用来对容器体进行整形的方法和装置 本专利申请是1998年1月9日提出的美国专利申请的继续，该美国专利申请又是于1996年1月4日提出的序列号为No.08/582,866的在申请专利的继续(CPA)，上述两篇申请文件均在此作为参考使用。
本发明通常涉及对容器体进行整形，更具体地说，本发明在容器承受轴向负荷的同时，利用一个或多个压力流体来对容器体进行整形操作。
背景技术
现在已采用了多种技术来形成薄壁工件，特别地，在形成三件式及两件式筒形金属容器体的过程中分别应用了纵向焊接技术和拉延/再拉延/压薄技术。然后通过模颈缩(necking)、滚颈缩或旋压颈缩及其他二次处理工艺就可对金属容器体进行变型。
对于进一步的整形操作来说，近来通过利用一个内部辊子和一个外部软垫或通过一个内部辊子和一个相匹配的外部较硬元件，而将对称的纵凹槽或棱条及菱形、格栅形及其他多种图案施加到筒形容器体上。在所述三件式金属容器体上施加这些图案时也利用了胀开式心轴。当筒体径向扩展时对其一端施加一个轴向负荷是一种通用的辅助扩展方法。本领域技术人员所理解的“整形”(或“再整形”)不但包括形成或改变一个通常的外形、轮廓、截面等，而且还包括其他多种项目如进行浮雕印饰(或凹印饰)、变形处理等。
较著名的技术限于在容器体上达到整形的径向延伸和合成。例如，在任何单个的操作中，当前拉延及压薄而成的铝制饮料容器(例如，侧壁厚度约为4-7mm的容器)不能利用模颈缩技术来进行超过约3％地径向改变，模颈缩技术通常不能用来将容器体的直径增加然后减小(或相反操作)，或沿着容器体的纵向进行不连续的/倾斜的整形设计。现在已发现利用旋压整形技术可进行较高程度的扩展(例如，对当前的拉延和压薄而成的铝制饮料容器来说，扩展量可超过15％)，在容器体和形成辊子之间需进行相对转动，这样就限制了沿着容器体的纵向扩展形成非圆形横截面的能力。
当前提出的其他技术也具有一些局限。例如，已考虑的电磁工艺和静液压工艺分别需要利用磁场和压力容器而朝向一个外部整形模来挤压容器体的侧壁。但是，上述的工艺均需要容器体具有足够的延展性，以承受相当大的附加塑性变形而不失效。对于当前的拉延和压薄而成的铝制饮料容器来说，由于所利用的铝合金具有有限的延展性，因此，在失效之前实现的变形范围小于3％(通常小于2％)。而对这种容器体进行退火可使其产生足够的延展性而可进行较大的金属变形，但是这会降低容器体的强度且需进行不希望的额外的热处理工序。
发明概述
在一个实施例中，容器的整形过程涉及利用一种压力流来进行局部的加工，同时将所述容器置于轴向负荷作用之下，例如，向着容器的凸缘压一个最好为浮动的支撑。所述轴向负荷可通过一个弹簧组件来得到，所述弹簧组件由位于一个弹簧顶帽和一个较低的基体如一个空气压力箱体之间的一根弹簧来构成。在一种构造中，弹簧组件放置靠在浮动支撑上。在一种情况下，所述弹簧组件可产生的轴向负荷约在5磅力和100磅力之间，但所述轴向负荷最好在约10磅和40磅之间。所述轴向负荷可用来密封处于一个浮动密封环和容器凸缘之间的交界面。在一个实施例中，施加到容器凸缘上的一个轴向负荷可产生一个施加到容器体侧壁上的轴向负荷，当所述容器通过罐成型操作而向外扩展时，该负荷有助于金属的流动。
所述容器体可通过多种方式放置到工具中。例如，在所述容器体和模腔之间可存在一个间隙，这样就可通过一个浮动的第二支撑来夹持(例如，在容器凸缘端)所述容器，和/或通过所述模腔在上端夹持所述容器，但是在其侧壁上不必利用模腔来夹紧。此外，如果一个实施例利用容器体的内部空气压力，直到所述容器体扩展至与所述模腔相接触，所述压力不需要相对于模腔壁来夹持所述容器。所述模腔的配合的进一步的变化还包括在容器体壁和模腔内径之间的稍微过盈配合。例如，当模腔处于一个闭合的位置时，容器体侧壁可由模腔表面来夹紧。模腔的安装配合的另一个实施例，包括在容器体壁和模腔内径之间进行较大的过盈配合。
