TWI683708B

TWI683708B - 藉由引伸及引縮之鋁合金飲料罐之製造方法及引縮模具

Info

Publication number: TWI683708B
Application number: TW105123613A
Authority: TW
Inventors: 羅蘭特拉斯札克; 赫夫史達柏林亞; 吉拉柏特維可特芮本; 大衛Ｐ里柏
Original assignee: 法商肯聯鋁業新布里薩克公司; 瑞典合銳材料科技有限公司
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2020-02-01
Also published as: JP2018526228A; EP3988225A1; CN107848006B; US20180161842A1; EP3988225B8; PL3328568T3; TW201711769A; CN107848006A; EP3328568B1; RU2018106923A; MX2018000976A; RU2018106923A3; JP6738897B2; RU2720272C2; US10807140B2; ES2939634T3; WO2017017009A1; BR112018001023B1; BR112018001023A2; EP3328568A1

Abstract

本發明係關於一種藉由「引伸及引縮」之鋁合金飲料罐之製造方法，其特徵在於藉由以下特異性之至少一者產生製罐衝壓機與鋁片材之間大於引縮模具與該鋁片材之間之摩擦力：內表面之粗糙度顯著高於外表面之鋁片材

引縮模具，其在橫切表面及出射表面與合模面之間具有圓形交切點，其中工作區域中具有光滑表面且該合模面具有短寬度

具有額外粗糙度及各向同性紋理之製罐衝壓機。

本發明亦係關於一種由此一方法製造之飲料罐，且其特徵在於在最終引縮步驟不久之後該飲料罐在60°下量測之反射比高於73%。

Description

藉由引伸及引縮之鋁合金飲料罐之製造方法及引縮模具

本發明係關於由鋁合金製成之飲料罐之領域，飲料罐亦被所熟習此項技術者稱為「罐」或「飲料罐」或甚至「兩件式啤酒及飲料罐」或藉由引伸-引縮(即，根據特定地包含此等兩個基本步驟之一方法)製造之鋁容器。

本發明更特定地係關於一種用於此類型的應用且特定地具有提供一較低撕裂率、更好罐幾何形狀一致性及更好罐表面態樣之最佳化引縮方法。

此改良係透過衝壓機之一控制粗糙度及紋理、引縮模具幾何形狀(合模面寬度、工作區域之粗糙度、入口幾何形狀)以及鋁片材(金屬之內部及外部粗糙度)及製杯機潤滑劑而獲得。

除非規定，否則下文根據由「鋁業協會」(Aluminum Association)在定期出版之「對位記錄系列」(Registration Record Series)中之「鋁業協會」定義之符號指定鋁合金。

除非另有說明，否則將應用歐洲標準EN 515中列出之冶金回火之定義。靜態拉伸機械特性(換言之，最終拉伸強度R_m(或UTS)、0.2%塑性拉長R_p0.2下的拉伸屈服強度(或YTS)及拉長A%(或E%))係由根據NF EN ISO 6892-1之一拉伸測試而判定。

鋁合金歸因於其等之極吸引人的視覺外觀(尤其與塑膠或鋼相比)、其等適用於回收及其等之高耐腐蝕性而逐漸在容器且更具體言之飲料罐之製造中使用。

飲料罐(亦被熟習此項技術者稱為「罐」或「兩件式飲料罐」)通常係藉由拉伸-引縮在H19冶金回火中使用具有介於0.2mm與0.3mm之間之一量規之3104類型的合金片材而製成。

片材經歷由切斷及引伸組成之製杯之一第一操作；更具體言之，在此步驟期間，片材之捲料進料給一衝壓機，亦稱為一「製杯機」，其將稱為坯料之圓盤切割並且執行一第一深度引伸操作以生產「杯子」。

杯子接著被輸送至一第二衝壓機或「製罐機」，其中該等杯子經歷至少一第二深度引伸操作及複數個連續引縮操作；此等操作由將經深度引伸的坯料行進穿過引縮工具(稱為環或模具)而組成以拉長且薄化金屬。

罐的底部亦在此時塑形。可鍛金屬被形成為一開頂式圓柱形容器。罐的側壁顯著地薄於保持未經引縮且接近原始起始量規之底部(圓頂)。罐的側壁由通常稱為中間壁及頂壁之壁組成(參見圖1)。

