專利名稱:具有整體底部的罐頭及其制造裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一個罐頭，例如用來封裝碳酸飲料的金屬罐頭。尤其是，本發(fā)明涉及一種具有增進強度的罐頭底部。
背景技術：
過去，用來封裝碳酸飲料，例如軟飲料或啤酒的罐頭已經(jīng)用金屬，通常為鋁制成。這種罐頭用下述傳統(tǒng)方法制造將一個罐頭頂端，或者說蓋，安裝到一個具有整個成形底部的拉伸和壓薄罐頭體上。
涉及罐頭底部幾何形狀的一些參數(shù)對罐頭性能起著重要作用。在罐頭底部中采用一個在下文中將進一步討論的環(huán)形凸起，該凸起的直徑影響著堆疊或嵌套一個罐頭底部進入另一罐頭頂端的能力。凸起直徑還影響罐頭的抗翻倒性，這種翻倒例如在充填期間可能發(fā)生。
除了堆疊能力和抗翻倒穩(wěn)定性之外，強度也是罐頭底部性能的一個重要方面。例如，由于它的內裝物處于可能高達90磅/英寸2(6.2×105Pa)的壓力之下，罐頭必需強到足以抵抗因內壓引起的過度變形。因此，用于罐頭底部的一個重要強度性能是抗彎強度，它通常被定義為造成罐頭底部穹頂部分顛倒或者說反向所需內部壓力的最小值，也就是說，罐頭底部中心部分從向外凹倒轉成向外凸的最小壓力。另一個重要性能是抗墜落性，它被定義為當一個充水并加壓到60磅/英寸2(4.1×105Pa)的罐頭墜落到一個堅硬表面上時造成穹頂?shù)罐D所需的最小高度。
除了令人滿意的性能需要之外，對于罐頭制造商來說減少金屬使用量也起著巨大的經(jīng)濟鼓勵作用。因為每年要賣出數(shù)百萬個這樣的罐頭，甚至是金屬用量的稍微減少也是符合要求的。對于罐頭制造商而言罐頭的總體尺寸和一般形狀是由飲料業(yè)指定的。因此，罐頭制造商持續(xù)不斷的致力于通過改進罐頭幾何形狀細節(jié)以便獲得一種較強的結構來減少金屬的厚度。僅僅幾年之前，鋁罐頭曾用具有約0.0112英寸(0.285mm)的金屬制成。然而，現(xiàn)在已可提供厚度低達0.0108英寸(0.274mm)的鋁罐頭。
一種已享有重大成功的增大罐頭底部強度技術是在罐頭底部形成一個外部凹陷的穹頂。飲料罐頭，例如用于軟飲料和啤酒的罐頭，典型地具有直徑約2.6英寸(66.04mm)的側壁。按照慣例，穹頂?shù)那拾霃綖橹辽?.550英寸(39.37mm)。例如，在頒發(fā)時轉讓給國民罐頭股份有限公司的美國專利No.4,685,582[普爾西安尼(Pulciani)等人]披露一種具有2.597英寸(65.96mm)側壁直徑和2.120英寸(53.85mm)穹頂曲率半徑的罐頭。與此類似，在頒發(fā)時轉讓給金屬盒plc的美國專利No.4,885,924[克萊頓(Claydon)等人]披露一種具有2.59英寸(65.786mm)側壁直徑和2.0英寸(50.8mm)穹頂曲率半徑的罐頭，而在頒發(fā)時轉讓給金屬容器股份有限公司的美國專利No.4,412,627[霍頓(Houghton)等人]披露一種具有2.6英寸(66.04mm)側壁直徑和1.75英寸(44.45mm)穹頂曲率半徑的罐頭。
通過在底部周圍形成一個向下和向內延伸并終止在一個環(huán)形卷邊或者說凸起內的截頂圓錐壁，做出穹頂?shù)墓揞^底部強度進一步增大。凸起具有圓周延伸的內、外壁，它們可能也呈截頂圓錐形。內、外壁被一個外凸弧形部分連接，所述弧形部分由一個圓的一部分形成。孤形部分的基面形成罐頭在直立時的擱置表面或者說站立邊。
根據(jù)傳統(tǒng)的罐頭制造技術，在這種做出穹頂、圓錐壁的罐頭底部中凸起弧形部分內表面的曲率半徑一般為0.050英寸(1.27mm)或更小。例如，在本發(fā)明出現(xiàn)之前，該即時申請的受讓人母體，Crown Cork & Seal公司，出售帶有202頂端的鋁罐頭[即與底部相對的罐頭端直徑為2-2/16英寸(54mm)]，其凸起內表面曲率半徑為0.05英寸(1.27mm)。與此類似，在頒發(fā)時轉讓給美國鋁股份有限公司的美國專利No.3,730,383[杜恩(Dunn)等人]，以及在頒發(fā)時轉讓給國民罐頭股份的美國專利No.4,685,582[普爾西安尼(Pulciani)等人]披露一種具有0.040英寸(1.016mm)曲率半徑的凸起。
然而，迄今的一般想法是凸起的曲率半徑越小，罐頭底部的抗壓性越高，例如已討論的上文提及的美國專利No.3,730,383就是如此。因此，美國專利No.4,885,924(上文討論過)，在頒發(fā)時轉讓給CMB食品罐頭plc的美國專利No.5,069,052[波魯克斯尼克(Porucznik)等人]以及在頒發(fā)時轉讓給美國鋁股份有限公司的美國專利No.5,351,852[特拉格塞(Trageser)等人]均披露過用來減小凸起曲率半徑以便增加罐頭底部強度的方法。美國專利No.5,351,852建議再加工凸起以便減小其曲率半徑到0.015英寸(0.381mm)，而美國專利No.5,069,052建議再加工凸起以便減小其內表面曲率半徑到零以及外表面曲率半徑到0.040英寸(1.016mm)或更小。
