DE19516064C2 - Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger Form - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger FormInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger Form, insbe
sondere eines flaschenförmigen Blechbehälters, bei dem
zunächst durch Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreck
ziehen ein vorgeformter Hohlkörper mit einem offenen
Ende und einem geschlossenen Ende hergestellt und an
schließend durch hydromechanisches Ausbauchen in einer
Hohlform, deren Innenkontur im wesentlichen der endgül
tigen Außenkontur des Behälters entspricht, ausgebaucht
wird, indem das Innere des Hohlkörpers hydraulischem Druck
ausgesetzt wird.
Beim Ausbauchen kann der in die Hohlform eingesetzte Hohl
körper entweder mit Flüssigkeit, wie Wasser oder dgl.,
gefüllt, an seinem offenen Ende durch einen Stempel oder
dgl. Verschlossen und dann die Flüssigkeit unter Druck
gesetzt werden, oder es wird ein mit Flüssigkeit gefüllter
Gummibeutel von dem offenen Ende des Hohlkörpers her in
diesen eingeführt und dann die Flüssigkeit im Innern des
Beutels unter Druck gesetzt. In beiden Fällen kann jedoch
das Ausbauchen nur dann erfolgen, wenn das Blech des Hohl
körpers beim vorangegangenen Tiefziehen und gegebenenfalls
Abstreckziehen nur einer geringen Verformung unterworfen
war, so daß es noch eine ausreichende Bruchdehnung auf
weist. Wenn jedoch der Hohlkörper ohne Zwischenglühen
(Rekristallisationsglühen) in mehreren Stufen tiefgezogen
und gegebenenfalls abstreckgezogen wurde, wie es z. B. bei
einem Behälter mit großer Höhe im Verhältnis zu seinen
Querabmessungen (Durchmesser), z. B. einem flaschenförmigen
Behälter, einer Getränkedose, einer Spraydose oder dgl.,
der Fall ist, dann ist das Material der Hohlkörperwand
stark kaltverfestigt und weist nur noch eine geringe Bruch
dehnung auf. Abgesehen davon, daß Zwischenglühen einen
separaten Arbeitsvorgang erfordert, der das kontinuier
liche Herstellungsverfahren des Behälters unterbricht,
kommt Zwischenglühen bei der Verwendung von Weißblech
nicht in Frage, da hierdurch die Zinnschicht zerstört
werden würde. Verzichtet man auf Zwischenglühen, so
könnte unter diesen Umständen der Hohlkörper nur noch
in sehr geringem Maße ausgebaucht oder expandiert werden,
ohne daß seine Wandung reißt. Ein aus Weißblech herge
stellter flaschenförmiger Hohlkörper hätte nach dem Tief
ziehen und Abstreckziehen nur noch eine Bruchdehnung von
weniger als 1% und würde bei einer Expansion seines Durch
messers von weniger als 1% reißen. Ein großer Verformungs
grad und damit eine entsprechend hohe Kaltverfestigung
der Wandung des Hohlkörpers ist jedoch erforderlich, um
eine optimale Materialausnutzung zu erreichen.
Es ist ferner ein Verfahren zum Innendruckumformen von
Rohrformstücken bekannt (Zeitschrift "BLECH ROHRE PROFILE"
38 (1991) 6, Seiten 505-508), bei dem die Rohrformstücke
vor dem Ausbauchen einer Glühung unterworfen werden. Bei
diesem Verfahren wird das Ausgangsstück, ein Stahlrohr,
in das Unterteil einer geöffneten Matrize eingelegt, die
in einer Ölwanne versenkt ist. Die Matrize hat die Form
des fertigen Werkstückes. Das Rohrstück, das mit Öl ge
füllt ist, wird dann vom oberen Teil der Matrize einge
schlossen. In der nächsten Phase wirkt auf das Rohrstück
ein axialer Druck, der durch zwei gegeneinander wirkende
Axialstempel entsteht. Durch die Axialkräfte werden die
Stirnseiten der Axialstempel in das Rohrstück hineinge
drückt und dichten seinen Innenraum ab. Gleichzeitig
wächst innerhalb des Rohrstückes der Flüssigkeitsdruck
auf die erforderliche Größe. Durch gesteuerten Flüssig
keitsdruck innerhalb des Rohrstückes bei gleichzeitiger
axialer Stauchung gelangt das Rohrstück in einen plasti
schen Zustand. Die Rohrwand beginnt sich auszubauchen
und dringt in die entsprechenden Hohlräume der Matrize
ein, wodurch das gewünschte Formstück entsteht. Um ein
Bersten des Rohrstückes an der Spitze der sich bildenden
Ausbauchung zu vermeiden, wird die Stirn des Bauches
während des Umformens durch einen Bremsstempel gestützt.
