous application to the excess fluid pressure and excess external fluid pressure in the preform cavity, the excess internal pressure being greater than the excess external pressure. Internal and external pressures are provided, respectively, by two pressure systems with independent regulation. The strain rate in the workpiece is controlled by independently controlling the internal and external excess pressure of the fluid applied simultaneously to the workpiece in order to change the difference between these pressures. As a result, the difficulties associated with excessive strain rates are eliminated and additional positive results are achieved, for example, a decrease in hydrostatic stresses that can cause damage to the microstructure of the container walls.
Следующая особенность настоящего изобретения заключается в том, что во время расширения заготовки целесообразно производить ее нагрев, например, создавая в заготовке некоторый температурный градиент. Путем добавления к пуансону нагревателей в заготовке создается температурный градиент, направленный снизу вверх. Для создания в заготовке температурного градиента, направленного сверху вниз, нагреватели могут устанавливаться в верхней части матрицы. Возможно встраивание дополнительных нагревателей в боковые стенки матрицы. Введение температурного градиента во время расширения заготовки позволяет определить момент начала расширения и улучшает формуемость.A further feature of the present invention is that during the expansion of the preform, it is advisable to heat it, for example, by creating a temperature gradient in the preform. By adding heaters to the punch, a temperature gradient is created in the workpiece, directed upward. To create a temperature gradient in the workpiece, directed from top to bottom, heaters can be installed in the upper part of the matrix. It is possible to incorporate additional heaters into the side walls of the matrix. The introduction of a temperature gradient during the expansion of the workpiece allows you to determine the start of expansion and improves formability.
Также была установлена целесообразность контакта пуансона с заготовкой перед началом расширения, а также целесообразность создания пуансоном некоторой осевой нагрузки в течение всего процесса расширения. В тех случаях, когда пуансон прикладывает некоторую осевую нагрузку к закрытому концу заготовки в течение всего процесса расширения, предпочтительно не производить смещение и деформацию закрытого конца заготовки до завершения расширения.It was also established the expediency of the contact of the punch with the workpiece before the start of expansion, as well as the advisability of creating a punch of some axial load during the entire expansion process. In cases where the punch applies some axial load to the closed end of the preform during the entire expansion process, it is preferable not to displace and deform the closed end of the preform until the expansion is complete.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего подробного описания и прилагаемых чертежей.Other features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 в качестве примера реализации приведено упрощенное и, в некоторой степени, схематическое изображение в перспективе оборудования для осуществления способа по настоящему изобретению.Figure 1 as an example implementation shows a simplified and, to some extent, a schematic representation in perspective of equipment for implementing the method of the present invention.
На фиг.2А и 2В, подобных фиг.1, показаны последовательные этапы осуществления первого варианта способа по настоящему изобретению.FIGS. 2A and 2B, similar to FIG. 1, show successive steps for implementing the first embodiment of the method of the present invention.
На фиг.3 показан график зависимости внутреннего давления и перемещения плунжера как функции времени при использовании в качестве текучей среды воздуха; график иллюстрирует временную зависимость между операциями воздействия на заготовку внутреннего давления текучей среды и перемещения пуансона в способе по данному изобретению.Figure 3 shows a graph of the internal pressure and the displacement of the plunger as a function of time when using air as a fluid; the graph illustrates the time relationship between the operations of exposing the workpiece to internal fluid pressure and displacement of the punch in the method of this invention.
На фиг.4А, 4В, 4С и 4D, подобных фиг.1, показаны последовательные этапы осуществления второго варианта способа по настоящему изобретению.FIGS. 4A, 4B, 4C, and 4D, similar to FIG. 1, show successive steps for implementing the second embodiment of the method of the present invention.
На фиг.5А и 5В, подобных фиг.1, приведено упрощенное схематическое изображение в перспективе этапа вращательного формования, иллюстрирующее последовательные стадии осуществления третьего варианта способа по настоящему изобретению.FIGS. 5A and 5B, similar to FIG. 1, are a simplified schematic perspective view of a rotational molding step illustrating successive steps of a third embodiment of the method of the present invention.
На фиг.6А, 6В, 6С и 6D показаны полученные путем компьютерной обработки схематические изображения в вертикальном разрезе последовательных этапов способа по настоящему изобретению.FIGS. 6A, 6B, 6C, and 6D show schematic vertical cross-sectional views obtained by computer processing of successive steps of the method of the present invention.
На фиг.7 приведен график изменения давления как функции времени (с использованием произвольных единиц времени), который иллюстрирует особенность одновременного приложения независимо регулируемых избыточных внутреннего и внешнего давлений текучей среды на заготовку, находящуюся в полости матрицы, и позволяет произвести сравнение со случаем изменения внутреннего давления (как на фиг.3) при отсутствии избыточного внешнего давления.Figure 7 shows a graph of pressure changes as a function of time (using arbitrary time units), which illustrates the feature of the simultaneous application of independently controlled excessive internal and external pressures of the fluid on the workpiece located in the die cavity, and allows comparison with the case of changes in internal pressure (as in figure 3) in the absence of excessive external pressure.
На фиг.8 приведен график изменения деформации как функции времени, полученный с использованием метода конечных элементов, график показывает деформацию для одного конкретного положения (элемента) при двух различных режимах давления, которые сравниваются на фиг.7.On Fig shows a graph of changes in deformation as a function of time, obtained using the finite element method, the graph shows the deformation for one specific position (element) under two different pressure modes, which are compared in Fig.7.
На фиг.9 приведен график, подобный приведенному на фиг.7, иллюстрирующий определенный регулирующий механизм, который может использоваться в способе формования в случае одновременного воздействия внутреннего и внешнего избыточных давлений текучей среды на заготовку в полости матрицы.Fig. 9 is a graph similar to that of Fig. 7 illustrating a specific control mechanism that can be used in the molding method in the case of simultaneous exposure to internal and external excess pressure of the fluid on the workpiece in the die cavity.
Фиг.10 схематически иллюстрирует расширяющуюся заготовку в случае использования нагреваемого пуансона.10 schematically illustrates an expandable preform in the case of using a heated punch.
На фиг.11 приведен график, показывающий нагрузки на пуансон, внутренние давления и перемещения пуансона во время расширения заготовки.11 is a graph showing punch loads, internal pressures, and punch movements during expansion of a workpiece.
