由层压金属片材生产两片式罐主体的方法和设备以及由此生产的两片式罐主体

技术领域

本发明涉及一种用于通过拉伸和减径挤压加工(ironing)层压金属片材来生产两片式罐体的方法和设备，并且更具体地涉及一种防止在罐体减径挤压加工期间对罐体上的层压层的磨损损坏或划伤的处理方法，以及由此生产的拉伸和减径挤压加工的两片式罐体。

背景技术

用于包装的层压金属片材包括金属片材和覆盖金属片材的一侧或两侧的层压层，其中层压层通过热粘合将层压层层压到金属片材上或通过直接挤出到金属片材上来生产。层压层包括一个或多个热塑性聚合物层。

层压金属片材用于生产两片式罐。这样的罐由罐体和连接到罐体的盖组成，罐体包括由金属片材制成的基部和管状体，金属片材在至少一侧上涂覆有层压层。

为了生产罐体，由层压金属片材生产盘(通常为圆形)，然后将盘深拉成至少在外部具有层压层的杯，之后通过壁减径挤压加工将该杯形成罐体，通过在拉伸和减径挤压加工机器中使用冲头将杯连续地冲压穿过再拉伸环和一个或更多个壁减径挤压加工环(参见图1)在单个行程中进行壁减径挤压加工。冲头的外部形状通常是柱形的，并且因此是旋转对称的，并且可以在操作部分上具有相同的直径，或者冲头可以在操作部分上具有不同的直径，例如在JP2000042644、EP0402006、WO2019154743、GB2547016中。

单独的冲头通常可移除地固定在拉深机中的往复式冲杆的前端上。冲头提供内心轴，在罐穿过一个或多个壁减径挤压加工环时罐在该内心轴上成形、拉伸和减径挤压加工。冲头的温度由于冲头、罐体内部和冲头移动经过的一个或多个壁减径挤压加工环之间的反复摩擦接触产生的热量而升高。在壁减径挤压加工期间，剪切力可能在层压层本身中变得过高。这种过度剪切导致损坏层压层的风险增加。一种类型的损坏是所谓的划伤或磨损，其损坏层压层并且可能导致金属基底和壁减径挤压加工工具之间的直接接触和/或视觉上不可接受的层压层光洁度，或者在非常严重的情况下，罐体壁的破裂。壁减径挤压加工工具和层压层之间的充分润滑对于防止划伤或磨损损坏是重要的，并且这种润滑可以由聚合物层本身提供(干法)。然而，由于变形过程，金属片、层压层、再拉伸和减径挤压加工环以及冲头的温度升高。如果层压层的温度增加，则损坏层压层的风险增加。因此，壁减径挤压加工工具的温度必须保持在临界值以下，在该临界值处开始发生损坏层压层的风险，这意味着拉伸和壁减径挤压加工的生产率由此受到限制。该临界值取决于层压层的组成。在传统的罐成型中，外部施加的冷却流体保持操作温度条件。然而，在干式DWI过程中，没有使用外部应用的冷却流体，因为外部应用的冷却流体可能会污染容器表面，从而需要成型后的清洗过程，这些清洗过程成本高昂，而且可能对环境有害。

US2030084699公开了一种冲头组件，其包括向周向通道提供冷却剂的装置，使得能够冷却设置在拉伸和减径挤压加工机器中的往复式冲杆的端部处的冲头的内表面。然而，仍然发现该冲头组件的应用导致罐体的磨损损坏和划伤，特别是在罐体的高度减少和高速生产时。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种生产用于由层压金属片材生产的两片式罐的罐体的方法，而不会对层压层造成磨损或划伤。

本发明的另一个目的是提供一种方法，用于以更高的速度/减少的成本由层压金属片材生产两片式罐的罐体，而不会对层压层造成磨损或划伤。

本发明的另一个目的是提供一种生产方法，用于在提高的生产速度下生产两片式罐的罐体，不会划伤层压层。

本发明的目的还在于提供一种用于生产根据本发明的罐体的设备。

本发明的描述

根据权利要求1所述的方法实现了一个或多个目的：一种用于通过深拉和壁减径挤压加工由层压金属片材生产罐体的方法，所述罐体包括基部和管状体，用于两片式罐，其中，由所述层压金属片材生产盘，所述盘被深拉成杯，然后再拉所述杯并且随后通过壁减径挤压加工将再拉的杯形成罐体，其中，壁减径挤压加工通过借助于内部冷却的冲头组件将所述再拉的杯冲压通过一个或多个壁减径挤压加工环在单个行程中发生，其中，所述冲头组件包括：

