DE3204947A1

DE3204947A1 - Verfahren zum herstellen von behaeltern

Info

Publication number: DE3204947A1
Application number: DE19823204947
Authority: DE
Inventors: Thomas L. 60013 Cary Ill. Phalin; James J. Pallatine Ill. Ulmes
Original assignee: American Can Co 06830 Greenwich Conn; American Can Co
Current assignee: Rexam Beverage Can Co
Priority date: 1981-02-13
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1982-08-19
Also published as: AU7817181A; GB2092931B; FR2499885A1; US4412440A; AU547398B2; MX156112A; KR830008753A; KR890002574B1; JPS57149032A; GB2092931A; FR2499885B1

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von 3ehältern, aus einem dünnen Stahlblech, der an einem Ende offen und an dem anderen geschlossen ist.

Seit 2O Jahren werden Getränkebehälter durch ein Zieh- und Glättverfahren hergestellt, bei dem das Material zunächst schalenförmig ausgebildet/ um einen Innendurchmesser auszubilden,und dann durch eine Reihe von Glättungsringen gestossen wird, die lediglich die Seitenwand verdünnen und den Durchmesser nicht merkbar verändern. Das Verfahren wird mit hoher Geschwindigkeit unter einem KühlZ-Schmiermittelfluß ausgeführtem das Verfahren zu erleichtern, insbesondere um die Hitze aufzunehmen. Diese Behälter müssen gewaschen und in manchen Fällen chemisch behandelt werden, um Reste des Schmiermittels zu entfernen und die Korrosionseigenschaften der organischen Beschichtung sowie der nachfolgend auf dem Behälter aufgebrachte Dekoration bzw. Beschriftung zu verbessern.

Seit den letzten 25 Jahren sind bei der Herstellung von gezogenen Dosen für Lebensmittelprodukte Fortschritte gemacht worden. Diese Behälter wurden aus Materialien wie

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Aluminium und weichem Stahl hergestellt, um das Ziehverfahren zu erleichtern. Zusätzlich dazu hatten die Behälter gewöhnlich eine Höhe die etwa gleich oder geringer war als der Durchmesser des Behälters und sie wurden in einem einzigen oder meist zwei Ziehverfahrensschritten hergestellt. Die Notwendigkeit für einen gezogenen Behälter liegt in der Elimination der Naht und eines Doppelsaumbodens eines üblichen dreiteiligen Behälters. Um eine dreiteilige Dose herzustellen, wird ein flaches Stück Material zu einem Zylinder gerollt und entlang einer Seite durch Saumschweißen, Verlöten oder Verkleben verbunden. Diesem Hohlzylinderkörper wird ein doppelt gesäumter Bodenverschluß zugefügt. Der zylindrische Körper kann vorbeschichtet und der Seitensaumbereich durch einen Streifen wiederhergestellt werden. Die Verfahren des seitlichen Verbindens und des Doppeltsäumens sind derart, daß die Qualität des Behälters von diesen Nähten abhängt. Der zylindrische Körper muß geflanscht werden, um den fabrikmäßig angebrachten Boden und den vom Verpacker angebrachten oberen Endabschluß zu akzeptieren. Die Flansch- und Nahtverbindungsverfahren erfordern einige Sorgfalt und können Probleme aufwerfen_/insbesondere im Bereich der Seitennaht.

Erst seit kurzem ist es möglich, mehrfach gezogene zweistückige Nahrungsmittelbehälter herzustellen, die aus organisch beschichteten zinnfreiem Stahl gefertigt werden, so daß ein nachträgliches Beschichten oder Nachbehandlungsverfahren nicht notwendig sind. Insbesondere wurde ein 24 oz. 404 χ 307 zinnfreier Stahlbehälter in einem zweifachen Ziehverfahren hergestellt. (Die Konvention der Dosenhersteller gibt den Durchmesser über den vollständigen Doppelsaum in inch + Sechzentol eines inchs dann die Höhe ininch + Sechzentel eines inch an).Aus diesem Grunde weist der genannte Behälter einen Durclimesser von 4 inch. 4/16 inch und eine Höhe von 3 inch 7/16 inch auf. (1o7,95 mm Durchmesser, 87,31 mm Höhe).

Es bestand seit langem ein Bedürfnis nach der Möglichkeit einen Behälter herzustellen, dessen Höhe merklich größer ist als der Durchmesser und vorbeschichtetes Ausgangsmaterial, in einem mehrstufigen Ziehprozeß zu verwenden. Es bestand ebenfalls ein Bedürfnis, derartige Behälter in der gebräuchlichen Größe 16 oz. Größe 303 χ 406, oder 15 oz. Größe 300 x 407, oder 11 oz. Größe 2Ί1 χ 400 herzustellen.

Die Anmelderin produziert und verkauft seit kurzem Behälter der Größe 16 oz. und 15 oz. und hat versuchsweise solche von 10 oz Größe produziert und ein vorbeschichtetes Material verwendet. Um die vorgenannten Behälter herzustellen, war es erforderlich ein Dreifachziehverfahren anzuwenden, und dieses Verfahren tendierte dazu, den Bereich der Behälterseitenwände neben dem offenen Ende zu verdicken.