Фиг.12 иллюстрирует в перспективе этапы изготовления заготовки из плоского диска.12 illustrates in perspective the steps of manufacturing a blank from a flat disk.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Изобретение описывается посредством его реализации в способах формования фасонных алюминиевых контейнеров, форма которых не обязательно должна быть осесимметричной, то есть радиально симметричной относительно геометрической оси контейнера, использующих комбинацию гидравлического давления, то есть внутреннего давления текучей среды, и формования с использованием плунжера, так называемую технологию плунжерного формования под давлением (PRF-формование).The invention is described by its implementation in methods of forming shaped aluminum containers, the shape of which does not have to be axisymmetric, i.e. radially symmetric about the geometric axis of the container, using a combination of hydraulic pressure, i.e. internal fluid pressure, and molding using a plunger, the so-called technology plunger molding under pressure (PRF-molding).
Процесс PRF-формования имеет два различных этапа: изготовление заготовки и последующее формование этой заготовки в готовый контейнер. Имеется несколько вариантов полного цикла формования, и надлежащий выбор определяется способностью к формованию используемого листового алюминия.The PRF molding process has two different stages: the preparation of a preform and the subsequent molding of this preform into a finished container. There are several options for a full molding cycle, and the proper choice is determined by the molding ability of the used aluminum sheet.
Заготовку изготавливают из листа алюминия, имеющего рекристаллизованную или восстановленную микроструктуру и толщину в пределах от 0,25 до 1,5 мм. Заготовка представляет собой цилиндр с закрытым концом и может изготавливаться, например, путем многократной вытяжки или прессованием обратным методом. Диаметр заготовки находится в пределах между минимальным и максимальным диаметрами получаемого готового контейнера. До выполнения последующих операций формования на заготовку может быть нанесена резьба. Профиль закрытого конца заготовки может проектироваться таким образом, чтобы он способствовал формованию профиля дна готового изделия.The billet is made of an aluminum sheet having a recrystallized or reduced microstructure and a thickness ranging from 0.25 to 1.5 mm. The blank is a cylinder with a closed end and can be made, for example, by repeated drawing or pressing by the reverse method. The diameter of the workpiece is between the minimum and maximum diameters of the resulting finished container. Prior to subsequent molding operations, a thread may be applied to the workpiece. The profile of the closed end of the workpiece can be designed so that it contributes to the formation of the profile of the bottom of the finished product.
Как показано на фиг.1, оборудование для предлагаемого способа содержит разъемную матрицу 10 с фасонной полостью 11, определяющей форму бутылки с вертикальной осью, пуансон 12, профиль которого предназначен для формирования определенного дна контейнера (в показанных вариантах, например, пуансон имеет куполообразный профиль для придания дну готового контейнера формы купола), и плунжер 14, который прикреплен к пуансону. На фиг.1 показана только одна из двух половин разъемной матрицы. Вторая половина представляет собой зеркальное изображение показанной первой половины. Понятно, что обе половины стыкуются в плоскости, содержащей геометрическую ось бутылки, определяемую стенкой полости 11 матрицы.As shown in figure 1, the equipment for the proposed method contains a
Минимальный диаметр полости матрицы 11 на ее верхнем открытом конце 11а, который соответствует горловине полости в виде бутылки, равен наружному диаметру заготовки (см. фиг.2А), помещаемой в полость, с допуском на зазор. Первоначально заготовка располагается над пуансоном 12 и имеет на открытом конце 11а нагнетательный фитинг 16 (показан схематически) для обеспечения внутреннего давления. Нагнетание может осуществляться, например, путем соединения с резьбой, отформованной на верхнем открытом конце заготовки, или посредством введения трубки в открытый конец заготовки и создания уплотнения с помощью разъемной матрицы или другого нагнетательного фитинга.The minimum diameter of the cavity of the
Этап нагнетания включает подачу внутрь полой заготовки текучей среды, например воды или воздуха под давлением, достаточным для расширения заготовки внутри полости настолько, что стенка заготовки по существу полностью прижмется к стенке, определяющей полость матрицы, благодаря чему заготовке будут приданы форма и поперечные размеры этой полости. Вообще говоря, используемая текучая среда может быть сжимаемой или несжимаемой и может иметь любую массу, расход, объем или давление с регулировкой этих параметров таким образом, чтобы регулировать давление, которому подвергаются стенки заготовки. При выборе текучей среды необходимо учитывать температурные условия, используемые в процессе формования. Если этой средой является, например, вода, то температура должна быть ниже 100°С, а если требуется более высокая температура, такой средой должен быть газ, например воздух, или жидкость, которая не закипает при температуре формования.The injection stage involves supplying into the hollow preform a fluid, for example water or air under a pressure sufficient to expand the preform inside the cavity so that the preform wall is substantially completely pressed against the wall defining the die cavity, so that the preform will be shaped and transverse in size . Generally speaking, the fluid used can be compressible or incompressible and can have any mass, flow, volume or pressure, with these parameters adjusted in such a way as to control the pressure to which the walls of the workpiece are subjected. When choosing a fluid, the temperature conditions used in the molding process must be considered. If this medium is, for example, water, then the temperature should be below 100 ° C, and if a higher temperature is required, such a medium should be a gas, such as air, or a liquid that does not boil at the molding temperature.
В результате проведения этапа нагнетания все фасонные детали стенки матрицы переносятся в зеркальном отображении на поверхность готового контейнера. Даже если такие детали или общая форма изготавливаемого контейнера не являются осесимметричными, контейнер легко вынимается из оборудования благодаря использованию разъемной матрицы.As a result of the injection stage, all shaped parts of the matrix wall are transferred in mirror image to the surface of the finished container. Even if such parts or the general shape of the container being manufactured are not axisymmetric, the container is easily removed from the equipment through the use of a split matrix.