除了它的幾何形狀之外，成形罐頭底部采用的制造裝置和工藝也能影響它的強度。例如，如果成形凸起時對金屬伸長過度，在罐頭底部凸邊區(qū)內會出現(xiàn)小表面裂紋。如果，有時發(fā)生，這些裂紋最初沒有遠遠地延伸透過金屬壁，罐頭制造商在檢查期間可能檢測不出來。這樣的罐頭導致罐頭在已被充填和封閉之后失效，這從飲料出售商或最后消費者的立場來說是非常不符要求的。凸起曲率半徑越小，這種裂紋發(fā)生的可能越大。因為鄰近凸起內壁的凸起曲率半徑被設想與鄰近外壁的半徑相比較對抗彎強度具有更大的影響，一些罐頭制造商已利用一種比一個簡單圓部分更加復雜的凸起形狀，它借助于采用兩個曲率半徑一個鄰近外壁的約0.060英寸(1.524mm)的第一內表面曲率半徑以及一個鄰近內壁的小于0.060英寸(1.524mm)的第二內表面曲率半徑。例如，在頒發(fā)時轉讓給黛娃(Daiwa)罐頭公司的美國專利No.4,431,112[雅馬古希(Yamaguchi)]披露一種做出穹頂?shù)墓揞^底部，盡管它沒有一個錐形圓周壁，卻帶有一個凸起，該凸起具有鄰近其內壁的約0.035英寸(0.9mm)的第一曲率半徑和一個鄰近其外壁的約0.091英寸(2.3mm)的第二曲率半徑。另一個罐頭制造商已在204頂端罐頭內采用一種做出穹頂和錐形壁的底部，其中凸起內表面，它的外壁相對于罐頭軸線傾斜約26.5°角，具有一個鄰近凸起內壁的約0.054英寸(1.37mm)的第一曲率半徑以及一個鄰近外壁的約0.064英寸(1.626mm)的第二曲率半徑。
盡管有迄今在該技術中取得的這些改進，提供一種具有使性能，尤其是抗彎強度、抗墜落性、堆疊能力和可制造性最佳化的幾何形狀的罐頭底部應該是符合要求的。
發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有使性能，尤其是抗彎強度、抗墜落性、堆疊能力和可制造性最佳化的幾何形狀的罐頭底部。
1.為此，本發(fā)明提供一種包括一個側壁和一個整體底部的罐頭，所述底部包括(i)一個從所述側壁向下并向內延伸的大致截頂圓錐部分；(ii)一個從所述大致截頂圓錐部分向下延伸的環(huán)形凸起部分，所述凸起部分由被一個向下凸出的弧形部分連接的內、外圓周延伸壁形成，所述弧形部分具有內和外表面，以及(iii)一個從所述凸起內壁向上和向內延伸的中心部分，所述中心部分呈大致穹頂形狀并且向外凹陷；其特征為，鄰近所述凸起內壁的弧形部分的內表面的曲率半徑R3至少為0.06英寸(1.524mm)，但不大于0.07英寸(1.778mm)，當罐頭(1)被一個直徑大致為2-2/16英寸(54mm)的頂端封閉，所述凸起的直徑為不大于約1.89英寸(48mm)。
在本發(fā)明的一個實施例中，弧形部分具有內和外表面，弧形部分內表面具有一個鄰近所述內壁的至少0.060英寸(1.524mm)的曲率半徑。
本發(fā)明還包含一種成形罐頭底部用的裝置，所述罐頭底部具有一個在此處形成的環(huán)形凸起，所述裝置包括a)一個中心布置的模具，它具有一個大致穹頂形狀并向上凸出的成形表面；b)一個可相對于所述模具運動的凸起沖頭，所述凸起沖頭具有一個末梢端，所述末梢端由被一個向外凸出的弧形部分連接的內、外圓周延伸壁形成；c)一個用來在所述凸起沖頭和所述模具之間引起相對運動的壓頭；其特征在于所述弧形部分具有一個鄰近所述內壁的至少為0.060英寸(1.524mm)的曲率半徑R3，但不超過1.89英寸(48mm)，當用于制造具有尺寸為2-2/16英寸(54mm)或更小的罐頭時，直徑D2不大于約1.89英寸(48mm)。
本發(fā)明還包含一種裝置，在其中一個中心布置的模具具有一個成形表面，該成形表面具有不大于約1.475英寸(37.465mm)的曲率半徑。
現(xiàn)在參見附圖，用舉例的方法描述一個本發(fā)明最佳實施例，在附圖中圖1是具有根據(jù)本發(fā)明罐頭底部的一個罐頭的立體圖。
圖2是通過圖1所示II-II線剖切的橫截面圖，顯示根據(jù)本發(fā)明的罐頭底部。
圖3是通過嵌套在一個相同罐頭頂端中的本發(fā)明罐頭底部剖切的橫截面圖。
圖4是一張曲線圖，它顯示改變凸起內表面曲率半徑對罐頭底部抗彎強度的影響。
圖5是一張曲線圖，它顯示當凸起直徑變化以便保持在嵌套處穿透深度大致不變時改變凸起內表面曲率半徑對罐頭底部抗彎強度的影響。
圖6是通過根據(jù)本發(fā)明的一個底部成形工位剖切的縱向橫截面圖。
圖7是通過根據(jù)圖6所示本發(fā)明凸起沖頭剖切的縱向橫截面圖。
具體實施方式
在圖1中顯示一個根據(jù)本發(fā)明的罐頭1。如同傳統(tǒng)形式那樣，該罐頭包括一個在其中做出一個開口的頂端3，以及一個罐頭體。罐頭體由一個圓筒形側壁4以及一個與側壁整體形成的底部6制成。側壁4具有直徑D1。也如同傳統(tǒng)形式那樣，罐頭體用金屬制成，所述金屬例如是鋼或者更適合的是鋁，例如具有H-19硬度的3204、3302或3004型鋁板。