Der Betrag der Verdickung nimmt vom Boden des Behälters zu dessen oberem Ende und bis zur Spitze des Flansches zu» Dieses Verdicken ist die Folge des Ziehens von Material aus einer flachen Scheibe und der verschiedenen UmfarfiBpressungen des Materials als eine Funktion der Entfernung . von dem Boden der letztgeformten

Schale. Die zusätzliche Materialdicke am oberen Ende des Behälters dient keinem nützlichen Zweck,sondern ist verschwendetes Material, erhöht das Gewicht und somit die Kosten des Behälters.

Bei der bisherigen Technik, die beim Tiefziehen von Behältern angewendet wurde, wurde eine Press-Stempel- und Ziehstempel-Kombination verwendet, wobei ein genügend großer ringförmiger Spalt zwischen der Außenfläche des Press-Stempels und der Innenfläche des Ziehwerkzeuges vorgesehen war, so daß das Metall während des Formens weder gedrückt noch verdünnt wurde. Dieser Spalt bewegte sich im Bereich zwischen 1 und 1/4 bis 2 χ der Dicke des Materials,

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das gezogen werden sollte (für das bei Dosen verwendete Aluminium oder Stahlmaterial. ) Zusätzlich dazu wies der Ziehstempelradius (oder die Oberfläche,über welche das Metall gezogen wurde) einen Kurven- oder Krümmungsradius von weniger als 0,125 inch (3,175 mm) auf, um die Bewegung des Metalls durch das Ziehwerkzeug zu erleichtern. Die Verwendung eines solchen Werkzeuges führte zur Rückbildung des Metalls und erlaubte die Verdickung im oberen Bereich der Seitenwandung des selbstgeformten hohlen Behälters wie bereits diskutiert worden ist.

Im Unterschied dazu weist das Zieh- und Glättverfahren, das zum Herstellen von Getränkebehältern verwendet wird, einen geringeren Spalt zwischen dem Glättungsring und dem Press-Stempel auf, als die ursprüngliche Materialdicke.

Im einzelnen stellt der Unterschied zwischen dem Spalt und der Dicke des Metalls den Betrag dar, um welchen die Seitenwandung des Behälters verdünnt wird. Im allgemeinen gleitet das Metall ohne organische Beschichtung während des Zieh- und Glättverfahrens durch drei verschiedene Glättungsringe, währenddessen die T-I-getemperte ETP₇ elektrolytische Blechplatte, um 25 % während des ersten Schrittes, um 25 % ihrer neuen Dicke in dem zweiten Schritt und um 40 % ihrer neuen Dicke in dem letzten Schritt reduziert wird und das Metall und das Werkzeug unter einem Schmierkühlungsstrom gehalten werden. Dieses Verfahren erhöht die Seitenwandlänge mehrmals im Gegensatz zu der Schale, welche mit dem bekannten und getrennten Ein- oder Zweifachziehverfahren hergestellt wurde. Die Querschnittskonfiguration des Glättungsrings weisteine Abrundung oder eine Phase,eine Glättungsflache und zum Schluß einen Freiwinkel auf. Der Glättungsprozeß beginnt bei der Abrundung und wird von der Glättungsfläche vollendet, wobei zu dieser Zeit kein Ziehen stattfindet. Bisher war der Zieh- und Glättprozeß ein solcher, bei dem das Ziehen und Glätten in einem Kühl/- Schmiermittelfluß stattfand. Die Beschichtung wurde normalerweise aufgebracht, nachdem

die Hülle geschnitten und von Schmiermittel gesäubert worden ist. Es bestand das Bedürfnis, organisch vorbeschichtetes Material gleichzeitig zu ziehen und zu glätten, ohne Kühl/-Schmiermittel entfernen zu müssen und danach, einen Weg zu finden, Behälter mit einer gleichmäßigen Wanddicke herzustellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,ein Verfahren der genannten Gattung zu schaffen, bei dem ein Behälter aus einem vorbeschichteten Rohling mit einer gleichmäßigen Seitenwandung durch aufeinanderfolgendes Reduzieren des Durchmessers und der Wandungsdicke in jedem der mehreren Verfahrensschritte hergestellt werden kann.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, den Behälter auf ökonomische; betriebssichere Art und in seiner Konfiguration und Herstelltechnik einheitlich herzustellen.

Der bevorzugte Behälter wird aus doppelt reduziertem Material und genau aus einer Platte von getempertem DR8 oder DR9 mit ca. 65 -*f Grundgewicht (65 if per base box base weight) hergestellt. Dabei ist die bevorzugte Ausführung aus zinnfreiem Stahl (TFS, Weißblech, vernickeltem Stahl oder einem Material auf Stahlbasis)hergestellt. DR8 oder DR9 ist eine Blechwalzwerkprodukt-Spezifikation, welche sich auf den Prozeß bezieht, in welchem das Material in zwei Stufen kaltgewalzt wird und zwischen den beiden Kaltwalzschritten einem Temperverfahren unterzogen wird. Der Stahl wird im ersten Rabzierschritt ungefähr um 89 % reduziert, dann getempert und anschließend um 25 - 40 % im zweiten und letzten Kaltreduzierverfahren reduziert. Die Terminologie "base box" für das Grundgewicht ist ein Standard in der Blechdosenindustrie, er bezieht sich auf die Menge Stahl in einem Grundkasten aus Blech, der 112 Stahlplatten 14 ich χ 20 inch, oder 31,60 square inch (35,56 χ 50,8 cun) enthält. Heute bezieht sich "base box" auf das Grundgewicht von Stahl einer Fläche von 31,36 square inch, gleichgültig ob in Form eines Bunds oder geschnittener Platten oder Tafeln.

