形成钢制压力容器的方法和设备、这种钢制压力容器及其预成型坯

摘要

本发明涉及一种用于形成钢制容器(1)的方法，该钢制容器具有卷边开口端，该方法包括步骤：i)提供钢杯(11)；ii)将钢杯(11)深冲压成冲压容器预成型坯(12)；iii)浅冲压该冲压容器预成型坯的本体；以及iv)通过形成预卷边(16)并通过将预卷边(16)卷成拉长卷边(19)而使冲压容器预成型坯的开口端形成卷边，本发明还涉及一种用于形成钢制容器(1)的设备、以及这种钢制容器(1)及其预成型坯。

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成钢制容器的方法和设备、这种钢制容器以及钢制容器预成型坯，并且还涉及一种在其开口端设置有分配单元或封闭件的容器。

背景技术

这些容器可以被用作例如用于分配烟雾剂、诸如调味品的食品、芳香的气体混合物等的压力容器。这种压力容器内的压力可以在1-30巴的范围，具体地10-20巴。这些压力容器通常由铝制成。

目前，趋向于用钢来替代铝。制造由钢制成的容器尚成问题。因为该容器由钢杯(steel cup)或钢板开始制造。该钢杯形成为容器预成型坯，并且设置有卷边(curl)以及可选择地其中形成有该卷边的颈缩后的自由端。该卷边上紧固(clench)有封闭件或分配单元。所有这些由钢板或钢杯开始的操作都要求金属适于承受成形操作，这些成形操作导致在卷边和/或颈缩操作期间钢杯的壁变薄并且径向扩张以及直径的缩小。

发明内容

本发明的目的是提供一种形成诸如压力容器的钢制容器的方法，这种容器满足对于容器和容器预成型坯的有关小尺寸变化、钢材料或成形工具失效下成形的要求，并且最后满足能以例如每分钟500-2000件钢制容器的合理速度来制造钢制容器的要求。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于形成诸如压力容器的钢制容器的方法，该钢制容器具有卷边开口端，该方法包括步骤：

i)提供钢杯；

ii)将钢杯深冲压成冲压容器预成型坯；

iii)浅冲压(thin draw)冲压容器成型坯的本体；以及

iv)通过形成预卷边并通过将该预卷边卷成拉长卷边而使所述冲压容器预成型坯的开口端形成卷边。

根据本发明的方法包括两个关键的成形操作：深冲压以及随后的浅冲压。在深冲压操作中，杯高增加、杯直径减小、以及本体厚度减小而形成容器预成型坯。深冲压后形成的容器预成型坯不适于随后的卷边操作，在该卷边操作期间使冲压容器的开口端形成卷边。由于裂纹和卷边尺寸有较大变化的不规则卷边的形成而导致钢材料失效。然而，如果在对深冲压容器预成型坯进行卷边之前先浅冲压，则克服了上述卷边问题。本发明是基于这样的认识：在深冲压后，冲压容器预成型坯的本体在其整个高度上的材料厚度不相同。本体壁的厚度由冲压容器预成型坯的底部开始朝向开口端增加。如果通过浅冲压，至少开口端(其将经受卷边操作)处的本体壁厚减小且具有基本不变的壁厚，那么对该浅冲压开口端进行卷边可形成优质卷边。

根据优选实施例，深冲压操作中所使用的钢杯优选地通过(深)冲压由钢板形成。

该深冲压操作优选地在几个深冲压步骤中实现。在这些深冲压步骤期间，本体壁的直径逐渐缩小，而与此同时杯的高度逐渐增加。杯的本体可具有与形成钢杯的原始钢板相同或者略微减少的厚度。根据冲压容器预成型坯的大小，深冲压步骤的个数是约2-6个深冲压步骤，诸如3个深冲压步骤。

通常，容器设置有凹入的底部，该凹入的底部增加了容器的强度，尤其是在(较高的)压力下，这可以导致使用具有较薄底部的容器(因此由较薄的钢板开始)。该凹入的底部可以在深冲压操作期间或其后形成在容器预成型坯中。冲压容器预成型坯具有不规则的自由边，该自由边可能干扰随后的成形操作。该不规则的自由端优选地通过修整且更优选地通过冲压修整除掉。