如圖2中所示，罐頭底部6包括一個從側壁4向下和向內延伸的大致截頂圓錐部分8。截頂圓錐部分8包括一個具有曲率半徑R1弧段10，它形成一個進入側壁4的平滑過渡。截頂圓錐部分8最好還包括一個相對于側壁4的軸線7成α角的直段。
如圖2中所示，一個環(huán)狀凸起16從截頂圓錐部分8向下延伸。凸起16最好分別包括大致為截頂圓錐形的內、外壁12和13。應該指出，內壁12在此項技術中有時被稱作“啤酒桶凸邊”。最好是，內壁12具有一個相對于側壁4的軸線7形成γ角的直段，而外壁13具有一個相對于該軸線形成β角的直段。內、外壁12和13由一個環(huán)繞延伸的弧形部分18連接。內壁12包括一個具有曲率半徑R5的弧段22，它形成一個進入底部6中心部分24的平滑過渡。外壁13包括一個具有曲率半徑R2的弧段14，它形成一個進入截頂圓錐部分8的過渡。
在橫截面圖中，鄰近內壁12的凸起16弧形部分18的內表面29部分具有一個曲率半徑R3。同樣地，鄰近外壁13的弧形部分18的內表面29部分具有一個曲率半徑R4。凸起16的外表面30的曲率半徑等于內表面29的曲率半徑加上凸起弧形部分18的金屬厚度，該厚度通常實質上與起初的金屬薄板相同。寧可是，R3等于R4。最好是，弧形部分18的內表面29整個地由一個圓的一部分構成，以致于如圖2所示那樣，只有一個曲率半徑構成凸起16的內表面弧形部分18。曲率半徑R3的圓心19在圍繞底部6的圓周延伸時形成一個直徑D2的圓。凸起16的基面27也圍繞直徑D2形成，罐頭1在直立取向時就擱置在基面27上。弧段10的曲率半徑R1的中心21從曲率半徑R3的中心19沿軸線方向移動一個距離y。最好是，如同下文將討論的那樣，隨著R3的值增大，y值減小，以致于y+R3之和保持不變。
一個大致為穹頂形的中心部分24從凸起16向上向內延伸。中心部分24的最中心區(qū)26呈碟狀，具有直徑D3并且基本平坦。中心部分24的環(huán)形部分25橫截面呈弧形，具有曲率半徑R6，并將中心區(qū)26連接到凸起16的內壁12上。罐頭底部6具有一個從凸起16的基面27延伸到中心部分24頂部的穹頂高度H。
如圖3中所示，當兩個相同構造的罐頭一個在另一個頂上地堆疊時，上罐頭的底部6將穿透到下罐頭的頂端3中，以致于上罐頭凸起16的基面27能在下罐頭卷邊接縫板40上形成的唇形物下方延伸一個距離d。
圖4顯示一種有限元素分析或者說FEA結果，旨在顯示根據(jù)上文討論定義的抗彎強度如何隨一個具有202頂端并采用表I中確定及圖2所示幾何形狀的罐頭底部凸起16的曲率半徑變化。
在現(xiàn)有技術中已經(jīng)知道一種202頂端罐頭，它具有由表中指定幾何形狀確定的底部并具有一個凸起16，該凸起具有一個曲率半徑R3為0.05英寸(1.27mm)的內表面29。如圖4中所示，增大凸起內表面29的曲率半徑R3至0.06英寸(1.524mm)導致抗彎強度顯著增加。尤其是，有限元素分析預測與罐頭制造技術中的傳統(tǒng)知識相反，在這樣一種罐頭底部內增大凸起內表面半徑從0.05英寸(1.27mm)至0.06英寸(1.524mm)會增大抗彎強度幾乎10％，從95磅/英寸2至104磅/英寸2(655至717千帕斯卡)。
表I—用于FEA的罐頭底部幾何參數(shù)直徑D12.608英寸(66.24mm)直徑D21.904英寸(48.36mm)直徑D30.100英寸(2.54mm)半徑R10.170英寸(4.32mm)半徑R20.080英寸(2.03mm)半徑R3可變半徑R4等于R3半徑R50.060英寸(1.52mm)半徑R61.550英寸(39.37mm)距離Y+R30.361英寸(9.17mm)穹頂高度H 0.405英寸(10.29mm)角度α 60°角度β 25°角度γ 8°可惜，凸起內表面曲率半徑超出0.06英寸(1.524mm)的增大不產生抗彎強度的繼續(xù)增加，反而實際上減少抗彎強度，盡管抗彎強度保持在這種罐頭底部原先采用的曲率半徑0.05英寸(1.27mm)情況下所得抗彎強度之上。
為了校核這些理論預測，曾制造過一些具有202頂端的十二盎司飲料罐頭，它們仍采用表I中指定并如圖2所示的底部幾何形狀，并具有三個不同的凸起弧形部分18曲率半徑R3——0.050、0.055和0.060英寸(1.27，1.34和1.524mm)。曾采用兩種不同穹頂高度H并用兩種不同型號的0.0108英寸(0.27mm)厚鋁板——3204H-19型和3304C5-19型制造具有各自曲率半徑尺寸的罐頭，以致于存在十二種完全不同型式的罐頭。這些罐頭用四種強度相關參數(shù)進行過試驗——(i)抗彎強度，它根據(jù)上文討論確定，(ii)底部強度，它根據(jù)在側壁被支承時測量毀壞罐頭底部所需最小軸線荷載而獲得，(iii)抗墜落性，它通過從不同高度墜落加壓到60磅/英寸2的充水罐頭來獲得；以及(iv)軸線荷載，它通過測量毀壞不支承的罐頭側壁所需最小軸線荷載來獲得。這些試驗的結果按每型號至少六個罐頭取平均值，顯示在表II中。此外，在堆疊處的穿透深度d也被測量并顯示在表III中。
