ES2242019T3 - Metodo para conformar por presion y desplazamiento del piston recipientes de metal y similares. - Google Patents

Abstract

Un método para conformar un envase de metal o similar, de forma y dimensiones definidas, comprendiendo dicho método: (a) disponer una preforma (18) de metal hueca, que tiene un extremo (20) cerrado en una cavidad (11) 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 dentro desde la pared del molde, y (b) someter a la preforma (18) a presión fluida interna para expandir la preforma hacia fuera en contacto sustancialmente completo con la pared del molde, para impartir de ese modo dicha forma y dimensiones definidas a la preforma, caracterizado porque la cavidad (11) del molde se dimensiona para contener lateralmente una preforma (18) de metal hueca, que tiene un extremo (20) cerrado con un troquel (12) localizado en un extremo de la cavidad y trasladable dentro de la cavidad, estando localizada la preforma (18) dentro de la cavidad (11), con el extremo cerrado de la preforma posicionado enrelación próxima de cara al troquel (12), se aplica una presión fluida interna a la preforma para expandir la preforma hacia fuera y ejercer fuerza de presión fluida sobre el extremo cerrado y, (c) ya sea antes o después de la conformación previa (18) comience a expandirse, pero antes de que se termine la expansión de la preforma, el troquel (12) se traslada a un extremo de la cavidad para acoplar y desplazar el extremo (20) cerrado de la preforma en una dirección opuesta a la dirección de la fuerza ejercida por la presión fluida en el mismo, deformando el extremo cerrado de la preforma mientras que la preforma se expande hacia fuera en contacto sustancialmente completo con la pared del molde.

Description

Método para conformar por presión y desplazamiento del pistón recipientes de metal y similares.

Campo técnico

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.

Antecedentes de la técnica

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.

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.

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.

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.

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.

Descripción de la invención

La presente invención contempla ampliamente proveer un método para conformar un envase de metal o similar, de forma y dimensiones definidas, comprendiendo dicho método:

(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

(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,

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,

(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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Breve descripción de los dibujos

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;

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;

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;

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;

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;

las figs. 6A, 6B, 6C y 6D son vistas en alzado esquemáticas, generadas por ordenador, de etapas sucesivas en el método de la invención;

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;

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; 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;

la fig. 10 es una ilustración esquemática de una preforma que se expande usando un troquel calentado;

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; 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.

Mejores modos para poner en práctica la invención

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

El método de la invención se podría usar también para formar envases a partir de otros materiales, tales como acero.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (28)

1. Un método para conformar un envase de metal o similar, de forma y dimensiones definidas, comprendiendo dicho método:

(a) disponer una preforma (18) de metal hueca, que tiene un extremo (20) cerrado en una cavidad (11) 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 dentro desde la pared del molde, y

(b) someter a la preforma (18) a presión fluida interna para expandir la preforma hacia fuera en contacto sustancialmente completo con la pared del molde, para impartir de ese modo dicha forma y dimensiones definidas a la preforma,

caracterizado porque la cavidad (11) del molde se dimensiona para contener lateralmente una preforma (18) de metal hueca, que tiene un extremo (20) cerrado con un troquel (12) localizado en un extremo de la cavidad y trasladable dentro de la cavidad, estando localizada la preforma (18) dentro de la cavidad (11), con el extremo cerrado de la preforma posicionado en relación próxima de cara al troquel (12), se aplica una presión fluida interna a la preforma para expandir la preforma hacia fuera y ejercer fuerza de presión fluida sobre el extremo cerrado y,

(c) ya sea antes o después de la conformación previa (18) comience a expandirse, pero antes de que se termine la expansión de la preforma, el troquel (12) se traslada a un extremo de la cavidad para acoplar y desplazar el extremo (20) cerrado de la preforma en una dirección opuesta a la dirección de la fuerza ejercida por la presión fluida en el mismo, deformando el extremo cerrado de la preforma mientras que la preforma se expande hacia fuera en contacto sustancialmente completo con la pared del molde.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque la presión fluida interna se aplica aplicando tanto presión fluida positiva interna como presión fluida positiva externa a la preforma (18) dentro de la cavidad del molde, siendo la presión fluida positiva interna mayor que la presión fluida positiva externa.

3. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque, antes de que se someta a la preforma (18) a presión fluida interna, se aplica calor a la preforma dentro de la cavidad del molde para inducir allí un gradiente de temperatura.

4. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque la preforma (18) es una pieza de trabajo alargada e inicial y generalmente cilíndrica, que tiene un extremo cerrado expansible y un extremo abierto opuesto a su extremo cerrado.

5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el troquel (12) se traslada dentro de la cavidad (11) después de que la preforma (18) comience a expandirse pero antes de que se complete la expansión de la preforma en la etapa (b).

6. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el troquel (12) se mueve en contacto con el extremo (20) cerrado de la preforma (18) antes de que comience la expansión de la preforma, y el contacto se mantiene durante toda la expansión de la preforma.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque dicho troquel (12) tiene una superficie perfilada, estando el extremo (20) cerrado de la preforma deformado a fin de conformarse a dicha superficie perfilada.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque dicha forma definida es una forma de botella que incluye una porción de gollete y una porción de cuerpo de mayor tamaño en dimensiones laterales que la porción de gollete, teniendo dicha cavidad (11) del molde un eje largo, teniendo dicha preforma (18) un eje largo y estando dispuesto sustancialmente de forma coaxial con dicha cavidad (11) en la etapa (a), y siendo dicho troquel (12) trasladable a lo largo del eje largo de la cavidad (11).

