DE60015507T2

DE60015507T2 - Verfahren zum Glattziehen eines Produkts in Blechform und Glattziehwerkzeug

Info

Publication number: DE60015507T2
Application number: DE60015507T
Authority: DE
Inventors: Adrianus Michiel VAN DER AA; Christianus Hendrikus VAN DER AA; Bastiaan Hendrik RAS; Jan Willem VAN VEENEN
Original assignee: Corus Staal BV
Current assignee: Tata Steel Ijmuiden BV
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: KR100580061B1; NL1011437C2; PL349356A1; RU2240192C2; CA2364083C; ES2230076T3; KR20010105365A; PL197503B1; BR0008695A; ATE281255T1; CN1206054C; DE60015507D1; WO2000051758A1; EP1159095A1; CA2364083A1; AU771402B2; US6813924B1; ID30146A; AU3286800A; EP1159095B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glattziehen eines Produkts in Blechform, das aus einem Metallblech geformt ist, das wenigstens an einer Seite mit einer Lage aus Kunststoff beschichtet ist, wobei das Glattziehwerkzeug eine Formfläche aufweist, entlang welcher sich das Produkt mit einer Kunststoffbeschichtungslage während des Glattziehens bewegt, und wobei die Formfläche in einem Eintrittswinkel bezüglich der Bewegungsrichtung des Produkts ist. Ein Verfahren dieser Art findet weite Verbreitung bei der Herstellung einer Dose mit einer Basis und einem rohrförmigen Körper, obwohl die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendung begrenzt ist.
Der Eintrittswinkel bildet einen wichtigen Parameter beim Glattziehen. Man hat herausgefunden, daß mit einem sehr kleinen Eintrittswinkel die Spreizkraft, d.h. die Kraft, die auf die Formfläche quer zur Bewegungsrichtung des Produkts wirkt, sehr hoch wird. Dies kann beispielsweise im Falle des Glattziehens von Dosen dazu führen, daß dem verwendeten Glattziehring extreme Lasten auferlegt werden, der folglich beschädigt werden oder sogar brechen kann.
Wird ein größerer Eintrittswinkel ausgewählt, dann besteht die Gefahr, daß die Kunststofflage reißt und von dem Metallblech abgestreift wird. Dies liegt daran, daß ein größerer Eintrittswinkel dazu führt, daß eine größere Längskraft auf die Kunststofflage in Bewegungsrichtung ausgeübt wird, mit dem Ergebnis, daß die Spannung in der Kunststofflage eine Bruchgrenze überschreitet.
Es wurden schon früher Vorschläge gemacht, um das Verfahren geeigneter für das Arbeiten mit kunststoffbeschichtetem Metallblech zu machen. In der europäischen Patentschrift EP 0 298 560 wird vorgeschlagen, daß während des Glattziehens eine zusätzliche Schmierung verwendet wird, und spezifische Eintrittswinkel werden für aufeinanderfolgende Glattziehringe vorgeschlagen. Nichtsdestotrotz besteht ein anhaltender Bedarf daran, mit größeren Eintrittswinkeln zu arbeiten, damit längere Standzeiten des Glattziehwerkzeugs erreicht werden können. Die vorliegende Erfindung bietet nun eine Lösung, die ermöglicht, die Gefahr zu reduzieren, daß die Kunststofflage reißt und während des Glattziehens abgestreift wird, so daß größere Eintrittswinkel verwendet werden können.
Die Erfindung basiert auf dem Ausnutzen der beobachteten Tatsache, daß viele Kunststoffmaterialien während des Formens eine höhere Bruchgrenze zeigen, während der Druck an allen Seiten zunimmt. Die beigefügte Figur zeigt Ergebnisse der Korrelation zwischen der Formgeschwindigkeit (dε/dt in s^–1), auf der horizontalen Achse eingetragen, und der Streckspannung σ_v in MPa, eingetragen auf der vertikalen Achse, und dem vorherrschenden Druck P₀ in MPa an allen Seiten. Diese Figur arbeitet auf der Basis eines Polyethylenterephthalats (PET), wobei Linien Ergebnisse von Modellstudien veranschaulichen und Kreuze die Ergebnisse von Experimenten angeben. Aus dieser Figur ist deutlich zu ersehen, daß die Streckspannung deutlich höher ist, während der Druck an allen Seiten steigt. Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb darin, einen hohen Druck an allen Seiten an der Stelle zu erzeugen, wo das beschichtete Metallblech unter Verwendung eines großen Eintrittswinkels glattgezogen wird, ohne daß es nötig ist, einen sehr hohen Druck auf die gesamte Glattziehanlage anzulegen.
