ES2242019T3 - METHOD TO CONFORM FOR PRESSURE AND DISPLACEMENT OF THE PISTON METAL AND SIMILAR CONTAINERS. - Google Patents
METHOD TO CONFORM FOR PRESSURE AND DISPLACEMENT OF THE PISTON METAL AND SIMILAR CONTAINERS.Info
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Abstract
Description
Método para conformar por presión y desplazamiento del pistón recipientes de metal y similares.Method for conforming by pressure and piston displacement metal containers and the like.
Esta invención se refiere a métodos para conformar envases de metal o similares, que utilizan presión fluida interna para expandir una preforma o pieza de trabajo metálica ahuecada, contra una cavidad de un molde. En un aspecto específico importante, la invención está dirigida a métodos para conformar envases de aluminio o de otro metal, que tienen una forma perfilada, por ejemplo tal como una forma de botella con características asimétricas.This invention relates to methods for form metal containers or the like, which use fluid pressure internal to expand a preform or metal workpiece hollowed out, against a cavity of a mold. In a specific aspect importantly, the invention is directed to methods for shaping aluminum or other metal containers, which have a shape profiled, for example such as a bottle shape with asymmetric characteristics
Las latas metálicas para bebidas son bien conocidas y se usan ampliamente. Los cuerpos de latas de bebidas actuales, ya sean cuerpos "estirados y planchados" de una sola pieza, o cuerpos abiertos en ambos extremos (con un elemento de cierre distinto en el fondo, así como también en la parte superior), generalmente tienen paredes laterales cilíndricas verticales simples. Algunas veces se desea, por razones estéticas, para atraer al consumidor y/o identificar el producto, impartir una forma diferente y más compleja a la pared lateral de un envase metálico de bebida y, en particular, disponer de un envase de metal con la forma de una botella en lugar de una forma de lata cilíndrica normal. Las operaciones convencionales para producir latas, sin embargo, no logran tales configuraciones.Metal cans for drinks are good known and widely used. The bodies of beverage cans current, whether "stretched and ironed" bodies of a single piece, or open bodies at both ends (with an element of different closure at the bottom, as well as at the top), they usually have vertical cylindrical side walls simple. Sometimes it is desired, for aesthetic reasons, to attract to the consumer and / or identify the product, impart a form different and more complex to the side wall of a metal container of beverage and, in particular, dispose of a metal container with the shape of a bottle instead of a cylindrical can shape normal. Conventional operations to produce cans, without However, they do not achieve such configurations.
Para estos y otros fines, sería ventajoso proporcionar métodos eficaces y convenientes para conformar piezas de trabajo en forma de botellas u otras formas complejas. Además, sería útil disponer de tales procedimientos capaces de conformar formas de envases perfiladas que no sean radialmente simétricas, para ampliar la variedad de diseños que se pueden obtener.For these and other purposes, it would be advantageous provide effective and convenient methods for shaping parts Working in the form of bottles or other complex shapes. Further, it would be useful to have such procedures capable of conforming shapes of profiled packages that are not radially symmetrical, to expand the variety of designs that can be obtained.
En la patente de los Estados Unidos 3.040.684 se describe un aparato para conformar tiradores de puertas a partir de una preforma, usando una cavidad de un molde y presión hidráulica. La preforma se coloca en una cavidad de un molde, se llena con fluido hidráulico y se cierra herméticamente. El molde se cierra después, y se mueve un pistón inferior hacia arriba forzando la pared de la preforma en conformidad con la forma de la cavidad del molde. En este procedimiento, el volumen de fluido no cambia, y la expansión de la preforma se origina por el movimiento del pistón.In US Patent 3,040,684, describes an apparatus for forming door handles from a preform, using a mold cavity and hydraulic pressure. The preform is placed in a cavity of a mold, filled with hydraulic fluid and closes tightly. The mold closes then, and a lower piston moves upward forcing the wall of the preform in accordance with the shape of the cavity of the mold. In this procedure, the volume of fluid does not change, and the expansion of the preform is caused by the movement of the piston.
Otro dispositivo para la conformación de un tirador de puertas se describe en la patente de los Estados Unidos 4.362.037, en la que se usa un molde partido. La preforma comprende un tirador de puerta parcialmente conformado, y la cara circular externa del tirador se coloca sobre un molde inferior. Un molde superior tiene una cavidad con porciones de paredes laterales que definen la forma final del tirador. Este molde superior se presiona hacia abajo sobre la preforma que descansa sobre el molde inferior. Después, se fuerza internamente un fluido dentro de la preforma, con lo cual la preforma se fuerza a la forma de la cavidad del molde.Another device for shaping a Door handle is described in US Pat. 4,362,037, in which a split mold is used. The preform comprises a partially shaped door handle, and the circular face External handle is placed on a lower mold. A cast upper has a cavity with portions of side walls that define the final shape of the shooter. This upper mold is pressed down on the preform resting on the lower mold. Then, a fluid is internally forced into the preform, with which the preform is forced into the shape of the cavity of the mold.
La patente los Estados Unidos 6.182.487 describe un método para fabricar una vasija metálica, que usa un molde partido que incluye un molde fijo y un molde móvil. Primero se conforma un cilindro que tiene un fondo soldado a una cubierta, y se coloca con el extremo inferior montado en el molde móvil al tiempo que el extremo abierto del cilindro está unido al molde fijo. El cilindro se presuriza a través del molde fijo, y el molde móvil se cierra sobre el molde fijo para conformar la vasija.U.S. Patent 6,182,487 describes a method for manufacturing a metal vessel, which uses a mold match that includes a fixed mold and a mobile mold. First it it forms a cylinder that has a bottom welded to a cover, and it is placed with the lower end mounted on the mobile mold at time that the open end of the cylinder is attached to the mold permanent. The cylinder is pressurized through the fixed mold, and the mold mobile closes on the fixed mold to form the vessel.
La presente invención contempla ampliamente proveer un método para conformar un envase de metal o similar, de forma y dimensiones definidas, comprendiendo dicho método:The present invention broadly contemplates provide a method to form a metal container or similar, of defined shape and dimensions, said method comprising:
(a) disponer una preforma metálica ahuecada, que tiene un extremo cerrado, en una cavidad de un molde que tiene una pared del molde que define dicha forma y dimensiones, estando al menos una porción de la preforma inicialmente espaciada hacia adentro desde la pared del molde, y(a) arrange a hollowed metal preform, which it has a closed end, in a cavity of a mold that has a mold wall that defines said shape and dimensions, being at minus a portion of the preform initially spaced towards in from the wall of the mold, and
(b) someter a la preforma a presión fluida interna, para expandir la preforma hacia fuera en contacto sustancialmente completo con la pared del molde, para impartir de ese modo a la preforma dicha forma y dimensiones definidas,(b) subject the preform to fluid pressure internal, to expand the preform out in contact substantially complete with the mold wall, to impart that way to the preform said shape and defined dimensions,
caracterizado porque la cavidad del molde se dimensiona para contener lateralmente una preforma de metal ahuecada que tiene un extremo cerrado, con un troquel localizado en un extremo de la cavidad y trasladable dentro de la cavidad, estando localizada la preforma dentro de la cavidad, con el extremo cerrado de la preforma posicionado en una relación próxima de cara al troquel; se aplica una presión fluida interna a la preforma para expandir la preforma hacia fuera y ejercer una fuerza de presión fluida sobre el extremo cerrado y,characterized in that the mold cavity is dimensions to contain a metal preform laterally recessed that has a closed end, with a die located in one end of the cavity and translatable into the cavity, being located the preform inside the cavity, with the closed end of the preform positioned in a close relationship facing the die an internal fluid pressure is applied to the preform to expand the preform out and exert a force of pressure fluid over the closed end and,
(c) ya sea antes o después de que la preforma comience a expandirse, pero antes de que se complete la expansión de la preforma, el troquel se traslada al extremo de la cavidad para acoplar y desplazar el extremo cerrado de la preforma en una dirección opuesta a la dirección de la fuerza ejercida por la presión fluida sobre el mismo, deformando el extremo cerrado de la preforma al tiempo que la preforma se expande hacia fuera en un contacto sustancialmente completo con la pared del molde.(c) either before or after the preform begins to expand, but before the expansion of the preform, the die is moved to the end of the cavity to couple and move the closed end of the preform in a direction opposite to the direction of the force exerted by the fluid pressure on it, deforming the closed end of the preform while the preform expands out in a substantially complete contact with the mold wall.