如果容器和模腔均具有回旋的连续表面，在容器和模腔之间最好只有一个较小的过盈配合，或当所述模闭合时由所述模腔来挤压容器。当容器体承受内部压力时，容器至少部分地通过模腔/容器之间的过盈配合，和由于容器中的内部压力的作用而使容器体侧壁产生的径向扩展的组合，而保持在模腔中。这样就阻止了容器在模腔中以一种不希望有的方式进行转动。
此外，所述模腔可包含一种不连续的轮廓如棱条、凹槽或凸出的字母，当所述模腔闭合时，这些轮廓就可部分地被压入到所述容器上。在对所述容器进行整形之后，所述腔体轮廓上的这些高出点就保持在容器的表面中，从而在所述容器表面上就产生了一个凹饰图案，而容器向外扩展的部分通过整形操作就从最初的容器表面上凸出出来。在这种方式中，利用容器直径的较低程度(与原来的方法相比)的完全扩展，就可在容器中产生一种程度增加的局部起伏。所述棱条或其他图案也可将容器锁定在模腔中，特别是如果所述棱条或其他图案承受压力的话，它们就可阻止容器进行转动。模腔上的轮廓的有效圆周长度比容器壁的圆周长度长，这样可减少这样一种可能性，即当模腔闭合时，所述模腔会挤压所述容器。至少在某些情况下，所述工具模腔凹陷入所述容器中的程度是由容器壁的圆周长度来限制的。
本发明的一个实施例的另一个方面通常涉及利用两种流体来进行的容器体整形/再整形操作。所述流体之一向容器体高效地施加局部整形力，在整形力施加到容器体的过程中，另一种流体用来有效地“控制”容器体(例如，在对容器体进行整形时，所述另一种流体用来高效地“控制”或“保持”被拉拔和压薄而成的金属容器体)。
在本发明的利用单一流体的实施例中，或在上述本发明利用多个流体的实施例中，所述容器体可被“预先施加负荷”(轴向负荷)。在容器体暴露在第一压力流体的过程中，和/或例如通过第二流体对容器体的表面的作用而将整形力施加到容器体的过程中，就可将一个轴向的负荷(例如，加压负荷)施加到容器体上。
附图的简要描述
图1所示为根据本发明的一个实施例而利用凸缘密封和轴向负荷对容器体进行整形的一种装置的剖视图；
图2所示为一个部分剖视图，该图显示了根据本发明的一个实施例而在整形操作之前在模腔和容器之间的间隙；
图3所示为一个部分剖视图，该图显示了根据本发明的一个实施例而在整形操作之前在模腔和容器之间的轻微的接触；
图4所示为一个部分剖视图，该图显示了根据本发明的一个实施例而在整形操作之前在模腔和容器之间的过盈配合；
图5所示为根据本发明的一个实施例的容器体整形装置的剖视图；
本发明的详细描述
根据本发明的一个实施例，该实施例提供了一种用来成形和浮雕薄壁工件、如容器体(例如，容器体的侧壁厚度不超过约0.0070inch)的一种装置/方法，特别地，该装置/方法可在金属容器的侧壁中形成复杂的及非一致性的形状/设计。该装置/方法也具有通过一种方式进行成形和浮雕的能力，该方式不需要对容器体随后进行退火处理，特别地，所述容器体包括筒形的经拉延和压薄而成的铝、钢合金容器。
为达到上述目的，一个“定形罐”为一个薄壁金属容器，其中所述侧壁表面可包含规则的回旋、凸起、棱条和凹槽表面；所述侧壁表面还可包含不规则的表面如凹槽、棱条、浮雕、字母、公司的印记或其他印记、菱形、饰面、工艺几何涂饰、三角、纹理、气泡或一些奇异的形状。所述可能的形状及表面并不仅限于上面列举的这些，它们还包括这些几何表面的组合和配置。
下面将要详细描述的至少一种装置/方法是使用至少一种压力流体流(例如，液体)，所述压力流体流以较高的速度直接喷射到容器体的侧壁上，以产生所需要的形状/设计图案。与所述流体流相关的词语“压力”是指流体的喷嘴压力，所述喷嘴将较高的压力转变为较高的速度。由流体流的流束产生的冲击力及其速度，实际上被用来变更容器体的形状(相反的情况为，例如对于流体的静液压力来说，这些静液压力在本质上是典型地非局部力，它们在整形过程中只起很小的作用)。