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Das Material wird auf der Seite, die letztlich die Außenseite sein wird, mit einem Epoxiharz oder organisch beschichtet. Die Innenseite kann mit einer Beschichtung versehen werden, die aus einer Harzkombination besteht, die entwickelt worden ist, um den starken mehrfachen Verformungsschritten widerstehen zu können. Die Innen- und Außenbeschichtung ist in der Lage, den Zieh- und Glättungsbeanspruchungen,die typisch sind bei der Dosenherstellung, zu widerstehen. Folglich kann der Behälter aus relativ hochgetempertem Material hergestellt werden und erfordert keine Nachbeschichtung.

Das bevorzugte Verfahren, um einen gewünschten Behälter herzustellen, verwendet eine minimale Menge von hochtemperiertem DR8 oder DR9-Stahl und beinhaltet eins bis drei gleichzeitig stattfindende Ziehschritte, welche mit einer Presse durchgeführt werden, wie sie z.B. in der US-Anmeldung Ser.No. 056 705 . (SUPPORT PEDESTALS) offenbart ist, die ebenfalls von derselben Anmelderin angemeldet worden ist. Im Fall einer dreifach gezogen und geglätteten Dose wird der Durchmesser des Behälters und die Wanddicke gleichzeitig reduziert. Im einzelnen schneidet der erste Verfahrensschritt einen Rohling aus und formt das vorbeschichtete Material in einem schalenförmigen Topf, wobei der Durchmesser größer ist als die Höhe. Während dieses Verfahrensschritts wird die Wanddicke während des Ziehens durch Glätten derart reduziert, daß die Wand zuletzt um annähernd 0,001 inch (Q,0254mm)dünner istals die Dicke des Bodens (die Anfangsdicke des vorbeschichteten Materials) · Der zweite Ver"-

fahrensschritt zieht den Behälter und reduziert den Durchmesser und glättet wieder gleichzeitig die Wandung, um eine reduzierte Dicke vom oberen Ende bis zum Boden zu erhalten. Bei diesem zweiten Verfahrensschritt wird der Durchmesser reduziert und die Höhe nimmt zu, so daß beide Maße in etwa gleich sind.

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Der letzte Verfahrensschritt reduziert den Durchmesser weiter und glättet noch einmal gleichzeitig die Seitenwand um die bevorzugte Stärke und Gleichmäßigkeit herzustellen, so daß der Behälter seine Endkonfiguration erhält. Während dieses Verfahrensschritts kann das Bodenprofil,z.B. nach der US-Ser.No. 120 399,an dem Behälter ausgeformt werden.

Bei den Verfahrensschritten, bei denen der Durchmesser reduziert und die Seitenwandung verdünnt wird, kann das Glätten angehalten werden, bevor es den Flansch erreicht und dies bei jedem der Verfahrensschritte. Polglich kann die Flanschdicke ebenso wie der Seitenwandbereich in der Nähe des Flansche dicker gelassen werden. In jedem Fall definiert das Stoppen des Verfahrens die Stelle, wo die Seitenwände geglättet sind, der Flansch kann aufrecht erhalten werden oder auch nicht.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Flansch geschnitten und der Behälter zu einer Bördelmaschine weitergeleitet. Es wird darauf hingewiesen, daß ein vollständiger Behälter hergestellt werden kann, ohne die Notwendigkeit des Waschens, des nachträglichen Beschichtens oder Reparierens oder zusätzlicher energieintensiver Verfahrensschritte.

Das Hinzufügen des Glättens zu den Mehrfachziehprozessen gestattet einen geringeren Schnittkantendurchmesser des kreisförmigen Rohlings, als er für einen ähnlichen, nicht geglätteten Behälter gleicher Größe erforderlich ist. Aus diesem Grunde ist der Stahlbedarf für diesen Behälter geringer als bei den gezogenen Behältern gleicher Größe aus dem Stand der Technik. Diese Verringerung des Stahlbedarfs erspart Material und reduziert das Endgewicht des Behälters.

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Das Werkzeug oder die Stempel, die verwendet werden, um gleichzeitig zu ziehen und zu glätten, ist eine einzigartige Kombination der Werkzeugtechnik für das Ziehen und das Glätten. Das heißt, die Elemente der jeweiligen Werkzeuge und insbesondere das Ziehstempelprofil im Querschnitt ist angepaßt, um die Seitenwand des Behälters gleichzeitig zu ziehen und zu glätten. Die Materialverdickung, die während der Umfangspressung des Metalls auftritt, das zu dem hohlen zylindrischen Behälter geformt wird, wird während des Ziehens geglättet, so daß die Dicke der Seitenwand geringer sein kann als die ursprüngliche Materialdicke.

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Ziehstempel, der einen Ziehstempelradius aufweist, welcher nach innen in Richtung auf den Press-Stempel gekrümmt ist. Die Abmessungen des Press-Stempels und des Ziehwerkzeugs sind so gewählt, daß das Metall dünner werden muß, um zwischen ihrem Ringspalt hindurchzutreten. Eine weitere Veränderung an dem Ziehwerkzeug ist eine Glättungsflache, die unterhalb des Ziehstempelradius angeordnet ist, um sicherzustellen, daß der Glättungsvorgang gleichzeitig mit dem Ziehen stattfindet.