El traslado del troquel se ve afectado por un pistón que es capaz de aplicar suficiente fuerza al troquel para desplazar y deformar la preforma. Este método se denominará algunas veces en este documento como un procedimiento (PRF) para formar por pistón hidráulico a presión, debido a que el envase se conforma tanto por la presión fluida interna aplicada como por la traslación del troquel por el pistón.The transfer of the die is affected by a piston that is able to apply enough force to the die to displace and deform the preform. This method will be called some times in this document as a procedure (PRF) to form by pressurized hydraulic piston, because the container conforms both for the internal fluid pressure applied and for the translation of the die by the piston.
Como una característica adicional de la invención, el troquel tiene una superficie perfilada, y el extremo cerrado de la preforma se deforma a fin de que se conforme a la superficie perfilada. Por ejemplo, el troquel puede tener un perfil abovedado, siendo el extremo cerrado de la preforma deformado en el perfil abovedado.As an additional feature of the invention, the die has a profiled surface, and the end closed the preform deforms so that it conforms to the profiled surface. For example, the die can have a profile domed, the closed end of the preform being deformed in the vaulted profile.
La forma definida, en la cual se conforma el envase, puede tener una forma de botella que incluye una porción de gollete y una porción de cuerpo, más grande en dimensiones laterales que la porción de gollete, teniendo la cavidad del molde un eje largo, teniendo la preforma un eje largo y estando dispuesta sustancialmente de forma coaxial dentro de la cavidad, y siendo el troquel trasladable a lo largo del eje largo de la cavidad.The defined form, in which the container, can have a bottle shape that includes a portion of neck and a body portion, larger in dimensions lateral than the neck portion, having the mold cavity a long axis, the preform having a long axis and being arranged substantially coaxially inside the cavity, and being the transferable die along the long axis of the cavity.
Ventajosamente y de forma preferible, la pared del molde comprende un molde partido, separable para retirar el envase formado. Con un molde partido, la forma definida puede ser asimétrica alrededor del eje largo de la cavidad.Advantageously and preferably, the wall of the mold comprises a split, detachable mold to remove the formed container. With a split mold, the defined shape can be asymmetric around the long axis of the cavity.
El troquel está posicionado inicialmente de forma preferible próximo a o en contacto con el extremo cerrado de la preforma, antes de la aplicación de la presión fluida, para limitar el alargamiento axial de la preforma por la presión fluida. El traslado del troquel se puede iniciar después de que la porción inferior que se expande de la preforma haya entrado en contacto con la pared del molde.The die is initially positioned so preferably close to or in contact with the closed end of the preform, before the application of fluid pressure, to limit axial elongation of the preform by fluid pressure. He die transfer can be started after the portion bottom that expands from the preform has come into contact with The wall of the mold.
La preforma para formar un envase con forma de botella o similar es preferiblemente una pieza de trabajo alargada, e inicial y generalmente cilíndrica, que tiene un extremo abierto opuesto a su extremo cerrado. En realizaciones particulares de la invención, puede tener un diámetro sustancialmente igual a la porción de gollete de la forma de botella, y puede tener suficiente conformabilidad para ser expansible a la forma definida en una única operación de conformación a presión. Si falta tal conformabilidad, antes del método de PRF descrito anteriormente se realizan las etapas preliminares de colocar la pieza de trabajo en una cavidad del molde más pequeña que la cavidad del molde mencionada primeramente, y de someter a la pieza de trabajo allí a presión fluida interna para expandir la pieza de trabajo hasta un tamaño intermedio y una forma más pequeña que la forma y las dimensiones laterales definidas.The preform to form a container shaped bottle or similar is preferably an elongated work piece, and initial and generally cylindrical, which has an open end opposite to its closed end. In particular embodiments of the invention, can have a diameter substantially equal to the portion of the bottle-shaped neck, and may have enough conformability to be expandable to the shape defined in a only pressure forming operation. If such is missing conformability, before the PRF method described above, perform the preliminary steps of placing the workpiece in a mold cavity smaller than the mold cavity first mentioned, and to submit the work piece there to internal fluid pressure to expand the workpiece to a intermediate size and a smaller shape than the shape and defined lateral dimensions.
Alternativamente, si la pieza de trabajo alargada e inicial y generalmente cilíndrica es más larga, en el diámetro inicial, que la porción del gollete de la forma de botella, el método para formar un envase en forma de botella puede incluir una etapa adicional de someter la pieza de trabajo, contigua a su extremo abierto, a una operación de conformación con movimiento de rotación para formar una porción de gollete de diámetro reducido, después de la ejecución del procedimiento de PRF.Alternatively, if the elongated work piece and initial and generally cylindrical is longer, in diameter initial, that the neck portion of the bottle shape, the method to form a bottle-shaped container may include a Additional stage of submitting the work piece, adjacent to your open end, to a shaping operation with movement of rotation to form a small diameter neck portion, after the execution of the PRF procedure.
Alternativamente, el diámetro del área de gollete de la preforma se reduce usando un procedimiento de estrechamiento del molde. Este procedimiento de estrechamiento del molde se podría aplicar antes de la etapa de expansión.Alternatively, the diameter of the neck area of the preform is reduced using a narrowing procedure of the mold. This procedure of narrowing the mold could be apply before the expansion stage.
La preforma puede ser una preforma de aluminio (siendo el término "aluminio" usado aquí para referirse a aleaciones a base de aluminio, así como metal de aluminio puro), y se puede fabricar de lámina de aluminio que tiene un microestructura recristalizada o recubierta con un calibre en un intervalo de aproximadamente 0,25 a aproximadamente 1,5 mm. Se puede producir como un cilindro de extremo cerrado sometiendo a la lámina a una operación de estirado y reestirado, o extrusión hacia atrás.The preform can be an aluminum preform (being the term "aluminum" used here to refer to aluminum based alloys, as well as pure aluminum metal), and It can be made of aluminum foil that has a microstructure recrystallized or coated with a gauge in a range of about 0.25 to about 1.5 mm. Can be produced as a closed end cylinder subjecting the sheet to a stretching and re-stretching operation, or backward extrusion.
Durante la etapa de someter a la preforma a presión fluida interna, la presión fluida dentro de la preforma se produce en etapas sucesivas de (i) elevación hasta un primer pico antes de que comience la expansión de la preforma, (ii) caída hasta un valor mínimo a medida que comienza la expansión, (iii) elevación de forma gradual hasta un valor intermedio a medida que continúa la expansión hasta que la preforma se extiende, aunque no en contacto completo con la pared del molde, y (iv) elevación de la presión intermedia durante la terminación de la expansión de la preforma. Señalada con referencia a esta secuencia de etapas de presión, la iniciación de traslación del troquel para desplazar y deformar el extremo cerrado de la preforma, en una realización preferida de la invención, ocurre sustancialmente al final de la etapa (iii).During the stage of submitting the preform to internal fluid pressure, the fluid pressure inside the preform is produces in successive stages of (i) elevation to a first peak before the preform expansion begins, (ii) fall until a minimum value as the expansion begins, (iii) elevation gradually to an intermediate value as the expansion until the preform extends, although not in contact complete with the mold wall, and (iv) pressure rise intermediate during termination of preform expansion. Indicated with reference to this sequence of pressure stages, the initiation of translation of the die to displace and deform the closed end of the preform, in a preferred embodiment of the invention, occurs substantially at the end of step (iii).
Típicamente, cuando se aplica la presión fluida interna, el extremo cerrado de la preforma asume una configuración generalmente hemisférica y alargada, a medida que entra en contacto con la pared del molde; y la iniciación de traslación del troquel se produce sustancialmente en el momento en el que el extremo cerrado de la preforma asume esta configuración.Typically, when fluid pressure is applied internal, the closed end of the preform assumes a configuration generally hemispherical and elongated, as it comes into contact with the wall of the mold; and the initiation of die translation occurs substantially at the moment when the end Closed preform assumes this setting.
También de acuerdo con la invención, la etapa de someter a la preforma a presión fluida interna comprende simultáneamente aplicar presión fluida positiva interna y presión fluida positiva externa a la preforma en la cavidad, siendo la presión fluida positiva interna mayor que la presión fluida positiva externa. La presión externa e interna se proporcionan respectivamente por dos sistemas de presión independientemente controlables. El grado de deformación en la preforma se controla controlando independientemente las presiones fluidas positivas externa e interna a las cuales se somete simultáneamente la preforma para variar el diferencial entre la presión fluida positiva interna y la presión fluida positiva externa. De esta forma, se evitan los problemas asociados con grados de deformación excesivos, y se logran resultados beneficiosos adicionales, tales como la reducción del esfuerzo hidrostático, que puede ocasionar daño microestructural a la pared del envase.Also according to the invention, the step of subject the preform to internal fluid pressure comprises simultaneously apply internal positive fluid pressure and pressure positive fluid external to the preform in the cavity, the internal positive fluid pressure greater than fluid pressure external positive External and internal pressure are provided. respectively by two pressure systems independently controllable The degree of deformation in the preform is controlled independently controlling positive fluid pressures external and internal to which the preform to vary the differential between the positive fluid pressure internal and external positive fluid pressure. In this way, it avoid problems associated with excessive degrees of deformation, and additional beneficial results are achieved, such as the reduced hydrostatic stress, which can cause damage microstructural to the wall of the container.