9. Un método según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho troquel (12) tiene un perfil abovedado, y en el que la etapa (c) deforma dicho extremo (20) cerrado de dicha preforma (18) en dicho perfil abovedado.

10. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque dicha pared del molde comprende un molde (40) partido separable para retirar el envase conformado tras la etapa (c).

11. Un método según las reivindicaciones 8, 9 ó 10, caracterizado porque dicha forma definida es asimétrica alrededor de dicho eje largo de dicha cavidad.

12. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque dicho troquel (12) está inicialmente posicionado, al comienzo de la etapa (b), para limitar el alargamiento axial de la preforma (18) por dicha presión fluida.

13. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque dicha preforma (18) es una pieza de trabajo alargada e inicial y generalmente cilíndrica que tiene un extremo abierto opuesto a dicho extremo (20) cerrado, y es sustancialmente igual en diámetro a dicha porción de gollete de dicha forma de botella.

14. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 8-13, caracterizado porque dicha preforma (18) tiene suficiente conformabilidad para ser expansible hasta dicha forma definida, en una única operación de conformación a presión.

15. Un método según la reivindicación 13, caracterizado por una etapa preliminar de colocar la pieza de trabajo (38) en una cavidad del molde más pequeña que la primera cavidad del molde mencionada, y someter a la pieza de trabajo en ella a presión fluida interna para expandir la pieza de trabajo hasta un tamaño (38a) intermedio y una forma más pequeña que dicha forma y dimensiones laterales definidas, antes de realizar las etapas (a), (b) y (c).

16. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha preforma (18) es una pieza de trabajo alargada e inicial y generalmente cilíndrica que tiene un extremo abierto opuesto a dicho extremo (20) cerrado y es de mayor tamaño en diámetro que dicha porción de gollete de dicha forma de botella; y que incluye una etapa adicional de sujetar la pieza de trabajo, contigua a dicho extremo abierto, para una operación (56, 58) de conformación con movimiento de rotación para conformar una porción (60) de gollete de diámetro reducido, después de la ejecución de las etapas (a), (b) y (c).

17. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-16, caracterizado porque dicha preforma (18) es una preforma de aluminio.

18. Un método según la reivindicación 17, caracterizado por la etapa de fabricar la preforma (18) a partir de lámina (70) de aluminio que tiene una microestructura recubierta o recristalizada con un calibre en un intervalo de alrededor de 0,25 hasta alrededor de 1,5 mm, antes de la ejecución de la etapa (a).

19. Un método según la reivindicación 18, caracterizado porque dicha preforma (18) se produce como un cilindro (74) de extremo cerrado, sometiendo a dicha lámina a una operación de estirado-reestirado o extrusión hacia atrás.

20. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-19, caracterizado porque, durante la etapa (b), la presión fluida dentro de la preforma (18) ocurre en etapas sucesivas de (i) elevación hasta un primer pico antes de que empiece la expansión de la preforma, (ii) caída hasta un valor mínimo a media 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 a partir del valor intermedio durante la terminación de la expansión de la preforma; y en el que la iniciación de traslación del troquel (11) en la etapa (c), para desplazar y deformar el extremo (20) cerrado de la preforma (18), ocurre sustancialmente al final de la etapa (iii).

21. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-19, caracterizado porque, durante la etapa (b), el extremo (20) cerrado de la preforma (18) asume un configuración generalmente hemisférica y alargada a medida que dicha porción de la preforma entra en contacto inicial con la pared (11) del molde en la etapa (b); y en el que la iniciación de la traslación del troquel (12) en la etapa (c), para desplazar y deformar el extremo (20) cerrado de la preforma (18), ocurre sustancialmente en el tiempo en el que el extremo (20) cerrado de la preforma asume dicha configuración.

22. Un método según la reivindicación 2, caracterizado por controlar independientemente las presiones fluidos positivas externa e interna a las que se somete simultáneamente la preforma (18) para variar el diferencial entre dicha presión fluida positiva interna y dicha presión fluida positiva externa, controlando de ese modo el grado de deformación en la preforma (18).

23. Un método según la reivindicación 3, caracterizado porque se aplica el calor a la preforma (18) a través de medios de calentamiento en el troquel (12), para inducir de ese modo un gradiente de temperatura en la preforma, que comienza en el fondo cerrado y se extiende hacia arriba.

24. Un método según la reivindicación 3, caracterizado porque se aplica calor a la preforma (18) por medio de medios de calentamiento alrededor de la parte superior de la preforma en el molde, para inducir de ese modo un gradiente de temperatura en la preforma (18), que comienza en la parte superior y se extiende hacia abajo.

25. Un método según la reivindicación 23 ó 24, caracterizado porque se aplica calor a la preforma (18) a través de medios de calentamiento en las paredes laterales del molde (10).

26. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha presión fluida se proporciona por un fluido de presurización en forma de un gas.

27. Un método según la reivindicación 26, en el que el fluido de presurización es gas, aire, argón o nitrógeno.

28. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la temperatura de la operación de conformación es mayor que 100ºC.