Das gezogene Metall wird zunächst über den Ziehstempelradius gebogen, wenn der Press-Stempel das Metall in das Ziehwerkzeug hineinzieht. Dann wird das Metall über den Ziehwerkzeugradius gezogen und muß wieder gerade verlaufen, um Teil der geraden Seitenwandung zu werden. Es ist äußerst wünschenswert, daß das Wiedergeradebiegen oder Entspannen am Ende des Ziehwerkradius stattfindet, bevor der Glättungsvorgang beginnt. Es ist vorteilhaft, daß ein Ubergangskegel oder eine Abschrägung sich von dem Ziehwerkzeugradius zu der Glättungsflache erstreckt. Dieser Übergang kann in axialer Richtung kurz oder lang ausgebildet sein, was von dem Verfahrensschritt abhängt, der ausgeführt werden soll; dies führt ebenfalls in vorteilhafter Weise dazu,

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daß das Verfahren weniger empfindlich wird gegen Fluchtungsprobleme.

Die Glättungsflache weist eine genügende Länge auf, um die Seitenwandung zu verdünnen,ohne die Vorbeschichtung abzureiben/ und um eine akzeptable Standzeit des Werkzeugs zu gewährleisten. In dem Ziehwerkzeug ist ein Freiwinkel vorgesehen, der in Längsrichtung die Fläche abstützt. Der Freiwinkelbereich des Ziehstempels ist ebenfalls notwendig, um die Umfangsbelastung aufzunehmen, die von dem geglätteten Behälter bei seinem Durchgang reduziert wird. Es wurde herausgefunden, daß bei einer geeigneten Wahl von Ziehradius, Übergangswinkel und Länge, Flächenabmessung und Freiwinkel vorbeschichtetes Material zu Dosen gleichzeitig gezogen und geglättet werden kann, bei denen die Beschichtung genügend unversehrt bleibt, um den kommerziellen Anforderungen zu entsprechen. Abhängig von der letzten Konfiguration (Verhältnis.Iföhe zu Durchmesser) des Behälters, wird dieser von einer Vielzahl von Werkzeugen bearbeitet, wie es beschrieben worden ist, um die bevorzugte Konfiguration und die gewünschte Glättung zu erzielen. Diese Flexibilität gestattet es, das Verfahren so anzupassen, daß es einen weiten kommerziellen Bereich von Dosengrößen abdeckt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine Teilansicht eines Querschnitts₍in der der Rohling in einem ersten Verfahrensschritt unter Benutzung eines kombinierten Zieh- und Glättwerkzeugs zum gleichzeitigen Ziehen und Glätten in eine Schale geformt wird,

Fig 1A: eine vergrößerte Schnittansicht des Werkzeugbereichs in Fig. 1,

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Fig. 2: eine Teilansicht eines Querschnitts, in dem die Schale weiter zu einem Behälter geformt wird, dessen Verhältnis Itihe zu Durchmesser annähernd 1 beträgt,unter Verwendung des Zieh- und Glättwerkzeugs zum Ausführen eines gleichzeitigen Ziehens und Glättens in dem zweiten Verfahrensschritt,

Fig. 2 A: eine vergrößerte Schnittansicht eines Werkzeugbereichs in Fig. 2,

Fig. 3: eine Teilansicht eines Querschnitts des Behälters, der weiter in eine längliche Dose geformt ist, wobei die Seitenwanddicke geringfügig kleiner ist als die Dicke des Originalrohlings, wobei das Formen durch ein kombiniertes Zieh- und Glättwerkzeug zum gleichzeitigen Ziehen und Glätten in einem dritten Verfahrensschritt ausgeführt wird,

Fig. 3 A: eine vergrößerte Schnittansicht eines Werkzeugbereichs in Fig. 3, und

Fig. 4: eine Ansicht eines Axialschnitts durch einen

Behälter nach dem vollendeten Ausformen mittels des Werkzeuges und des offenbarten Verfahrens, bei dem die Seitenwandungen relativ gleichmäßig und geringfügig als die nicht ausgeformten Bereiche des Bodens des Behälters sind.

In den Figuren ist eine Werkzeugausstattung und die Bearbeitung in den verschiedenen Stufen eines mehrstufigen Herstellungsprozesses für einen Behälter dargestellt. Zum leichteren Verständnis der Figuren, der Erfindung und der Beschreibung sind die gleichen Teile der Werkzeugausstattung ähnlich bezeichnet. Das heißt, das vorbeschichtete Metall das in einen Behälter geformt wird, wird in den Fig. 1 und 1A mit 20, in den Fig. 2 und 2A mit 30 und in den Fig. 3 und 3A mit 40 bezeichnet. In gleicher Weise wird das Werkzeug allgemein in Fig. 1 mit 25, in Fig. 2 mit 35 und in Fig. 3 mit 45 bezeichnet. Der komplette Behälter ist in Fig. 4 mit 50 bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, daß die Bezugsziffern in den Fig.3 und 1A 20er Zahlen sind, in den Fig. 2 und 2A werden die 30er Zahlen und in den Fig. 3 und 3A die 40er Zahlen verwendet. In den Fig. 1 und 1A, 2 und 2A und 3 und 3A werden jeweils gleiche Bezugsziffern verwendet.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Stempel 21 dargestellt ist, der zum Ziehen eines Rohlings 20 aus beschichtetem Metallblech durch einen Ziehstempel 22 verwendet wird, insbesondere über einen Ziehstempelradius 22A (Fig. 1A). Der Ziehstempelradius 22A hat einen Krümmungsradius im Bereich von 0,03 - 0,125 inch (0,762- 3.175 mm). Wie ebenfalls in Fig. 1A zu erkennen ist, ist ein Winkel E für die Konizität vorgesehen, die innen von dem Ziehstempelradius 22A zu einem geraden Stempelabschnitt oder einer Glättungsflache 22B führt, welche der Glättungsteil des Stempels 22 ist. Die Fläche 22 B ist im wesentlichen senkrecht oder parallel zur Achse des Press-Stempels 21. Folglich weist der Winkel E, der die Einführung von dem Ziehstempelradius 22A zu der Glättungsflache 22 B ist, etwa 1/2°- auf. Die Fläche 22B erstreckt sich annähernd über einen Bereich von 0,01 - 0,1 inch (0,254 - 2,54 mm) in vertikaler Richtung und von ihrer Verbindung mit dem Konus des Ziehstempelradius 22A bis zu dem Beginn eines Freiwinkels F oder Bereiches 22C des Press-Stempels 22. Dieser Freibereich 22 C ist aus der vertikalen