在表II中顯示的強度試驗比較結果證實如下事實與傳統(tǒng)知識相反，增大在表I中指定并在圖2中顯示的罐頭底部上的凸起16的弧形部分18內表面29的曲率半徑R3，至少直到0.06英寸(1.524mm)，增加而不是減少抗彎曲性。
表II—試驗結果比較—改變凸起曲率半徑抗彎強度底部強度抗墜落性軸線荷載(磅/英寸2) (磅) (英寸2) (磅)3204H-19型鋁H＝0.0405R3＝0.050 96.7 273.7 6.7 232.8R3＝0.055 98.3 274.7 6.9 229.6R3＝0.060 103.8 284.7 7.6 205.1H＝0.0415R3＝0.050 97.7 273.0 6.7 227.6R3＝0.055 99.5 276.7 6.8 231.2R3＝0.060 105.0 283.7 6.8 220.93304C5-19型鋁H＝0.0405R3＝0.050 95.7 268.7 5.9 245.3R3＝0.055 99.5 278.0 5.9 237.8R3＝0.060 100.5 268.3 6.8 245.7H＝0.0415
R3＝0.050 96.7 269.3 6.0 238.8R3＝0.055 99.5 275.7 6.1 242.7R3＝0.060 100.8 272.0 6.3 237.0表III—試驗結果比較—凸起半徑作為堆疊深度的函數(shù)曲率半徑R3堆疊深度d0.050英寸(1.27mm) 0.083英寸(2.11mm)0.055英寸(1.34mm) 0.069英寸(1.75mm)0.060英寸(1.524mm) 0.062英寸(1.575mm)可惜，如同在表III中所示，發(fā)現(xiàn)盡管增大凸起16在其內表面29處的曲率半徑R3從0.05英寸(1.27mm)到0.06英寸(1.524mm)顯著地增加抗彎強度，它卻將堆疊處的穿透深度從0.083英寸(2.108mm)減少到0.062英寸(1.575mm)。這個危害罐頭可堆疊能力的不符要求方面由于增大凸起內表面曲率半徑R3沿徑向向外推動凸起外壁13而發(fā)生了。
圖5顯示一種具有表I中指定并在圖2中顯示的幾何形狀的罐頭除了在凸起內表面處的曲率半徑R3以表IV中所示方式增加時凸起16的直徑D2減少之外的有限元素分析結果表IV—凸起直徑隨凸起曲率半徑的變化凸起半徑R3(英寸)
凸起直徑D2(英寸)0.050英寸(1.27mm) 1.904英寸(48.36mm)0.060英寸(1.524mm) 1.890英寸(48mm)0.065英寸(1.65mm) 1.884英寸(47.85mm)0.070英寸(1.778mm) 1.877英寸(46.68mm)如同在圖5中可以看到的那樣，增大凸起曲率半徑R3與適當減小凸起直徑D2的結合從理論上導致在0.05英寸(1.27mm)到0.07英寸(1.778mm)凸起半徑范圍內抗彎強度持續(xù)增大。事實上，最顯著的增大發(fā)生在凸起內表面曲率半徑從0.065英寸(1.65mm)增加到0.07英寸(1.778mm)的時候。
為了試驗來自上文討論的有限元素分析的理論預測，曾用0.0108英寸(0.27mm)厚度的Alcoa 3004H-19鋁板制成具有202頂端和圖2所示底部的十二盎司罐頭。一半罐頭用一種在表V中指出的現(xiàn)有技術中已知的底部幾何形狀做成，它在表v中被標明為A，而另一半用被標明為B的一種本發(fā)明實施例幾何形狀做成。與上文討論的理論分析一致，這兩個罐頭底部幾何形狀在兩個方面有差別。第一，與傳統(tǒng)情況相反，凸起16在其內表面29處的曲率半徑R3被增大到0.06英寸(1.524mm)。第二，凸起直徑D2被減小到1.89英寸(48mm)。
表V—比較試驗用罐頭底部幾何參數(shù)—凸起直徑罐頭底部A罐頭底部B直徑D12.608英寸(66.24mm) 2.608英寸(66.24mm)直徑D21.904英寸(48.36mm) 1.890英寸(45.94mm)直徑D30.100英寸(2.54mm) 0.100英寸(2.54mm)半徑R10.170英寸(4.32mm) 0.170英寸(4.32mm)半徑R20.080英寸(2.03mm) 0.080英寸(2.03mm)半徑R30.050英寸(1.27mm) 0.060英寸(1.52mm)半徑R40.050英寸(1.27mm) 0.060英寸(1.52mm)半徑R50.060英寸(1.52mm) 0.060英寸(1.52mm)半徑R61.550英寸(39.37mm) 1.550英寸(39.37mm)距離Y+R30.361英寸(9.17mm) 0.361英寸(9.17mm)高度H 0.405英寸(10.29mm) 0.405英寸(10.29mm)角度α 60° 60°角度β 24° 25°角度γ 8° 8°比較試驗在該兩組罐頭上重復進行，而且被記錄為至少六個罐頭平均值的結果顯示在表VI中。