·冲杆(14)，

·冲头(1)，其优选地可移除地连接到冲杆，所述冲头组件包括在冲头的表面下方、位于冲头的远端附近的位置(15a)和冲头的近端附近的位置(15b)之间的内部环形腔(15)，

·用于将冷却流体供应到内部环形腔中的多个冷却流体入口(16)和用于从内部环形腔移除冷却流体的多个冷却流体出口(17)，其中所述内部环形腔设置有用于提高冲头的内部冷却效率的装置，

·其中用于提高冲头的内部冷却效率的装置包括在内部环形腔中的障碍物(18)，以在冷却流体从冷却流体入口到冷却流体出口的行进期间增加冷却流体中的湍流，并且提供用于从冲头提取热量的更大冷却表面，其中所述障碍物包括

-非连续障碍物(18)，例如V形物，柱体，连续壁或不连续之字形壁，或

-多个相邻螺旋壁形式的连续障碍物(18)，其在内部环形腔中限定多个螺旋冷却通道，以将冷却流体从冷却流体入口引导至冷却流体出口，

·所述冲杆包括用于向冷却流体入口供应冷却流体和从冷却流体出口移除冷却流体的装置，

为了在罐体生产过程中有效地内部冷却冲头，以防止磨损损坏或划伤罐体的管状体上的层压层，其中

a.冷却流体入口更靠近冲头的远端设置，并且其中冷却流体出口更靠近冲头的近端设置，优选地，其中冷却流体入口和冷却流体出口围绕所述冲头的周边以规则的模式设置，或者其中

b.冷却流体入口更靠近冲头的近端设置，并且其中冷却流体出口更靠近冲头的远端设置，优选地，其中冷却流体入口和冷却流体出口围绕所述冲头的周边以规则的模式设置，或者其中

c.部分的螺旋冷却通道的冷却流体入口更靠近冲头的远端设置，并且其中相应的冷却流体出口更靠近冲头的近端设置，并且其中其它的螺旋冷却通道的冷却流体入口更靠近冲头的近端设置，并且其中相应的冷却流体出口更靠近冲头的远端设置，使得一些螺旋冷却通道将冷却流体从所述冲头的远端引导到近端，而其它的冷却通道将冷却流体从冲头的近端引导到远端，优选地，其中冷却流体的方向从一个螺旋冷却通道到其相邻的螺旋冷却通道交替变化，优选地，其中冷却流体入口和冷却流体出口围绕冲头的周边以规则的模式布置。

因此，本发明实施为三种不同的变型：a、b和c。变型a和b在具有不连续障碍物或连续障碍物(螺旋冷却通道)的内部环形腔中的冷却液入口和出口的位置上不同。

变型c仅涉及其中内部环形腔设置有呈螺旋冷却通道形式的连续障碍物的实施例。

在从属权利要求中提供了优选实施例。

冲头附接到冲杆的端部。优选地，冲头可移除地附接到冲杆。这意味着外表面直接接触罐体的冲头可以被更换，而不需要更换冲杆，例如如果冲头磨损或损坏。然而，本发明还实施为冲头和冲杆形成一个整体部件，即其中冲头不可移除地附接到冲杆，并且其中内部环形腔形成整体冲杆和冲头组合件中的腔。如果冲头部分焊接到冲杆，则认为冲头形成冲杆和冲头组合件的整体部分，因为冲头不再容易从冲杆移除。在这种构造中，如果冲头部分磨损或损坏，则必须更换冲杆和冲头组合件。

在冲头被可移除地附接的情况下，内部环形腔中的障碍物优选地是冲头的一部分，并且因此当冲头被移除时障碍物随冲头被移除。不太优选地，障碍物直接形成在冲头上，并且因此如果冲头从冲头移除，则障碍物保持在冲头后面。当冲头安装在冲杆上时，这两个实施例在形态上相同。