Die Erfindung besteht deshalb in der Tatsache, daß der Eintrittswinkel über die Länge der Formfläche in der Bewegungsrichtung des Produkts an der Formfläche vorbei variiert, wobei dieser Eintritt in einer Startzone der Formfläche kleiner als in der nachfolgenden Zone ist. Das Ergebnis dieser Maßnahme besteht darin, daß in der Startzone mit dem kleinen Eintrittswinkel ein hoher Druck an allen Seiten in dem Material aufgebaut wird, und dieser Druck wird während des nachfolgenden Formens in der nachfolgenden Zone mit einem größeren Eintrittswinkel aufrechterhalten. In der Zone, wo das tatsächliche Formen stattfindet, herrscht ein hoher Druck an allen Seiten vor, nichtsdestotrotz wird dennoch eine relativ niedrige Spreizkraft auf die Formfläche (beispielsweise ein Glattziehring) ausgeübt.
Der hohe Druck, der an allen Seiten in der Kunststofflage erzeugt wird, kann etwas zu der Kammer hin nachlassen, nach dem das Glattziehwerkzeug vorbeigelaufen ist, zu dem Ende der Zone mit dem größeren Eintrittswinkel hin. Dies kann bedeuten, daß die Bruchspannung des Kunststoffmaterials an dieser Stelle wieder reduziert wird, wobei bewirkt wird, daß sie bricht und von dem Glattziehwerkzeug abgestreift wird. Aus diesem Grund hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Formfläche in einer Endzone wieder auf einem kleineren Eintrittswinkel als in der Zwischenzone ist.
Eine Verbesserung wird auch erreicht, wenn die Formfläche nach der Zone mit dem größten Eintrittswinkel eine sogenannte Faserzone mit einem Eintrittswinkel = 0° aufweist. Die Länge dieser Fasenzone kann zwischen 0,3 und 1,5 mm betragen.
Bei einer möglichen Anwendung der Erfindung kann der Eintrittswinkel einen festgelegten Wert in jeder der Zonen haben. Allerdings kann es unter bestimmten Umständen bevorzugt sein, daß sich der Eintrittswinkel glatt über die Länge der Formfläche ändert. Dies verhindert plötzliche Änderungen bei der Spannung in dem glattzuziehenden Material, so daß unter bestimmten Umständen das Glattziehen erfolgreicher vor sich gehen kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform dieser glatten Änderung verlaufen die Übergänge zwischen aufeinanderfolgenden Zonen und/oder die Zonen selbst in Form eines Kreisbogens. Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn der Radius dieses Bogens zwischen 0,1 und 10 mm lang ist.
Insbesondere wenn das neue Verfahren zum Glattziehen eines Produkts verwendet wird, das schließlich die Form einer Dose annimmt, ist es vorteilhaft, daß das Glattziehwerkzeug mehrere Formflächen des oben beschriebenen Typs aufweist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß zwischen 60 und 90 der gesamten Wandverdünnung durch die entsprechende Formfläche in der Zone hergestellt wird, die mit dem größten Eintrittswinkel verläuft, der sogenannten Hauptzone. Eine weitere Verbesserung wird erhalten, wenn zwischen 10 und 30 der gesamten Wandverdünnung von der entsprechenden Formfläche in der Startzone hergestellt wird. Ferner ist vorteilhaft, daß dann, wenn auch eine Endzone verwendet wird, weniger als 30 der gesamten Wandverdünnung von der entsprechenden Formfläche in dieser Endzone hergestellt wird.
Wie oben erläutert, ist es möglich, bei Verwendung des neuen Verfahrens nach der Erfindung einen größeren Eintrittswinkel insbesondere in der Zwischenhauptzone zu verwenden, wodurch es möglich ist, daß die mechanische Last auf der Formfläche, d.h. dem Glattziehring, reduziert wird. Trotz dieses größeren Eintrittswinkels ist es allgemein möglich, durch Verwendung einer Startzone und einer Endzone mit einem kleineren Eintrittswinkel zu verhindern, daß sich die Kunststoffbeschichtungslage streckt und abgestreift wird.
Bei Verwendung verschiedener Kunststoffe in verschiedenen Lagendicken und an verschiedenen Typen und Dicken von Metallblech werden die Begrenzungsbedingungen für den Eintrittswinkel in der Zwischenzone und den Eintrittswinkel und die Länge der Startzone und der Endzone allgemein unterschiedlich sein, wenn gewünscht wird, unter Verwendung von Bedingungen zu arbeiten, die optimal für jedes Abstreckziehen sind, ohne daß irgendeine Gefahr besteht, daß die Kunststofflage bricht und abgestreift wird. Man hat herausgefunden, daß für verschiedene Materialanwendungen die optimaler: Bedingungen mittels Experimenten bestimmt werden können, die Formflächen (beispielsweise von Glattziehringen) verwenden, bei welchen die Länge der Startzone und/oder Endzone variiert wird.