В конкретном варианте изобретения, показанном на фиг.2А и 2В, заготовка 18 представляет собой полое цилиндрическое изделие из алюминия с закрытым нижним концом 20 и открытым верхним концом 22. Наружный диаметр заготовки равен наружному диаметру горловины формуемой бутылки. Формующее напряжение при PRF-формовании находится в пределах, определяемых способностью заготовки к формованию, которая зависит от температуры и скорости деформации. Если заготовка имеет надлежащую способность к формованию, форма полости 11 матрицы выполняется точно такой, которая должна быть у готового изделия, и данное изделие может быть изготовлено с помощью одной операции PRF-формования. Движение плунжера 14 и интенсивность внутреннего нагнетания таковы, чтобы свести к минимуму напряжения при формовании и изготовить контейнер требуемой формы. Горловина и боковые стенки образуются главным образом в результате расширения заготовки под действием внутреннего давления, в то время как форма дна определяется в основном движением плунжера и пуансона 12, при этом профиль поверхности пуансона обращен к закрытому концу 20 заготовки.In the specific embodiment of the invention shown in FIGS. 2A and 2B, the
При реализации данного изобретения большое значение имеет надлежащая синхронизация подачи внутреннего давления текучей среды и управления плунжером и пуансоном, то есть их перемещение внутрь полости. На фиг.3 показан график, построенный путем компьютерного моделирования (последовательность результатов анализа по методу конечных элементов), который показывает процесс формования, представленный на фиг.2А и 2В, с использованием сжатого воздуха и регулированием расхода. График иллюстрирует зависимости давления и перемещения плунжера от времени. Как ясно из фиг.3, внутри заготовки текучая среда создает давление, которое проходит ряд последовательных этапов: (i) повышение до первого максимума 24, прежде чем начнется расширение заготовки, (ii) падение до минимального значения 26, когда начинается расширение, (iii) постепенное повышение до промежуточной величины 28 по мере расширения заготовки, но до вхождения в полный контакт со стенками матрицы, и (iv) более быстрое повышение (в точке 30) от этой промежуточной величины во время завершения расширения заготовки. В предпочтительном варианте осуществления изобретения перемещение пуансона для смещения и деформации закрытого конца заготовки, в указанной последовательности этапов изменения давления, начинают (точка 32) по существу в конце этапа (iii). На графике указаны единицы измерения времени, давления и смещения плунжера. На фиг.6А, 6В, 6С и 6D показан результат операций с заготовкой, представленных на графике по фиг.3, полученный с помощью компьютерного моделирования, для моментов времени 0,0; 0,096; 0,134 и 0,21 секунды, отсчитываемых по оси Х на фиг.3.In the implementation of this invention, proper synchronization of the internal fluid pressure supply and the control of the plunger and punch, that is, their movement inside the cavity, is of great importance. Figure 3 shows a graph constructed by computer simulation (a sequence of results of the analysis by the finite element method), which shows the molding process shown in figa and 2B, using compressed air and flow control. The graph illustrates the time and pressure dependences of the plunger. As is clear from FIG. 3, inside the preform, the fluid creates a pressure that goes through a series of successive steps: (i) increase to the first maximum 24 before the expansion of the preform begins, (ii) drop to a minimum of 26 when expansion begins, (iii ) a gradual increase to an
В начале нагнетания текучей среды внутрь полой заготовки пуансон 12 располагается под закрытым концом заготовки в непосредственной близости к нему, например, в касании, чтобы ограничить осевое растяжение заготовки под действием прикладываемого внутреннего давления. Здесь предполагается вертикальная ориентация оси оборудования, как показано на чертеже. Когда заготовка расширилась в значительной степени, хотя расширение еще не завершилось, приводят в действие плунжер 14 для принудительного перемещения пуансона вверх, который смещает вверх металл закрытого конца заготовки и деформирует закрытый конец по форме поверхности пуансона, поскольку поперечное расширение заготовки под действием внутреннего давления завершено. Смещение закрытого конца заготовки вверх не может вызвать движение заготовки вверх относительно матрицы или выпучивание боковых стенок заготовки, как это могло бы произойти в случае преждевременного подъема плунжера, поскольку, когда плунжер начал двигать пуансон вверх, заготовка уже значительно расширена.At the beginning of the injection of fluid into the hollow billet, the
На фиг.4A-4D показан второй вариант осуществления изобретения. В этом варианте, как и в случае, показанном на фиг.2А и 2В, цилиндрическая заготовка 38 имеет первоначальный наружный диаметр, равный минимальному диаметру, то есть диаметру горловины готового изделия. В этом варианте, однако, предполагается, что деформация при PRF-формовании превышает пределы формуемости заготовки. В этом случае требуются две последовательные операции формования под давлением. Во время первой операции (фиг.4А и 4В) плунжер не требуется, а происходит обычное расширение заготовки внутри обычной разъемной матрицы 40 до большего диаметра изделия 38а за счет внутреннего давления. Вторая операция представляет собой процесс PRF-формования (фиг.4С и 4D). В ней используется изделие, полученное первоначальным расширением в разъемной матрице 40, а также разъемная матрица 42 с полостью 44 в виде бутылки и пуансоном 46, перемещаемым плунжером 48. Таким образом, используется как внутреннее давление, так и движение плунжера. Во время этой операции получается готовая бутылка заданной формы вместе со всеми особенностями профиля боковых стенок и дна, что достигается главным образом за счет пуансона 46.4A-4D show a second embodiment of the invention. In this embodiment, as in the case shown in FIGS. 2A and 2B, the
На фиг.5А и 5В показан третий вариант. В этом варианте заготовку 50 изготавливают таким образом, что ее первоначальный наружный диаметр больше заданного минимального наружного диаметра, который обычно является диаметром горловины, готового контейнера в виде бутылки. Выбор такой заготовки может производиться исходя из пределов формования на стадии предварительного формования или с целью уменьшения напряжений при PRF-формовании. Следовательно, получение готового изделия должно включать и поперечное сжатие, и поперечное расширение заготовки, и потому не может осуществляться путем только PRF-формования. Для формования стенок и дна используется одна операция PRF-формования, показанная на фиг.5А с использованием разъемной матрицы 52 и пуансона 54, приводимого в движение плунжером, как и в варианте, показанном на фиг.2А и 2В. Для получения необходимой конфигурации горловины контейнера требуется вращательное формование или иная соответствующая операция. Как показано на фиг.5В, можно использовать операцию вращательного формования, предложенную, например, в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке США 09/846169 от 1 мая 2001 г., где для формования горловины бутылки 60 используются несколько пар дисков 56 вращательного формования и конусная оправка 58.5A and 5B show a third embodiment. In this embodiment, the
Описанная выше операция PRF-формования на практике может оказаться связанной с большими деформациями. Поэтому состав сплава подбирают или регулируют таким образом, чтобы обеспечить определенный компромисс между требуемыми свойствами изделия и лучшей формуемостью. Если требуется еще лучшая формуемость, то можно регулировать температуру формования так, как это описано ниже, поскольку повышение температуры улучшает формуемость, и, следовательно, для увеличения формуемости может потребоваться проведение операции или операций PRF-формования при повышенных температурах и/или восстановительный отжиг заготовки.The above-described operation of PRF-molding in practice may be associated with large deformations. Therefore, the composition of the alloy is selected or adjusted in such a way as to provide a certain compromise between the required properties of the product and better formability. If even better formability is required, it is possible to adjust the molding temperature as described below, since increasing the temperature improves the moldability, and therefore, an operation or PRF molding operations at elevated temperatures and / or re-annealing of the workpiece may be required to increase formability.