根据本发明的方法基于通过提高冷却效率来改进冲头组件的内部冷却。这是通过增加穿过冲头的冷却流体中的湍流程度并且通过增加冷却流体与冲头之间的接触表面来实现的。本发明实现冷却流体中的湍流的增加和冷却流体与冲头之间的接触表面的增加的方式是通过在内部环形腔中设置离散或连续的障碍物。冲头包括内部环形腔，该内部环形腔就在冲头的表面下方在冲头的长度上延伸，冲头的所述表面在壁减径挤压加工步骤期间与罐体的侧壁接触。冲头的表面和内部环形腔之间的距离，即壁厚，必须足够厚以承受深拉伸和壁减径挤压加工过程的机械应力并保持其尺寸，但也足够薄以使从内部环形腔的表面到流过腔的冷却流体的热传递最大化。通过该内部环形腔，冷却流体可以从内部环形腔的一端处的冷却流体入口引导到内部环形腔的另一端处的冷却流体出口。以这种方式，热量可以通过冷却流体从冲头引出，并且冲头的表面温度可以保持低于临界值以防止划伤或磨损损坏。在内部环形腔中没有任何障碍物的情况下，即现有技术的情况，冷却流体在冷却流体入口和出口之间直接地且层状地流动。这意味着冷却流体具有很少的时间来吸收热量，并且由于层流，冷却流体的冷却能力没有被有效地使用。注意，通常再拉伸环和减径挤压加工环也具有内部冷却通道，其冷却罐体的外部层压层。然而，大部分热量将被冷却的冲头耗散，因为其具有更长的接触时间和与层压层的更大的接触面积。

冷却流体没有特别限制。已经证明水(优选地脱矿物水)非常合适。可将防腐剂添加到冷却流体中。

障碍物破坏冷却流体的流动并且还增加冲头的冷却表面，因此将热量从冲头传递到冷却流体中的能力由于冷却表面的增加和湍流的增加而增加，因为湍流能够比层流吸收更多的热量。

在本发明的实施例中，内部环形腔中的不连续障碍物可例如包括柱(圆柱形或其它形状)、V形物、不连续短壁(其垂直于穿过腔的冷却流体流或与其成角度)，或不连续的之字形壁。冲头的外部形状优选地相对于冲头的中心线旋转对称。

连续障碍物延长冷却流体与冲头之间的接触时间，因为障碍物迫使冷却流体在冷却流体入口与冷却流体出口之间采取更长的路径，并且由于内部环形腔中存在不连续障碍物，内部环形腔的接触表面变得更大。而且，路径由于连续障碍物的存在而更长，冷却流体必须流过的区域变得更小，并且这又增加了流体中的湍流。

因此，与现有技术的冲头相比，根据本发明的方法导致冲头的冷却更有效，因此导致冲头的表面温度更低。较冷的冲压温度在壁减径挤压加工过程期间导致较低的层压层温度，并因此防止易于受到划伤或磨损损坏的层压层中的这种损坏，并且能够提高罐体的生产速度，因为与现有技术的情况相比，在更高的生产速度下才能达到层压层中的划伤或磨损损坏的风险变得显著的冲压温度。

在本发明的一个实施例中(变型a)，冷却流体入口布置成更靠近冲头的远端，并且冷却流体出口布置成更靠近冲头的近端。优选地，入口和出口围绕冲头的周边以规则模式布置。在本发明的另一实施例(变型b)中，冷却流体入口更靠近冲头的近端布置，并且其中冷却流体出口更靠近冲头的远端布置，优选地，其中入口和出口围绕冲头的周边以规则图案布置。在变型a和b中，用于提高冲头的内部冷却效率的装置由不连续或多个相邻螺旋壁形式的连续障碍物构成，其中所述多个相邻螺旋壁界定内部环形腔中的多个螺旋冷却通道。