应特别注意到：被引导的流体流的应用可使金属容器体侧壁的局部处理达到较高程度的金属变形(例如，对于当前的经拉延和压薄而成的铝制容器体来说，金属变形量可超过15％)。特别地，通过在流体流和容器体之间进行相对的纵向和转动运动，可以通过例如螺旋的方式围绕及沿着容器体而进行所述的局部处理。
下面将详细描述的一个或多个装置/方法的一个或多个方面，可达到复杂的及非一致性的形状/设计图案，所述形状/设计图案包括几何形状/设计图案(例如，菱形、三角形、公司印记等)、文字(例如，以块状印刷体、手写体等表示的产品/公司名称等)及奇异的形状/设计图案，所述奇异的形状/设计图案具有倾斜的和/或尖锐的形状确定边缘和/或表面，所述形状确定边缘和/或表面围绕、相对于及沿着容器体的纵向变化。
在一个实施例中，所述容器压力可朝着容器的凸缘紧压一个浮动的密封环。因为该浮动密封环的结构可用来保持一个轴向负荷，同时保持密封，因此这种结构是特别有用的。所述轴向负荷可用来密封浮动密封环和容器凸缘之间的交界面。
模腔配合作用的多种变化包括在容器壁和模腔内径之间的稍微较强的过盈配合。在一个实施例中，当模腔夹紧一个容器体时，容器体壁就被向内/向外推，过盈配合力的累加可对容器体壁产生较大的应力释放。当施加内部压力时，通过模腔壁和容器体之间的过盈配合、和容器侧壁由于容器中的内压力的作用而进行径向扩展的组合作用，容器体相对于模腔进行夹持。
图1显示了用来对一个金属容器进行整形所用的容器体整形组件600的一个实施例，该组件包括一个通常为圆筒形轮廓表面616，该圆筒形轮廓表面616在一个上部区域701和一个底部区域704之间轴向延伸。图中显示的整形组件600包括一个模组件604，所构造的模组件604包括一个具有模腔612的模608，模腔612具有的轮廓表面616与容器的第一表面688不同，且二者至少部分地相分离。包括有模608的模组件604可形成为多个部分，用以放置/除去容器体第一表面688(例如，所述模608可形成为三个相分离的且可径向移动的模部分)。
所述模608至少部分地与容器体相邻，模608的第一支撑703与容器的上部区域701相接触，而其第二支撑716与底部区域704相接触。第一支撑703可相对于第二支撑716进行定位，这样容器侧壁692的至少一个第一部分就放置在轴向负荷的作用下。容器的上部区域701包括一个布置在第一支撑上的向外延伸凸缘707，安装的第二支撑716使其在具有一个部件的方向上被推向第一支撑703，从而对向外延伸的凸缘707的表面施加压力。这样，第二支撑716就可自由移动(例如，“浮动”)，从而当容器侧壁692与模608的轮廓表面616相一致时，第二支撑716可随着容器凸缘700的运动而运动。因此，当第二支撑716移动时，第二支撑716就可在容器侧壁692的至少一个第一部分上基本保持一个轴向负荷。当第二支撑716具有一个轴向负荷时，相对于容器凸缘700就可形成流体密封，当第二支撑716移动时，也可基本保持所述的流体密封。在一个实施例中，所述的轴向负荷在约5磅(约2kg)的力和小于约100磅(约50kg)的力之间，该轴向负荷最好大于约10磅(约5kg)而小于40磅(约20kg)。
第二支撑716与密封组件620的一个弹簧帽677相互作用。弹簧帽677与一根负荷弹簧693相互作用，弹簧693与密封组件620的一个箱体699接触。弹簧帽677、负荷弹簧693和箱体699通过弹簧保持件697来固定。一个O形环644可布置在第二支撑716和弹簧帽677之间以保持适当的密封。另外，一个O形环685可布置在喷射杆680和箱体699之间而保持液密密封。