Предлагаемая технология отличается от известных операций штамповки, например, формование продувкой контейнеров из полиэтилентерефталата, в частности, тем, что добавляется внешний формующий элемент в виде пуансона. Внутренний пуансон, иногда используемый при формовании продувкой бутылок из полиэтилентерефталата, не требуется. Заявителям не известен существующий способ изготовления фасонного алюминиевого контейнера, диаметры которого находились бы в таком диапазоне, который достигается в настоящем изобретении. Также заявителям не известен существующий способ получения асимметричного профиля, например, с ножками на дне или спиральными поясками на боковой поверхности контейнера.The proposed technology differs from known stamping operations, for example, blow molding of containers made of polyethylene terephthalate, in particular, in that an external forming element is added in the form of a punch. An inner punch, sometimes used when blow molding polyethylene terephthalate bottles, is not required. Applicants do not know the existing method of manufacturing a shaped aluminum container, the diameters of which would be in the range that is achieved in the present invention. Also, the applicants do not know the existing method for obtaining an asymmetric profile, for example, with legs on the bottom or spiral bands on the side surface of the container.
Предлагаемый способ может также использоваться для формования контейнеров из других материалов, например из стали.The proposed method can also be used to form containers of other materials, such as steel.
Значимость перемещения пуансона 12, приводимого плунжером, внутрь полости 11 для смещения и деформации закрытого конца 20 заготовки 18, как показано на фиг.2А и 2В, может быть далее пояснена со ссылкой на фиг.3 (см. выше), рассматриваемую совместно с фиг.6A-6D, где пунктирная линия представляет вертикальный профиль полости 11 матрицы, а перемещение (в миллиметрах) куполообразного пуансона 12 в разные моменты времени после начала приложения внутреннего давления показано на шкале справа от пунктирной линии.The significance of the movement of the
При формовании алюминиевой бутылки плунжер выполняет две важные функции: ограничивает деформацию растяжения в осевом направлении и формует дно контейнера. Сначала пуансон 12, приводимый плунжером, удерживают в непосредственной близости от дна заготовки 18 или в легком касании с ним (фиг.6А). Это уменьшает осевое растяжение боковых стенок заготовки, которое происходило бы в противном случае под действием внутреннего давления. Таким образом, при увеличении внутреннего давления боковые стенки заготовки будут расширяться до вхождения в контакт с внутренней поверхностью матрицы без существенного удлинения. Обычно сначала расширяется центральный участок заготовки, и эта область расширения будет увеличиваться вдоль длины заготовки, как вверх, так и вниз. В некоторый момент времени дно заготовки приобретет почти полусферическую форму с радиусом, приблизительно равным радиусу полости матрицы (фиг.6В). Именно в этот момент времени или непосредственно перед ним необходимо привести в действие плунжер для перемещения пуансона 12 вверх (фиг.6С). Профиль дна контейнера полностью определяется конфигурацией носовой части плунжера, т.е. формой поверхности пуансона. Как только под воздействием внутреннего давления текучей среды заканчивается формование заготовки по форме стенок полости матрицы (сравните плечики и горловину бутылки на фиг.6В, 6С и 6D), движение плунжера в сочетании с внутренним давлением вжимает дно заготовки в профильную поверхность пуансона, благодаря чему обеспечивается необходимая форма (фиг.6D) без чрезмерных деформаций растяжения, которые могли бы привести к разрушению. За счет движения плунжера вверх к полусферической области заготовки прикладывают сжимающее усилие, тем самым уменьшают общее напряжение, вызываемое повышением давления, и способствуют радиальному течению материала наружу для заполнения рельефных участков носовой части пуансона.When forming an aluminum bottle, the plunger performs two important functions: it limits the tensile strain in the axial direction and forms the bottom of the container. First, the
Если плунжер перемещают слишком рано по сравнению со скоростью повышения внутреннего давления, возможно выпучивание и появление складок на заготовке под действием осевых усилий сжатия. Если же плунжер перемещают слишком поздно, то материал будет подвергаться чрезмерному напряжению в осевом направлении, следовательно, разрушаться. Таким образом, для успешного выполнения операции формования необходима координация скорости повышения внутреннего давления и перемещения плунжера с носовой частью пуансона. Надлежащая синхронизация лучше всего достигается при использовании анализа по методу конечных элементов (FEA). Результаты такого анализа показаны на фиг.3.If the plunger is moved too early compared to the rate of increase in internal pressure, buckling and the appearance of wrinkles on the workpiece under the action of axial compression forces are possible. If the plunger is moved too late, then the material will be subjected to excessive stress in the axial direction, therefore, will collapse. Thus, for the successful completion of the molding operation, coordination of the rate of increase in internal pressure and the movement of the plunger with the nose of the punch is necessary. Proper synchronization is best achieved using finite element analysis (FEA). The results of such an analysis are shown in FIG.
До сих пор настоящее изобретение описывалось и иллюстрировалось примером, приведенным на фиг.3, если бы на наружную поверхность заготовки, находящейся в полости матрицы, не действовало никакое избыточное, например сверхбарометрическое, давление текучей среды. В этом случае внешнее давление на заготовку, находящуюся в полости матрицы, представляет собой в основном внешнее атмосферное давление. Когда заготовка расширяется, воздух, находящийся в полости, будет удаляться вследствие постепенного уменьшения объема между наружной поверхностью заготовки и стенками матрицы через подходящее выпускное отверстие или канал, предусмотренный для этой цели и связывающий полость матрицы с внешней средой.Until now, the present invention has been described and illustrated by the example shown in FIG. 3, if no excess, for example, superbarometric, fluid pressure would have acted on the outer surface of the preform in the die cavity. In this case, the external pressure on the workpiece located in the cavity of the matrix is mainly external atmospheric pressure. When the preform expands, the air in the cavity will be removed due to the gradual decrease in volume between the outer surface of the preform and the walls of the matrix through a suitable outlet or channel provided for this purpose and connecting the cavity of the matrix with the external environment.