罐接著在旋轉機器中修整至所需高度。

在引縮方法期間，可發生撕裂(引縮方法期間之側壁斷裂或故障)，從而導致製罐機停止，進而降低生產線效能。此外，在引縮之後，罐之光澤態樣可稍微改變。

根據Avitzur(1983)已知(參見圖2)：『衝壓力[...]係部分透過杯子的底部上之壓力傳輸至變形區[...]，進一步由壁上的拉力且部分透過摩擦力傳輸。隨著衝壓機與杯子之內表面之間之摩擦力增加，更少拉力施加在壁上，因此實現具有較大降低的引縮。藉由摩擦力差異(即，藉由具有高於模具摩擦力之錘體摩擦力)及模具角度之適當選 擇，原則上可透過一單個模具達成無限制量的降低...實際上，直到最近，一單個引伸中透過一模具僅獲得少量降低...』

專利申請案GB1400081(Avitzur)揭示一種深度引伸方法，其中中空工件係透過一錐形模具藉由衝壓機進行壁引縮，其中衝壓機處之摩擦面大於模具處的摩擦面，使得經引縮區中之拉伸應力減小或消除。

專利申請案JPS577334A(Kishimoto Akira)揭示一種具有規定形狀、深度及間隔的圓周凹槽線、經設計以改良罐之移除且改良罐體之引縮中之可成形性之衝壓機。該衝壓機紋理並非各向同性的。

專利申請案JP2007275847(Daiwa Can)揭示一種用於引縮之衝壓機，其外圓周面被劃分為兩個部分，使得尖端側處之部分係粗糙的且終端側處之部分係光滑的。

專利申請案JPS61212428(Nippon Steel)揭示改良引縮及剝離可加工性之鋼板，其具有在正面及背面上彼此不同之相應粗糙表面。

專利US5250634(美國的Aluminum Company)揭示一種用於製造剛性容器產品之金屬片材，其具有保持少量潤滑劑之無裂縫表面。

此外，根據當前目前最佳技術，使用以下規範來控制金屬與工具之間(即，衝壓機與金屬以及模具與金屬之間)的相互作用：

-兩側上之金屬粗糙度Ra介於0.3μm與0.5μm之間。

-製杯機潤滑係由兩種組分組成：後潤滑油及製杯機潤滑油。由鋁製造商針對兩側以500mg/m²之平均位準供應後潤滑油，且針對兩側以500mg/m²至1100mg/m²之位準在製杯壓機處供應製杯機潤滑油。因此，潤滑油(後潤滑油加製杯機潤滑油)之總量係介於1000mg/m²與1600mg/m²之間；更具體言之，對於33cl罐，其意味著每杯子16mg至24mg。金屬片材之兩側之間的潤滑油之分佈對於外側係自50%至60%且對於內側係自40%至50%。

-遞送具有拋光表面及研磨表面兩者、導緣半徑之製罐衝壓機且將錐體重新拋光(Ra

0.05μm)、將主體重新研磨(Ra

0.03μm)。

-製罐衝壓機係由製罐商以通常在產業上稱為交叉陰影線之方法紋理化。此方法由製罐商改變且有時候可能被不良地控制。

-引縮模具之工作表面係由橫切角(1)、合模面寬度(2)及其角度(3)、橫切表面(7)與合模面之間之交切點(5)、出射角度(4)及所述區域之表面粗糙度(參見圖3)所界定。通常產業上使用介於7°與8°之間之橫切角、介於0.38mm與0.76mm之間之合模面寬度；合模面角度(3)可介於0°至5°之間，使得直徑朝向合模面之出射口變大；交切點(5)及(6)被分別稱為橫切表面(7)與合模面(8)之間及合模面與出射表面(9)之間之外銳；出射角度(4)係介於2°與8°之間，且表面粗糙度通常被規定為Ra

0.05μm或Ra

0.10μm。當前平均撕裂率係介於以標準三次引縮模具進程獲得之20ppm與150ppm之間，其中第三模具有效引縮比介於38%與44%之間。罐之標準60°反射比低於73%。典型的頂壁厚度可變性為約11μm。