Mit diesem Verfahren können jedoch keine durch Tiefziehen
hochverfestigte Blechbehälter ausgebaucht werden, wenn
Expansionsraten von mehr als 10% erreicht werden sollen
und die Bruchdehnung des Werkstoffes im Zugversuch
kleiner ist als 5%. Bei diesem bekannten Verfahren wird
nämlich nur die Stirn der Ausbauchung während des Um
formens durch den Bremsstempel abgestützt. Der Brems
stempel sorgt dafür, daß z. B. beim Tiefziehen eines
T-Stückes bereits zu Beginn des Expansionsvorganges
sich die Form des T im Kopfbereich so ausbildet, daß
sie der Endform entspricht. Wäre kein Bremskolben
vorhanden, so würde ein Dom entstehen, der zu frühzei
tigem Reißen neigt. Der Bremskolben sorgt jedoch nur
auf der Stirnfläche der sich bildenden Ausbauchung für
eine Abstützung. Die Abstützung kann nur in einem ört
lich begrenzten Bereich, der durch den Durchmesser
des Bremskolbens begrenzt ist, erfolgen. In den übrigen
Ausbauchungsbereichen ist der sich durch den Innen
druck einstellende Außendruck von der Gestaltung der
Matrize abhängig und an Übergangsbereichen, wie an
Ecken und Spalten, überhaupt nicht kontrollierbar.
Außerdem wachsen mit dem Innendruck an der Außenseite
die Werkzeugreibungskräfte, die sich negativ auf die
Umformung auswirken. Die umzuformenden Bereiche müßten
daher eine hohe Bruchdehnung größer als 10% haben.
Wenn größere Teilbereiche des Hohlkörpers oder fast
der gesamte Hohlkörper ausgebaucht werden sollen, so
ist dieses bekannte Verfahren nicht anwendbar, denn
es gibt keinen Gegenkolben, der ständig den gesamten
auszubauchenden Bereich von außen gleichmäßig abstützen
könnte und zwar in jeder Phase des Ausbauchungsvorganges.
Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die endgültige
Behälterform eine komplizierte Raumform aufweist, wie
z. B. eine Flasche für ein Cola-Getränk.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im
wesentlichen bauchiger Form, insbesondere eines flaschen
förmigen Blechbehälters der eingangs erwähnten Art auf
zuzeigen, welches dennoch ein beachtliches Ausbauchen
eines durch vorhergehendes Tiefziehen und gegebenenfalls
Abstreckziehen stark kaltverfestigten Hohlkörpers ohne
Zwischenglühen ermöglicht.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß
während des Ausbauchens die Außenseite der auszubauchen
den Bereiche des Hohlkörpers dem Gegendruck (Pa) einer
die Außenseite umschließenden Flüssigkeit ausgesetzt wird,
und dieser Gegendruck (Pa) mindestens 500 bar beträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einem durch
Tiefziehen hochverfestigten Hohlkörper ausgegangen, der
ohne Zwischenglühen ausgebaucht wird. Dabei wird während
des Ausbauchens die Außenseite der auszubauchenden
Bereiche des Hohlkörpers dem Gegendruck einer die Außen
seite umschließenden Flüssigkeit ausgesetzt, wobei dieser
Gegendruck mindestens 500 bar beträgt. Da die Flüssig
keit allseitig bzw. an allen Bereichen der Außenseite
des Hohlkörpers anliegt, die einer Ausbauchung unterwor
fen werden sollen, wird eine gleichmäßige Abstützung an
allen auszubauchenden Bereichen erreicht und zwar in
jeder Phase der Ausbauchung. Beim Ausbauchen unter einem
Gegendruck von 500 bar und mehr, der durch die Verwendung
von unmittelbar an der Außenseite anliegender Flüssigkeit
auf alle auszubauchenden Bereiche wirkt, bleibt der
Materialverbund während des Ausbauchens auch bei dem
durch vorhergehendes Tiefziehen hochverfestigten Werk
stoff erhalten. Das Überraschende hieran ist, daß, wie
eingehende Versuche eindeutig bewiesen haben, auch hoch
verfestigte Werkstoffe mit einer Bruchdehnung von kleiner
als 1% noch Durchmesservergrößerungen von 20% ohne Reißen
des Werkstoffes und vor allem ohne Zwischenglühen erhalten
können. Letzteres ist besonders dann wichtig, wenn Hohl
körper aus Stahlblechen mit einer hitzeempfindlichen
Oberflächenbeschichtung, z. B. einer Kunststoffbeschich
tung, ausgebaucht werden sollen.