Как было установлено с помощью анализа по методу конечных элементов на конкретном примере алюминиевых контейнеров, в отсутствие какого-либо избыточного внешнего давления однажды начавшаяся пластическая деформация (течение) заготовки вызовет очень большую и фактически неконтролируемую скорость деформации. Это обусловлено низкой или нулевой скоростью механического упрочнения алюминиевых сплавов при рабочей температуре, например, около 300°С процесса PRF-формования.As it was established using finite element analysis on a specific example of aluminum containers, in the absence of any excess external pressure, the plastic deformation (flow) of the workpiece that once started will cause a very large and virtually uncontrolled deformation rate. This is due to the low or zero speed of mechanical hardening of aluminum alloys at an operating temperature of, for example, about 300 ° C of the PRF molding process.
Другими словами, при таких температурах скорость механического упрочнения алюминиевых сплавов фактически равна нулю, и с увеличением скорости деформации пластичность (т.е. предел формования) уменьшается. Таким образом, с увеличением скорости деформации при формовании и уменьшением пластичности алюминия возможности формования контейнеров заданной окончательной формы сокращаются.In other words, at such temperatures, the rate of mechanical hardening of aluminum alloys is virtually zero, and with increasing strain rate, ductility (i.e., the molding limit) decreases. Thus, with an increase in the deformation rate during molding and a decrease in the ductility of aluminum, the possibilities of forming containers of a given final shape are reduced.
Другой важной особенностью изобретения является воздействие на наружную поверхность заготовки, находящейся в полости матрицы, избыточного давления текучей среды одновременно с воздействием избыточного давления текучей среды на внутреннюю поверхность заготовки. Эти избыточные внешнее и внутреннее давления текучей среды создаются двумя независимо регулируемыми барическими системами. Избыточное внешнее давление текучей среды можно без затруднений обеспечить путем подключения независимо регулируемого источника избыточного давления текучей среды к вышеназванному выпускному отверстию или каналу таким образом, чтобы поддерживать избыточное давление в пространстве между матрицей и расширяющейся заготовкой.Another important feature of the invention is the effect on the outer surface of the workpiece located in the cavity of the matrix, the excess pressure of the fluid at the same time as the effect of excessive pressure of the fluid on the inner surface of the workpiece. These excess external and internal fluid pressures are generated by two independently adjustable pressure systems. Excessive external fluid pressure can be achieved without difficulty by connecting an independently adjustable source of excess fluid pressure to the aforementioned outlet or channel so as to maintain excess pressure in the space between the die and the expandable workpiece.
На фиг.7 и 8 сравниваются графики давления и деформации в функции времени для процесса PRF-формования контейнера с регулированием избыточного внешнего давления и без такового. Термин "деформация" означает удлинение на единицу длины, создаваемое в теле заготовки внешней силой. Кривая 101 на фиг.7 соответствует кривой "Давление" на фиг.3 для случая, когда на заготовку не действует избыточное внешнее давление текучей среды. Кривая 103 на фиг.8 представляет собой результирующую деформацию для одного конкретного положения (элемента), определенную по методу конечных элементов. Легко видеть, что в этом случае деформация возрастает почти мгновенно, и заготовка расширяется до вхождения в контакт со стенками матрицы при очень высоких скоростях деформации за очень короткие промежутки времени. Напротив, кривые 105, 107 и 109 на фиг.7 показывают соответственно избыточное внутреннее давление текучей среды, избыточное внешнее давление текучей среды и разность этих давлений, когда эти независимо регулируемые давления одновременно прикладываются к заготовке в полости матрицы. Внутреннее давление больше внешнего, поэтому имеет место результирующее избыточное давление, необходимое для расширения заготовки. Кривая 111 на фиг.8 представляет окружную деформацию, то есть деформацию, создаваемую в горизонтальной плоскости по окружности заготовки во время ее расширения, для случая независимо регулируемых внутреннего и внешнего давлений, показанных кривыми 105, 107 и 109. Как легко видеть, окружная деформация, показанная кривой 111, достигает того же конечного значения, что и кривая 103, но за гораздо более длительное время и, следовательно, с гораздо меньшей скоростью деформации. Кривая 115 на фиг.8 представляет осевую деформацию, то есть деформацию, создаваемую в вертикальном направлении во время удлинения заготовки.Figures 7 and 8 compare the graphs of pressure and deformation as a function of time for the process of PRF-molding of the container with and without regulation of excess external pressure. The term "deformation" means elongation per unit length created in the body of the workpiece by external force.
Полный контроль операции формования, а также предотвращение очень больших и неконтролируемых скоростей деформации достигаются одновременным приложением внутреннего и внешнего избыточных давлений, регулируемых независимо и действующих на заготовку в полости матрицы, кроме того, изменением разности этих давлений. Увеличение пластичности заготовки, тем самым повышение предела формования, объясняется двумя причинами. Во-первых, уменьшение скорости деформации во время операции формования повышает собственную пластичность алюминиевого сплава. Во-вторых, введение избыточного внешнего давления снижает, возможно, до отрицательных значений, гидростатические напряжения в стенках расширяющейся заготовки. Это способно уменьшить пагубный эффект разрушения, связанный с микропорами и интерметаллическими частицами в металле. Здесь термин "гидростатическое напряжение" означает среднее арифметическое трех взаимно перпендикулярных напряжений, направленных по осям x, y и z.Full control of the molding operation, as well as the prevention of very large and uncontrolled strain rates, are achieved by the simultaneous application of internal and external excess pressures, independently regulated and acting on the workpiece in the die cavity, in addition, by changing the difference of these pressures. The increase in the plasticity of the workpiece, thereby increasing the molding limit, is due to two reasons. Firstly, a decrease in the strain rate during the molding operation increases the intrinsic ductility of the aluminum alloy. Secondly, the introduction of excess external pressure reduces, possibly to negative values, hydrostatic stresses in the walls of the expanding workpiece. This can reduce the detrimental effect of destruction associated with micropores and intermetallic particles in the metal. Here, the term "hydrostatic stress" means the arithmetic mean of three mutually perpendicular stresses directed along the x, y and z axes.