由於每年製造巨大量飲料罐(3200億個)，製造方法之每一次稍許改良可導致巨大節約。

問題

待解決的問題係識別確保一高製造產率(如長時段內及一穩定方式時之一低撕裂率或一低縮頸壞料率)之最佳引縮條件。

引縮之後的罐預成型之外壁之光澤態樣係裝飾後之最終罐產品之視覺態樣之品質之一關鍵性質。待解決的問題係識別最大化在60°下量測之反射比並同時使先前提及之製造產率保持在一合理位準之最佳引縮條件。最後，主要目標之一者係減少進入罐中之金屬量，其可藉由減小頂壁、中間壁或圓頂之厚度而進行。待解決的問題係識別能夠一定減小此等厚度並同時使先前提及之製造產率保持在一合理位準之最佳引縮條件。

本發明係關於一種藉由「引伸及引縮」之鋁合金飲料罐之製造方法，其中製罐衝壓機與鋁片材之間大於引縮模具與該鋁片材之間之摩擦力係由以下特異性之至少一者產生：-內表面之粗糙度顯著高於外表面(通常Ra>0.4μm與Ra<0.3μm相比)之一鋁片材

-具有橫切表面及出射表面與合模面之間之圓形交切點之引縮模具，其中工作區域中之一光滑表面具有低於0.03μm之Ra且其中該合模面之一寬度低於約0.38mm，-具有一額外粗糙度、具有高於0.35μm之一粗糙度Ra及一各向同性紋理之一製罐衝壓機。

由於此目的，製造方法：使用一鋁合金片材作為材料，該鋁合金片材具有與模具接觸、具有通常低於0.3μm之一粗糙度Ra之一外表面及與該衝壓機接觸之具有通常高於0.4μm之一粗糙度Ra之一內表面；及/或使用具有以高於0.35μm之Ra為特徵之一額外粗糙度、具有一各向同性紋理之一衝壓機；及/或使用引縮模具，該引縮模具具有橫切表面(7)與合模面(8)之間有利地自0.5mm至4.6mm之一半徑之圓形交切點(5)(其是工作區域)、合模面與出射表面(9)之間低於1.2mm之一半徑之圓形交切點(6)、該工作區域中之低於0.03μm之粗糙度Ra(參見圖4)及通常低於0.38mm之一短合模面寬度。

本發明亦係關於一種藉由「引伸及引縮」之鋁合金飲料罐之製造方法，其中製造方法結合如上文定義之一額外粗糙度衝壓機使用兩側上之一光滑表面鋁片材。

有利的是，本發明之製造方法不使用內部製杯機潤滑劑。

本發明亦係關於一種由諸如上述方法製造之飲料罐，其中在最終引縮步驟之後(即，任何互補表面處理之前及在無任何互補表面處理的情況下)不久該飲料罐在60°下量測之反射比高於73%。

應注意，73%的值係平均值。例如，關於圖5或8，圖上之每一點係平均值，其係由約8'000至10'000個罐之每一次運轉所獲得且按三個罐及每罐十次量測來計算。

本發明亦係關於一種用於藉由「引伸及引縮」之鋁合金飲料罐之製造方法之引縮模具，其特徵在於該引縮模具具有在橫切表面(7)與合模面(8)之間半徑自0.5mm至4.6mm之圓形交切點(5)、在合模面與出射表面(9)之間半徑低於1.2mm之圓形交切點(6)、該工作區域中之表面具有低於0.03μm之粗糙度Ra且該合模面之寬度低於0.38mm。