Während des Glattziehens eines kunststoffbeschichteten Metallblechs gilt die folgende funktionale Beziehung für die Streckspannung σ_v (in MPa) im Kunststoff:
Worin:
P₀ der an allen Seiten im Kunststoff vorherrschende Druck in MPa ist;
τ₀ ein Basisniveau für die Streckspannung in MPa ist;
dε/dt die Ziehgeschwindigkeit des gerade geformten Kunststoffs in s^–1 ist;
μ ein einheitsfreier Parameter ist, welcher die Druckempfindlichkeit des Kunststoffs darstellt;
A₀ eine Zeitkonstante (in s) darstellt, die mit dem Entspannungsverhalten des Kunststoffs in Beziehung steht.
Man hat herausgefunden, daß das Glattziehen eines beschichteten Produkts in Blechform bei einem hohen Druck an allen Seiten P₀ nur erfolgreich stattfindet, wenn die Werte der Parameter μ, τ₀ und A₀ des für die Beschichtung verwendeten Kunststoffs spezifischen Grenzbedingungen genügen. Diese Werte müssen wie folgt sein: μ ≥ 0,03; τ0 ≥ 0,60 MPa und A0 ≥ 2,0 × 1019 s
Bevorzugt werden Kunststoffe verwendet, bei welchen die Parameter wie folgt sind: μ ≥ 0,047; τ0 ≥ 0,90 MPa und A0 ≥ 3,0 × 1019 s
Man hat herausgefunden, daß die als Glasübergangstemperatur T_g des Kunststoffs bekannte Temperatur beim Glattziehen eines kunststoffbeschichteten Metallblechs wichtig ist. T_g ist der Übergangspunkt für die Eigenschaften des amorphen Bereichs in dem Kunststoff. Im Prinzip ist unter T_g die freie Bewegung des Polymeren unmöglich. Über T_g ist diese freie Bewegung möglich, was dazu führt, daß die Härte des Materials um Größenordnungen abfällt. Da viele Kunststoffe teilweise kristallin sind und dieser Teil teilweise seine Festigkeit bis zum Schmelzpunkt behält, können viele Kunststoffmaterialien dennoch sehr gut bis zu Temperaturen weit über T_g verwendet werden.
Im Falle von Glattziehen ist das Niveau von T_g wichtig, weil der Kunststoff während des Glattziehens noch eine relativ hohe mechanische Festigkeit haben muß. Eine Kunststoffbeschichtung mit einer niedrigen T_g kann möglicherweise ausreichende Festigkeit erwerben, indem ein sehr hoher Druck in dem Glattziehwerkzeug aufgebaut wird. Allerdings ist der Kunststoff knapp außerhalb dieser Druckzone so "schwach", daß er sofort weggedrückt und abgeschabt wird.
Während des Glattziehvorgangs findet ein beträchtlicher Temperaturanstieg in dem glattgezogenen Material auf. Diese Temperatur kann bis etwa 200°C ansteigen.
Man hat herausgefunden, daß ein kunststoffbeschichtetes Metallblech erfolgreich glattgezogen werden kann, wenn die T_g des Kunststoffs unter verschiedenen Bedingungen ausreichend hoch ist. Die T_g bei Atmosphärendruck, T_{g, 1 atm}, und die T_g, wenn der Kunststoff unter einem Druck an allen Seiten von 600 MPa ist, T_{g, 600 MPa}, haben sich in diesem Kontext als besonders wichtig erwiesen. Nach der Erfindung müssen T_{G,
1 atm} und T_{g, 600 MPa} wie folgt sein: T_{g, 1 atm} ≥ 30°C und T_{g, 600 MPa} ≥ 200°C. Bevorzugt muß T_{g, 1 atm} wie folgt sein : T_{g,
1 atm} ≥ 70 °C
Die Erfindung betrifft auch ein Glattziehwerkzeug, insbesondere einen Glattziehring, das eine Formfläche aufweist, entlang welcher ein blechartiges Produkt während des Glattziehens bewegt werden kann, wobei die Formfläche in einem Eintrittswinkel bezüglich der Bewegungsrichtung des Produkts ist. Dieses Glattziehwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel über die Länge der Formfläche in der Bewegungsrichtung des Produkts variiert, wobei dieser Winkel in einer Startzone der Formfläche kleiner als in der nachfolgenden Zone ist.