Эта особенность изобретения расширяет возможности PRF-формования для успешного изготовления алюминиевых контейнеров в виде бутылок или подобной формы путем регулирования скорости деформации и уменьшения гидростатического напряжения в металле во время формования.This feature of the invention expands the possibilities of PRF molding for the successful manufacture of aluminum containers in the form of bottles or the like by adjusting the strain rate and reducing the hydrostatic stress in the metal during molding.
Выбор разности давлений определяется свойствами металла, из которого выполнена заготовка. В особенности следует учитывать предел текучести и скорость механического упрочнения металла. Для обеспечения пластического, т.е. неупругого, течения материала заготовки разность давлений должна быть такой, чтобы эффективное значение напряжения в заготовке превышало предел текучести. Если имеет место положительная скорость механического упрочнения, то фиксированное эффективное напряжение, обеспечиваемое давлением и превышающее предел текучести, будет вызывать деформацию металла до уровня напряжений, равного приложенному эффективному напряжению. В этот момент скорость деформации приближается к нулю. В случае очень низкой или нулевой скорости механического упрочнения, металл будет деформироваться с высокой скоростью до вхождения к контакт со стенками пресс-формы (матрицы) или до разрушения. При повышенных температурах, возможных во время PRF-формования, скорость механического упрочнения алюминиевых сплавов близка к нулю.The choice of pressure difference is determined by the properties of the metal from which the workpiece is made. In particular, the yield strength and the rate of mechanical hardening of the metal should be taken into account. To provide plastic, i.e. inelastic flow of the workpiece material, the pressure difference should be such that the effective value of the stress in the workpiece exceeds the yield strength. If there is a positive rate of mechanical hardening, then a fixed effective stress provided by pressure and exceeding the yield strength will cause the metal to deform to a stress level equal to the applied effective stress. At this moment, the strain rate approaches zero. In the case of a very low or zero speed of mechanical hardening, the metal will deform at a high speed until it comes into contact with the walls of the mold (matrix) or until it breaks. At the elevated temperatures possible during PRF forming, the rate of mechanical hardening of aluminum alloys is close to zero.
Для приложения как внутренних, так и внешних давлений пригодны, например, азот, воздух и аргон, причем данный перечень не является исчерпывающим, а также любые смеси этих газов.For application of both internal and external pressures, for example, nitrogen, air and argon are suitable, moreover, this list is not exhaustive, as well as any mixtures of these gases.
Скорость пластической деформации в любой точке стенки заготовки в любой момент времени зависит только от мгновенного эффективного напряжения, которое в свою очередь зависит от разности давлений. Выбор внешнего давления зависит от внутреннего давления и производится из общего принципа достижения и регулирования эффективного напряжения, следовательно, скорости деформации, в стенке заготовки.The rate of plastic deformation at any point on the wall of a workpiece at any time depends only on the instantaneous effective stress, which in turn depends on the pressure difference. The choice of external pressure depends on the internal pressure and is made from the general principle of achieving and regulating the effective stress, therefore, the strain rate, in the workpiece wall.
На фиг.9 показан другой механизм регулирования, который может использоваться в процессе формования. Для оптимизации процесса одновременно применяется метод конечных элементов. На фиг.9 кривая 120 представляет внутреннее давление (Pin), действующее на заготовку, кривая 122 - внешнее давление (Pout), действующее на заготовку, а кривая 124 - разность указанных давлений (Pdiff=Pin-Pout). Этот график показывает характер изменения давления в одном из способов регулирования. В данном случае масса текучей среды во внутренней полости остается постоянной, а давление во внешней полости, то есть снаружи заготовки, понижается по линейному закону. При моделировании также учитываются свойства материала, зависящие от скорости деформации. Такой механизм регулирования в настоящее время является более предпочтительным, поскольку упрощает технологический процесс.Figure 9 shows another control mechanism that can be used in the molding process. To optimize the process, the finite element method is simultaneously applied. In Fig. 9,
Фиг.10 относится к другому варианту осуществления изобретения, при котором заготовку нагревают с созданием градиента температуры. Как показано на фиг.10, пуансон 12 находится в контакте с дном заготовки 18 и содержит нагревательный элемент 19. Этот элемент нагревает заготовку снизу вверх, вызывая увеличение расширения заготовки снизу вверх при увеличении внутреннего давления.10 relates to another embodiment of the invention in which the preform is heated to create a temperature gradient. As shown in figure 10, the
На фиг.11 представлены графики, иллюстрирующие процесс расширения. Одна кривая показывает перемещение плунжера и пуансона, а другая - изменение нагрузки, действующей на плунжер и пуансон в зависимости от времени. Третья кривая характеризует внутреннее давление в заготовке.11 is a graph illustrating an expansion process. One curve shows the movement of the plunger and punch, and the other shows the change in load acting on the plunger and punch versus time. The third curve characterizes the internal pressure in the workpiece.
В точке А плунжер предварительно нагружают сжимающим усилием 22,7 кг, а в точке В в заготовку подают внутреннее давление, которое поддерживается на уровне 1,14 МПа. В показанном процессе положение плунжера между точками В и С изменяется скачкообразно для поддержания действующего на плунжер усилия сжатия 68 кг. Когда нагрузка на плунжер перестает быстро уменьшаться после перемещения плунжера (от точки С до точки D), плунжер продолжает перемещаться до отметки приблизительно 25 мм и нагрузки приблизительно 454 кг (точка Е). Во время этого линейного перемещения плунжера от точки D до точки Е происходит формообразование дна контейнера одновременно с расширением заготовки, так что точка Е соответствует завершению формования контейнера.At point A, the plunger is pre-loaded with a compressive force of 22.7 kg, and at point B, an internal pressure that is maintained at 1.14 MPa is supplied to the workpiece. In the process shown, the position of the plunger between points B and C changes stepwise to maintain the compression force of 68 kg acting on the plunger. When the load on the plunger stops rapidly decreasing after moving the plunger (from point C to point D), the plunger continues to move to a mark of approximately 25 mm and a load of approximately 454 kg (point E). During this linear movement of the plunger from point D to point E, the formation of the bottom of the container occurs simultaneously with the expansion of the workpiece, so that point E corresponds to the completion of the formation of the container.