Según todavía una característica adicional de la invención, se ha encontrado que es ventajoso aplicar calor durante la expansión de la preforma, tal como para inducir un gradiente de temperatura en la preforma. Añadiendo calentadores al troquel, se induce un gradiente de temperatura en la preforma desde el fondo hacia arriba. Se pueden añadir distintos calentadores a la parte superior del molde, que inducen un gradiente de temperatura en la preforma desde la parte superior hacia abajo. Se pueden incluir calentadores adicionales en las paredes laterales de la cavidad del molde. La adición del gradiente de temperatura durante la expansión de la preforma sirve para definir el punto de iniciación de la expansión y proporciona conformabilidad mejorada.According to still an additional feature of the invention, it has been found that it is advantageous to apply heat during the expansion of the preform, such as to induce a gradient of preform temperature. Adding heaters to the die, it induces a temperature gradient in the preform from the bottom upwards. Different heaters can be added to the part upper mold, which induce a temperature gradient in the preform from the top down. Can be included additional heaters on the side walls of the cavity of the mold. The addition of the temperature gradient during expansion of the preform serves to define the starting point of the expansion and provides improved conformability.
Se ha encontrado también que es ventajoso mantener el troquel en contacto con el fondo de la preforma antes del comienzo de la fase de expansión, y aplicar alguna carga axial por el troquel a través de la fase de expansión. Con este procedimiento, en el que el troquel aplica alguna carga axial al extremo cerrado de la preforma a través de la fase de expansión, el desplazamiento y deformación del extremo cerrado de la preforma no se realiza preferiblemente hasta la terminación de la fase de expansión.It has also been found to be advantageous keep the die in contact with the bottom of the preform before of the beginning of the expansion phase, and apply some axial load by the die through the expansion phase. With this procedure, in which the die applies some axial load to the closed end of the preform through the expansion phase, the displacement and deformation of the closed end of the preform no it is preferably performed until the completion of the phase of expansion.
Otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la descripción detallada expuesta más adelante, junto con los dibujos que se acompañan.Other features and advantages of the invention they will be evident from the detailed description set forth more Go ahead, along with the accompanying drawings.
La fig. 1 es una vista en perspectiva simplificada y en cierto modo esquemática de herramientas para realizar el método de la presente invención, en realizaciones ilustrativas;Fig. 1 is a perspective view simplified and somewhat schematic tools for performing the method of the present invention, in embodiments illustrative;
las figs. 2A y 2B son vistas similares a la fig. 1 de etapas secuenciales en la realización de una primera realización del método de la invención;the figs. 2A and 2B are views similar to fig. 1 sequential stages in the realization of a first embodiment of the method of the invention;
la fig. 3 es una gráfica de la presión interna y desplazamiento del pistón como funciones de tiempo, usando aire como el medio fluido, que ilustra la relación de tiempo entre las etapas de someter a la preforma a la presión fluida interna y de trasladar el troquel en el método de la invención;fig. 3 is a graph of the internal pressure and piston displacement as time functions, using air as the fluid medium, which illustrates the time relationship between the stages to subject the preform to the internal fluid pressure and to transfer the die in the method of the invention;
las figs. 4A, 4B, 4C y 4D son vistas similares a la fig. 1 de etapas secuenciales en la ejecución de una segunda realización del método de la invención;the figs. 4A, 4B, 4C and 4D are views similar to fig. 1 sequential stages in the execution of a second embodiment of the method of the invention;
las figs. 5A y 5B son, respectivamente, una vista similar a la fig. 1 y una vista en perspectiva esquemática, simplificada, de una etapa de conformación con movimiento de rotación, que ilustra las etapas secuenciales en la ejecución de una tercera realización de la invención;the figs. 5A and 5B are, respectively, a view similar to fig. 1 and a schematic perspective view, simplified, of a stage of conformation with movement of rotation, which illustrates the sequential stages in the execution of a third embodiment of the invention;
las figs. 6A, 6B, 6C y 6D son vistas en alzado esquemáticas, generadas por ordenador, de etapas sucesivas en el método de la invención;the figs. 6A, 6B, 6C and 6D are elevation views computer generated schematics of successive stages in the method of the invention;
la fig. 7 es una gráfica de la variación de presión a lo largo del tiempo (usando unidades de tiempo arbitrarias), que ilustra la característica de aplicar simultáneamente presiones fluidas positivas externa e interna, controlables independientemente, a la preforma en la cavidad del molde, y que compara la variación de presión interna (como en la fig. 3) en ausencia de presión positiva externa;fig. 7 is a graph of the variation of pressure over time (using units of time arbitrary), which illustrates the characteristic of applying simultaneously external and internal positive fluid pressures, independently controllable, to the preform in the cavity of the mold, and that compares the internal pressure variation (as in the fig. 3) in the absence of external positive pressure;
la fig. 8 es una gráfica de la variación de deformación a lo largo del tiempo, derivada del análisis del elemento finito, que muestra la deformación para una posición (elemento) particular bajo las dos condiciones de presión diferentes, comparada en la fig. 7; yfig. 8 is a graph of the variation of deformation over time, derived from the analysis of finite element, which shows the deformation for a position (element) particular under the two pressure conditions different, compared in fig. 7; Y
la fig. 9 es una gráfica similar a la fig. 7 que ilustra un mecanismo de control particular que se puede usar en el proceso de conformación cuando las presiones fluidas positivas externa e interna se aplican simultáneamente a la preforma en la cavidad del molde;fig. 9 is a graph similar to fig. 7 that illustrates a particular control mechanism that can be used in the shaping process when positive fluid pressures external and internal apply simultaneously to the preform in the mold cavity;
la fig. 10 es una ilustración esquemática de una preforma que se expande usando un troquel calentado;fig. 10 is a schematic illustration of a preform that expands using a heated die;
la fig. 11 es una gráfica que muestra las cargas en el troquel, presiones internas y desplazamientos del troquel durante la expansión de una preforma; yfig. 11 is a graph that shows the loads in the die, internal pressures and displacements of the die during the expansion of a preform; Y
la fig. 12 es una vista en perspectiva que muestra las etapas en la producción de una preforma a partir de un disco plano.fig. 12 is a perspective view that shows the stages in the production of a preform from a flat disk
La invención se describirá según se realiza en los métodos de conformación de envases de aluminio que tienen una forma perfilada que no necesita tener simetría en los ejes (radialmente simétricos alrededor de un eje geométrico del envase), que usa una combinación de hidroconformación (presión fluida interna) y de conformación con troquel, es decir, un procedimiento de PRF.The invention will be described as performed in the methods of forming aluminum containers that have a profiled shape that does not need to have symmetry on the axes (radially symmetrical around a geometric axis of the container), which uses a combination of hydroconformation (fluid pressure internal) and die forming, that is, a procedure from PRF.
El proceso de fabricación de PRF tiene dos etapas distintas: la fabricación de una preforma, y la posterior conformación de la preforma en un envase final. Hay diversas opciones para la trayectoria de conformación completa, y la selección apropiada se determina por la conformabilidad de la lámina de aluminio que se está usando.The PRF manufacturing process has two stages different: the manufacture of a preform, and the subsequent shaping of the preform in a final container. There are various options for the complete conformation path, and the appropriate selection is determined by the formability of the aluminum foil that is being used.
La preforma se fabrica de lámina de aluminio que tiene una microestructura recubierta o recristalizada y con un calibre en el intervalo de 0,025 mm a 1,5 mm. La preforma es un cilindro de extremo cerrado, que puede ser fabricada, por ejemplo, por un proceso de estirado-reestirado (-reestirado) o por extrusión hacia atrás. El diámetro de la preforma está en cierto modo entre los diámetros mínimo y máximo del producto de envase deseado. Se pueden formar hilos de rosca sobre la preforma, antes de las operaciones de conformación subsiguientes. El perfil del extremo cerrado de la preforma puede ser diseñado para ayudar a la conformación del perfil del fondo del producto final.The preform is made of aluminum foil that it has a coated or recrystallized microstructure and with a gauge in the range of 0.025 mm to 1.5 mm. The preform is a closed end cylinder, which can be manufactured, for example, by a stretch-re-stretch process (-re-stretch) or by extrusion backwards. The diameter of the preform is in some way between the minimum and maximum product diameters of desired container Threads can be formed over the preform, before subsequent forming operations. Profile The closed end of the preform can be designed to help the conformation of the bottom profile of the final product.