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um ca. 1/2 - 15° nach außen abgewinkelt und umschlossen, um die Belastung in Umfangsrichtung und in Längsrichtung in dem Stempel 22 aufgrund der während des Glättens entstehenden Arbeitskräfte aufzunehmen- Wie in den Fig. 1 und 1A dargestellt ist, hat der Rohling ein Originaldicke, wie sie unter dem Haltestempel 23 des Werkzeugs 25 gehalten ist, bevor er in den Spalt zwischen dem Press-Stempel 21 und dem Ziehstempel 22 gezogen wird. Diese Materialstärke nimmt zu, wenn sie sich dem Stempelradius 22A annähert und wird geringfügig reduziert,kurz nachdem das Material über den Tangentenpunkt des Ziehstempelradius 22A passiert. Desweiteren verdünnt es sich, wenn es sich entspannend aus dem Stempelradius 22A austritt und Teil der Seitenwandung wird. Das Material wird bedeutend verdünnt, wenn es in dem Spalt zwischen dem Stempel 22 und dem Press-Stempel 21 geglättet wird.

Die Seitenwandung des Behälters oder des Topfs hat im Schnitt in etwa eine keilförmige Form. Z.B nimmt die Dicke mit der Höhe über dem Boden zu. Dies kommt daher, weil die Materialdicke, die in die Glättungszone eintritt,aufgrund des Drucks in umfangsrichtung kontinuierlich zunimmt. Diese größere Dicke, die in die Glättungszone 22B eintritt, bewirkt eine größere Belastung auf das Werkzeug 25, welches elastisch ist und deformiert wird. Desweiteren erzeugt die erhöhte Eingangswanddicke aufgrund dessen, daß das Zurückfedern des Metalls eine proportionale Erscheinung ist, eine erhöhte Ausgangswanddicke.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in welcher ein Press-Stempel 31 dargestellt ist, der zum Ziehen des von dem Werkzeug in Fig. 1 gezogenen Bechers in einen höheren und einen engeren Durchmesser aufweisenden Behälter verwendet wird. Das Werkzeug der Fig. 2 ist ähnlich dem in Fig. 1. Der Ziehstempelradius 32A weist in Fig. 2A einen Krümmungsradius im Bereich von 0,03 - 0,125 inch (0,762 - 3,175 mm) auf. In Fig. 2A ist ebenfalls ein Winkel G

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für den Konus dargestellt, der innen von einem Ende des Ziehstempelradius 32A zu dem flachen Bereich oder zur Fläche 32 B führt, welche der Glättungsbereich des Stempels 32 ist. Der Glättungsbereich 32B ist im wesentlichen senkrecht oder parallel zur Achse des Press-Stempels 31. Folglich weist der Winkel G welcher den Eingang von dem Ziehstempelradius 32A zu der Fläche 32B eine Konizität von etwa 0-3° auf. Die Fläche erstreckt sich in vertikaler Richtung über einen Bereich von 0,01 - 0,1 inch (0,254 - 2,54 mm) von ihrer Verbindung mit der Verjüngung des Ziehstempelradius 32A bis zu dem Anfang eines Freiwinkels H oder Bereichs 32C des Stempels 32. Der Freibereich 32C ist aus der Vertikalen um 1/2°- 10 nach außen abgewinkelt und ist umschlossen, um die in Umfangsrichtung und in Längsrichtung auftretende Belastung in dem Stempel 32 aufzunehmen, die während des Glättens durch die auftretenden Arbeitskräfte entstehen. Wie in den Fig. 2 und 2A im einzelnen dargestellt hat die Schale, eine Ursprungsdicke,wie sie unter der Ziehhülse 33 des Werkzeugs 35 gehalten wird, bevor sie in den Spalt zwischen den Press-Stempel 31 und dem Ziehstempel 32 gezogen wird. Die Materialstärke nimmt in Richtung des Ziehradius 32A zu und reduziert sich geringfügig kurz hinter dem Tangentialpunkt des Ziehstempelradius 32A. Desweiteren verdünnt sich das Material geringfügig, wenn es sich entspannend aus dem Ziehradius austritt und Teil der Behälterseitenwandung wird. Das Material wird bedeutend verdünnt wenn es in dem Spalt zwischen dem Stempel und dem Press-Stempel 31 geglättet wird.