表VI—比較試驗結果—改變凸起半徑和凸起直徑罐頭底部A罐頭底部B抗彎強度 93.7磅/英寸2100.1磅/英寸2(646千帕) (690千帕)底部強度 267.2磅 269.7磅抗墜落性 7.3英寸(185mm) 6.8英寸(173mm)軸線荷載 224.1磅 236.8磅穿透深度d 0.085英寸(2.16mm) 0.086英寸(2.18mm)
可以看出，根據(jù)本發(fā)明制造的罐頭的抗彎強度比現(xiàn)有技術罐頭大幾乎7％(即100.1磅/英寸2對93.7磅/英寸2)。這樣一種增加是非常重要的。例如，可以指望，即使初始金屬板厚度從0.0108英寸(0.274mm)減少到0.0104英寸(0.264mm)——減少幾乎4％，抗彎強度的這一增大將允許被碳酸飲料罐通常采用的90磅/英寸2抗彎強度要求得到滿足。板厚的這種減小會產生明顯的成本節(jié)省?？箟嬄湫缘纳晕p小不被認為具有統(tǒng)計意義。
這兩類罐頭內凸邊壁12的金屬厚度也被測量過。這些測量顯示，根據(jù)本發(fā)明的罐頭底部(類型B)的該凸邊壁厚比現(xiàn)有技術罐頭底部(類型A)的凸邊壁厚大0.0003英寸(0.0076mm)——即0.0098英寸(0.249mm)對0.0095英寸(0.241mm)。凸邊壁厚的這種增大也是重要的，因為它顯示本發(fā)明導致在初始凸邊區(qū)域內金屬伸長較少(金屬伸長越多，它變得越薄)。制造試驗已經(jīng)證明，這種金屬伸長的減小能減少由于凸邊表面破裂造成的罐頭失效事故。
最后，由于凸起直徑D2減小，穿透深度d被保持，借此確保甚至在罐頭具有相對較小頂端(即尺寸202)情況下凸起曲率半徑的增大也不會危害堆疊能力。在這方面，凸起外壁13的相對較小角度β(即25°)也有助于獲得良好的穿透。因此，根據(jù)本發(fā)明，如果要求良好的堆疊能力，(i)凸起16弧形部分18內表面29的曲率半徑R3應保持在0.06英寸(1.524mm)到0.070英寸(1.778mm)范圍內，(ii)凸起外壁13的角度β應不大于約25°，而且(iii)對于具有202或者更小尺寸的罐頭來說凸起直徑D2應不大于1.89英寸(48mm)。
可惜，減小凸起直徑D2將減少罐頭在直立時的翻倒穩(wěn)定性。由于擺動的罐頭在制作期間不可能適當?shù)爻涮畈⒖赡軐ψ罱K用戶造成煩惱，翻倒穩(wěn)定性是重要的。所以，在具有202頂端的罐頭中增大凸起曲率半徑到超過0.07英寸(1.778mm)值可能是不符合要求的，因為這將導致堆疊穿透保持不變時凸起直徑小于1.877英寸(47.68mm)。然而，盡管抗彎強度的最大增加是在凸起內表面半徑R3的值為0.070英寸(1.778mm)情況下獲得的，此值也導致最小的凸起直徑D2。所以，取決于堆疊能力對翻倒穩(wěn)定性要求的相對重要性，凸起16弧形部分18內表面29的曲率半徑R3最佳值可能是小于0.07英寸(1.778mm)，例如大約0.06英寸(1.524mm)或大約0.065英寸(1.65mm)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，底部6的強度也能通過小心地調整中心部分24的半徑R6來增大。尤其是，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過減少半徑R6能得到抗墜落性的顯著增加。R6的這種減小最好被大致平坦中心區(qū)26直徑D3的增加以及穹頂高度H的增加伴隨。
表VII顯示具有三種不同底部幾何形狀的十二盎司罐頭的抗墜落性和抗彎強度試驗結果。除非用別的方式指出，這些底部與表V所示罐頭底部B的幾何形狀是相同的。每種罐頭底部在一條典型試驗線上用三種不同初始厚度的鋁(Alcoa 3104)成形。每種幾何形狀/厚度情況有十二個罐頭被試驗。這些罐頭的試驗結果列舉在下面的表VI和VII中。
表VII—比較試驗結果—改變穹頂尺寸—典型試驗線罐頭底部B罐頭底部C罐頭底部D半徑R61.550英寸 1.475英寸 1.450英寸(39.37mm) (37.47mm) (36.83mm)直徑D30.100英寸 0.140英寸 0.139英寸(2.54mm) (3.56mm) (3.53mm)高度H 0.405英寸 0.405英寸 0.410英寸(10.29mm) (10.29mm) (10.41mm)其余參數(shù)與表I同0.0108英寸(0.0274mm)厚度抗墜落性平均 6.07英寸(154mm) 6.64英寸(169mm) 8.00英寸(203mm)最大 7英寸(178mm) 8英寸(203mm) 9英寸(229mm)最小 5英寸(127mm) 6英寸(152mm) 7英寸(178mm)抗彎強度平均 99.8磅/英寸298.2磅/英寸298.7磅/英寸2最大 100.4磅/英寸299.0磅/英寸299.5磅/英寸2最小 99.2磅/英寸297.6磅/英寸297.5磅/英寸2