Según se ilustra en la fig. 1, el conjunto de herramientas para el método de la invención incluye un molde 10 partido, con una cavidad 11 perfilada que define una forma de botella axialmente vertical, un troquel 12 que tiene el perfil deseado para el fondo del envase (por ejemplo, en las realizaciones ilustradas, un perfil abovedado de forma convexa, para impartir una forma abovedada al fondo del envase formado), y un pistón 14 que está unido al troquel. En la fig. 1, sólo se muestra una de las dos mitades del troquel partido, siendo la otra una imagen especular de la mitad del molde ilustrado; como será evidente, las dos mitades se encuentran en un plano que contiene el eje geométrico de la forma de botella definida por la pared de la cavidad 11 del molde.As illustrated in fig. 1, the set of tools for the method of the invention includes a mold 10 split, with a profiled cavity 11 defining a form of axially vertical bottle, a die 12 that has the profile desired for the bottom of the container (for example, in the embodiments illustrated, a domed profile convexly, to impart a domed shape at the bottom of the formed container), and a piston 14 that It is attached to the die. In fig. 1, only one of the two is shown halves of the split die, the other being a mirror image of half of the mold illustrated; as will be evident, the two halves they are in a plane that contains the geometric axis of the bottle shape defined by the wall of the cavity 11 of the mold.
El diámetro mínimo de la cavidad 11 del molde, en el extremo 11a abierto superior del mismo (el cual corresponde al gollete de la forma de botella de la cavidad), es igual al diámetro exterior de la preforma (véase la fig. 2A) a colocar en la cavidad, con espacio libre para holgura. La preforma se posiciona al inicio ligeramente por encima del troquel 12, y tiene elementos de ajuste 16 de presión, representados esquemáticamente en el extremo 11a abierto, para permitir la presurización interna. La presurización se puede lograr, por ejemplo, acoplando los hilos de rosca formados en el extremo abierto superior de la preforma, o insertando un tubo dentro del extremo abierto de la preforma y realizando un cierre hermético por medio del molde partido o por cualquier otro medio de ajuste de presión.The minimum diameter of the cavity 11 of the mold, in the upper open end 11a thereof (which corresponds to the neck of the bottle shape of the cavity), is equal to the diameter outside of the preform (see fig. 2A) to be placed in the cavity, With free space for slack. The preform is positioned at the beginning slightly above die 12, and has adjustment elements 16 pressure, schematically represented at end 11a open, to allow internal pressurization. Pressurization it can be achieved, for example, by coupling the formed threads at the upper open end of the preform, or by inserting a tube inside the open end of the preform and closing airtight by means of the split mold or by any other means of pressure adjustment
La etapa de presurización comprende introducir, en el interior de la preforma hueca, un fluido tal como agua o aire a presión suficiente para provocar que la preforma se expanda dentro de la cavidad hasta que la pared de la preforma presione substancialmente de forma total contra la pared del molde que define la cavidad, impartiendo de ese modo la forma y dimensiones laterales de la cavidad a la preforma expandida. Señalado generalmente, el fluido empleado puede ser comprimible o no comprimible, con cualquier masa, flujo, volumen o presión controlados para controlar la presión a la cual se someten de ese modo a las paredes de la preforma. Al seleccionar el fluido, es necesario tener en cuenta las condiciones de temperatura que se van a emplear en la operación de conformación; si el agua es el fluido, por ejemplo, se requiere que la temperatura sea menor que 100ºC, y, si se requiere una temperatura más alta, el fluido debería ser un gas tal como aire, o un líquido que no hierva a la temperatura de la operación de conformación.The pressurization stage comprises introducing, inside the hollow preform, a fluid such as water or air at sufficient pressure to cause the preform to expand inside the cavity until the preform wall presses substantially totally against the wall of the mold that defines the cavity, thereby imparting the shape and dimensions sides of the cavity to the expanded preform. Indicated Generally, the fluid used may be compressible or not. compressible, with any mass, flow, volume or pressure controlled to control the pressure to which they are subjected to that mode to the walls of the preform. When selecting the fluid, it is it is necessary to take into account the temperature conditions that are going to be used in the shaping operation; If water is the fluid, for example, the temperature is required to be less than 100 ° C, and, if a higher temperature is required, the fluid should be a gas such as air, or a liquid that does not boil at the temperature of the shaping operation
Como resultado de la etapa de presurización, las características detalladas de relieve conformadas en la pared del molde se reproducen en la forma de imagen especular inversa sobre la superficie del envase resultante. Incluso si tales características, o la forma total, del envase producido no son axisimétricas, el envase se retira de la herramienta sin dificultad, debido al uso de un molde partido.As a result of the pressurization stage, the detailed relief features formed on the wall of the mold are reproduced in the form of inverse mirror image over the resulting container surface. Even if such features, or the total shape of the package produced is not axisymmetric, the container is removed from the tool without difficulty, due to the use of A broken mold.
En la realización específica de la invención ilustrada en las figs. 2A y 2B, la preforma 18 es una pieza de trabajo de aluminio cilíndrica hueca, con un extremo 20 inferior cerrado y un extremo 22 superior abierto, que tiene un diámetro externo igual al diámetro externo del gollete de la forma de la botella que se va a conformar, y las deformaciones de conformación de la operación de PRF están dentro de los márgenes establecidos por la conformabilidad de la preforma (que depende de la temperatura y del grado de deformación). Con una preforma que tiene esta propiedad de conformabilidad, la forma de la cavidad 11 del molde se fabrica exactamente según se requiere para el producto final, y el producto se puede fabricar en una única operación de PRF. El movimiento del pistón 14 y el grado de presurización interna son tales que se minimicen las deformaciones de la operación de conformación, y que produzcan la forma deseada del envase. Las características de la pared lateral y del gollete resultan principalmente de la expansión de la preforma debido a la presión interna, mientras que la forma del fondo se define principalmente por el movimiento del pistón y del troquel 12, y por el perfil de la superficie del troquel que mira al extremo 20 cerrado de la preforma.In the specific embodiment of the invention illustrated in figs. 2A and 2B, preform 18 is a piece of hollow cylindrical aluminum work, with a lower end 20 closed and an open upper end 22, which has a diameter external equal to the outer diameter of the neck of the shape of the bottle to be shaped, and deformations of conformation of the PRF operation are within the established margins by the formability of the preform (which depends on the temperature and degree of deformation). With a preform that has this conformability property, the shape of the cavity 11 of the Mold is manufactured exactly as required for the product final, and the product can be manufactured in a single operation of PRF. The movement of the piston 14 and the degree of internal pressurization they are such that the deformations of the operation of conformation, and that produce the desired shape of the container. The side wall and neck characteristics result mainly from the expansion of the preform due to the pressure internal, while the shape of the fund is mainly defined by the movement of the piston and the die 12, and by the profile of the surface of the die facing the closed end 20 of the preform
La sincronización apropiada de la aplicación de la presión fluida interna y de la operación (traslado dentro de la cavidad del molde) del pistón y del troquel son importantes en la práctica de la invención. La fig. 3 muestra una representación gráfica de datos simulados generados por ordenador (secuencia de salidas de análisis de elementos finitos), que representa la operación de conformación de las figs. 2A y 2B con presión de aire, controlado por flujo. Específicamente, la gráfica ilustra el historial de presión y tiempo de pistón involucrados. Como será evidente de la fig. 3, la presión fluida dentro de la preforma ocurre en las etapas sucesivas de (i) elevación hasta un primer pico 24 antes de que empiece la expansión de la preforma, (ii) caída hasta un valor 26 mínimo a medida que comienza la expansión, (iii) elevación de forma gradual hasta un valor 28 intermedio a medida que continúa la expansión hasta que la preforma está en extenso contacto, aunque no completo, con la pared del molde, y (iv) elevación de forma más rápida (en 30) a partir del valor intermedio durante la terminación de la expansión de la preforma. Señalada con referencia a esta secuencia de etapas de presión, la iniciación de la traslación del troquel para desplazar y deformar el extremo cerrado de la preforma, en realizaciones preferidas de la invención, se produce (en 32) sustancialmente al final de la etapa (iii). En la gráfica se indican el tiempo, la presión y las unidades de desplazamiento de pistón. En las figs. 6A, 6B, 6C y 6D se muestra el efecto de las operaciones representadas en la fig. 3 sobre la preforma (en una simulación generada por ordenador), para tiempos 0,0, 0,096, 0,134 y 0,21 segundos, representados sobre el eje x de la fig. 3.The appropriate synchronization of the application of internal and operating fluid pressure (transfer within the mold cavity) of the piston and the die are important in the practice of the invention. Fig. 3 shows a representation graph of computer generated simulated data (sequence of outputs of finite element analysis), which represents the shaping operation of figs. 2A and 2B with air pressure, flow controlled. Specifically, the graph illustrates the history of pressure and piston time involved. As will be evident from fig. 3, the fluid pressure inside the preform occurs in the successive stages of (i) elevation up to a first peak 24 before preform expansion begins, (ii) fall up to a minimum value of 26 as the expansion begins, (iii) Gradually lift up to a custom intermediate value 28 which continues the expansion until the preform is extensive contact, although not complete, with the mold wall, and (iv) elevation faster (at 30) from the intermediate value during the completion of the expansion of the preform. Marked with reference to this sequence of pressure stages, the initiation of the translation of the die to displace and deform the end closing of the preform, in preferred embodiments of the invention, occurs (in 32) substantially at the end of stage (iii). In the graph indicates the time, pressure and units of piston displacement In figs. 6A, 6B, 6C and 6D shows the effect of the operations represented in fig. 3 on the preform (in a computer generated simulation), for times 0.0, 0.096, 0.134 and 0.21 seconds, represented on the x axis of fig. 3.