Die Seitenwandung des weitergezogenen Behälters weist im Querschnitt im wesentlichen eine keilförmige Form auf. Z.B. nimmt die Dicke mit zunehmender Höhe über dem Boden zu. Dies hat seinen Grund darin, daß die xMaterialdicke, die in den Glättungsbereich 32B des Stempels 32 eintritt, aufgrund der Umfangspressung konstant zunimmt. Diese größere Dicke, die in den Glättungsbereich 32B eintritt, bewirkt eine größere Belastung auf das Werkzeug 35, das

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elastisch ist und sich verformt. Da das Zurückfedern des Metalls eine proportionale Erscheinung ist, erzeugt die zunehmende Eingangswandungsdicke eine zunehmende Dicke bei der austretenden Wandung.

Es wird nun Bezug auf Fig. 3 genommen, in welcher ein Press-Stempel 41 dargestellt ist, der den Behälter 30 der Fig. 2 durch einen Ziehstempel 42 hindurchzieht und insbesondere über einen Ziehradius 42A (Fig. 3A). Der Ziehstempelradius 42A hat einen Krümmungsradius im Bereich zwischen 0,03 - 0,125 inch (0,762 - 3,175 mm). Wie ebenfalls in Fig. 3A dargestellt, ist ein Winkel J für die Verjüngung vorgesehen, welche innen von dem Ende des Ziehstempelradius 42A zu einem flachen Bereich oder der Fläche 42B führt, die den Glättungsbereich des Stempels 42 darstellt. Die Fläche 42 B ist im wesentlichen senkrecht oder parallel zur Achse des Press-Stempels 41 angeordnet. Der Winkel J zwischen dem Eingang des Ziehstempelradius 42A und der Fläche 42B weist eine Konizität von ca. 0-3 auf. Die Glättungsflache 42B erstreckt sich annähernd über einen Bereich von 0,01 - 0,1 inch (0,254 - 2,54 mm) in Längsrichtung und verläuft von seiner Verbindung mit dem Kegel des Ziehstempelradius 42A zu dem Anfang eines Freiwinkels K oder eines Bereichs 42C des Stempels 42. Dieser Freibereich 42C ist aus der Senkrechten um ein 1/2 - 15 nacli außen abgewinkelt und ist umschlossen, um die Umfangs- und Längsoelastung in dem Stempel 42 aufzunehmen, die durch die Arbeitskräfte während des Glättens bewirkt werden. Wie in den Fig. 3 und 3A dargestellt ist, weist der weitergezogene Behälter eine Ursprungsdicke auf, wie sie unter der Ziehhülse 43 des Werkzeugs gehalten wird, bevor er in den Spalt zwischen dem Press-Stempel und dem Ziehstempel 42 gezogen wird. Die Materialdicke nimmt mit Annäherung an den Radius 42A zu und reduziert sich geringfügig kurz nach dem Übergang über den Tangentenpunkt des Ziehstempelradius 42 A. Desweiteren verdünnt sich das Material geringfügig wenn es _t sich entspannend, aus demStempelradius austritt und Teil der Behälterseitenwandung wird. Das Material wird bedeutend verdünnt, wenn es in dem Spalt zwischen dem Ziehstempel 42 und dem

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Press-Stempel 41 geglättet wird.

Die Seitenwandung des fertigen Behälters weist im Querschnitt keine messbare Kegelform auf, da die vielen Glättungsschritte die aufgrund des Ziehens entstandenen Ungleichmässigkeiten reduziert haben. Obwohl die Materialdicke/ die in den Glättungsbereich des Stempels eintritt, im wesentlichen aufgrund der Umfangspressung zunimmt, ist die Wirkung geringer, da die prozentuale Durchmesserreduzierung gering ist. Demzufolge weist der fertiggestellte oder letzte Behälter eine weitgehend gleichmäßige Seitenwanddicke auf.

Wie in den Figuren dargestellt.ist, besteht das Behältermaterial aus Metall mit einer dünnen, gleichmäßigen Vorbeschichtung an den Stellen, die letztlich die Innen- und die Außenfläche werden. Diese Beschichtungen sind ausgelegt, daß sie sich mit dem Metall strecken und nicht abgezogen oder in der Weise beschädigt wird, daß die Schutzabdeckung des Metalls verloren geht, selbst wenn das Glätten in dem Verfahren des Ziehens des Materials über und durch den Stempel.stattfindet.

In Fig. 4 ist der fertige Behälter dargestellt, der einen Randflansch 51 und eine Seitenwandung 52 und einen allgemein mit 53 bezeichneten Boden mit einem nach unten weisenden, sich über den Umfang erstreckenden flachen Bereich 54 und einen gewölbten Mittenbereich 55 aufweist. Die Materialdicke in der Seitenwandung 52 des fertigen Behälters 50 ist relativ gleichmäßig. Der dickste Bereich des Behälters ist der Flachbereich 54, der die Anfangsdicke des Rohlings aufweist, aus dem der Behälter geformt ist. Der Rest der Wandungsdicke wurde annähernd um 0,001 inch (O,o25 mm) weniger als die Originaldicke des vorbeschichteten Rohlings verdünnt. Das Verdünnen der Seitenwandung 52 wurde in Verbindung mit einer Vielzahl von Verfahrensschritten und gleichzeitig damit einhergehenden Glättungen anhand der Figuren beschrieben. Das Verdünnen des gewölbten Bereichs 55 des Behälterbodens findet in der Nähe des Endhubs des Press-Stempels 41 in Fig. 3 statt.