现在可以对已经过本体的深冲压和浅冲压的冲压容器预成型坯进行卷边操作，在该卷边操作期间，首先形成预卷边，且随后使该预卷边形成为拉长卷边。为了在该卷边上紧固封闭件或分配单元(在该期间形成不透气的封闭件)，卷边应该具有基本不变的尺寸。

根据优选实施例，使冲压容器预成型坯的自由端区域产生颈缩，从而使随后形成的卷边处于假想的容器本体的包围中。换句话说，根据本发明，卷边的外径小于容器本体的直径。因此，自由端区域经受颈缩操作，该颈缩操作优选地为几个颈缩步骤的形式，这些颈缩步骤总计可达2至10个颈缩步骤，诸如3-7个颈缩步骤、诸如5或6个颈缩步骤。由此使直径减小的颈缩要求端部区材料的向内移动。为了在端部区的颈缩期间尽可能地控制该端部区的向内移动，优选地，至少一个颈缩步骤包括紧轴颈缩(mandril necking)步骤。在紧轴颈缩期间，使经受颈缩操作的端部区部分与紧轴相接触，并且推动或拉动支撑在插入的紧轴上的端部区部分穿过颈缩环。这形成更可靠的颈缩操作，并且导致颈缩部分直径和厚度的较小变化以及较低的失效次数。当修整颈缩后的自由端时，可以使用传统的旋转修整设备。然而，优选地，通过使用适合的或额外的收缩修整紧轴的收缩修整来修整。

根据优选实施例，用于形成钢制容器的钢至少在一侧涂有涂层。这种涂层可以是避免钢的腐蚀或者改进钢的品质、减少摩擦或提供漂亮外观的涂层。这种涂层的一个实例是PET。可以在钢的一侧或者两侧上涂层，并且如果在两侧上涂层，则涂层可以具有不同的厚度。容器的内部可以具有比外部的涂层更厚的涂层。涂层的厚度可以是10-100微米，诸如15-40微米，具体地20-30微米。例如，容器内侧的涂层厚度可以是30微米，而外侧的涂层厚度可以是20微米。

在深冲压、浅冲压、颈缩以及卷边操作期间，涂有涂层并附着于钢的强度可能不足以经受这些操作或者可能导致粗糙的外表面。为了克服这些缺陷，优选地，对涂层进行加热操作，诸如在100-400℃下，优选地150-350℃、诸如200-300℃下加热。这些待施行的温度通过关于涂层材料及其厚度的常规实验来确定。对于PET，280℃下的热处理足以使附着于钢表面得到改进。加热优选地通过允许局部加热(特别是对容器的待进行颈缩和卷边的部分)的感应加热来实现。该优选的加热处理包括感应加热。感应加热的另一个重要优点在于，加热件与待加热的预成型坯之间不必接触。如果需要，可以对有涂层的凹入底部施行适当的加热操作。

本发明的另一个方面涉及用于形成钢制容器的设备。根据本发明的设备包括：

i)用于将钢杯深冲压成冲压容器预成型坯的单元；

ii)用于浅冲压该冲压容器预成型坯的本体的单元；以及

iii)用于使该冲压容器预成型坯的开口端形成卷边的单元，该卷边单元包括预卷边形成子单元和拉长卷边形成子单元。

当钢杯由钢板制成时，该设备优选地包括用于形成钢杯的单元。

关于设备待执行的深冲压，该设备包括深冲压单元，为了执行随后的深冲压步骤，该深冲压单元具有几个深冲压子单元。深冲压子单元的个数优选地是2至6个，诸如3个深冲压子单元。

根据优选实施例，该设备包括用于在冲压容器预成型坯中形成凹入的底部的单元。

如果要修整该容器预成型坯的自由端，则根据本发明的设备优选地包括修整单元。

如果要为根据本发明的钢制容器设置颈缩端区，则根据本发明的设备包括用于使冲压容器预成型坯的自由端区域产生颈缩的颈缩单元，优选地包括几个颈缩子单元，诸如2-10个颈缩子单元。为了通过紧轴颈缩来执行该颈缩单元，则该设备包括紧轴颈缩(子)单元。如上所述，(收缩)修整单元可以用来修整颈缩后的自由端。