In der vorhergehenden Beschreibung des neuen Verfahrens, auf welches hier Bezug genommen wird, wurden zahlreiche bevorzugte Ausführungsformen des Glattziehwerkzeugs nach der Erfindung erläutert.
Eine besondere bevorzugte Ausführungsform eines besteht auch darin, daß dieser Glattziehring wegen eines Streifens oder Drahts, der unter Spannung darum gewickelt wurde, unter einer radialen Vorspannung an seiner äußeren Umfangsfläche steht.
Glattziehringe sind wie die zugehörigen Begriffe wie Eintrittswinkel, Hauptzone und Fasenzone allgemein bekannt.
Deshalb besteht keine Notwendigkeit, die diskutierten Glattziehringe noch genauer in einer Beschreibung in Bezug auf Figuren zu erläutern.

Claims

Verfahren zum Glattziehen eines Produkts in Blechform, das aus einem Metallblech geformt ist, das wenigstens an einer Seite mit einer Lage aus Kunststoff beschichtet ist, wobei das Glattziehwerkzeug eine Formfläche aufweist, entlang welcher sich das Produkt mit einer Kunststoffbeschichtungslage während des Glattziehens bewegt, und wobei die Formfläche in einem Eintrittswinkel bezüglich der Bewegungsrichtung des Produkts ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel über die Länge der Formfläche in der Bewegungsrichtung des Produkts an der Formfläche vorbei variiert, wobei dieser Eintritt in einer Startzone der Formfläche kleiner als in der nachfolgenden Zone ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formfläche in einer Endzone wieder auf einem kleineren Eintrittswinkel als in der Zwischenzone ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formfläche nach der Zone mit dem größten Eintrittswinkel eine sogenannte Fasenzone mit einem Eintrittswinkel = 0° aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel einen festgelegten Wert in jeder der Zonen hat.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine glatte Änderung im Eintrittswinkel über die Länge der Formfläche vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen aufeinanderfolgenden Zonen und/oder solchen Zonen selbst in Form eines Kreisbogens verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glattziehwerkzeug mehrere Formflächen aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glattziehwerkzeug mehrere Glattziehringe aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 60 bis 90 % der gesamten Wandverdünnung durch die entsprechende Formfläche in der Zone hergestellt wird, die mit dem größten Eintrittswinkel verläuft, der sogenannten Hauptzone.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 30 % der gesamten Wandverdünnung von der entsprechenden Formfläche in der Startzone hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 30 % der gesamten Wandverdünnung von der entsprechenden Formfläche in der Endzone hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Startzone und/oder der Endzone unter ansonsten identischen Bedingungen derart eingestellt ist, daß die Kunststoffbeschichtung nicht als Ergebnis des Glattziehens von dem Metallblech abgerissen wird.
Glattziehwerkzeug, insbesondere ein Glattziehring, das eine Formfläche aufweist, entlang welcher ein blechartiges Produkt während des Glattziehens bewegt werden kann, wobei die Formfläche in einem Eintrittswinkel bezüglich der Bewegungsrichtung des Produkts ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel über die Länge der Formfläche in der Bewegungsrichtung des Produkts variiert, wobei dieser Winkel in einer Startzone der Formfläche kleiner als in der nachfolgenden Zone ist.
Glattziehwerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Formfläche in einer Endzone wieder auf einem kleineren Eintrittswinkel als in der Zwischenzone ist.
Glattziehwerkzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zwischenzone und der Endzone eine Fasenzone mit einer Länge von zwischen 0,3 und 1,5 mm vorliegt.
Glattziehwerkzeug nach einem der Ansprüche 13 – 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel einen festgelegten Wert in jeder der Zonen hat.
Glattziehwerkezeug nach einem der Ansprüche 13 – 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine glatte Änderung im Eintrittswinkel über die Länge der Formfläche vorliegt.
Glattziehwerkzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen aufeinanderfolgenden Zonen und/oder den Zonen selbst in Form eines Kreisbogens mit einem Radius einer Länge von zwischen 0,1 und 10 mm verlaufen.
Glattziehwerkzeug nach einem der Ansprüche 13 – 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptzone zwischen 60 und 90 % der Querabmessung der Formfläche quer bezüglich ihrer Längsrichtung bildet.
Glattziehwerkzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Startzone zwischen 10 und 30 % der Querabmessung der Formfläche bildet.
Glattziehwerkzeug nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Endzone weniger als 30 % der Querabmessung der Formfläche bildet.
Glattziehwerkzeug in Form eines Glattziehrings nach einem der Ansprüche 13 – 21, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Glattziehring wegen eines Streifens oder Drahts, der unter Spannung darum gewickelt wurde, unter einer radialen Vorspannung an seiner äußeren Umfangsfläche steht.