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Es wird darauf hingewiesen, daß der Stempel 41 einen ausgenommenen Bereich 41A aufweist, der einem Spaltprofilwerkzeug angepaßt ist (nicht dargestellt), das den Bodenmittenbereich des Behälters 40 und das gewölbte Bodenprofil in der Bodenwandung 53 ausbildet. Durch das Formen der Wölbung 55 wird das Material des Behälterbodens gestreckt, so daß die Wandungsdicke in dem gewölbten Bereich geringfügig reduziert wird.

Der Press-Stempel kann im Durchmesser hinterschnitten oder abgeschrägt sein, um die geglättete Seitenwanddicke zu erhöhen. Wenn der Press-Stempel abgeschrägt ist, so wird die Seitenwandung in Bodennähe dicker, so daß der fertiggestellte Behälter eine größere Festigkeit in den kritischen Eckbereichen aufweist. Der Radius des Ziehstempels ist der kritische Punkt bezüglich der Belastungen, die in das Material eingebracht werden, wenn es von dem Press-Stempel unter der Spannbelastung gezogen wird. Genauer gesagt, es muß der Radius des Ziehstempels und die abgeschrägte Führung zu der Glättungsflache eingestellt werden, um das Falten zu minimieren, das natürlicherweise auftritt, wenn der Durchmesser des ungezogenen Materials reduziert wird. Wenn das Material nach innen zu dem Radius des Ziehstempels gezogen wird, werden radial verlaufende Linien der Restbelastung erzeugt, selbst wenn das Material von der Spannlast gehalten wird, und das Material es verdickt. Die ungleichmäßigen, in Umfausrichtung verlaufenden Belastungen erzeugen inhomogene Verhältnisse in der Verformungsarbeit und in den Materialspannungen, die durch variierende Verfestigungen in der zuletzt hergestellten Behälterseitenwand sichtbar werden. Die Spannungen erhöhen die Möglichkeit von Materialrissen im Flansch parallel zur Achse des Behälters. Wie erläutert wird, kann das Material im oberen Bereich des Behälters ungeglättet und somit dicker bleiben. Diej;e zusätzliche Dicke dient dazu, der Rißbildung zu widerstehen. Bei bestimmten Verfahren ist es jedoch vorgesehen, daß der gesamte Behälter geglättet und der Flansch anschließend zurückgeformt wird. Daher ist die Bedeutung des Ziehstempelradius und der Konizität größer, da die

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Notwendigkeit des Miniraierens der Spannungen größer ist.

Die Konizität zwischen dem Ziehstempelradius und der Glättungsfläche ist aber auch noch von einem anderen als dem Standpunkt der Reduzierungen von Spannungen die in das Material eingebracht werden, das gezogen wird, kritisch. Das heißt, die Abschrägung wirkt als Führung des Press-Stempels, wenn dieser das Material in den Glättungsbereich des Ziehstempels stößt.

Im einzelnen führen die Toleranzen bei der Lage der Glättungsflache, der Konzentrizität des Press-Stempels und des Ziehwerkzeugs sowie die verschiedenen Winkel und Radii in der Querschnittskonfiguration des Ziehwerkzeugprofils zur Erzeugung einer bestimmten Querbewegung zwischen dem Press-Stempel und dem Ziehwerkzeug. Die steile Abschrägung wirktals Zentrierung der Bewegung des Press-Stempels relativ zu dem Ziehwerkzeug und bewirkt einen gleichmäßigeren Materialfluß durch den ringförmigen Spalt zwischen dem Press-Stempel und dem Ziehwerkzeug. Es kann vorteilhaft sein, daß mit einer Vielzahl von Operationsschritten die Gleichmäßigkeit der Behälterwand von einer zur anderen Seite in einem gewissen Ausmaß variiert, das von dem Spalt und den herrschenden Toleranzen bei dem vorhergehenden Verfahrensschritt abhängt. Diese Ungleichmäßigkeit stellt für das Werkzeug bei dem nächsten Verfahrensschritt ein Problem dar, und es wurde herausgefunden, daß eine steile Abschrägung dazu geeignet ist, dieses Problem zu überwinden und die vorherrschenden Bedingungen des Behälters zu minimieren, so daß eine ordnungsgemäße Funktion im nächsten Verfahrensschritt stattfinden kann. Es wurde daher herausgefunden, daß die zweiten und dritten Verfahrensschritte des gleichzeitigen Ziehens und Glättens unter bestimmten Bedingungen mit einer Nullgrad-Abschrägung möglich sind.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein 303 χ 406 Container zunächst durch den Press-Stempel und das Ziehwerkzeug in eine Schale geformt, welche Werkzeuge aus einem kreisförmigen Rohling mit einem ungefähren Durchmesser von 7,947 inch (20,18 cm.) einen

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flachen verlängerten Topf herstellen, welcher einen Innendurchmesser von 5,007 inch (12,71 cm) und einer Höhe von annähernd 2 inch (5,08 cm) aufweist. Die Materialdicke des nicht geglätteten Bodens der Schale beträgt 0,0076 inch (0,1905 mm) und die mittlere Wanddicke der Seitenwände annähernd 0,007 inch (0,1778 mm). In Fig. 2 wird die Schale 20 der Fig. 1 in einen größeren Behälter mit geringerem Durchmesser gezogen, wobei die Höhe ca. 3,35 inch (85,09 mm) und der Innendurchmesser ca. 3,805 inch (96,64 mm) betragen. Die Materialdicke des Bodens verbleibt bei ca. 0,0076 inch und die Dicke der Seitenwand beträgt im Mittel 0,0067 inch (0,17 mm). Als letztes wird der Behälter 30 der Fig. 2 in die Endwertabmessungen gezogen, wobei die Höhe ca. 4,425 inch (112,40 mm) und der Innendurchmesser ca. 3,06 inch (77,72 mm) betragen. Die Dicke des Bodenmaterials verbleibt die gleiche, jedoch beträgt die Dicke der Wandung relativ gleichmäßig im Mittel 0,0064 inch (0,162 mm).

