缶の製造

本発明は金属カップの製造に関し、詳細には(限定されるものではないが)「ツーピース」の金属容器の製造に適する金属カップに関する。

1978年6月20日登録の米国特許第4,095,544号明細書(NATIONAL STEEL CORPORATION)には、従来のツーピース金属容器を作るためのカップセクションを製造する「絞り加工及び壁しごき加工」(DWI)及び「絞り及び再絞り加工」(DRD)プロセスが詳述されている。(米国において、DWIは一般にはD&Iと呼ばれることに留意されたい)。用語「ツーピース」は、i)カップセクション及び、ii)後でカップセクションの開口を閉じて容器を形成するための蓋を呼ぶ。

DWI(D&I)プロセスにおいて(米国特許第4,095,544号明細書の図6から10に示すような)、金属シートのロールから打ち抜かれた平らで(一般に)円形のブランクは、パンチの作用により、絞り加工ダイスを通って絞り加工されて浅い第1段階のカップを形成するようになっている。この最初の絞り加工段階は、ブランクの意図的な薄肉化につながらない。その後、一般に緊密嵌合したパンチ又はラムの端面に取り付けられるカップは、カップの側壁の厚さを低減するために1つ又はそれ以上の環状の壁しごき加工ダイスに押し込まれ、結果的にカップの側壁が延伸する。従って、このしごき加工プロセスでは、第1段階のカップの公称直径は全く変化しないはずである。

図1は、従来のDWI(D&I)プロセスで得られる容器本体の金属分布を示す。図1は例示的であり、正確なスケール調整は意図されていない。図1には3つの領域が示されている。 領域1は、しごき加工されていない基部の材料である。この領域はブランクの到来標準寸法とほぼ同じ厚さのままであり、つまり、この領域は従来のDWIプロセスの別の製造工程の影響を受けていない。 領域2は、しごき加工された側壁の中間セクションである。この厚さは(従って、所望のしごき加工量は)、容器本体に要求される性能によって決まる。 領域3は、しごき加工された側壁の上端セクションである。一般に、缶の製造において、このしごき加工された上端セクションは、ブランクの到来標準寸法の厚さの約50−75%である。

DRDプロセスにおいて(米国特許第4,095,544号明細書の図1から5に示すような)、同じ絞り加工技術を使用して第1段階のカップを形成する、しかしながら、しごき加工プロセスを用いる代わりに、次に、第1段階のカップには、カップを徐々に縮径して結果的にカップの側壁を延伸するように作用する1つ又はそれ以上の再絞り加工(re−drawing)が施される。単独で、多くの従来の再絞り加工工程は、結果的にカップ材料の厚さを変えることを目的としていない。しかしながら、一般的なDRDプロセスで製造される容器本体を例にとると、実際には、一般に、完成した容器本体の上端において幾分肥厚化している(10%又はそれ以上のオーダー)。この肥厚化は、再絞り加工プロセス固有の作用であり、大径のカップを小径のカップに再絞り加工する場合は材料への圧縮作用によって説明できる。

小径又は複合径の絞りダイスを使用して絞り及び再絞り段階で延伸することで側壁を薄くすることを通じてカップ側壁の厚さの低減を行う、別の公知のDRDプロセスがあることに留意されたい。

もしくは、しごき加工及び再絞り加工の組み合わせを第1段階のカップに使用することができ、これによりカップの直径及び側壁の厚さが低減する。例えば、ツーピース金属容器(缶)の製造分野において、容器本体は、一般にブランクを第1段階のカップに絞り加工して、所望の公称直径の容器本体に達するまでカップに複数の再絞り加工工程を施し、次に、側壁をしごき加工して所望の側壁の厚さ及び高さとすることで作られる。

しかしながら、大規模工業で用いられるDWI(D&I)及びDRDプロセスには、カップ基部の材料の厚さ(従って、重量)を低減するように作用しないという重大な制限がある。特に、絞り加工は、絞り加工される物体の厚さの低減につながらず、しごき加工だけがカップの側壁に作用する。本質的に、ツーピース容器のカップを製造するための公知のDWI(D&I)及びDRDプロセスに関して、基部の厚さは、ブランクの到来標準寸法から広範に変わらないままである。これにより、基部は、性能目標に要求される厚さよりもはるかに厚くなる場合がある。

金属パッキン業界は競争が激しく、重量軽減は運送コスト及び原材料コストを低減するので主目的である。例えば、一般的なツーピース金属食品容器の製造コストの約65%は原材料コストである。

米国特許第4,095,544号明細書

従って、コスト効率の良い方法で金属カップセクションの軽量化を向上させるニーズがある。本明細書において、用語「カップセクション」及び「カップ」は同義であることに留意されたい。