Sollen bei der Ausbauchung von dosen- oder flaschenförmi
gen Behältern Durchmesservergrößerungen von 20% erzielt
werden, so ist ein Gegendruck von etwa 1000 bar zu wählen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sowohl auf Weiß
blech als auch auf Aluminiumblech anwenden. Auch Hohlkör
per aus Stahlblechen mit anderer Oberflächenbeschichtung
oder ohne Oberflächenbeschichtung, oder aus anderen
Materialien, können auf diese Weise ohne die Gefahr
eines vorzeitigen Reißens und ohne Rekristallisations
glühung nach dem Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreck
ziehen ausgebaucht werden.
Zur Erzeugung des hydraulischen Druckes im Innern des
Körpers wird vorteilhaft ein mit Flüssigkeit gefüllter
Gummibeutel von dem offenen Ende des Hohlkörpers in
diesen eingeführt und dann die Flüssigkeit im Gummi
beutel unter Druck gesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der beiliegen
den Zeichnung, die einen Längsschnitt einer Hohlform mit
einem darin angeordneten Hohlkörper bzw. fertigen Behäl
ter zeigt, beschrieben.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei
spiel soll ein flaschenförmiger Behälter B hergestellt
werden, der eine von der zylindrischen Form abweichende,
spezielle Form, z. B. die Form einer Cola-Getränke-Flasche,
aufweist. Zu diesem Zweck wird aus einer Blechronde, z. B.
aus Weißblech, einer Dicke von 0,05-0,5 mm durch Tief
ziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen in mehreren
Stufen ein Hohlkörper 1 hergestellt, der die in der Zeich
nung rechts dargestellte flaschenförmige Form hat. Hier
bei weist dieser vorgeformte Hohlkörper 1 einen zylindri
schen Abschnitt 2, ein Halsteil 5 und ein offenes Ende 3
auf. Durch das vorangegangene Tiefziehen und gegebenen
falls Abstreckziehen ist die Wandung des zylindrischen
Abschnittes 2 stark kaltverfestigt und weist nur nach
eine geringe Bruchdehnung auf. Überraschenderweise hat
sich jedoch gezeigt, daß auch der stark kaltverfestigte
zylindrische Abschnitt 2 sich noch ausbauchen läßt, wenn
man hierbei die nachfolgend beschriebenen speziellen
Maßnahmen anwendet.
Der vorgeformte Hohlkörper 1 wird durch spezielles hydro
machanisches Ausbauchen, bei dem hoher Druck sowohl auf
die Innenseite als auch auf die Außenseite des Hohlkör
pers 1 ausgeübt wird, expandiert. Hierzu wird der Hohlkör
per 1 in eine aus zwei Formhälften 40a, 40b beste
hende Hohlform 40 eingesetzt. Die Innenkontur 41 der
Hohlform 40 entspricht im wesentlichen der Außenkontur des
fertigen Blechbehälters 8, wie er in der Zeichnung, links,
dargestellt ist. Ein mit Flüssigkeit, z. B. Wasser, gefüll
ter Gummibeutel 32, dessen eines Ende zwischen den Halte
teilen 33 und 34 eingespannt ist, wird von dem offenen
Ende 3 in den vorgeformten Hohlkörper 1 eingeführt. Der
zwischen der Außenwand 1a des Hohlkörpers 1 und der Innen
kontur 41 der Hohlform 30 gebildete Außenraum 36 ist oben
durch das Halteteil 33 und die Dichtung 35 druckdicht ab
geschlossen. Der Außenraum 36 wird vollständig mit. Flüs
sigkeit, z. B. Wasser, gefüllt, wobei dafür gesorgt wird,
daß Luft über ein nicht dargestelltes Ventil entweichen
kann. Auf den in dem Halteteil 34 verschiebbaren Kolben
37 wird eine Kraft F1 ausgeübt, die den Kolben 37 in den
Innenraum 38 des Gummibeutels 32 drückt. Dieser legt sich
an die Innenwand 1i des Hohlkörpers 1 an, wobei auch hier
dafür gesorgt ist; daß die Luft zwischen Gummibeutel 32
und Innenwand 1i entweichen kann. Durch den Kolben 37 oder
andere geeignete Mittel, z. B. eine Pumpe, wird der Innen
raum 38 des Gummibeutels 32 und damit auch der Innenraum
des Hohlkörpers 1 unter einen Druck Pi gesetzt. Gleichzei
tig wird durch einen Kolben 39, auf den eine Kraft F2 wirkt,
oder andere geeignete Mittel im Außenraum 36 ein Druck Pa
erzeugt, der kleiner ist als der Druck Pi. Durch die Druck
differenz zwischen Pi und Pa wird das Material der Wandung
des Hohlkörpers 1 zum Fließen gebracht.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich das stark
kaltverfestigte Material der Wandung des zylindrischen
Abschnittes 2 um 10% und mehr im Durchmesser expandieren
läßt, wenn man hierbei innen und außen sehr hohe Drücke
auf den Hohlkörper 1 einwirken läßt. Besteht dieser z. B.