在本发明的另一实施例中(变型c)，连续障碍物是内部环形腔中的螺旋壁，从而在内部环形腔中形成螺旋冷却通道。在该实施例中，一部分冷却流体入口布置成更靠近冲头的远端，并且其中其它冷却流体入口布置成更靠近冲头的近端，使得一些螺旋冷却通道将冷却流体从冲头的远端传导到近端，并且其它冷却通道将冷却流体从冲头的近端传导到远端，优选地，其中冷却流体的方向从一个螺旋冷却通道到其相邻的螺旋冷却通道交替改变。

应注意，螺旋是类似螺旋楼梯的形状。它是一种具有与固定轴成恒定角度的切线的平滑空间曲线。半径a和斜率b/a(或节距2nb)的圆形螺旋由以下参数化描述：

x(t)＝a·cos(t) y(t)＝a·sin(t) z(t)＝b·t

根据本发明，螺旋连续障碍物的数量必须是形成多个且优选至少三个螺旋冷却通道。每个螺旋冷却通道最好都设有自己的冷却流体入口和自己的冷却流体出口。发明人发现，三个或更多个螺旋冷却通道导致非常有效的冷却，因为通道的长度使得冷却流体能够有效且高效地冷却冲头的工作表面。在一个或两个冷却通道的情况下，冷却效率显著降低，并且层压层的划伤或磨损损坏的危险增加。优选地，冲头包括至少四个相邻的螺旋冷却通道，更优选地至少五个相邻的螺旋冷却通道，甚至更优选地至少六个相邻的螺旋冷却通道。发明人发现，六个通道导致冷却能力的最佳组合，而不会过度地使冲头的设计复杂化。优选地，用于冷却流体的入口和出口围绕冲头的周边以规则图案布置，即，对于六通道实施例，在围绕周边的每个入口或出口之间为60°，或者对于五通道实施例，为72°。尽管可以将一个入口用于多于一个的螺旋通道或将一个出口用于多于一个的螺旋通道，但是优选的是，每个通道均具有其自身的冷却流体入口并且具有其自身的冷却流体出口。冷却流体的单独入口和出口也允许在相邻的螺旋冷却通道之间交替流动方向，从而潜在地实现更均匀的冲头冷却。

入口布置在冲头的远端或近端处，相应的出口布置在冲头的近端或远端处，其优点意味着冷却液体仅从冲头的一端处的入口直接行进到另一端，使得可以实现最大冷却效果。在诸如JP2006055860、JP2006-055860和JP2005-288483的现有技术中，冷却液必须沿着冲头上下行进，因为冷却液的入口和出口都位于冲头的近端。JP2006055860公开了具有连续之字形通道的冲头，而JP2006-055860和JP2005-288483示出了具有单个螺旋通道的实施例和具有多个连续之字形通道的实施例，冷却液体被引导通过这些通道。

在诸如JP2006055860、JP2006-055860和JP2005-288483的现有技术中，返回的被加热冷却液遇到较冷的冷却液，从而加热进入的冷却液。这减小了进入的冷却液体的冷却能力，从而降低了冷却的冲头整体的冷却效率。因此，与根据本发明的构造相比，这些现有技术的构造具有非常低的冷却能力。

可以连续地监测冲头的外部温度，例如通过直接接触或非接触式测量冲头温度或通过监测进入和离开冲头的冷却流体的温度。在本发明的实施例中，冲头组件的温度借助于温度控制单元来控制，其中，温度控制单元能够通过调节罐体的生产速度和/或通过调节进入内部环形腔的冷却流体的流量和/或通过调节进入内部环形腔的冷却流体的温度来控制冲头的温度。

在实施例中，再拉伸环和一个或多个减径挤压加工环也具有内部冷却通道，其使得能够在深拉伸和壁减径挤压加工期间冷却罐体的外部层压层。

本发明还实现为根据权利要求6所述的冲头组件中。在从属权利要求中提供了优选实施例。

根据本发明的冲头可以以两种方式设置有障碍物。由于设置有不连续或连续障碍物的内部环形腔在结构上非常复杂，因此优选通过增材制造(诸如3D打印)来生产冲头。借助于增材制造，外表面(在使用中)接触罐体的层压层、并包括内部环形腔中的复杂内部结构的冲头，可以在一个生产步骤中作为一个整体部件生产。例如，如图4所示的冲头可以通过增材制造在一个生产步骤中生产，使得冲头套筒19和插入件20可以制成一个部件，其中套筒和插入件组合成一个部件、即一个整体部件，因此不可分离。当通过增材制造生产冲头时，内部环形腔中的通道或障碍物与冲头的其余部分同时生产。具有内部环形腔中的不连续障碍物的复杂形状的这种冲头的生产不能通过传统加工在一个部件(即一个整体部件)中生产。