最後，本發明亦係關於一種用於藉由「引伸及引縮」之鋁合金飲料罐之製造方法之製罐衝壓機，其特徵在於該製罐衝壓機具有高於0.35μm之粗糙度Ra及各向同性紋理。

1‧‧‧橫切角

2‧‧‧合模面寬度

3‧‧‧合模面角度

4‧‧‧出射角

5‧‧‧橫切表面與合模面之間之圓形交切點

6‧‧‧出射表面與合模面之間之圓形交切點

7‧‧‧橫切表面

8‧‧‧合模面表面

9‧‧‧出射表面

11‧‧‧底部/圓頂

12‧‧‧中間壁

13‧‧‧頂壁

21‧‧‧衝壓機

22‧‧‧模具

23‧‧‧尚未變形區

24‧‧‧已變形區

25‧‧‧變形區

26‧‧‧壁拉伸區

51‧‧‧橫切表面與合模面之間之銳利交切點

61‧‧‧合模面角度與出射角之間之銳利交切點

圖1呈現具有「底部」(圓頂)(11)、「中間壁」(12)及「頂壁」(13)之典型「飲料罐」之主體。

圖2呈現具有衝壓機(21)、模具(22)、「尚未變形區」(23)、「已變形區」(24)、「變形區」(25)及「壁拉伸區」(26)之引縮步驟。

圖3呈現根據目前最佳技術之「引縮模具之工作表面」，其具有「橫切角」(1)、「合模面寬度」(2)、「合模面角度」(3)、「出射角」(4)、「橫切表面與合模面之間之銳利交切點」(51)、「合模面角度與出射角之間之銳利交切點」(61)、「橫切表面」(7)、「合模面表面」(8)、「出射表面」(9)。

圖4呈現根據實施例之「具有圓形交切點之引縮模具之工作表面」，其具有「橫切角」(1)、「合模面寬度」(2)、「合模面角度」(3)、「出射角」(4)、「橫切表面與合模面之間之圓形交切點」(5)、「出射表面與合模面之間之圓形交切點」(6)、「橫切表面」(7)、「合模面表面」(8)、「出射表面」(9)。

圖5呈現依據「金屬粗糙度」變化之「60°下量測之反射比」(以%為單位)：低粗糙度係0.23μm且高粗糙度係0.49μm。菱形點係平均值。

圖6呈現依據「第三引縮比」(以%為單位)變化之「撕裂比」(以ppm為單位)，且黑色表示0.20μm之一衝壓機粗糙度Ra，白色表示0.47μm之一粗糙度Ra。

圖7呈現依據合模面寬度(以mm為單位)變化之平均厚度範圍(最大減去最小值)(以μm為單位)，左圖針對中間壁(12)(圖1)且右圖針對頂壁(13)(圖1)。

圖8呈現依據橫切表面以及出射表面與合模面之間之交切點之銳利度變化之「60°下量測之反射比」(以%為單位)：0針對具有介於0.5mm至4.6mm之間之一半徑之一圓形交切點(5)及具有低於1.2mm之一半徑之一圓形交切點(6)，1針對銳利交切點(參見圖4)。菱形點係平均值。

引縮之後的外壁之光澤態樣係裝飾後之最終罐產品之視覺態樣之品質之一關鍵性質。此性質可使用光霧效應及影像清晰度來定性評估。

定性評估此性質之最適當量測之一者係相對於扁平罐壁之法向面成60°之鏡面反射比。此文件中論述之全部反射比量測已對類似於在製罐廠中進行之引縮及洗滌操作之後的罐預成型件執行。

粗糙度係根據標準NF EN ISO 4287量測。一各向同性紋理係粗糙度量測不取決於量測方向之一紋理。對於高於0.35μm之一粗糙度Ra及一各向同性紋理，對於任何量測方向粗糙度Ra皆高於0.35μm。

為解決問題，本發明旨在增加衝壓機與金屬之間之摩擦力，且同時減小引縮模具與金屬之間之摩擦力。因此，產生製罐衝壓機與鋁片材之間高於引縮模具與該鋁片材之間之一摩擦力。

由於此目的，有效地單獨使用或結合若干解決方案。

●第一實施例包括使用金屬，即，一鋁合金片材，其具有差異化粗糙度。更精確言之，意味著與模具接觸、以低於0.3μm之Ra為特徵之一外部光滑表面及與衝壓機接觸、以高於0.4μm之Ra為特徵之一內部粗糙表面。

在外部使用光滑金屬之主要優點係改良罐之明亮度，其中60°反射比為至少73%。另一方面，在內部提供粗糙金屬促成增加衝壓機之摩擦力，且因此降低撕裂率。

在一給定頂壁厚度下，中間壁之降低規測(down gauging)受第三模具之引縮比約束。藉由使用具有差異化粗糙度、具體言之在內部具有較高粗糙度之金屬，極限第三引縮比可增加至高於44%且因此中間壁厚度可減小。

●第二實施例包括使用與熟習此項技術者眾所周知的當前交叉陰影線慣例相比具有以高於0.35μm之Ra為特徵之一額外粗糙度、具有一各向同性紋理之一衝壓機。第二實施例使得能夠大幅增加內部摩擦力，且因此降低撕裂率或在相同撕裂率下將引縮比增加至高於44%。