本発明の第1の態様では(請求項1に定義される)、金属シートから金属カップを製造する方法が提供され、本方法は、 i.金属シートを側壁及び一体の基部を有するカップに絞り加工する段階を含む絞り加工工程と、 ii.カップに施される延伸加工工程と、 を含み、 延伸加工工程は、カップの基部上の環状領域をクランプして周囲を囲まれた部分を画定する段階と、周囲を囲まれた部分に位置する少なくとも一部の基部を変形及び延伸させて結果的に基部の表面積を増大させて厚さを低減する段階とを含み、環状クランプは、延伸加工工程時にクランプ領域から周囲を囲まれた部分への材料の流れを制限又は防止するようになっており、 絞り加工及び延伸加工工程は同じプレス機で行われる。

本発明の第2の態様では(請求項5に定義される)、金属シートから金属カップを製造するためのプレス機が提供され、本プレス機は、 i.金属シートを側壁及び一体の基部を有するカップに絞り加工する手段と、 ii.延伸加工工程時に絞り加工されたカップをクランプするための、絞り加工されたカップの基部の環状領域をクランプして周囲を囲まれた部分を画定するようになったクランプ要素と、 iii.延伸加工工程時に周囲を囲まれた部分内に位置する基部の少なくとも一部を変形及び延伸させて、結果的に基部の表面積を増大させて厚さを低減するようになっている延伸ツールと、 を備え、 クランプ要素は、更に、延伸加工工程時にクランプ領域から周囲を囲まれた部分への材料の流れを制限又は防止するようになっている。

本発明の異なる態様の方法及び装置は、金属の損失又は消耗を生じることなく、金属シートの到来基準寸法よりも薄い基部を有するカップの製造を実現するという利点がある(公知のプロセス/装置に対して)。これは、単一のプレス機を使用して実現されるので、製造プロセスが簡素化される。ツーピース容器の製造に適用する場合、本発明により、既存の製造技術に比べて、1000個の容器に対して数ドルのオーダーのコスト削減が可能になる。

延伸加工工程時に周囲を囲まれた部分(従って、カップ基部)が確実に延伸及び薄くされるように、延伸加工工程時に絞り加工されたカップの基部は、クランプ領域から周囲を囲まれた部分への材料の流れを制限又は防止するようにしっかりとクランプされる。クランプ荷重が不十分であれば、クランプ領域からの(又はクランプ領域の外側からの)材料は、周囲を囲まれた部分(及びカップ基部)が何らかの薄肉化を被ることなく、周囲を囲まれた部分に単に引き込まれることになる。延伸化及び薄肉化は、クランプ領域から(クランプ領域の外側から)周囲を囲まれた部分への一定限度の材料の流れを許す場合、つまり、金属の流れを完全に防止するのではなく制限する場合に、依然として生じることが分かっている。

本発明の方法及び装置は、最終的に得られるカップが容器本体に使用される、金属容器の製造に用いることが最適である。最終的に得られるカップは、カップの開口端への蓋の固定によって閉じた容器に形成できる。例えば、金属缶端部は、最終的に得られるカップの開口端に接合できる。しかしながら、一般に、本発明の方法で得られるカップは、再絞り加工工程及びしごき加工工程の一方又はこれらの組み合わせを被ることになる。再絞り加工工程は、1つ又はそれ以上の段階を含むことができ、各段階は、カップ直径の段階的低減を引き起こす効果がある。しごき加工工程は、本発明の方法及び装置で製作したカップ側壁の高さを増大させるという利点があるはずである。好ましくは、延伸加工工程は、周囲を囲まれた部分内に位置する基部の少なくとも一部をドーム形に変形及び延伸させる段階を含む。炭酸飲料用の金属容器の分野において、製品が発生した圧力に耐えるように容器本体の基部を内向きにドーム形にすることは普通である。本発明の方法及び装置がもたらす「ドーム」は、飲料容器本体の内向きにドーム形の領域として機能する。しかしながら、カップは、缶内圧力に耐えるようにドーム形基部を所望の最終形状にするために、後で矯正加工工程を経る場合もある。

本発明の方法は、円形面又は非円形面のカップへの使用に適している。しかしながら。円形カップで最良に作用する。

従来のDWI及びDR プロセスを使用して製造されるカップセクションの基部の材料量を最小にする他の方法は、薄い標準寸法の原料ストックを使用することであろう。いかしながら、ブリキ板のメートルトン(tonne)毎のコストは、標準寸法が減少するに従って高くなる。このコスト高は、薄鋼の圧延、清浄、及びスズメッキの追加コストによって説明できる。また、ツーピース容器の製造時の材料使用量を考慮する場合、材料の到来標準寸法に対する容器を製造するための正味全体コストの変化を図2のグラフに示す。このグラフはコストの観点から、最も薄い標準寸法の材料は必ずしもコストを低減しないことを示す。本質的に、所定の側壁厚さの任意の容器に関して最も安価な標準寸法の材料が存在する。また、このグラフは、容器の上端及び中間セクションの厚さを低減する効果はコストカーブを押し下げることを示す。図3は、缶製造で一般的に使用される、英国で供給されるブリキ板の実際のデータに基づく同じグラフを示す。図3に示す材料に関して、0.285mmは、コストの観点で最適な厚さであり、より薄い標準寸法の材料を用いると缶製造の正味全体コストが高くなる。図3のグラフは、0.285mmの最適な到来標準寸法厚さから逸脱する場合の1000個の缶に対する正味全体コストの増加割合を示す。