为了钢制容器预成型坯的待颈缩的自由端区域的优选加热，该设备设置有加热单元，其优选地是感应加热单元。

最后，本发明涉及钢制容器和钢制容器预成型坯，其通过上述根据本发明的方法和/或上述根据本发明的设备形成或可形成。根据本发明的容器预成型坯和容器的特征在于，他们由钢制成，优选地在钢件一侧或双侧涂有保护性的或漂亮的涂层。该容器预成型坯和容器的底部比本体的壁厚要厚，然而钢制容器及其预成型坯的本体的厚度基本不变，尤其自由端区域到卷边或者如果可能地颈缩部分是如此。对于每个颈缩操作步骤，颈缩后的自由端的厚度略微增加约4％。本发明的容器和容器预成型坯的卷边的特点在于这样的预卷边：该预卷边被拉长卷边包住并贴靠在本体或颈缩体外壁上。如果容器或容器预成型坯已经过加热操作并涂有诸如PET的防护涂层，则本体的加热部分将具有平滑的外观，而其他朝向容器或容器预成型坯的底部的部分是不平滑的。

附图说明

在以下对几个实施例的描述中将进一步阐明用于形成钢制容器的方法和设备以及该钢制容器及其预成型坯的所述及其它特性和特征，该描述是出于例证的目的，而并非旨在对根据本发明的方法、设备、容器和预成型坯做任何程度的限制。将参照附图进行描述，附图中：

图1A示出了根据本发明的钢制容器的透视图；

图1B以横截面图示出了设置有分配单元的钢制容器；

图2是根据本发明的方法的示意性流程图，该方法形成两种不同的钢制容器；

图3A-图3C以横截面图示意性地示出了由钢板开始的深冲压操作；

图4以放大比例示出了图3C中形成的钢杯的透视图；

图5A-图5C示出了第二深冲压操作；

图6以透视图示出了图5C中形成的冲压容器预成型坯；

图7A-图7D示出了包括形成凹入的容器底部的第三深冲压步骤；

图8以透视图示出了图7D中形成的冲压容器预成型坯；

图9A-图9C示出了说明根据本发明的冲压容器预成型坯的自由本体端的热处理；

图10A-图10C示出了冲压容器预成型坯的本体的浅冲压步骤以及自由边的修整；

图11和图12示出了深冲压、浅冲压且修整后的钢制容器预成型坯的释放图和透视图；

图13A-图13D以横截面图示意性地示出了通过紧轴颈缩的第一颈缩操作；

图14A和图14B示出了随后的紧轴颈缩操作；

图15和图16示出了颈缩后的切割操作以及所形成的颈缩容器预成型坯；

图17和图18示出了形成预卷边的设备以及各个阶段；

图19A-图19C示出了通过将预卷边卷成拉长卷边的第二卷边操作；

图22-图25示出了包括收缩修整的浅冲压操作的另一个优选实施例；

图26是图21的XXVI的详图；

图27是图22的XXVII的放大技术详图；

图28示出了最后的颈缩操作期间的收缩修整操作的替代方法，以及

图29是图28的XXIX的放大比例详图；

具体实施方式

图1A示出了根据本发明的由钢制成的容器，诸如压力容器1。容器1包括本体2、颈缩后的自由端区域3以及拉长卷边4。

图1B以成品5的形式示出了根据本发明的容器1，因为容器1的开口端6通过紧固在其上的分配单元7封闭。图1B还示出了凹入的底部8。

图2示出了根据本发明的用于形成钢制容器1或9的方法的各个阶段。将钢板10深冲压成杯11，且随后冲压成预成型坯12。随后，修整深冲压预成型坯13的自由边15，并且设置凹入的底部18。根据第一实施例，在该预成型坯14的自由端区域设置预卷边16，并且最终形成拉长卷边19，从而形成容器9。

根据另一个实施例，使自由端区域颈缩成颈缩部17，该颈缩部随后被设置有预卷边18和拉长卷边19，从而形成容器1。

图3-图8详细地示出了用于形成冲压容器预成型坯的深冲压操作。

图3A示出了使钢板10形成为杯11的第一深冲压操作。将圆盘形式的钢板10放置在第一深冲压工具20上，该第一深冲压工具与设置有成形腔22的深冲压工具21相配合，将深冲压工具20压入该成形腔内。所形成的杯11的直径为33mm，且高度为32mm(参见图4)。