作为替代方案，冲头可以由至少两个部分制成：冲头套筒和插入件，当接合在一起时，冲头套筒和插入件形成内部环形腔，具有离散或连续的障碍物(例如相邻的螺旋通道)。具有障碍物的插入件可以通过增材制造(AM)生产，其中插入件包含冷却流体入口和冷却流体出口，插入件由适合于AM的材料，诸如工具钢、烧结碳化物(诸如WC)，或铜或铜合金制成。替代地，插入件可以通过加工插入件来生产，例如由工具钢或另一种合适的材料，诸如不锈钢、铜或铜合金。

在内部环形腔中具有一体内部结构的冲头的材料或在内部环形腔(在与冲头套筒组装之后)中具有离散或连续障碍物的插入件的材料优选地是适合于AM的材料，诸如烧结碳化物，诸如WC，或铜或铜合金。

本发明还实现为在根据本发明的方法或设备生产的罐体。

用于包装的层压金属片材包括金属片材和覆盖金属片材的至少一侧的层压层。这种层压金属片材通过将层压层层压到金属片材上来生产。可以通过将层压层热粘合到金属片材上，或者通过在层压层和金属片材之间使用粘合促进剂，或者通过使用包括粘合层的层压层，将层压层施加到金属片材上。层压层可以在集成层压步骤中在线生产并层压到金属片材上，或者预先生产的层压层可以在单独的层压工艺步骤中层压到金属片材上。可选的层压方法是通过平模挤出层压层并将层压层直接层压到金属片材上。

本发明的减径挤压加工方法对于减径挤压加工金属片材特别有效，该金属片材选自诸如冷轧钢、黑钢板、镀锡板、ECCS、

金属片材优选在一侧或两侧上涂覆有选自聚酯、聚烯烃、聚酰胺和其它热塑性树脂的有机树脂。本发明适用的树脂膜可以是由单层或两层或更多层形成的膜，并且优选是热塑性树脂、特别是聚酯树脂的膜。

聚酯树脂优选具有酯单元，例如对苯二甲酸乙二醇酯、间苯二甲酸乙二醇酯、对苯二甲酸丁二醇酯或间苯二甲酸丁二醇酯，并且优选是主要由选自其中的至少一种酯单元组成的聚酯。每个酯单元可以是共聚物，或者聚酯可以是两种或更多种酯单元的均聚物或共聚物的共混物。还可以使用含有例如萘二羧酸、己二酸、癸二酸或偏苯三酸作为其酸组分，或例如丙二醇、二甘醇、新戊二醇、环己烷二甲醇或季戊四醇作为其醇组分的其它酯单元。

聚酯可以是由均聚酯或共聚酯、或其中两种或多种的混合物组成的两层或多层聚酯层的层压材料。例如，聚酯膜可以具有作为下层的高热粘合的共聚聚酯层，以及作为上层的高强度、耐热性和对腐蚀性物质的阻隔性能的聚酯或改性聚酯层。

当树脂膜为单层膜时，树脂膜的厚度优选为5-100μm，更优选为10-40μm。厚度低于5μm的任何膜非常难以层压在表面处理的钢板上，可能在拉伸或拉伸并减径挤压加工时产生有缺陷的树脂层，并且当罐形成并填充其内容物时对腐蚀性物质的不可渗透性不能令人满意。厚度的增加提供了令人满意的不渗透性，但是超过100μm的任何厚度在经济上都是一个缺点。多层膜的层的厚度比例取决于可成形性、不可渗透性等，并且控制层的厚度以得到5至60μm的总厚度。