Al comienzo de la introducción de la presión fluida interna a la preforma hueca, el troquel 12 se dispone más abajo del extremo cerrado de la preforma (suponiendo una orientación axialmente vertical de la herramienta, según se muestra), en relación de estrecha proximidad (por ejemplo, tocándose) con él, a fin de limitar el estiramiento axial de la preforma bajo la influencia de la presión interna suministrada. Cuando la expansión de la preforma alcanza un grado sustancial aunque no totalmente completo, se activa el pistón 14 para trasladar con fuerza el troquel hacia arriba, desplazando hacia arriba el metal del extremo cerrado de la preforma, y deformando el extremo cerrado en el perfil de la superficie del troquel, a medida que se completa la expansión lateral de la preforma por la presión interna. El desplazamiento hacia arriba del extremo cerrado de la preforma no puede desplazar a la preforma hacia arriba con relación al molde, o provocar que la pared lateral de la preforma se deforme (como pudiera ocurrir por la operación hacia arriba prematura del pistón), debido a la extensión de expansión de la preforma que ya ha ocurrido cuando el pistón comienza a accionar el troquel hacia arriba.At the beginning of the introduction of pressure internal fluid to the hollow preform, the die 12 is arranged more below the closed end of the preform (assuming a axially vertical orientation of the tool, as sample), in close proximity (for example, touching) with it, in order to limit the axial stretching of the preforms under the influence of the internal pressure supplied. When the expansion of the preform reaches a substantial degree although not completely complete, piston 14 is activated to forcefully move the die up, moving towards up the metal of the closed end of the preform, and deforming the closed end in die surface profile, custom that the lateral expansion of the preform by pressure is completed internal The upward movement of the closed end of the preform cannot move the preform up relative to the mold, or cause the side wall of the preform to deform (as could happen due to the premature upward operation of the piston), due to the expansion extent of the preform that already has occurred when the piston starts to drive the die towards above.
En las Figs 4A-4D se ilustra una segunda realización del método de la invención. En esta realización, como en la de las Figs 2A y 2B, la preforma 38 cilíndrica tiene un diámetro externo inicial igual al diámetro mínimo (gollete) del producto final. Sin embargo, en esta realización se supone que las deformaciones de conformación de la operación de PRF exceden los límites de conformabilidad de la preforma. En este caso, se requieren dos operaciones de conformación de presión secuenciales. La primera (Figs 4A y 4B) no requiere un pistón, y simplemente expande la preforma dentro de un molde 40 partido simple hasta una pieza de trabajo 38a de mayor diámetro, por presurización interna. La segunda es un procedimiento de PRF (Figs. 4C y 4D): se inicia con la pieza de trabajo a medida que se expande inicialmente en el molde 40 y, empleando un molde 42 partido con una cavidad 44 en forma de botella, y un troquel 46 accionado por un pistón 48, es decir, usando tanto la presión interna como el movimiento del pistón, produce la forma final de botella deseada, que incluye todas las características del perfil de la pared lateral y las configuraciones del fondo, que se producen principalmente por la acción del troquel 46.In Figs 4A-4D a second embodiment of the method of the invention. In this embodiment, as in Figs 2A and 2B, the cylindrical preform 38 has a initial external diameter equal to the minimum diameter (neck) of the Final product. However, in this embodiment it is assumed that the conformation deformations of the PRF operation exceed conformability limits of the preform. In this case, it require two sequential pressure shaping operations. The first (Figs 4A and 4B) does not require a piston, and simply expand the preform into a single split mold 40 to a Workpiece 38a of larger diameter, by internal pressurization. The second is a PRF procedure (Figs. 4C and 4D): it starts with the workpiece as it initially expands in the mold 40 and, using a split mold 42 with a cavity 44 in bottle shape, and a die 46 driven by a piston 48, is that is, using both internal pressure and movement of the piston, produces the final desired bottle shape, which includes all the characteristics of the side wall profile and the background settings, which are mainly produced by the die action 46.
En las Figs. 5A y 5B se muestra una tercera realización. En esta realización, la preforma 50 se fabrica con un diámetro externo inicial que es mayor que el diámetro externo mínimo deseado (generalmente el diámetro del gollete) del envase final con forma de botella. Esta elección de la preforma puede resultar de las consideraciones de los límites de conformación de la operación de conformación previa, o se puede elegir para reducir las deformaciones en la operación de PRF. Por consiguiente, la fabricación del producto final debe incluir tanto la expansión del diámetro como la compresión de la preforma, y de este modo no se puede lograr con el aparato de PRF solo. Se usa una operación de PRF única (Fig 5A, que emplea un molde 52 partido y un troquel 54 accionado por pistón) para conformar los perfiles de la pared y del fondo (como en la realización de las Figs. 2A y 2B), y se requiere una conformación con movimiento de rotación u otra operación de estrechamiento para formar el gollete del envase. Según se ilustra en la Fig. 5B, es posible emplear un procedimiento de conformación con movimiento de rotación del tipo expuesto en la solicitud de patente de los Estados Unidos, en trámite junto con la presente, nº de serie 09/846.169, presentada el 1 de mayo, 2001, que utiliza conjunto dobles plurales de discos 56 de conformación con movimiento de rotación, y un mandril 58 cónico para formar el gollete 60 de la botella.In Figs. 5A and 5B shows a third realization. In this embodiment, the preform 50 is manufactured with a initial outer diameter that is larger than the outer diameter desired minimum (usually the diameter of the neck) of the container bottle-shaped finish This preform choice can result from considerations of the conformation limits of the previous shaping operation, or you can choose to reduce deformations in the operation of PRF. Therefore, the final product manufacturing should include both the expansion of the diameter as the compression of the preform, and thus not You can achieve with the PRF device alone. An operation of Single PRF (Fig 5A, which uses a split mold 52 and a die 54 piston operated) to form the profiles of the wall and the background (as in the embodiment of Figs. 2A and 2B), and required a conformation with rotational movement or other operation of narrowing to form the neck of the container. As illustrated in Fig. 5B, it is possible to employ a shaping procedure with rotational movement of the type set forth in the application for United States patent, pending along with this, nº Serial 09 / 846,169, filed May 1, 2001, which uses set of plural double discs 56 forming with rotation movement, and a conical mandrel 58 to form the bottle neck 60.
En la puesta en práctica del procedimiento de PRF descrito anteriormente, las deformaciones de PRF pueden ser considerables. Se selecciona o se ajusta apropiadamente la composición de aleación para proporcionar una combinación de las propiedades deseadas del producto y una conformabilidad mejorada. Si se requiere todavía una mejor conformabilidad, la temperatura de conformación se puede ajustar según se describe en lo sucesivo, puesto que un aumento de la temperatura produce mejor conformabilidad; por tanto, puede que sea necesario que la operación u operaciones de PRF se realicen a temperaturas elevadas, y/o que la preforma requiera un recocido de recuperación, para incrementar su conformabilidad.In the implementation of the PRF procedure described above, PRF deformations can be considerable. Properly select or adjust the alloy composition to provide a combination of the desired product properties and improved formability. Yes a better conformability is still required, the temperature of conformation can be adjusted as described hereafter, since an increase in temperature produces better conformability; therefore, it may be necessary for the PRF operation or operations are carried out at elevated temperatures, and / or that the preform requires an annealing of recovery, to Increase its conformability.