На фиг.11 показан скачкообразный процесс, но возможно также расширение и формование заготовки в контейнер за одну плавную операцию, например при использовании компьютерного управления данным процессом. Преимуществом такой операции является создание температурного градиента, когда при подъеме плунжера и пуансона расширение заготовки происходит постепенно от дна к верхней части. Было показано, что такая технология ведет к улучшению формуемости по сравнению с ранее описанными способами, в которых расширение происходило фактически одновременно по всей длине заготовки.11 shows a spasmodic process, but it is also possible to expand and shape the workpiece into a container in one smooth operation, for example, when using computer control of this process. The advantage of such an operation is the creation of a temperature gradient, when when raising the plunger and punch, the workpiece expands gradually from the bottom to the top. It has been shown that such a technology leads to an improvement in formability compared to the previously described methods, in which the expansion took place almost simultaneously along the entire length of the workpiece.
Хотя на фиг.10 показан только один нагревательный элемент внутри пуансона 12, для облегчения формования можно обеспечить несколько зон нагрева. Например, можно поместить отдельный дополнительный нагреватель вокруг верхней части заготовки и несколько дополнительных отдельных нагревателей внутри боковых стенок полости матрицы. Путем независимого подбора температуры в каждой из этих зон можно создать оптимальные динамические условия расширения для различных видов контейнеров.Although only one heating element is shown in FIG. 10 within the
На фиг.12 показана типовая последовательность изготовления заготовки из плоского диска. Используется стандартная технология многократной вытяжки из алюминиевого листа 70. Сначала из листа формируют полый цилиндр 71 с закрытым концом, который путем повторной вытяжки трансформируют во второй цилиндр 72 меньшего диаметра, имеющий более длинную боковую стенку. Затем цилиндр 72 вытягивают с образованием цилиндра 73, который далее вытягивают в более длинный тонкостенный цилиндр 74.On Fig shows a typical sequence of manufacturing a workpiece from a flat disk. The standard technology of multiple drawing is used from an
Понятно, что изобретение не ограничивается способами и вариантами, описанными выше на конкретных примерах, но может быть реализовано и другими путями в пределах его сущности.It is clear that the invention is not limited to the methods and options described above for specific examples, but can be implemented in other ways within its essence.
Claims (31)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US84654601A | 2001-05-01 | 2001-05-01 | |
US09/846,546 | 2001-05-01 | ||
US10/007,263 | 2001-11-08 | ||
US10/007,263 US20020162371A1 (en) | 2001-05-01 | 2001-11-08 | Method of pressure-ram-forming metal containers and the like |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003134535A RU2003134535A (en) | 2005-05-10 |
RU2296641C2 true RU2296641C2 (en) | 2007-04-10 |
Family
ID=34632365
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003134535/02A RU2296641C2 (en) | 2001-05-01 | 2002-05-01 | Method for plunger molding of metallic containers and similar articles |
Country Status (13)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20020162371A1 (en) |
EP (1) | EP1383618B8 (en) |
JP (1) | JP3776886B2 (en) |
CN (1) | CN1592661B (en) |
AT (1) | ATE300371T1 (en) |
BR (1) | BR0209389B1 (en) |
CA (1) | CA2445582C (en) |
DE (1) | DE60205237T2 (en) |
DK (1) | DK1383618T3 (en) |
ES (1) | ES2242019T3 (en) |
PL (1) | PL202631B1 (en) |
RU (1) | RU2296641C2 (en) |
WO (1) | WO2002087802A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2730335C1 (en) * | 2019-06-21 | 2020-08-21 | Михаил Иванович Злыднев | Method of moulding articles from composite materials by air forming using inflatable chamber made from liquid rubber as puncheon |
Families Citing this family (28)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6802196B2 (en) * | 2001-05-01 | 2004-10-12 | Alcan International Limited | Methods of and apparatus for pressure-ram-forming metal containers and the like |
DE10309625B4 (en) * | 2003-03-04 | 2006-04-13 | Audi Ag | Method for introducing a side mold into a cavity having a molded part |
US7191032B2 (en) * | 2004-05-14 | 2007-03-13 | Novelis Inc. | Methods of and apparatus for forming hollow metal articles |
US20080061555A1 (en) * | 2005-02-16 | 2008-03-13 | Colin Knight | Flared cone fitting |
US7726165B2 (en) * | 2006-05-16 | 2010-06-01 | Alcoa Inc. | Manufacturing process to produce a necked container |
US7934410B2 (en) * | 2006-06-26 | 2011-05-03 | Alcoa Inc. | Expanding die and method of shaping containers |
JP4374394B1 (en) * | 2008-07-04 | 2009-12-02 | 新日本製鐵株式会社 | Hydroform processing apparatus and hydroform processing method |
US8448487B2 (en) | 2008-10-16 | 2013-05-28 | The Coca-Cola Company | Vessel forming station |
US9067254B2 (en) | 2008-10-16 | 2015-06-30 | The Coca-Cola Company | Method of configuring a production line to mass customize shaped vessels |
US8381561B2 (en) * | 2008-10-16 | 2013-02-26 | The Coca-Cola Company | Vessel forming production line |
US8726709B2 (en) * | 2008-10-16 | 2014-05-20 | The Coca-Cola Company | Method of shape forming vessels controlling rotational indexing |
US8903528B2 (en) * | 2008-10-16 | 2014-12-02 | The Coca-Cola Company | Remote control and management of a vessel forming production line |
US8726710B2 (en) * | 2008-10-16 | 2014-05-20 | The Coca-Cola Company | Method of coordinating vessel shape style and decoration style |
US8627697B2 (en) * | 2008-10-16 | 2014-01-14 | The Coca-Cola Company | Method of performing non vessel shaping operations during vessel shaping |
JP5669128B2 (en) * | 2009-08-26 | 2015-02-12 | 山陽特殊製鋼株式会社 | Manufacturing method of machine parts with excellent rolling fatigue life |