树脂膜可由树脂形成，着色颜料、稳定剂、氧化抑制剂、润滑剂等已经添加到不损害其必要特性的程度。可以使用这样的金属片材，其具有的无颜料的聚酯树脂膜层压在要限定罐的内表面的侧面上，而包含颜料如氧化钛的聚酯树脂膜层压在要限定罐的外表面的侧面上。

附图说明

借助于以下非限制性附图和图形进一步描述本发明。

图1示出了预成型的深拉杯3如何形成最终的减径挤压壁罐体9。杯3放置在再拉伸套筒2和再拉伸模具4之间。当冲头1向右移动时，通过再拉伸步骤使杯3达到最终成品罐9的内径。然后，冲头1连续地迫使产品通过(在该示例中)两个壁减径挤压加工环6和7。环8是可选的脱模器环。壁减径挤压加工为待形成的罐体9提供了其最终的壁厚和壁长度。最后，通过向可选的基部工具10移动冲头1来形成罐体9的基部。缩回冲头1允许罐9从冲头1分离，使得其可以在横向方向上排出。可选的脱模器环可有助于此。罐9随后被修整、可选地颈缩、凸缘化并且在填充之后设置有盖。

图2提供了待形成的罐壁的一部分穿过例如壁减径挤压加工环6的详细图示。冲头1被示意性地示出。壁减径挤压加工环6的进入平面与壁减径挤压加工环的轴线方向成进入角α。待形成的壁的材料的厚度在冲头1和壁减径挤压加工环6之间减小。该材料包括在各侧上具有层压层12和13的实际金属罐体壁11。层压层12变成罐体的外部，并且层压层13变成罐体的内部，最终与罐的内容物接触。该图示出了所有三个层11、12和13的厚度如何减小。

图3示出了冲头1，其通常可移除地固定在拉伸和减径挤压加工机中的往复式冲杆(ram)14的前端上。图3详细示出了本发明的一个实施例中的冲杆顶部上的冲头。内部环形腔在15a和15b之间延伸，并且在图4中用冲头的横截面中的虚线框更突出地示出。

图4示出了冲头的横截面，其中连续障碍物形成相邻的螺旋冷却通道。在该图中，冲头包括冲头套筒19和插入件20。由连接的冲头套筒和插入件形成的内部环形腔填充有连续障碍物。

图5a示出了具有螺旋连续障碍物18的插入件20的外表面。其示出了六个相邻的螺旋冷却通道(通道a-f)，每个通道具有它们自己的用于冷却流体的单独入口和出口。图5b示出了与图4中使用的相同的插入件的横截面。

图6示出了内部环形腔的六个不同示例：没有障碍物(A：现有技术)；具有不连续障碍物(B：垂直于冷却流体流的短壁；C：圆柱；D：V形物；E：之字形通道)；以及具有连续障碍物(F：由形成通道壁的连续障碍物形成的六个相邻螺旋冷却通道)。对于所有实施例，冷却流体与冲头的工作表面之间的距离是相同的。

图7示出了各种实施例的表面温度。清楚的是，根据本发明的所有实施例提供了沿着冲头长度(从约40至约110mm)的非常均匀的温度曲线。现有技术示出了冲头的显著更高的表面温度，示出了本发明能够提供的关于冲头的表面温度的改进。最低的表面温度由形成螺旋状通道的连续障碍物来实现，而与通道中的冷却流体的流动方向无关(远端到近端、近端到远端或混合)。本发明的所有实施例都显示出相对于现有技术的显著改进。

图8示出了该较低表面温度的效果。封闭环示出了使用现有技术没有障碍物的环形内腔以165罐/分钟生产罐体期间的温度。三角形示出了具有六个相邻螺旋冷却通道的实施例在相同生产率和相同边界条件下的冲头温度，并且与现有技术冲头的95℃相比，达到了约65℃的稳态温度。这意味着可以增加生产率。在该示例中，生产率增加70％至280罐/分钟，并且这导致冲头的最大温度略低于90℃，该温度仍然低于在非常低生产速率下的现有技术情况。根据本发明的方法以增加的生产率制造的罐没有划伤并且没有观察到磨损损坏。

与连续障碍物相比，不连续障碍物的结果仅略微不太有利，并且也允许表面温度控制的显著改善以及约60-65％的相关生产率提高。