图5示出了使用深冲压工具23的第二深冲压操作，该深冲压工具与设置有腔25的另一个深冲压工具24相配合，将工具23压入腔25内，从而形成容器预成型坯12，其杯直径为27mm，而杯高度为55mm(参见图6)。

图7示出了第三深冲压操作，其中，将图6的预成型坯12放置在深冲压工具26上，该深冲压工具与设置有底部成形工具28的深冲压工具27相配合。在图7B中进行预成型坯12的本体的深冲压直到在图7C中预成型坯压在工具28上，以形成凹入的底部。图7D示出了设置有凹入的底部8的预成型坯30的释放。如图8中所示，该预成型坯30具有边缘31。该预成型坯30的杯直径为22mm，且杯高度为66mm。

图9示出了可以在预成型坯30或13的自由端区域32进行的加热操作。由于感应加热，加热的预成型坯33获得平滑的端部区34和不平滑的底部区35，由于对钢的涂层的热处理，改进了该涂层附着于钢处的强度。应该注意的是，该加热步骤也可以在如参照图10-图12所述的预成型坯的浅冲压之后进行。如果该预成型坯设置有凹入的底部，那么优选地加热该底部(80-120℃持续20-60秒)，以避免拉伸破裂。

如前面所注意到的，在如图7中所述的第三深冲压操作中获得的预成型坯在靠近其底部的壁厚约为0.23mm，而在靠近其自由端的壁厚约为0.25-0.26mm。利用图10和图11中示意性地示出的操作来消除这种壁厚的差异(尤其在自由端区域)。

图10A示出了放置在工具部35和36中的预成型坯33。将浅冲压工具或拉伸工具38压入预成型坯33中(参见图10B)，从而将本体的厚度压平(iron out)成平均值为0.22mm。在去除拉伸工具38以后，深冲压且浅冲压预成型坯39的边缘31通过使用旋转切割设备40的切割来去除。然后释放修整后的冲压预成型坯，并在图12中示出。

图13A-图13D示出了随后的第一颈缩操作。该颈缩通过所谓的紧轴颈缩来实现。图13A中示出的颈缩设备42包括夹持预成型坯41的夹紧工具43。夹具连接至承载两个杆45的底座44。杆45的短支架46与设置在工作台54上的柱47相配合，而较长支架48与由固定工作台50支撑的柱49相配合。支架44朝向承载可在支架53中滑动的紧轴51的工作台54下降，该支架与其中夹持有预成型坯41的夹具43相配合。较短支架46接触柱47，而较长支架48接触柱49(参见图13B)。支架44按照箭头52的进一步向下移动导致紧轴51相对于其支架53的向下运动，当紧轴51插入预成型坯41内时，该紧轴可滑动地布置在该支架内。

如图13C中所示，支架44遵循箭头52的向下移动导致抬起两个杆45。由于长支架支撑在固定柱49上，这导致当杆45经由短支架46进一步向下压工作台54上的柱47时，紧轴51退回到其滑动支架53内。图13D中示出了最后阶段。在此示出了紧轴51保持并压在滑动轴承座53上，预成型坯41的自由端区域55被夹在夹具43内。图14A和图14B中更详细地示出了该种情形。通过插入自由端中的紧轴51遵循箭头56将预成型坯41压入滑动轴承座53或成形工具中。有效地，紧轴51遵循箭头57冲压自由端区域55穿过窄口58，从而形成颈缩部。由此，在待颈缩的部分在内部支撑在紧轴51上并且通过颈缩工具冲压(而不是推挤)的同时实现颈缩。因此，轴向向下的力较小。颈缩导致材料厚度略微增加了约4％。

逐渐地，颈缩后的自由端区域的直径可以从约20mm逐步缩小到约15mm。这些逐步缩小或颈缩操作可以在2-10个步骤内实现，在该实施例中，在6个步骤内实现。每个颈缩步骤都要求适于夹具、颈缩环和紧轴的工具。