La presente invención difiere de las operaciones de conformación a presión conocidas, tales como la conformación de envases de PET mediante soplado, en particular, añadiendo un componente de conformación por troquel externo. No se requiere un troquel interno, como se usa algunas veces para la conformación de botellas de PET. Actualmente, no hay forma conocida para que se produzca un envase de aluminio, con un perfil que tiene una forma dada, con el intervalo de diámetros que se puede lograr con la presente invención. Adicionalmente, no hay actualmente forma conocida para que se produzca un perfil asimétrico (por ejemplo, patas sobre el fondo o refuerzos espirales en el lateral del envase).The present invention differs from the operations known pressure forming, such as the conformation of PET containers by blowing, in particular, adding a external die forming component. A internal die, as sometimes used for shaping PET bottles Currently, there is no known way for it to produce an aluminum container, with a profile that has a shape given, with the range of diameters that can be achieved with the present invention Additionally, there is currently no way known to produce an asymmetric profile (for example, legs on the bottom or spiral reinforcements on the side of the container).
El método de la invención se podría usar también para formar envases a partir de otros materiales, tales como acero.The method of the invention could also be used. to form containers from other materials, such as steel.
La importancia de desplazar el troquel 12 accionado por pistón dentro de la cavidad 11 del molde, para desplazar y deformar el extremo 20 cerrado de la preforma 18 (como en la fig. 2A y 2B), se puede explicar además haciendo referencia a la fig. 3 (mencionada más arriba) según se considera junto con las figs. 6A-6D, en las que la línea de puntos representa el perfil vertical de la cavidad 11 del molde, y el desplazamiento (en milímetros) del troquel 12 perfilado en bóveda, a diversos tiempos después de la iniciación de la presión interna, se representa por la escala en el lado derecho de esa línea de puntos.The importance of moving the die 12 actuated by piston inside the cavity 11 of the mold, for displace and deform the closed end 20 of the preform 18 (as in fig. 2A and 2B), can also be explained by referring to fig. 3 (mentioned above) as considered in conjunction with the figs. 6A-6D, in which the dotted line represents the vertical profile of the cavity 11 of the mold, and the displacement (in millimeters) of die 12 profiled in vault, to various times after the initiation of internal pressure, it represents by the scale on the right side of that line of points.
El pistón ofrece dos funciones esenciales en la conformación de la botella de aluminio. Limita las deformaciones por tracción axiales, y conforma la forma del fondo del envase. Inicialmente, el troquel 12 accionado por pistón se mantiene en estrecha proximidad a, o justo tocando, el fondo de la preforma 18 (fig. 6A). Esto sirve para minimizar el estiramiento axial de la pared lateral de la preforma, que de otro modo ocurriría como resultado de presurización interna. De ese modo, a medida que aumenta la presión interna, la pared lateral de la preforma se expandirá hasta entrar en contacto con el interior del molde, sin alargamiento importante. Típicamente, la región central de la preforma primero se expandirá, y esta región de expansión crecerá a lo largo de la longitud de la preforma, tanto hacia arriba como hacia abajo. En algún punto en el tiempo, el fondo de la preforma se hace casi hemisférico en forma, con el radio del hemisferio aproximadamente igual al de la cavidad del molde (fig. 6B). Es ahora en este punto, o justo antes de este punto en el tiempo, que se debe accionar el pistón 12 hacia arriba (fig. 6C). El perfil de la punta del pistón (es decir, el perfil de la superficie del troquel) define completamente el perfil del fondo del envase. A medida que la presión fluida interna completa el moldeado de la preforma contra la pared de la cavidad del molde (compárese el gollete y saliente de la botella en las figs. 6B, 6C y 6D), el movimiento del pistón, combinado con la presión interna, fuerza el fondo de la preforma dentro de los perfiles de la superficie del troquel de manera que produce el perfil deseado (fig. 6D) sin excesivas deformaciones por tracción que podrían, concebiblemente, conducir a fallo. El movimiento hacia arriba del pistón aplica fuerzas compresivas a la región hemisférica de la preforma, reduce la deformación general ocasionada por la operación de presurización, y ayuda en la alimentación del material radialmente hacia fuera para llenar los perfiles de la punta del troquel.The piston offers two essential functions in the conformation of the aluminum bottle. Limit deformations by axial traction, and forms the shape of the bottom of the container. Initially, the piston-driven die 12 is held in close proximity to, or just touching, the bottom of the preform 18 (fig. 6A). This serves to minimize axial stretching of the side wall of the preform, which would otherwise occur as result of internal pressurization. In that way, as internal pressure increases, the side wall of the preform is expand until it comes into contact with the inside of the mold, without important elongation Typically, the central region of the preform will first expand, and this region of expansion will grow to along the length of the preform, both upwards and down. At some point in time, the bottom of the preform it becomes almost hemispherical in shape, with the radius of the hemisphere approximately equal to that of the mold cavity (fig. 6B). Is now at this point, or just before this point in time, that the piston 12 must be driven upwards (fig. 6C). The profile of the piston tip (i.e. die surface profile) completely defines the profile of the bottom of the container. As the internal fluid pressure completes the preform molding against the wall of the mold cavity (compare the neck and protrusion of the bottle in figs. 6B, 6C and 6D), the movement of the piston, combined with internal pressure, forces the bottom of the preform inside the die surface profiles so that produces the desired profile (fig. 6D) without excessive deformation due to traction that could conceivably lead to failure. He upward movement of the piston applies compressive forces to the hemispheric region of the preform, reduces overall deformation caused by the pressurization operation, and help in material feed radially out to fill the die tip profiles.
Si el movimiento del pistón se aplica demasiado pronto, con relación a la velocidad de presurización interna, es probable que la preforma se deforme y se pliegue debido a las fuerzas axiales compresivas. Si se aplica demasiado tarde, el material se verá sometido a una deformación excesiva en la dirección axial, ocasionándole el fallo. De este modo, se requiere la coordinación de la velocidad de presurización interna y el movimiento del pistón y de la punta del troquel para una operación de conformación satisfactoria. La secuencia necesaria se logra mejor mediante análisis de elementos finitos (FEA) del proceso. La fig. 3 se basa en los resultados del FEA.If the piston movement is applied too much soon, in relation to the speed of internal pressurization, it is the preform is likely to deform and fold due to the axial compressive forces. If applied too late, the material will be subjected to excessive deformation in the axial direction, causing failure. In this way, it is required the coordination of the internal pressurization speed and the piston and die tip movement for one operation of satisfactory conformation. The necessary sequence is achieved better through finite element analysis (FEA) of the process. The fig. 3 is based on the results of the FEA.
De este modo, la invención se ha descrito y ejemplificado hasta ahora en la fig. 3, como si no se aplicara ninguna presión fluida positiva (es decir, superatmosférica) al exterior de la preforma dentro de la cavidad del molde. En tal caso, la presión externa sobre la preforma en la cavidad sería ser presión atmosférica sustancialmente ambiente. A medida que la preforma se expande, el aire en la cavidad sería extraído (por la disminución progresiva del volumen entre el exterior de la preforma y la pared del molde) a través de una abertura o conducto de escape adecuado, dispuesto para ese fin y que comunica entre la cavidad del molde y el exterior del molde.Thus, the invention has been described and exemplified so far in fig. 3, as if it did not apply no positive fluid pressure (i.e. superatmospheric) at outside of the preform inside the mold cavity. In that case, the external pressure on the preform in the cavity would be substantially ambient atmospheric pressure. As the preform expands, the air in the cavity would be extracted (by the progressive decrease in volume between the outside of the preform and the mold wall) through an opening or exhaust duct adequate, ready for that purpose and communicating between the cavity of the mold and the exterior of the mold.
Señalado con referencia específica a los envases de aluminio, a título de ilustración, se ha mostrado mediante FEA que, en ausencia de cualquier presión externa positiva aplicada, una vez que la preforma comienza a deformarse plásticamente (flujo), el grado de deformación en la preforma se hace muy alto y es esencialmente incontrolable, debido a la baja o nula velocidad de endurecimiento de trabajo de las aleaciones de aluminio en la temperatura del proceso (por ejemplo, aproximadamente 300ºC) de la operación de conformación por pistón a presión.Indicated with specific reference to the packaging Aluminum, by way of illustration, has been shown by FEA that, in the absence of any positive external pressure applied, once the preform begins to deform plastically (flow), the degree of deformation in the preform becomes very high and It is essentially uncontrollable, due to the low or zero speed of Work hardening of aluminum alloys in the process temperature (for example, approximately 300 ° C) of the pressurized piston forming operation.