在一給定頂壁厚度下，中間壁之降低規測受第三模具之引縮比約束。藉由使用一額外粗糙的衝壓機，極限第三引縮比可增加至高於44%且因此中間壁厚度可減小。

●較佳地，本發明之製造方法係在無內部製杯機潤滑劑的情況下運作。本發明之製造方法使得能夠增加內部摩擦力，且因此降低撕裂率或在相同撕裂率下增加引縮比。

在一給定頂壁厚度下，中間壁之降低規測受第三模具之引縮比約束，其並未超過所謂的「極限引縮比」。在此上限以上，沒有引縮係無故障地運行。在無任何內部製杯機潤滑劑的情況下，「極限引縮比」增加使得可在產業上執行高於44%之第三引縮比。因此，中間壁厚度可減小。

包括在兩側上使用一光滑表面片材之一變化案確實促成藉由降低衝壓機與金屬之間之摩擦力增加撕裂率。然而，此一負面結果可藉由結合地使用一額外粗糙的衝壓機或不使用內部製杯機潤滑劑而防止。

第三實施例包括使用引縮模具，其具有橫切表面(7)與合模面(8)之間自0.5mm至4.6mm之一半徑之圓形交切點(5)(其係工作區域)、合模面與出射表面(9)之間低於1.2mm之一半徑之圓形交切點(6)、工作區域中低於0.03μm之粗糙度Ra(參見圖4)及低於0.38mm之一短合模面寬度。

此使得能夠更好地控制頂壁厚度，通常將當前可變性除以2，且其促成改良罐壁明亮度，即，60°反射比高於73%。

縮頸生產線效率對頂壁厚度可變性敏感，較高可變性引發較低效率。工作區域中具有低於0.03μm之Ra及/或通常低於0.38mm之較短合模面寬度之圓形引縮模具使得能夠改良頂壁一致性且因此改良縮頸生產線效率。

工作區域中具有低於0.03μm之Ra及/或通常低於0.38mm之合模面寬度之圓形引縮模具使得能夠改良頂壁一致性且因此針對相同較低規範極限減小頂壁厚度目標。

實例

已經在若干試驗活動期間，在一原型設計引伸-引縮前端生產線上使用H19冶金回火中具有0.26mm之一量規之3104類型合金之片材，而獲得一側上之金屬、工具及製造參數與罐在另一側上之製造產率及光澤態樣之間之上述關係之一些實例。對於同定的一組條件下的每一次運轉，生產約10'000個罐且計數撕裂之發生。針對取自運轉開始、中間及結束時之樣本，量測罐預成型件之厚度、重量及反射比。

●第一實例比較對取自相同母捲料但具有兩種不同的表面光度之一金屬執行之若干次運轉：一種表面光度具有低粗糙度(0.23μm之Ra)，且另一表面光度具有高粗糙度(0.49μm之Ra)。圖5比較此對稱(即，兩側上相似)金屬粗糙度對引縮之後的罐壁反射比之影響。低粗糙度平均給定一較高反射比。圖5上之每一點係按三個罐及每罐十次量測計算之約10'000個罐之每次運轉之一平均值。

●第二實例比較對具有相同的經紋理化表面光度但分別具有不同粗糙度Ra反射比0.20μm及0.47μm之兩個衝壓機執行之若干次運轉。圖6展示增加衝壓機粗糙度降低若干第三引縮比之平均撕裂率。圖6上之每一點係利用具有相同第一引縮比及第二引縮比之約8'000個罐之一試驗而獲得。

●第三實例涉及生產運轉期間罐之壁厚之可變性。圖7展示合模面寬度影響中間壁及頂壁厚度：最短為合模面大小，最關注厚度分佈。圖7上之每一點係關於在約10'000個罐之一運轉中取得之約30個樣本之每罐4次量測之一平均值。所比較之全部運轉已在相同衝壓機但不同模具設計下進行。

●第四實例處置模具設計對反射比之影響。圖8展示平均地關於相同衝壓機之若干次運轉，具有自0.5mm至4.6mm之一半徑之一圓形交切點(5)(圖4)及具有低於1.2mm之一半徑之一圓形交切點(6)(圖4)之模具，使得能夠生產具有一較高反射比之罐。更具體言之，結合具有一光滑外表面(低於0.3μm之Ra)之一金屬及具有圓形交切點之模具，使得能夠達到最高反射比值(高於74%)、比標準情況更優約4%。