aus verzinntem Blech, so ist bei einer Vergrößerung des
Durchmessers D1 des vorgeformten Hohlkörpers 1 auf einen
Durchmesser D2 des fertigen Behälters um 20% ein äußerer
Druck Pa von etwa 1000 bar zu wählen. Dies bedeutet, daß
der Druck Pi im Innenraum 38 um den für die Expansion des
Körpers erforderlichen Druck höher sein und etwa 1200 bar
betragen muß. Unter dem allseitigen Hochdruck bleibt der
Materialverbund auch beim Ausbauchen des stark verfestig
ten Materials erhalten. Der Differenzdruck Pi - Pa von
ca. 200 bar ist der für das Ausbauchen des Hohlkörpers
erforderliche Druck. Bei geringerer Durchmesser-Expansion
von z. B. 10% kann der äußere Druck Pa entsprechend niedri
ger sein und etwa 500 bar betragen. Die Anwendung von
äußeren Drücken bis zu 10000 bar ist je nach Material und
vorhergehender Kaltverfestigung erforderlich.
Nachdem der Blechbehälter in die in der Zeichnung links
dargestellte Form ausgebaucht wurde, wird er an seinem
offenen Ende 5 noch in bekannter Weise weiterverformt,
so daß er an seinem offenen Ende, z. B. durch Bördeln, mit
einem nicht dargestellten Boden verschlossen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur für
die Ausbauchung von vorgeformten Hohlkörpern mit kreis
förmigem Querschnitt sondern auch mit quadratischem,
sechseckigen oder sonstigen Querschnitt anwenden. Speziell
bei Querschnitten, die von der kreisrunden Form abweichen,
ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, da bei
solchen abweichenden Querschnitten die Wandung des vorge
formten Hohlkörpers nach dem Tiefziehen und gegebenenfalls
Abstreckziehen unterschiedliche Dicken aufweisen kann. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch z. B. Getränke
dosen hergestellt werden, bei denen das offene Ende der
Dose im Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des übrigen
Dosenrumpfes verringert ist, um einen im Durchmesser mög
lichst kleinen Deckel mit kleinem Materialeinsatz Verwen
den zu können. Solche Dosen sind im Prinzip bekannt, je
doch wird bisher das Verkleinern des Durchmessers am
offenen Ende der Dose durch sogenanntes Stauchnecken in
mehreren Stufen erreicht. Durch das Ausbauchen unter An
wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich gene
rell eine noch bessere Ausnutzung des Werkstoffes errei
chen, da ein Material, welches nach dem Tiefziehen und
Ahstreckziehen praktisch kaum mehr eine Bruchdehnung auf
weist, nochmals Durchmesservergrößerungen von z. B.
20% unterworfen werden kann, was eine wesentlich höhere
Volumensvergrößerung ergibt.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit
im wesentlichen bauchiger Form, insbesondere eines
flaschenförmigen Blechbehälters, bei dem zunächst
durch Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen
ein vorgeformter Hohlkörper mit einem offenen und
einem geschlossenen Ende hergestellt und anschließend
durch hydromechanisches Ausbauchen in einer Hohlform,
deren Innenkontur im wesentlichen der endgültigen
Außenkontur des Behälters entspricht, ausgebaucht
wird, indem das Innere des Hohlkörpers hydraulischem
Druck ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
während des Ausbauchens die Außenseite der auszubau
chenden Bereiche des Hohlkörpers dem Gegendruck (Pa)
einer die Außenseite umschließenden Flüssigkeit aus
gesetzt wird und dieser Gegendruck (Pa) mindestens
500 bar beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegendruck (Pa) bei einer Ausbauchung des
Durchmessers eines Hohlkörpers um 20% etwa 1000 bar
beträgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial zur Her
stellung des Behälters Weißblech in einer Dicke von
0,05 bis 0,5 mm verwendet wird.
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