Es decir, a tales temperaturas la velocidad de endurecimiento de trabajo de las aleaciones de aluminio es esencialmente cero, y la ductilidad (es decir, límite de conformación) decrece con el incremento del grado de deformación. De este modo, la posibilidad de fabricar el producto de envase con forma final deseada disminuye según aumenta el grado de deformación de la operación de conformación y disminuye la ductilidad del aluminio.That is, at such temperatures the speed of Work hardening of aluminum alloys is essentially zero, and ductility (i.e. limit of conformation) decreases with the increase in the degree of deformation. From In this way, the possibility of manufacturing the packaging product with desired final shape decreases as the degree of deformation increases of the shaping operation and decreases the ductility of the aluminum.
De acuerdo con una característica importante adicional de la invención, se aplica presión fluida positiva al exterior de la preforma en la cavidad del molde, simultáneamente con la aplicación de presión fluida positiva al interior de la preforma. Estas presiones fluidas positivas interna y externa se proporcionan respectivamente por dos sistemas de presión controlados independientemente. La presión fluida positiva externa se puede suministrar convenientemente conectando una fuente controlable independientemente de presión fluida positiva al conducto o abertura de escape anteriormente mencionado, a fin de mantener una presión positiva en el volumen entre el molde y la preforma que se expande.According to an important feature In addition to the invention, positive fluid pressure is applied to the outside of the preform in the mold cavity, simultaneously with the application of positive fluid pressure inside the preform These positive internal and external fluid pressures are provided respectively by two pressure systems independently controlled. External positive fluid pressure can be supplied conveniently by connecting a source controllable regardless of positive fluid pressure at exhaust duct or opening mentioned above, in order to maintain a positive pressure in the volume between the mold and the preform that expands.
Las figs. 7 y 8 comparan la presión frente al tiempo, y la deformación frente a los historiales de tiempo para la conformación por pistón a presión de un envase con y sin control de presión externa positiva (el término "deformación" se refiere aquí al alargamiento por unidad de longitud producida en un cuerpo por una fuerza externa). La línea 101 de la fig. 7 corresponde a la línea denominada "Presión" en la fig. 3, para el caso en el que no hay presión fluida positiva externa que actúe sobre la preforma; la línea 103 de la fig. 8 representa la deformación que resulta para una posición particular (elemento) según se determina mediante FEA. Claramente, la deformación es casi instantánea en este caso, que implica grados de deformación muy elevados y tiempos muy cortos para expandir la preforma en contacto con la pared del molde. Por el contrario, las líneas 105, 107 y 109 de la fig. 7, respectivamente, representan presión fluida positiva interna, presión fluida positiva externa, y el diferencial entre las dos, cuando se controlan ambas presiones externa e interna, es decir, cuando las presiones fluidas positivas interna y externa, controladas independientemente, se aplican simultáneamente a la preforma en la cavidad del molde; la presión interna es más alta que la presión externa, de forma que hay un diferencial de presión externa-interna positiva neta según se necesita para efectuar la expansión de la preforma. La línea 111 en la fig. 8 representa una deformación circunferencial (deformación producida en el plano horizontal alrededor de la circunferencia de la preforma según se va expandiendo) para la condición de presión externa-interna controlada independientemente, representada por las líneas 105, 107 y 109; se observará que la deformación circunferencial mostrada por la línea 111 alcanza el mismo valor final que el de la línea 103 aunque durante un tiempo mucho más largo y de este modo a un grado de deformación mucho más bajo. La línea 115 en la fig. 8 representa la deformación axial (deformación producida en la dirección vertical a medida que se alarga la preforma).Figs. 7 and 8 compare the pressure against time, and deformation versus time histories for the pressurized piston forming of a container with and without control of positive external pressure (the term "deformation" refers to here to the elongation per unit of length produced in a body by an external force). Line 101 of fig. 7 corresponds to the line called "Pressure" in fig. 3, for that matter in the that there is no external positive fluid pressure acting on the preform; line 103 of fig. 8 represents the deformation that results for a particular position (element) as determined through FEA. Clearly, the deformation is almost instantaneous in this case, which implies very high degrees of deformation and times too short to expand the preform in contact with the wall of the mold. On the contrary, lines 105, 107 and 109 of fig. 7, respectively, they represent internal positive fluid pressure, external positive fluid pressure, and the differential between the two, when both external and internal pressures are controlled, that is, when the internal and external positive fluid pressures, independently controlled, apply simultaneously to the preform in the mold cavity; internal pressure is higher than external pressure, so that there is a pressure differential net positive external-internal as needed to effect the expansion of the preform. Line 111 in fig. 8 represents a circumferential deformation (deformation produced in the horizontal plane around the circumference of the preform as it expands) for the pressure condition external-internal independently controlled, represented by lines 105, 107 and 109; it will be noted that the circumferential deformation shown by line 111 reaches the same final value as line 103 although for a while much longer and thus to a much more deformation degree low. Line 115 in fig. 8 represents axial deformation (deformation produced in the vertical direction as it lengthens the preform).
Proporcionando simultáneamente presiones fluidas positivas externa e interna controlables independientemente, que actúan sobre la preforma en la cavidad del molde, y variando la diferencia entre estas presiones externa e interna, la operación de conformación permanece completamente controlada, evitando grados de deformación muy altos e incontrolables. La ductilidad de la preforma, y de este modo el límite de conformación de la operación, aumenta por dos razones. Primera, la disminución del grado de deformación de la operación de conformación aumenta la ductilidad inherente de la aleación de aluminio. Segundo, la adición de la presión positiva externa disminuye (y potencialmente pudiera llegar a hacer negativa) el esfuerzo hidrostático en la pared de la preforma que se expande. Esto podría reducir el efecto perjudicial del daño asociado con microlagunas y partículas intermetálicas en el metal. El término "esfuerzo hidrostático" se refiere aquí al promedio aritmético de tres esfuerzos normales en las direcciones x, y, z.Simultaneously providing fluid pressures positive external and internal controllable independently, which they act on the preform in the mold cavity, and varying the difference between these external and internal pressures, the operation of conformation remains completely controlled, avoiding degrees of very high and uncontrollable deformation. The ductility of the preforms, and thus the limit of conformation of the operation, It increases for two reasons. First, the decrease in the degree of deformation of the forming operation increases ductility inherent in aluminum alloy. Second, the addition of the positive external pressure decreases (and could potentially reach to make negative) the hydrostatic stress on the wall of the preform that expands. This could reduce the detrimental effect. of the damage associated with microlagunas and intermetallic particles in the metal. The term "hydrostatic stress" refers here to the arithmetic average of three normal stresses in the x, y, z directions.
La característica de la invención así descrita aumenta la capacidad de la operación de la conformación por pistón a presión para fabricar con éxito envases de aluminio en forma de botella y similares, permitiendo el control del grado de deformación de la operación de conformación y disminuyendo el esfuerzo hidrostático en el metal durante la conformación.The characteristic of the invention thus described increases the capacity of the piston forming operation to pressure to successfully manufacture aluminum containers in the form of bottle and the like, allowing control of the degree of deformation of the forming operation and decreasing the hydrostatic stress on the metal during shaping.
La selección del diferencial de presión se basa en las propiedades de material del metal a partir del cual se fabrica la preforma. Específicamente, se debe considerar el límite elástico y el grado de endurecimiento por trabajo del metal. Para que la preforma fluya plásticamente (es decir, inelásticamente), el diferencial de presión debe ser tal que el esfuerzo efectivo (Mises) en la preforma exceda el límite elástico. Si hay una grado de endurecimiento por trabajo positivo, un esfuerzo efectivo aplicado fijo (a partir de la presión), en exceso del límite elástico, ocasionaría la deformación del metal a un nivel de deformación igual a la deformación efectiva aplicada. En ese punto el grado de deformación se acercaría a cero. En el caso de un grado de endurecimiento por trabajo de cero o muy bajo, el metal se deformaría a un elevado grado de deformación hasta que se ponga en contacto con la pared del molde (molde) o hasta que ocurra fractura. A las temperaturas elevadas anticipadas para el proceso de PRF, el grado de endurecimiento por trabajo de las aleaciones de aluminio es bajo hasta cero.Pressure differential selection is based in the material properties of the metal from which it manufactures the preform. Specifically, the limit should be considered elastic and the degree of hardening by metal work. For for the preform to flow plastically (i.e. inelastically), the pressure differential should be such that the effective effort (Mises) in the preform exceeds the elastic limit. If there is a degree of hardening by positive work, an effective effort applied fixed (from pressure), in excess of the limit elastic, would cause the deformation of the metal at a level of deformation equal to the effective deformation applied. At that point the degree of deformation would approach zero. In the case of a degree Hardening by zero or very low work, the metal will would deform at a high degree of deformation until it is put into contact with the wall of the mold (mold) or until fracture occurs. At the high temperatures anticipated for the PRF process, the degree of work hardening of aluminum alloys It is low to zero.