US20110113732A1 (en) * | 2009-11-13 | 2011-05-19 | The Coca-Cola Company | Method of isolating column loading and mitigating deformation of shaped metal vessels |
US8360266B2 (en) * | 2009-11-13 | 2013-01-29 | The Coca-Cola Corporation | Shaped metal vessel |
US8683837B2 (en) * | 2010-01-12 | 2014-04-01 | Novelis Inc. | Methods of pressure forming metal containers and the like from preforms having wall thickness gradient |
AU2011291482B2 (en) | 2010-08-20 | 2015-07-30 | Kaiser Aluminum Warrick, Llc | Shaped metal container and method for making same |
CN102228926A (en) * | 2011-05-05 | 2011-11-02 | 北京航空航天大学 | Liquid-charging and forming method of two-way pressurizing pipe |
CN104144755B (en) * | 2011-12-30 | 2016-10-05 | 可口可乐公司 | Blow molding is used to form the system and method for metal beverage containers |
CN102935453B (en) * | 2012-11-12 | 2016-04-13 | 山西征宇喷灌有限公司 | The method of a kind of air-pressure forming metallic conduit ball-type snap joint |
US9327338B2 (en) | 2012-12-20 | 2016-05-03 | Alcoa Inc. | Knockout for use while necking a metal container, die system for necking a metal container and method of necking a metal container |
CA2943673C (en) | 2014-03-25 | 2022-03-15 | Betty Jean Pilon | Method for blow molding metal containers |
WO2016106454A1 (en) | 2014-12-30 | 2016-07-07 | Pilon Betty Jean | Impact extrusion method, tooling and product |
WO2016191513A1 (en) | 2015-05-26 | 2016-12-01 | Novelis Inc. | High speed blow forming process to shape aluminum containers using 3xxx alloys with high recycle content |
KR102472392B1 (en) * | 2015-08-28 | 2022-11-29 | 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 | molding device |
CN107757227A (en) * | 2017-09-30 | 2018-03-06 | 浙江荣盛达锡制品有限公司 | The slip extruding production of copolymer copper enamel |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3040684A (en) * | 1955-07-18 | 1962-06-26 | Hillgren Mfg Co | Apparatus for drawing door knobs |
US4362037A (en) * | 1980-10-24 | 1982-12-07 | Emhart Industries, Inc. | Hollow article internal pressure forming apparatus and method |
DE3716176A1 (en) * | 1987-05-14 | 1988-09-08 | Praezisions Werkzeuge Ag | Method and device for reshaping hollow bodies, and use of the method or the device and can body |
CN1033760A (en) * | 1987-12-25 | 1989-07-12 | 陶开土 | Sealed negative-camber moulding method using high-pressure liquid |
GB9114444D0 (en) * | 1991-07-04 | 1991-08-21 | Cmb Foodcan Plc | Apparatus and method for reshaping containers |
EP0740971A1 (en) * | 1995-05-04 | 1996-11-06 | Hoogovens Staal B.V. | Method of manufacturing a bottle-shaped metal container |
EP0853515B1 (en) * | 1995-10-02 | 2001-10-31 | Crown Cork & Seal Technologies Corporation | Systems and methods for making decorative shaped metal cans |
CN2275486Y (en) * | 1996-09-29 | 1998-03-04 | 江阴市微型喷雾器总厂 | Swell mould for pot making machine |
US6182487B1 (en) * | 1998-02-18 | 2001-02-06 | Nippon Sanso Corporation | Metal vessel and a fabrication method for the same |
-
2001
- 2001-11-08 US US10/007,263 patent/US20020162371A1/en not_active Abandoned
-
2002
- 2002-05-01 CA CA002445582A patent/CA2445582C/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-05-01 JP JP2002585135A patent/JP3776886B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-05-01 WO PCT/CA2002/000644 patent/WO2002087802A1/en active IP Right Grant
- 2002-05-01 RU RU2003134535/02A patent/RU2296641C2/en active
- 2002-05-01 PL PL367004A patent/PL202631B1/en unknown
- 2002-05-01 DE DE60205237T patent/DE60205237T2/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-05-01 EP EP02727081A patent/EP1383618B8/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-05-01 AT AT02727081T patent/ATE300371T1/en active
- 2002-05-01 ES ES02727081T patent/ES2242019T3/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-05-01 CN CN028133846A patent/CN1592661B/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-05-01 BR BRPI0209389-8A patent/BR0209389B1/en not_active IP Right Cessation
- 2002-05-01 DK DK02727081T patent/DK1383618T3/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2730335C1 (en) * | 2019-06-21 | 2020-08-21 | Михаил Иванович Злыднев | Method of moulding articles from composite materials by air forming using inflatable chamber made from liquid rubber as puncheon |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2002087802A1 (en) | 2002-11-07 |
PL202631B1 (en) | 2009-07-31 |
DK1383618T3 (en) | 2005-11-21 |
PL367004A1 (en) | 2005-02-07 |
ES2242019T3 (en) | 2005-11-01 |
JP2004524162A (en) | 2004-08-12 |
DE60205237D1 (en) | 2005-09-01 |
ATE300371T1 (en) | 2005-08-15 |
EP1383618B1 (en) | 2005-07-27 |
US20020162371A1 (en) | 2002-11-07 |
JP3776886B2 (en) | 2006-05-17 |
CN1592661B (en) | 2010-04-28 |
RU2003134535A (en) | 2005-05-10 |
CA2445582C (en) | 2007-08-28 |
DE60205237T2 (en) | 2006-05-24 |
BR0209389A (en) | 2004-07-06 |
CN1592661A (en) | 2005-03-09 |
BR0209389B1 (en) | 2011-07-26 |
EP1383618A1 (en) | 2004-01-28 |
EP1383618B8 (en) | 2005-09-28 |
CA2445582A1 (en) | 2002-11-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2296641C2 (en) | Method for plunger molding of metallic containers and similar articles | |
JP5073481B2 (en) | Method and apparatus for forming hollow metal articles | |
US7107804B2 (en) | Methods of and apparatus for pressure-ram-forming metal containers and the like | |
JP5675844B2 (en) | Method of pressure forming a metal container or the like from a preform having a wall thickness gradient | |
CN101479058B (en) | Method of manufacturing containers | |
JP2004524162A5 (en) | ||
EP2366528A1 (en) | Method for producing synthetic resin container | |
US20040194522A1 (en) | Method of pressure-ram-forming metal containers and the like | |
US6253597B1 (en) | Body-necking a wall-ironed can | |
KR100875021B1 (en) | How to pressure-ram-form metal containers | |
CA2555049A1 (en) | Method of pressure-ram-forming metal containers and the like |