Der Durchschnittsfachmann auf dem Werkzeuggebiet und der Behälterherstellung wird ohne Zweifel zu schätzen wissen, daß, obwohl ein spezieller Behälter beschrieben und dargestellt worden ist, dieses Patent in seinem weitesten Kontext durch die nachfolgenden Patentansprüche auszulegen ist. Insbesondere sollen die Patentansprüche die Abwandlungen und Änderungen abdecken, welche die Werkzeuge an verschiedene Behältergrößen, verschiedene Materialien, unterschiedliche Verfahren oder an eine beliebige Kombination des vorhergehenden anpassen, wodurch Behälter mit relativ gleichmäßiger Gesamtdicke mit Werkzeugen hergestellt werden können, die gleichzeitig ziehen und glätten, dies in einem Ausmaß, das ausreichend ist, nicht nur das Verdicken der Wand zu überwinden, sondern die Wanddicke des Behälters geringfügig zu reduzieren.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Herstellen eines hohlen zylindrischen Behälters aus einem dünnen Stahlblech, der an einem Ende offen und an dem anderen geschlossen ist, welches Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

- Ausschneiden eines dünnen kreisförmigen Rohlings aus einer an den Hauptflächen vorbeschichteten Metallplatte, wobei der Kreis einen Durchmesser aufweist, der ca. zweimal so groß ist wie der endgültige Durchmesser des Behälters,

sofort nachfolgendes gleichzeitiges Ziehen und Glätten des Rohlings in eine Schale mit einem Durchmesser, der annähernd doppelt so groß ist wie die Höhe,

- gleichzeitiges erneutes Ziehen und erneutes Glätten der Schale um sowohl den Durchmesser als auch die Seitenwanddicke während des gleichzeitigen Verfahrensschritts zu reduzieren, so daß die Höhe und der Durchmesser in etwa gleich sind,

und

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(nur PA Dipl.-lng. S. Staeger)

gleichzeitiges erneutes Ziehen und erneutes Glätten, um den endgültigen Behälter herzustellen, dessen Durchmesser annähernd 75 % der Höhe beträgt und dessen Seitenwanddicke geringfügig dünner ist als die Dicke des dünnen kreisförmigen Rohlings.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verfahrensschritte einen Halt des gleichzeitigen erneuten Ziehens und erneuten Glättens kurz nach dem offenen Ende des letzten Behälters beinhalten . um diesen mit einer größeren Wanddicke am oberen Ende auszustatten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß diese Verfahrensschritte das Ausformen einer Schale mit einem Innendurchmesser von 5,007 inch (127,18 mm) und einer Höhe von 2 inch (50,8 mm) beinhalten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenzeichnet , daß die Verfahrensschritte ein Weiterformen der Schale zu einem Innendurchmesser von 3,350 inch (85;.1 mm) beinhalten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Verfahrensschritte ein Endausformen des letzten Behälters beinhalten mit einem Innendurchmesser von 3,06 inch (77,72 mm) und einer Höhe von 4,425 inch (112,4 mm).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Bodenwandung des vorbeschichteten Metallrohlings ca.

0,0076 inch (0,19 mm) dick ist und die Seitenwände ca. 0,0064 inch (0,16 mm).

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7. Mehrstufiges Formverfahren zum Herstellen eines dünnwandigen Behälters aus einer flachen runden Metallscheibe, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von gleichzeitig stattfindenden Zieh- und Glättverfahrensschritten durchgeführt wird, wobei die Scheibe durch eine schrittweise Reduktion des Durchmessers und der Seitenwanddicke zu einem länglichen schalenförmigen Gegenstand umgewandelt wird,der an einem Ende offen und an dem entgegengesetzten Ende geschlossen ist und bei dem die Seitenwand geringfügig dünner ist als die nicht geglättete Bodenwandung.
8. Verfahren zum Formen eines Behälters, gekennzeichnet durch das gleichzeitige Formen des Durchmessers und der Seitenwanddicke in einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Schritten, während der der Durchmesser reduziert und die Seitenwanddicke als Teil eines jeden Schrittes geglättet wird, um die aufgrund der Durchmesserreduzierung entstehende Verdickung zu beseitigen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem auf beiden Seiten organisch vorbeschichteten Flachmaterial ohne Kühlmittel oder Schmierstrom ausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausformen an einer elektrolytischen Weißblechplatte (ETP) ohne Schmiermittel- oder Kühlmittelstrom ausgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbilden bei zinnfreiem Stahl (TFS) ohne einen Schmiermittel- oder Kühlmittelstrom ausgeführt wird.

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12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausformen bei Aluminium ohne einen Schmiermittel- oder Kühlmittelstrom ausgeführt wird.