在所显示的实施例中，整形组件600具有一个可布置在容器侧壁692的内部736中的喷嘴684，喷嘴684用来在至少一个具有非轴向部件的第一方向705(和/或在一个第二方向706)上喷射压力流体流，而容器侧壁692的至少一部分受轴向负荷的作用。这样就可容易地使容器侧壁692与模608的轮廓表面616基本一致。
所述流体流作用到容器体表面688的一个被选择的部分上，而将力加在容器体侧壁692的该部分朝向所述模组件604的轮廓表面616。通过移动所述流体流，侧壁692就在压力流体流705和轮廓表面616之间成型为预定的构造，当侧壁692被整形时，侧壁692的至少一部分受到一个轴向负荷的作用。
在图2中，侧壁692限定了一根对称的纵轴709。基本不与侧壁过盈配合的模608具有一个内轮廓表面616，所述内轮廓表面616基本围绕所述侧壁692的至少一部分，而内轮廓表面616与容器侧壁692的第一表面688是不同的。在图3所示的实施例中，模608的内轮廓表面616的至少一个第一部分通过侧壁692的初始外直径而向内延伸一个第一距离(所述的距离应足够的小以避免侧壁产生非弹性变形，并应有助于利用流体进行整形)，而在内轮廓表面616的至少一个第一部分和侧壁692之间确定了一个较小的过盈配合。在图4所示的实施例中，所述的第一距离可足够使容器侧壁692的一部分向内变型，在某些情况下使容器侧壁692进行非弹性变形而产生较强的过盈配合。
图4还显示了一种构造，其中构成了内轮廓表面616，这样，在侧壁与模相一致之后，侧壁的至少一个区域产生变型，而使容器侧壁692的初始外直径向内变形一个第一距离，所述侧壁的至少另一个区域产生变型，而使容器侧壁692的另一个区域的初始外直径向外变形一个第二距离。在这种方式中，即使侧壁692是由在距离上具有上限的材料形成的，筒形容器侧壁692也可被向外变形而不失效。变形的第一距离和第二距离可超过所述的上限。
在图5所示的实施例中，模组件604与密封组件620相互作用，可使容器体表面688在由另一种流体(通过一个喷射组件676)进行基本的整形操作之前，利用一种流体(通过压力组件652)进行冲压。在这种方式中，所述模608的较低部分包括一个颈环632，所述颈环632与模608整体形成或分离式地安装到模608上。沿着模608可利用不同的隔板(未显示)来分开所述的颈环632，这样可将容器体第一表面688放置到模组件604中。
颈环632与密封组件620的密封壳体624相接触。密封壳体624包括一个密封腔628，密封腔628用来将压力流体从压力组件652通过其开口端704而引入到容器体第一表面688中。在一个颈环632和密封壳体624之间可布置不同的O形环644，以在应用压力组件652的过程中提供适当的密封。
模组件604的颈环632也与颈696的上部分及容器体第一表面688的凸缘700一致性地相接触并对其进行支持。容器体第一表面688的凸缘700被保持在分离的颈环632和通常为筒形的内密封636之间，筒形内密封636布置在密封壳体624之中。一根或多根弹簧648(图中显示了一根)布置在密封壳体624中的一个适当造型的弹簧腔646中，弹簧648朝着容器体表面688的凸缘700偏压所述内密封636，而强制性地将凸缘700保持在颈环632和内密封636之间。这样在使用压力组件652的过程中，可对容器的内部736进行有效密封。在一个实施例中，弹簧648施加到凸缘700上的力的范围在约10磅至50磅之间，以将凸缘700保持在内密封636和颈环632之间。该弹簧也可朝着模608的一个突出座618偏压容器体第一表面688，以对容器体侧壁轴向地预加负荷。