Ejemplos de gases adecuados para uso en el suministro de presiones tanto externa como interna incluyen, sin limitación, nitrógeno, aire y argón, y cualquiera de las combinaciones de estos gases.Examples of gases suitable for use in the Supply of both external and internal pressures include, without limitation, nitrogen, air and argon, and any of the combinations of these gases.
El grado de deformación plástica en cualquier punto en la pared de la preforma, en cualquier punto en el tiempo, depende sólo de la deformación efectiva instantánea, que a su vez depende sólo del diferencial de presión. La selección de presión externa depende de la presión interna, con el objetivo principal de lograr y controlar la deformación efectiva, y de este modo el grado de deformación, en la pared de la preforma.The degree of plastic deformation in any point on the wall of the preform, at any point in time, it depends only on the instantaneous effective deformation, which in turn It depends only on the pressure differential. Pressure selection external depends on the internal pressure, with the main objective of achieve and control the effective deformation, and thus the degree deformation, in the wall of the preform.
La fig. 9 muestra un mecanismo de control diferente que se puede usar en el proceso de conformación. Se han usado simulaciones de elemento finito para optimizar el proceso. En la fig. 9, la línea 120 representa la presión interna (Pin) que actúa sobre la preforma, la línea 122 representa la presión externa (Pout) que actúa sobre la preforma, y la línea 124 representa el diferencial de presión (Pdiff = Pin - Pout). Esta figura muestra el historial de presión a partir de un método de control. En este caso, la masa fluida en la cavidad interna se mantiene constante, y la presión en la cavidad externa (fuera de la preforma) disminuye linealmente. Las propiedades del material dependientes del grado de deformación se incluyen también en la simulación. Este último mecanismo de control se prefiere actualmente debido a que da como resultado un proceso más sencillo.Fig. 9 shows a control mechanism different that can be used in the conformation process. They have used finite element simulations to optimize the process. In fig. 9, line 120 represents the internal pressure (Pin) that acts on the preform, line 122 represents the external pressure (Pout) acting on the preform, and line 124 represents the pressure differential (Pdiff = Pin - Pout). This figure shows the pressure history from a control method. In this case, the fluid mass in the internal cavity remains constant, and the pressure in the external cavity (outside the preform) decreases linearly The material properties dependent on the degree of deformation are also included in the simulation. The latter control mechanism is currently preferred because it gives as result a simpler process.
La fig. 10 se refiere a una realización adicional de la invención en la que se aplica calentamiento a la preforma, lo que induce un gradiente de temperatura a la preforma. Según se muestra en la fig. 10, el troquel 12 entra en contacto con el fondo de la preforma 18, y el troquel 12 contiene un elemento 19 de calentamiento. Este elemento calienta a la preforma desde el fondo hacia arriba, haciendo que la expansión de la preforma crezca desde el fondo hacia arriba cuando se aumenta la presión interna.Fig. 10 refers to a further embodiment of the invention in which heating is applied to the preform, which induces a temperature gradient to the preform. Is according shown in fig. 10, the die 12 comes into contact with the bottom of preform 18, and die 12 contains an element 19 of heating. This element heats the preform from the bottom. up, causing the expansion of the preform to grow from bottom up when internal pressure is increased.
La fig. 11 muestra gráficas que ilustran el proceso de expansión. Una línea de la gráfica muestra los desplazamientos del pistón/troquel al tiempo que la otra muestra las variaciones en la carga sobre el pistón/troquel, ambas como una función de tiempo. Una tercera línea muestra la presión interna en la preforma.Fig. 11 shows graphs illustrating the expansion process A line on the graph shows the piston / die displacements while the other shows variations in the load on the piston / die, both as a time function A third line shows the internal pressure in the preform.
En el punto A el pistón es cargado previamente hasta una carga compresiva de aproximadamente 22,7 kg, y en el punto B la preforma es presurizada internamente y se mantiene a un nivel de 1,14 MPa. En el procedimiento ilustrado, la posición del pistón resultaba escalonada entre los puntos B y C para mantener una carga del pistón compresiva de 68 kg. Cuando la carga del pistón ya no decrecía rápidamente después de un incremento en la posición del pistón (punto C a D), el ascenso del pistón continuó hasta un desplazamiento de aproximadamente 25 mm y una carga de aproximadamente 454 kg (punto E). Durante el ascenso del pistón desde el punto D hasta el punto E, el perfil del fondo del envase se conformó simultáneamente con la expansión de la preforma, de forma que el punto E representa la terminación de la conformación del envase.At point A the piston is preloaded up to a compressive load of approximately 22.7 kg, and at the point B the preform is pressurized internally and is maintained at a level of 1.14 MPa. In the illustrated procedure, the position of the piston it was staggered between points B and C to maintain a load of the 68 kg compression piston. When the piston load is no longer decreased rapidly after an increase in the position of the piston (point C to D), the rise of the piston continued until a displacement of approximately 25 mm and a load of approximately 454 kg (point E). During the rise of the piston from point D to point E, the bottom profile of the container conformed simultaneously with the expansion of the preform, of way that point E represents the completion of the conformation of the container
Mientras que el gráfico de la fig. 11 muestra un procedimiento de varias etapas, es también posible expandir y conformar la preforma dentro de un envase en una operación uniforme, por ejemplo utilizando un control por ordenador del procedimiento. La ventaja de este procedimiento es que, debido al gradiente de temperatura inducido, la expansión transcurre gradualmente desde el fondo hacia la parte superior, a medida que el pistón y el troquel se desplazan hacia arriba. Se ha mostrado que esta técnica conduce a la conformabilidad mejorada reducida cuando se compara con los métodos descritos previamente en los que la expansión ocurre esencialmente de forma simultánea a lo largo de la longitud completa de la preforma.While the graph in fig. 11 shows a Multi-stage procedure, it is also possible to expand and shape the preform into a container in a uniform operation, for example using a computer control of the procedure. The advantage of this procedure is that, due to the gradient of induced temperature, the expansion proceeds gradually from the bottom towards the top, as the piston and the die They move up. It has been shown that this technique leads at reduced improved formability when compared to previously described methods in which expansion occurs essentially simultaneously along the length Complete the preform.
Mientras que la fig. 10 muestra un elemento de calentamiento sólo dentro del troquel 12, es posible proporcionar diferentes zonas de calentamiento para ayudar en la conformación. Por ejemplo, puede haber un calentador distinto adicional alrededor de la parte superior de la preforma, así como elementos de calentamiento distintos adicionales dentro de las paredes laterales de la cavidad del molde. Manipulando independientemente las temperaturas en cada una de estas áreas, los historiales de expansión óptimos se desarrollan para diversos diseños de envases.While fig. 10 shows an element of heating only inside die 12, it is possible to provide Different heating zones to aid in shaping. For example, there may be an additional different heater around from the top of the preform, as well as elements of additional distinct heating inside the side walls of the mold cavity. Manipulating independently the temperatures in each of these areas, the records of Optimal expansion are developed for various designs of packaging
La fig. 12 muestra una secuencia típica en la fabricación de una preforma a partir de un disco plano. Se usa una técnica de estirado/reestirado estándar, estirándose primero la lámina 70 de aluminio en un cilindro 71 de extremo cerrado poco profundo, el cual se reestira entonces en un segundo cilindro 72 de diámetro más pequeño y pared lateral más larga. El cilindro 72 se reestira entonces para conformar el cilindro 73, el cual se reestira para conformar el cilindro 74. Se observará que el cilindro 74 tiene una configuración delgada larga.Fig. 12 shows a typical sequence in the manufacture of a preform from a flat disk. One is used standard stretching / re-stretching technique, stretching first the Aluminum foil 70 in a slightly closed end cylinder 71 deep, which will then be re-embedded in a second cylinder 72 of Smaller diameter and longer side wall. The cylinder 72 is it will then be re-formed to form the cylinder 73, which re-form to conform the cylinder 74. It will be noted that the cylinder 74 has a long thin configuration.
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