本発明の最終的に得られるカップは、薄い(従って、軽量な)基部という利点をもたらす。 「金属シート」は大型で高価な金属シートからカットしたブランクを含む。 「環状クランプ」又は「環状領域」のクランプは、絞り加工されたカップの基部を連続的に又は環状様態で間隔をあけてクランプすることを意味する。 クランプ要素は、連続した環状スリーブの形態とすること、もしくは、環状様態に分布した別個のクランプ要素の集合体とすることができ、金属シートに対して作用するようになっている。

本発明の方法及び装置は特定の金属に限定されない。これはDWI(D&I)及びDRDプロセスで一般に使用される何らかの金属への使用に特に適する。また、本発明の方法及び装置から得られるカップの最終用途は限定されない。限定されないので、カップは、食品、飲料、又は他のもののための任意のタイプの容器に使用できる。

本発明の実施形態は添付の説明を参照して以下の図面に示される。

従来のDWIプロセスによる従来の容器本体の側面図である。容器本体の基部及び側壁領域の材料分布を示す。

一般論として一般的なツーピース金属容器を製造するための正味全体コストが金属シートの到来標準寸法によってどのように変わるかを示すグラフである。このグラフは、側壁領域の厚さの低減が正味全体コストの低減にどのように影響するかを示す。

図2に対応するグラフであるが、英国で供給されるブリキ板の実際の価格に基づいている。

絞り及び延伸加工工程前の金属シートのブランクを示す発明のプレス機の断面図である。

図4のプレス機の断面図であるが、金属シートのブランクを側壁及び一体の基部を有するカップに絞り加工するための絞り加工工程後である。

図4及び5のプレス機の断面図であるが、絞り加工されたカップの基部を変形及び延伸するための延伸加工工程後である。

(絞り加工工程) 図4は、絞り加工及び延伸加工を組み合わせたプレス機10を示す。金属シートのブランク5は、絞りパッド11の対向面と絞りダイ12の端面との間の適切な位置に「スライド自在にクランプ」される。絞りパンチ13は、金属シートのブランク5の上面の上側に配置される。絞りダイ12が定めるボア内には、環状のクランプ要素15の半径方向内側で該クランプ要素に取り囲まれる延伸パンチ14がある。

ブランク5が絞りパッド11と絞りダイ12との間に「スライド自在にクランプ」されると、絞りパンチ13は、パンチ端面の周縁環状領域17が対応するブランク5の領域に接触するまで、軸方向下向きに(軸16に沿って)移動する(図5参照)。絞りパンチ13は、絞りダイ12のボアを通って下向きに付勢され、最初は円形のブランク5を側壁31及び一体の基部32を有するカップになるまで徐々に絞るようになっている。

「スライド自在にクランプ」することは、金属シート5が、金属シート上の絞りパンチ13/絞りダイ12の変形アクションに応じて、クランプ手段が使用される何れに対しても(この場合は「絞りパッド11」)スライドできるように、絞り加工時のクランプ荷重が選択されることを意味する。このスライド自在なクランプの目的は、絞り加工時の材料のしわを防止又は制限することである。

(延伸加工工程) 絞りパンチ13がストローク端に達すると、絞り加工されたカップの基部32上の環状領域33が環状クランプ要素と絞りパンチ13の端面の周縁環状領域17との間にクランプされるまで、環状のクランプ要素15は軸方向上向きに移動する(図5参照)。この環状クランプによって囲まれるカップ基部の材料は、「周囲を囲まれた部分」34と呼ぶ。

次に、延伸パンチ14が上向きに移動して(軸16に沿って)、周囲を囲まれた部分34に接触するようになっている(図6参照)。延伸パンチ14は絞りパンチ13の端面内に形成された凹部18に向かって上向きに付勢され、カップ30の周囲を囲まれた部分34の材料をドーム形に徐々に変形及び延伸するようになっている(図6参照)。環状クランプ要素15と絞りパンチ13の端面の周縁環状領域17との間に加えられるクランプ荷重は、この延伸加工工程の間に、材料がクランプされた環状領域33から周囲を囲まれた部分34へ流れるのを防止又は制限するのに十分な大きさである。保持効果を高めるために、環状クランプ要素15の端面にテクスチャを施すことができ(図示せず)、結果的に、滑らかな研磨された端面を有する環状クランプ要素に比べて、クランプ荷重を低減することができる。

図6に示すように、プレス機10による延伸工程から得られるカップは、金属シートのブランク5の到来標準寸法に対して基部の厚さが低減している。本発明の概要に示すように、このカップは容器本体として使用できるが、概してカップの直径及び側壁の厚さを最適にするために再絞り加工工程及びしごき加工工程の一方又は両方を施すことができる。更に、発明の概要に示すように、ドーム形領域35は、炭酸飲料等の加圧製品を目的とした容器には特に有用である。