0.0106英寸(0.269mm)厚度抗墜落性平均 5.50英寸(139.7mm) 6.07英寸(154mm) 7.29英寸(185mm)最大 6英寸(152.4mm) 7英寸(177.8mm) 8英寸(203mm)最小 5英寸(127mm) 5英寸(127mm) 6英寸(152.4mm)抗彎強度平均 95.2磅/英寸294.0磅/英寸294.6磅/英寸2(656.4千帕) (648千帕) (652千帕)最大 95.7磅/英寸295.6磅/英寸295.8磅/英寸2(660千帕) (659千帕) (660.5千帕)最小 94.2磅/英寸293.2磅/英寸293.7磅/英寸2(649.5千帕) (642.6千帕) (646千帕)0.0104英寸(0.264mm)厚度抗墜落性平均 4.79英寸(121.7mm) 5.79英寸(147mm) 6.36英寸(161.5mm)最大 5英寸(127mm) 7英寸(177.8mm) 7英寸(177.8mm)最小 4英寸(101.6mm) 4英寸(101.6mm) 6英寸(152.4mm)抗彎強度平均 94.1磅/英寸292.3磅/英寸293.3磅/英寸2(648.8千帕) (636.4千帕) (643.3千帕)最大 95.9磅/英寸293.4磅/英寸293.8磅/英寸2(661.2千帕) (664千帕) (646.74千帕)最小 93.7磅/英寸291.6磅/英寸292.3磅/英寸2(646千帕) (631.6千帕) (636.4千帕)表VIII—在底部B上抗墜落性和抗彎強度的百分比改變金屬厚度底部C底部D抗墜落性抗彎強度抗墜落性抗彎強度0.0108英寸 +8.6％ -1.6％ +31.8％ -1.1％0.0106英寸 +10.4％ -1.2％ +32.5％ -0.6％0.0104英寸 +20.9％ -1.9％ +32.8％ -0.8％
容易看出，借助于減小半徑R6到不大于1.475英寸(37.465mm)數(shù)值導致抗墜落性增加。尤其是，在將大致平坦的中心區(qū)26的直徑D3從0.1英寸(2.54mm)增加0.040英寸(1.016mm)時到大約0.14英寸(3.556mm)(底部C)的同時，將穹頂半徑R6從1.55英寸(39.37mm)減少0.075英寸(1.905mm)到1.475英寸(37.465mm)，導致抗墜落性隨金屬厚度而定增加大約10-20％，以及抗彎強度減少僅大約1-2％。進一步減小穹頂半徑R6另一個0.025英寸(0.635mm)到大約1.45英寸(36.83mm)，在此同時保持D3為大約0.14英寸(3.56mm)并同時增大穹頂高度0.005英寸(0.127mm)到大約0.41英寸(10.41mm)(底部D)，對于所有三種金屬厚度而言抗墜落性的改進增大到30％以上，且不存在抗彎強度的進一步減少。
為了證實這些結果，曾在兩個不同的商業(yè)罐頭制造廠中用初始厚度0.0106英寸(0.269mm)的3004鋁制造十二盎司的202罐頭，它們具有如上所述的底部幾何形狀B和D，以及通常按下表IX確定的兒何形狀E和F。
表IX—底部幾何形狀—改變穹頂直徑—制造廠罐頭底部E罐頭底部F半徑R61.55英寸(39.37mm) 1.50英寸(38.1mm)直徑D30.100英寸(2.54mm) 0.110英寸(2.79mm)高度H 0.41英寸(10.41mm) 0.41英寸(10.41mm)其余參數(shù)與表I同四種幾何形狀中的每一種制造十二個罐頭。這些罐頭的試驗結果顯示在下表X中。
表X—比較試驗結果—改變穹頂直徑
1#工廠底部B底部E底部F底部D平均高度H 0.406英寸 0.411英寸 0.410英寸 0.411英寸抗墜落性平均 5.5英寸 5.3英寸 6.0英寸 6.9英寸最大 6英寸 6英寸 7英寸 8英寸最小 5英寸 5英寸 5英寸 6英寸抗彎強度平均 96.9磅/ 97.5磅/ 96.2磅/ 96.4磅/英寸2英寸2英寸2英寸2最大 97.6磅/ 98.2磅/ 96.0磅/ 97.0磅/英寸2英寸2英寸2英寸2最小 96.0磅/ 96.2磅/ 94.5磅/ 96.0磅/英寸2英寸2英寸2英寸2軸向荷載平均 215.7磅 235.4磅 239.8磅 209.1磅最大 249磅 250磅 257磅 246磅最小 192磅 192磅 220磅 184磅2#工廠底部B底部E底部F底部D平均高度H 0.405英寸 0.411英寸 0.411英寸 0.411英寸抗墜落性平均 6.3英寸 5.75英寸 6.4英寸 6.6英寸最大 7英寸 6英寸 7英寸 8英寸最小 5英寸 5英寸 6英寸 6英寸抗彎強度平均 96.7磅/ 96.7磅/ 96.7磅/ 96.2磅/英寸2英寸2英寸2英寸2最大 97.6磅/ 97.6磅/ 97.8磅/ 96.9磅/英寸2英寸2英寸2英寸2最小 96.0磅/ 95.8磅/ 95.9磅/ 94.9磅/英寸2英寸2英寸2英寸2軸向荷載平均 224.5磅 235.4磅 232.5磅 223.6磅最大 238磅 245磅 246磅 232磅最小 218磅 227磅 180磅 209磅因為1#工廠正好在本試驗之前已在運用0.0108英寸(0.274mm)厚的金屬板，它推測對于底部幾何形狀D而言軸線荷載的減小可能是由于穩(wěn)定該過程的時間不足。因此，第二組幾何形狀D罐頭被制造并發(fā)現(xiàn)具有大致相同的抗墜落性[平均6.8英寸(172.7mm)]和抗彎強度(平均95磅/英寸2)但明顯較高的軸線荷載(平均244磅)。