随后，对颈缩预成型坯59进行切割操作，其中使用旋转切割设备60来修整自由端，从而导致预成型坯63的颈缩部62中的锋利边缘61(参见图15和图16)。

图17-图19示出了对于容器预成型坯的开口端的卷边操作。图17和图18示出了预卷边的形成。

图17中示出了插入第一卷边设备66的夹持器65中的预成型坯。

将预成型坯64的端部区67放置在支架68上，并使其接触卷边工具69，该卷边工具可旋转地支撑在夹持器71中的轴承70内。

如图18A中所示，使夹持器65按照箭头72旋转并且按照箭头73向下移动。从而端部区67的自由边74于其卷边平面75与卷边工具69相接触。使该自由端74遵循箭头75向外卷边，并且由于遵循箭头73的向下移动而形成预卷边76，直至自由端触及自由端区域67的外表面77。从而，形成预成型坯78。

如图19中所示，在卷边设备79中对设置有预卷边76的预成型坯78进行第二卷边操作。卷边设备79包括其中插有预成型坯78的夹持器80。随后，在遵循箭头81的旋转期间，并且由于遵循箭头82的向下移动，将预卷边推压在卷边工具84的卷边表面83上，从而为已经具有预卷边76的端部区85另外提供另一拉长卷边。该拉长卷边径向向外地移动，但是被成形轧辊86径向向内地压住。最后，如图19C中所示，形成仍然包括预卷边76的拉长卷边87。由于该工具的形状，卷边的尺寸和质量基本不变。从图19C释放的是如图1A中所示的钢制容器88。

图20-图27示出了如图10和图11中所示的冲压容器预成型坯的浅冲压和自由端修整的替代方法。

使安装在冲头90上的预成型坯89遵循箭头91穿过浅冲压工具92和93。在穿过期间，对预成型坯89的本体94进行浅冲压。

该预成型坯还穿过卸料环(stripper ring)95和96。

图21且尤其是图26中所示XXVI的详图示出了冲头90穿过工具93。环形开口95逐渐缩小形成对本体94的浅冲压。

如图22中且尤其是图27中所示XXVII的详图所示，冲头90具有较大直径的冲头边缘96，以使工具93与冲头90之间的间隙减小到约0.05mm。这形成对环形端部97的修整，该环形端部保持在可滑动地布置在冲头及其活塞98上的工具93上游。(参见图22)。

冲头90还遵循箭头99移动，直到预成型坯89的底部100接触工具101，以形成凹入的底部形状(参见图23)。随后，遵循箭头103退回冲头90。然而，预成型坯卸料器104夹在预成型坯89的自由端105之前，以便当冲头90按照箭头103穿过环部93退回时，预成型坯89从冲头90上脱离(参见图24)。如此释放预成型坯89。以类似的方式，修整掉的环卸料器106将修整掉的圈环97保留在修整卸料器106前面。当冲头已退回到修整卸料器106之后时，则释放并收集修整掉的圈环97。

图28示出了如图15和图16中所公开的修整操作的替代方法。在最终的颈缩操作，在预成型坯的颈缩后的自由端108修整预成型坯107。

图28的左侧横截面部分示出了支撑在支架109上的预成型坯107。该支架109相对于颈缩环110和紧轴111移动。颈缩后的自由端108的内径使得紧轴111能够移动到预成型坯107中。

在随后支架109、颈缩环部110与紧轴111之间的相对运动中(并参见图14A和图14B)，穿过颈缩开口112冲压支撑在紧轴111上的颈缩后的自由端108。

如图29更详细地示出的，紧轴111设置有台阶113，该台阶与在颈缩环110的开口112中的类似台阶114相对应。这导致自由端108的部分115产生颈缩，从而修整预成型坯107。

因此，根据该实施例，预成型坯的修整以及最终的颈缩操作能够在同一单元中且在同一操作期间实现。

根据各个实施例制得具有卷边开口端的钢制容器，其实现了关于尺寸稳定性、易于制造以及具有足够强度以便可以通过紧固封闭件或分配单元而形成密封闭合的目的。此外，为了给钢提供改良的性能(诸如抗腐蚀性或其它美感)可以在钢的一侧或两侧上涂层。而且，可以使用在一侧或两侧上涂层的钢板层压片，而且这些涂层仍然存在于制得的钢制容器中。

此外，应该注意的是，根据本发明的形成钢制容器的方法中所使用的各种操作以及用于形成根据本发明的钢制容器的设备中所使用的各种单元可以在同一设备中执行，其中，使预成型坯在各个单元中循环，以进行各种操作。另一方面，可以使用各种用于执行如本发明的权利要求中所限定的操作的设备来制造相同的钢制容器。