压力组件652对容器体的内部736施加压力，或将一种压力流体施加到容器体第一表面688的某一部分上，通过一个喷射组件676的作用而在容器体第一表面688的变形过程中来“保持”或“控制”金属。压力组件652所用的操作压力小于喷射组件676所用的压力(例如，压力组件652的操作压力为喷射组件676所用压力的约0.5％至6％)，这样就可认为压力组件652利用一种低压流体，而喷射组件676利用一种高压高速流体。压力组件652的特征在于，通过利用喷射组件676而提高了容器体的可塑性，从而在容器体第一表面688变形之后减小了其“反弹”的可能性。与上面所述的实施例相比，该实施例可潜在性地减小喷射组件676所用的压力，从而在变形完成之后提高了容器体第一表面688的表面光洁度，与前面所述的实施例相比，该实施例可减少喷射组件676所需要的通道的数目。
所述压力组件652包括一个压力源656(例如，一个压缩机)，所述压力源656中包含有合适的流体，所述压力源656通过一个压力管路660而与密封腔628因而与容器体的内部736进行流体内连。所述压力管路660延伸过密封壳体624并穿过内密封636中的一个适当开口，流体在箭头A所示的方向上流动。压力组件652所用的流体优选为气体，更优选为空气。在一个实施例中，压力组件652将一种流体(例如，一种气体如空气)引导入容器体的内部736中，而将容器体的内部表面728全部置于流体压力(例如，空气压力)的作用下，所述的流体压力最好是基本均匀分布的，该流体压力在容器壁上将产生一种拉伸环式的应力，流体压力是在容器体第一表面688的屈服强度的约10％至约50％的范围内。在一个实施例中，容器体的内部736中的压力是基本恒定的，在约20psi和约100psi之间的范围内，最好在约30psi至约60psi之间的范围内，更优选的情况为所述压力不大于约40psi。在整形或利用喷射组件676的过程中，所述内部736中的压力也可通过一种受控制方式来增加。在喷射组件676将流体引入到容器体的内部736的过程中，所述内部736中的压力将增加至超过由压力组件652提供的压力。可利用一个压力安全阀来限制所述压力升至一个预定的值(例如，在标示的范围内或少于100psi)。在容器体进行变形时，在喷射组件676的至少部分运行过程中，特别地在贯穿于喷射组件676的整个运行过程中，容器体的内部736中的压力最好通过压力组件652而基本保持为常值。这样，在整形过程中，由压力组件652提供的流体压力基本为静压力。
所述喷射组件676产生基本的整形力并将其施加到容器体第一表面688的内部表面728的局部区域上。通常情况下，所述喷射组件676包括一个喷射杆680，喷射杆680延伸过密封壳体624的下部分并进入容器体第一表面688的内部736，喷射杆680至少具有一个喷嘴684。
一种适当的流体，该流体最好为水，在箭头B所示的方向上被引导向上穿过喷射杆680的内部通道682，并从每个喷嘴684中喷出而将一个局部整形力施加到容器体的内部表面728的一部分上。然后，整形力径向向外挤压容器体第一表面688的压紧部分，而与模608的轮廓表面616的相应的部分基本一致地配合。喷射组件676和容器体第一表面688之间的超时的相对转动和纵向运动，可使喷嘴684将流体引导到容器体的容器体侧壁692的整个内表面728上(例如，通过使喷射杆680围绕与容器体的中心纵轴线740相应的转动中心而在箭头C所示的方向上进行转动，同时在箭头D所示的方向上至少一次、通常是多次使喷射杆680轴向进入和退出容器体的内部736)。