通過比較底部幾何形狀D和底部幾何形狀B的試驗結果可以看出，減少穹頂半徑R6到1.45英寸(36.83mm)，在此同時增加大致平坦的中心區(qū)直徑D3到0.14英寸(3.556mm)和增加穹頂高度到0.410英寸(10.414mm)，導致在1#工廠在對抗彎強度影響甚小(小于1％)的情況下抗墜落性增大25.5％，盡管在2#工廠僅增大4.8％。還有，比較底部幾何形狀E與底部幾何形狀B的結果顯示，在不減少穹頂半徑R6情況下增大穹頂高度H實際上減小抗墜落性。
因此，根據(jù)本發(fā)明，為了最佳化罐頭，例如一個具有大約2.6英寸(66mm)側壁直徑的罐頭的底部強度，穹頂半徑R6應不大于約1.475英寸(37.47mm)，并且更適當?shù)膽谴蠹s1.45英寸(36.8mm)。此外，大致平坦中心區(qū)的直徑D3應該是至少約0.14英寸(3.6mm)，并且最好應是等于約0.14英寸(3.556mm)，而且穹頂高度應該是至少約0.41英寸(10.4mm)，并且最好應該是等于約0.41英寸(10.414mm)。
下面討論一種用來成形上文披露的罐頭底部6的最佳裝置和方法。
在傳統(tǒng)的罐頭成形過程中，金屬坯料被放置在一臺沖床中，并在其中變形為一個杯形狀。然后將該杯轉入一臺壁壓薄機并再拉伸成完工罐頭的側壁和底部的大概形狀。接著，再拉伸后的杯通過壓薄工位并最后使側壁形成為完工罐頭的最終形狀。此外，采用一個底部成形工位以便成形罐頭底部。在上文提及的美國專利No.4,685,582[普爾西安尼(Pulciani)等人]中披露的一種罐頭底部成形工位，收編在此作為參考。
如圖6所示，用來制造本發(fā)明罐頭底部6的一種裝置41包括(i)一個壓頭42，(ii)一個凸起沖頭52，下文將進一步討論，(iii)圍繞著凸起沖頭的一個大致圓筒形的沖頭套管44，(iv)一個具有上凸成形面的中心布置穹頂模具50，(v)一個支承面48，(vi)一個抽出器46，以及(vii)一個中心保持螺栓54。
在工作中，將未成形底部的金屬坯料放置在沖頭套管和凸起沖頭52上。然后壓頭42前進使沖頭套管44和凸起沖頭52朝穹頂模具50移動，以致于金屬坯料最終壓靠在穹頂模具成形面上，并被拉伸越過沖頭套管和凸起沖頭的末梢表面，如圖6中所示，借此形成罐頭底部6。
如圖6中所示，穹頂模具50具有約等于穹頂部分24曲率半徑R6的曲率半徑R′6。曲率半徑R′6從中心軸線偏移一個距離X，該距離約等于大致平坦中心區(qū)26直徑D3之半。因此，在一個本發(fā)明最佳實施例中，穹頂模具50的曲率半徑R′6應不大于約1.475英寸(37.47mm)，更適合的是約1.45英寸(36.8mm)。此外，R′6的中心應該從中心軸線移位至少約0.07英寸(1.8mm)，而且穹頂高度H應該是至少約0.41英寸(10.4mm)。
如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明，凸起沖頭52的末梢端60具有(i)一個鄰近其內壁62的曲率半徑R′3(ii)一個鄰近其外壁63的曲率半徑R′4以及(iii)一個直徑D′2。根據(jù)本發(fā)明，(i)凸起沖頭52的曲率半徑R′3和R′4等于上文討論的罐頭底部6的凸起16內表面29曲率半徑R3和R4，而且(ii)凸起沖頭直徑D′2等于上文討論的罐頭底部凸起直徑D2。因此，寧可是，鄰近其內壁62的凸起沖頭52末梢端61的曲率半徑R′3大于0.06英寸(1.524mm)。更適合的是，(i)凸起沖頭52的末梢端60由一個圓的一部分成形，以致于鄰近外壁64的曲率半徑R′4等于R′3，(ii)曲率半徑R′3也小于0.070英寸(1.778mm)，而且(iii)在制造具有202或者更小尺寸頂端的罐頭時直徑D′2不大于1.89英寸(48mm)。
權利要求
1.一種包括一個側壁(4)和一個整體底部(6)的罐頭(1)，所述底部(6)包括(i)一個從所述側壁(4)向下并向內延伸的大致截頂圓錐部分(8)；(ii)一個從所述大致截頂圓錐部分向下延伸的環(huán)形凸起部分(16)，所述凸起部分由被一個向下凸出的弧形部分(18)連接的內、外圓周延伸壁(12，13)形成，所述弧形部分(18)具有內和外表面，以及(iii)一個從所述凸起內壁向上和向內延伸的中心部分(24)，所述中心部分呈大致穹頂形狀并且向外凹陷；其特征為，鄰近所述凸起內壁的弧形部分的內表面的曲率半徑R3至少約為0.06英寸(1.524mm)，但不大于0.07英寸(1.778mm)，當罐頭(1)被一個直徑大致為2-2/16英寸(54mm)的頂端封閉，所述凸起的直徑為不大于約1.89英寸(48mm)。
