DE19516064C2 - Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger Form - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger Form, insbe­ sondere eines flaschenförmigen Blechbehälters, bei dem zunächst durch Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreck­ ziehen ein vorgeformter Hohlkörper mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende hergestellt und an­ schließend durch hydromechanisches Ausbauchen in einer Hohlform, deren Innenkontur im wesentlichen der endgül­ tigen Außenkontur des Behälters entspricht, ausgebaucht wird, indem das Innere des Hohlkörpers hydraulischem Druck ausgesetzt wird.

Beim Ausbauchen kann der in die Hohlform eingesetzte Hohl­ körper entweder mit Flüssigkeit, wie Wasser oder dgl., gefüllt, an seinem offenen Ende durch einen Stempel oder dgl. Verschlossen und dann die Flüssigkeit unter Druck gesetzt werden, oder es wird ein mit Flüssigkeit gefüllter Gummibeutel von dem offenen Ende des Hohlkörpers her in diesen eingeführt und dann die Flüssigkeit im Innern des Beutels unter Druck gesetzt. In beiden Fällen kann jedoch das Ausbauchen nur dann erfolgen, wenn das Blech des Hohl­ körpers beim vorangegangenen Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen nur einer geringen Verformung unterworfen war, so daß es noch eine ausreichende Bruchdehnung auf­ weist. Wenn jedoch der Hohlkörper ohne Zwischenglühen (Rekristallisationsglühen) in mehreren Stufen tiefgezogen und gegebenenfalls abstreckgezogen wurde, wie es z. B. bei einem Behälter mit großer Höhe im Verhältnis zu seinen Querabmessungen (Durchmesser), z. B. einem flaschenförmigen Behälter, einer Getränkedose, einer Spraydose oder dgl., der Fall ist, dann ist das Material der Hohlkörperwand stark kaltverfestigt und weist nur noch eine geringe Bruch­ dehnung auf. Abgesehen davon, daß Zwischenglühen einen separaten Arbeitsvorgang erfordert, der das kontinuier­ liche Herstellungsverfahren des Behälters unterbricht, kommt Zwischenglühen bei der Verwendung von Weißblech nicht in Frage, da hierdurch die Zinnschicht zerstört werden würde. Verzichtet man auf Zwischenglühen, so könnte unter diesen Umständen der Hohlkörper nur noch in sehr geringem Maße ausgebaucht oder expandiert werden, ohne daß seine Wandung reißt. Ein aus Weißblech herge­ stellter flaschenförmiger Hohlkörper hätte nach dem Tief­ ziehen und Abstreckziehen nur noch eine Bruchdehnung von weniger als 1% und würde bei einer Expansion seines Durch­ messers von weniger als 1% reißen. Ein großer Verformungs­ grad und damit eine entsprechend hohe Kaltverfestigung der Wandung des Hohlkörpers ist jedoch erforderlich, um eine optimale Materialausnutzung zu erreichen.

Es ist ferner ein Verfahren zum Innendruckumformen von Rohrformstücken bekannt (Zeitschrift "BLECH ROHRE PROFILE" 38 (1991) 6, Seiten 505-508), bei dem die Rohrformstücke vor dem Ausbauchen einer Glühung unterworfen werden. Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsstück, ein Stahlrohr, in das Unterteil einer geöffneten Matrize eingelegt, die in einer Ölwanne versenkt ist. Die Matrize hat die Form des fertigen Werkstückes. Das Rohrstück, das mit Öl ge­ füllt ist, wird dann vom oberen Teil der Matrize einge­ schlossen. In der nächsten Phase wirkt auf das Rohrstück ein axialer Druck, der durch zwei gegeneinander wirkende Axialstempel entsteht. Durch die Axialkräfte werden die Stirnseiten der Axialstempel in das Rohrstück hineinge­ drückt und dichten seinen Innenraum ab. Gleichzeitig wächst innerhalb des Rohrstückes der Flüssigkeitsdruck auf die erforderliche Größe. Durch gesteuerten Flüssig­ keitsdruck innerhalb des Rohrstückes bei gleichzeitiger axialer Stauchung gelangt das Rohrstück in einen plasti­ schen Zustand. Die Rohrwand beginnt sich auszubauchen und dringt in die entsprechenden Hohlräume der Matrize ein, wodurch das gewünschte Formstück entsteht. Um ein Bersten des Rohrstückes an der Spitze der sich bildenden Ausbauchung zu vermeiden, wird die Stirn des Bauches während des Umformens durch einen Bremsstempel gestützt. Mit diesem Verfahren können jedoch keine durch Tiefziehen hochverfestigte Blechbehälter ausgebaucht werden, wenn Expansionsraten von mehr als 10% erreicht werden sollen und die Bruchdehnung des Werkstoffes im Zugversuch kleiner ist als 5%. Bei diesem bekannten Verfahren wird nämlich nur die Stirn der Ausbauchung während des Um­ formens durch den Bremsstempel abgestützt. Der Brems­ stempel sorgt dafür, daß z. B. beim Tiefziehen eines T-Stückes bereits zu Beginn des Expansionsvorganges sich die Form des T im Kopfbereich so ausbildet, daß sie der Endform entspricht. Wäre kein Bremskolben vorhanden, so würde ein Dom entstehen, der zu frühzei­ tigem Reißen neigt. Der Bremskolben sorgt jedoch nur auf der Stirnfläche der sich bildenden Ausbauchung für eine Abstützung. Die Abstützung kann nur in einem ört­ lich begrenzten Bereich, der durch den Durchmesser des Bremskolbens begrenzt ist, erfolgen. In den übrigen Ausbauchungsbereichen ist der sich durch den Innen­ druck einstellende Außendruck von der Gestaltung der Matrize abhängig und an Übergangsbereichen, wie an Ecken und Spalten, überhaupt nicht kontrollierbar. Außerdem wachsen mit dem Innendruck an der Außenseite die Werkzeugreibungskräfte, die sich negativ auf die Umformung auswirken. Die umzuformenden Bereiche müßten daher eine hohe Bruchdehnung größer als 10% haben. Wenn größere Teilbereiche des Hohlkörpers oder fast der gesamte Hohlkörper ausgebaucht werden sollen, so ist dieses bekannte Verfahren nicht anwendbar, denn es gibt keinen Gegenkolben, der ständig den gesamten auszubauchenden Bereich von außen gleichmäßig abstützen könnte und zwar in jeder Phase des Ausbauchungsvorganges. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die endgültige Behälterform eine komplizierte Raumform aufweist, wie z. B. eine Flasche für ein Cola-Getränk.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger Form, insbesondere eines flaschen­ förmigen Blechbehälters der eingangs erwähnten Art auf­ zuzeigen, welches dennoch ein beachtliches Ausbauchen eines durch vorhergehendes Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen stark kaltverfestigten Hohlkörpers ohne Zwischenglühen ermöglicht.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß während des Ausbauchens die Außenseite der auszubauchen­ den Bereiche des Hohlkörpers dem Gegendruck (Pa) einer die Außenseite umschließenden Flüssigkeit ausgesetzt wird, und dieser Gegendruck (Pa) mindestens 500 bar beträgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einem durch Tiefziehen hochverfestigten Hohlkörper ausgegangen, der ohne Zwischenglühen ausgebaucht wird. Dabei wird während des Ausbauchens die Außenseite der auszubauchenden Bereiche des Hohlkörpers dem Gegendruck einer die Außen­ seite umschließenden Flüssigkeit ausgesetzt, wobei dieser Gegendruck mindestens 500 bar beträgt. Da die Flüssig­ keit allseitig bzw. an allen Bereichen der Außenseite des Hohlkörpers anliegt, die einer Ausbauchung unterwor­ fen werden sollen, wird eine gleichmäßige Abstützung an allen auszubauchenden Bereichen erreicht und zwar in jeder Phase der Ausbauchung. Beim Ausbauchen unter einem Gegendruck von 500 bar und mehr, der durch die Verwendung von unmittelbar an der Außenseite anliegender Flüssigkeit auf alle auszubauchenden Bereiche wirkt, bleibt der Materialverbund während des Ausbauchens auch bei dem durch vorhergehendes Tiefziehen hochverfestigten Werk­ stoff erhalten. Das Überraschende hieran ist, daß, wie eingehende Versuche eindeutig bewiesen haben, auch hoch­ verfestigte Werkstoffe mit einer Bruchdehnung von kleiner als 1% noch Durchmesservergrößerungen von 20% ohne Reißen des Werkstoffes und vor allem ohne Zwischenglühen erhalten können. Letzteres ist besonders dann wichtig, wenn Hohl­ körper aus Stahlblechen mit einer hitzeempfindlichen Oberflächenbeschichtung, z. B. einer Kunststoffbeschich­ tung, ausgebaucht werden sollen.

Sollen bei der Ausbauchung von dosen- oder flaschenförmi­ gen Behältern Durchmesservergrößerungen von 20% erzielt werden, so ist ein Gegendruck von etwa 1000 bar zu wählen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sowohl auf Weiß­ blech als auch auf Aluminiumblech anwenden. Auch Hohlkör­ per aus Stahlblechen mit anderer Oberflächenbeschichtung oder ohne Oberflächenbeschichtung, oder aus anderen Materialien, können auf diese Weise ohne die Gefahr eines vorzeitigen Reißens und ohne Rekristallisations­ glühung nach dem Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreck­ ziehen ausgebaucht werden.

Zur Erzeugung des hydraulischen Druckes im Innern des Körpers wird vorteilhaft ein mit Flüssigkeit gefüllter Gummibeutel von dem offenen Ende des Hohlkörpers in diesen eingeführt und dann die Flüssigkeit im Gummi­ beutel unter Druck gesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der beiliegen­ den Zeichnung, die einen Längsschnitt einer Hohlform mit einem darin angeordneten Hohlkörper bzw. fertigen Behäl­ ter zeigt, beschrieben.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiel soll ein flaschenförmiger Behälter B hergestellt werden, der eine von der zylindrischen Form abweichende, spezielle Form, z. B. die Form einer Cola-Getränke-Flasche, aufweist. Zu diesem Zweck wird aus einer Blechronde, z. B. aus Weißblech, einer Dicke von 0,05-0,5 mm durch Tief­ ziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen in mehreren Stufen ein Hohlkörper 1 hergestellt, der die in der Zeich­ nung rechts dargestellte flaschenförmige Form hat. Hier­ bei weist dieser vorgeformte Hohlkörper 1 einen zylindri­ schen Abschnitt 2, ein Halsteil 5 und ein offenes Ende 3 auf. Durch das vorangegangene Tiefziehen und gegebenen­ falls Abstreckziehen ist die Wandung des zylindrischen Abschnittes 2 stark kaltverfestigt und weist nur nach eine geringe Bruchdehnung auf. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß auch der stark kaltverfestigte zylindrische Abschnitt 2 sich noch ausbauchen läßt, wenn man hierbei die nachfolgend beschriebenen speziellen Maßnahmen anwendet.

Der vorgeformte Hohlkörper 1 wird durch spezielles hydro­ machanisches Ausbauchen, bei dem hoher Druck sowohl auf die Innenseite als auch auf die Außenseite des Hohlkör­ pers 1 ausgeübt wird, expandiert. Hierzu wird der Hohlkör­ per 1 in eine aus zwei Formhälften 40a, 40b beste­ hende Hohlform 40 eingesetzt. Die Innenkontur 41 der Hohlform 40 entspricht im wesentlichen der Außenkontur des fertigen Blechbehälters 8, wie er in der Zeichnung, links, dargestellt ist. Ein mit Flüssigkeit, z. B. Wasser, gefüll­ ter Gummibeutel 32, dessen eines Ende zwischen den Halte­ teilen 33 und 34 eingespannt ist, wird von dem offenen Ende 3 in den vorgeformten Hohlkörper 1 eingeführt. Der zwischen der Außenwand 1a des Hohlkörpers 1 und der Innen­ kontur 41 der Hohlform 30 gebildete Außenraum 36 ist oben durch das Halteteil 33 und die Dichtung 35 druckdicht ab­ geschlossen. Der Außenraum 36 wird vollständig mit. Flüs­ sigkeit, z. B. Wasser, gefüllt, wobei dafür gesorgt wird, daß Luft über ein nicht dargestelltes Ventil entweichen kann. Auf den in dem Halteteil 34 verschiebbaren Kolben 37 wird eine Kraft F1 ausgeübt, die den Kolben 37 in den Innenraum 38 des Gummibeutels 32 drückt. Dieser legt sich an die Innenwand 1i des Hohlkörpers 1 an, wobei auch hier dafür gesorgt ist; daß die Luft zwischen Gummibeutel 32 und Innenwand 1i entweichen kann. Durch den Kolben 37 oder andere geeignete Mittel, z. B. eine Pumpe, wird der Innen­ raum 38 des Gummibeutels 32 und damit auch der Innenraum des Hohlkörpers 1 unter einen Druck Pi gesetzt. Gleichzei­ tig wird durch einen Kolben 39, auf den eine Kraft F2 wirkt, oder andere geeignete Mittel im Außenraum 36 ein Druck Pa erzeugt, der kleiner ist als der Druck Pi. Durch die Druck­ differenz zwischen Pi und Pa wird das Material der Wandung des Hohlkörpers 1 zum Fließen gebracht.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich das stark kaltverfestigte Material der Wandung des zylindrischen Abschnittes 2 um 10% und mehr im Durchmesser expandieren läßt, wenn man hierbei innen und außen sehr hohe Drücke auf den Hohlkörper 1 einwirken läßt. Besteht dieser z. B. aus verzinntem Blech, so ist bei einer Vergrößerung des Durchmessers D1 des vorgeformten Hohlkörpers 1 auf einen Durchmesser D2 des fertigen Behälters um 20% ein äußerer Druck Pa von etwa 1000 bar zu wählen. Dies bedeutet, daß der Druck Pi im Innenraum 38 um den für die Expansion des Körpers erforderlichen Druck höher sein und etwa 1200 bar betragen muß. Unter dem allseitigen Hochdruck bleibt der Materialverbund auch beim Ausbauchen des stark verfestig­ ten Materials erhalten. Der Differenzdruck Pi - Pa von ca. 200 bar ist der für das Ausbauchen des Hohlkörpers erforderliche Druck. Bei geringerer Durchmesser-Expansion von z. B. 10% kann der äußere Druck Pa entsprechend niedri­ ger sein und etwa 500 bar betragen. Die Anwendung von äußeren Drücken bis zu 10000 bar ist je nach Material und vorhergehender Kaltverfestigung erforderlich.

Nachdem der Blechbehälter in die in der Zeichnung links dargestellte Form ausgebaucht wurde, wird er an seinem offenen Ende 5 noch in bekannter Weise weiterverformt, so daß er an seinem offenen Ende, z. B. durch Bördeln, mit einem nicht dargestellten Boden verschlossen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur für die Ausbauchung von vorgeformten Hohlkörpern mit kreis­ förmigem Querschnitt sondern auch mit quadratischem, sechseckigen oder sonstigen Querschnitt anwenden. Speziell bei Querschnitten, die von der kreisrunden Form abweichen, ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, da bei solchen abweichenden Querschnitten die Wandung des vorge­ formten Hohlkörpers nach dem Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen unterschiedliche Dicken aufweisen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch z. B. Getränke­ dosen hergestellt werden, bei denen das offene Ende der Dose im Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des übrigen Dosenrumpfes verringert ist, um einen im Durchmesser mög­ lichst kleinen Deckel mit kleinem Materialeinsatz Verwen­ den zu können. Solche Dosen sind im Prinzip bekannt, je­ doch wird bisher das Verkleinern des Durchmessers am offenen Ende der Dose durch sogenanntes Stauchnecken in mehreren Stufen erreicht. Durch das Ausbauchen unter An­ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich gene­ rell eine noch bessere Ausnutzung des Werkstoffes errei­ chen, da ein Material, welches nach dem Tiefziehen und Ahstreckziehen praktisch kaum mehr eine Bruchdehnung auf­ weist, nochmals Durchmesservergrößerungen von z. B. 20% unterworfen werden kann, was eine wesentlich höhere Volumensvergrößerung ergibt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Blechbehälters mit im wesentlichen bauchiger Form, insbesondere eines flaschenförmigen Blechbehälters, bei dem zunächst durch Tiefziehen und gegebenenfalls Abstreckziehen ein vorgeformter Hohlkörper mit einem offenen und einem geschlossenen Ende hergestellt und anschließend durch hydromechanisches Ausbauchen in einer Hohlform, deren Innenkontur im wesentlichen der endgültigen Außenkontur des Behälters entspricht, ausgebaucht wird, indem das Innere des Hohlkörpers hydraulischem Druck ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ausbauchens die Außenseite der auszubau­ chenden Bereiche des Hohlkörpers dem Gegendruck (Pa) einer die Außenseite umschließenden Flüssigkeit aus­ gesetzt wird und dieser Gegendruck (Pa) mindestens 500 bar beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruck (Pa) bei einer Ausbauchung des Durchmessers eines Hohlkörpers um 20% etwa 1000 bar beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial zur Her­ stellung des Behälters Weißblech in einer Dicke von 0,05 bis 0,5 mm verwendet wird.