从喷嘴684排放的流体以集中的力来冲击容器体的内部表面的一个较小的部分。本发明中存在多个起作用的因素。最初，在一个实施例中，每个喷嘴684与侧壁692的内部表面相间隔一定的距离，该距离在约1/8″至约3/4″的范围内，更优选的是该距离在约1/4″至1/2″的范围内。来自于喷射组件676的流体(例如，水)穿过来自于压力组件652的流体(例如，空气)，来自于压力组件652的流体也在容器体的内部736冲击容器体第一表面688而使其进行变形。
对将集中的局部力施加到容器体上产生影响的另一个因素，是从每个喷嘴684中喷出的流体(例如，水)，来自于每个喷嘴684的流体是以高速流体流的形式喷射到容器体第一表面688上的。在一个实施例中，当所述流体流冲击容器体的内部表面728时，流体流的宽度在约0.040英寸至约0.150之间变化，在某一时间而在任何点处由每个流体流冲击的容器体第一表面688的面积，在约0.0015平方英寸至约0.050平方英寸之间变化。在一个实施例中，作用到由流体流冲击的容器体第一表面688的内部表面728上的压力，在约1000psi至约5000psi之间变化。在罐中通过利用内部(空气)压力而可降低对使金属整形所需的喷射力的压力要求，该压力在罐中产生拉伸应力。
通过一个排放组件644将来自于喷射组件676的流体从容器的内部中除去，特别是在流体冲击容器体的内壁表面728之后，通过一个排放组件644可将来自于喷射组件676的流体从容器的内部中除去。排放管路668延伸过密封壳体624，并与密封壳体腔628和一个排放箱672进行流体内连。排放管路668可与压力管路660相邻布置。排放箱672也处于例如约45psi的压力的作用下。来自于喷射组件676的流体落入密封壳体腔628并在箭头E所示的方向上流过排放管路668而流入排放箱672。
下面将简单描述利用整形组件600而进行的整形操作。在将一个容器体放入模608中时，所述模608是开启的(也就是说，所述模608径向地分离为至少两部分，最好为三个不同的部分)，模组件604和密封壳体624是轴向分离的或间隔开的。此后，所述模608可被闭合而密封壳体624可移动与模组件608相配合。这将使容器体承受径向压缩力，如上面所描述向容器体第一表面688预加负荷。此外，这也将密封容器体的内部736以启动压力组件652的运行。特别地，通过弹簧648有效地向容器体的内部736施加压力，第一表面688的一个凸缘700就被强制性地保持在模组件604的颈环632和密封组件620的内密封636之间。
压力组件652被启动而将流体(例如，空气)引导入密封壳体腔628中，然后再引导入容器体的内部736。相对于喷射组件676的喷射压力来说，容器体第一表面688的内部736中的气体压力是比较低的，通常它不能够使容器体侧壁与模608的轮廓表面616完全相一致。这样可更有效地“保持”或“控制”容器体第一表面688的那些部分，即由来自于一个喷射组件676的喷嘴684的流体流所喷射的部分。在任何给定的时间，来自于喷嘴684的流体流只作用到容器体第一表面688的内部表面728的一小部分上。喷射杆680可沿着与容器体第一表面688的中心纵轴线740相一致的轴线进行转动，并可在容器体的内部736中轴向前进及回缩而对容器进行整形(喷射杆680的一个向内的伸展及随后的回缩包括一个行程，也可采用多个行程)。来自于喷射组件676的流体可通过排放管路668将其从容器体的内部736除去。
上面为了显示和说明的目的而对本发明进行了描述。但所描述的内容并不仅限于此处所披露的发明形式。因此，与上述技术相一致的变化和变更及相关领域的技术和知识均在本发明的范围之内。上面所描述的实施例是为了解释实现本发明的最好的方式，这样可使本领域的其他技术人员可根据对本发明的特殊应用的要求来利用本发明或根据本发明做出不同变更。应认识到附加的权利要求可以包括由现有技术所允许的可替代的实施例。