2根據(jù)權利要求
1的罐頭，其特征為，所述內表面(12)的曲率半徑約R3約為0.065英寸(1.651mm)。
3根據(jù)權利要求
1的罐頭，其特征為，所述弧形部分具有一個鄰近所述外壁(13)的至少為0.06英寸(1.524mm)的曲率半徑R4。
4根據(jù)權利要求
1至3任一項的罐頭，其特征為，鄰近所述外壁的所述弧形部分曲率半徑R4等于鄰近所述內壁的所述弧形部分曲率半徑R3。
5.根據(jù)權利要求
1的罐頭，其特征為，所述弧形部分(18)在橫截面圖中是一個圓的一部分。
6.根據(jù)權利要求
1的罐頭，其特征為，所述凸起的外壁相對于側壁(4)的軸線(7)的角度β不大于約25°。
7.根據(jù)權利要求
1的罐頭，其特征為，所述凸起(16)由厚度小于0.011英寸(0.28mm)的鋁制成。
8.根據(jù)權利要求
1的罐頭，其特征為，所述內、外圓周延伸壁包括第二和第三大致為截頂圓錐的壁(12，13)，所述第二截頂圓錐壁(12)相對于軸線(7)定向在一個大約8°的角度處，所述第三截頂圓錐壁(13)相對于軸線(7)定向在一個大約25°的角度處，所述第二和第三截頂圓錐壁由一個下凸弧形部分(18)連接。
9.根據(jù)權利要求
8的罐頭，其特征為，所述第二截頂圓錐壁(12)設置成從所述第三截頂圓錐壁(13)徑向向內延伸。
10.根據(jù)權利要求
9的罐頭，其特征為，所述穹頂形狀部分(24)具有一個約1.55英寸(39.37mm)的曲率半徑。
11.根據(jù)權利要求
9或10的罐頭，其特征為，所述凸起弧形部分(18)的內表面的所述曲率半徑R3是一個第一曲率半徑并具有一個第一中心，而且所述第一截頂圓錐壁(8)包括一個具有一個第二曲率半徑R1的弧形部分(10)，所述第二曲率半徑具有一個第二中心，所述第二中心從所述第一中心沿所述軸線移位一個距離Y，所述距離和第一曲率半徑R3之和是大約0.361英寸(9.17mm)。
12.根據(jù)權利要求
11所述的罐頭，其特征為，所述第一截頂圓錐壁(8)相對于所述側壁被定向在約60°角度處。
13.一種成形罐頭(1)底部用的裝置(14)，所述罐頭底部(6)具有一個在此處形成的環(huán)形凸起(16)，所述裝置包括a)一個中心布置的模具(50)，它具有一個大致穹頂形狀并向上凸出的成形表面；b)一個可相對于所述模具運動的凸起沖頭(52)，所述凸起沖頭具有一個末梢端(61)，所述末梢端由被一個向外凸出的弧形部分(60)連接的內、外圓周延伸壁(62，63)形成；c)一個用來在所述凸起沖頭和所述模具之間引起相對運動的壓頭(42)；其特征在于所述弧形部分(60)具有一個鄰近所述內壁(62)的至少為0.060英寸(1.524mm)的曲率半徑R3，但不超過1.89英寸(48mm)，當用于制造具有尺寸為2-2/16英寸(54mm)或更小的罐頭時，直徑D2不大于約1.89英寸(48mm)。
14.根據(jù)權利要求
13的裝置，其特征在于所述成形表面具有一個不大于約1.475英寸(37.465mm)的曲率半徑R6；以及所述弧形部分為向下凸出的。
15.根據(jù)權利要求
14的裝置，其特征為，所述成形表面具有一個不大于約1.45英寸(36.83mm)的曲率半徑R6。
專利摘要
一種罐頭，它具有一個從罐頭側壁向下向內延伸的大致截頂圓錐部分，一個從大致截頂圓錐部分向下延伸的環(huán)形凸出部分，以及一個從凸起向上向內延伸的中心部分。凸起由被一個向下凸出的弧形部分連接的內、外圓周延伸截頂圓錐壁形成。凸起弧形部分的內表面具有鄰近凸部內壁的至少0.060英寸(1.524mm)的曲率半徑。具有至少約1.40英寸(35.56mm)直徑的罐頭底部中心部分包括一個基本平坦碟形中心區(qū)，以及一個具有不大于1.475英寸(37.465mm)曲率半徑的大致碟形和向下凹陷的環(huán)形部分。在一個本發(fā)明最佳實施例中，凸起的弧形部分內表面由一個圓的一部分形成并具有一個不大于約0.070英寸(1.778mm)的曲率半徑。一種用來制造該罐頭底部的裝置包括一個凸起沖頭以及一個模具，凸起沖頭的末梢端具有一個等于罐頭底部凸起曲率半徑的曲率半徑，而模具的曲率半徑等于穹頂?shù)那拾霃健?br>文檔編號B65D1/16GKCN1200847SQ99809038
公開日2005年5月11日 申請日期1999年6月2日
發(fā)明者G·－F·程, F·A·瓊斯 申請人:皇冠塞及密封技術公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan