DE3423900C2

DE3423900C2 -

Info

Publication number: DE3423900C2
Application number: DE3423900A
Authority: DE
Inventors: Keiichi Hikari Yamaguchi Jp Shimizu; Junichi Yanai Yamaguchi Jp Tanabe; Yoshikazu Kudamatsu Yamaguchi Jp Kondo
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 1983-07-28
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1987-05-27
Also published as: CA1202164A; DE3423900A1; FR2549749B1; FR2549749A1; GB8416567D0; GB2145962B; GB2145962A; JPS6258806B2; JPS6030528A; KR880000629B1; KR850001039A; US4562717A

Description

Die Erfindung betrifft einen Stempel zum Tiefziehen eines Behälters aus einer Folie nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Der Begriff "Folie" bezeichnet dabei ein Bahnenmaterial, wie Metallfolien, Bleche, Kunststoffolien, Kunststoffbahnen und laminierten Bahnen aus derartigen Materialien.

Folien, die nach dem Tiefziehen weniger als 200 µm dick sind, haben eine sehr geringe Dehnung, und es besteht die Gefahr der Ausbildung von Falten. Das Tiefziehen derartiger Folien ist daher sehr schwierig. Bei der Verpackung, beispielsweise von Nahrungsmitteln, Medikamenten und elektrischen Teilen ist die Verwendung derartiger Folien und dünner Bahnen im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit, das geringe Gewicht und die Einwegbenutzung wünschenswert.

Nach der US-PS 23 48 871 ist ein Stempel der eingangs genannten Art bekannt zum Ausbilden tassenförmiger Behälter aus bahnenförmigem, Wasser enthaltendem Papierstoff. Mit diesem bekannten Stempel wird in einer ersten Verfahrensstufe unter Verwendung einer gerippten, metallischen Rohrform ein tassenähnliches Erzeugnis ausgebildet, das in Höhenrichtung Falten aufweist. In einer zweiten Verfahrensstufe wird dann das über den Stempel gestülpte tassenähnliche Erzeugnis in eine Aufnahmeform eingeführt. In einer dritten Verfahrensstufe wird schließlich der Stempel von innen nach außen und zur Seite expandiert. Das tassenähnliche Erzeugnis wird dabei zusammengedrückt, und das im Erzeugnis enthaltene Wasser wird herausgedrückt, wodurch der Behälter mit fester Seitenwand entsteht, der beispielsweise durch Falzen abschließend bearbeitet wird.

Das statische Ziehverhältnis ist das Verhältnis, das man erhält durch Dividieren des Anfangsdurchmessers des Rohlings durch den Stempeldurchmesser Dp, d. h. Rohlingdurchmesser/Dp.

Im Hinblick auf den dynamischen Ablauf beim Ziehvorgang ist das Ziehverhältnis das Verhältnis der Festigkeit des gezogenen Materials zur erforderlichen Ziehkraft.

Die Ziehkraft setzt sich im wesentlichen aus drei Teilkräften zusammen:

a) die eine Teilkraft ist zur Schrumpfverformung des zu ziehenden Materials auf der Fläche des Gesenks 3 erforderlich; diese Teilkraft ist proportional zum Rohlingsdurchmesser;
b) die zweite Teilkraft ist die Reibungskraft zwischen der Oberfläche des Gesenks 3 und dem zu ziehenden Material sowie zwischen dem zu ziehenden Material und der Oberfläche des Rohlinghalters 2;
c) die dritte Teilkraft ist die zum Verbiegen des zu ziehenden Materials an der Gesenkschulter erforderliche Kraft.

Die Summe dieser drei Teilkräfte nimmt am Anfang des Ziehvorganges allmählich zu (aufgrund der Bearbeitungshärtung des gezogenen Materials), erreicht nach etwa halbem Ziehverlauf ein Maximum und nimmt dann allmählich ab.

Andererseits ist die für das Ziehverhältnis relevante Materialfestigkeit diejenige, die man als Produkt der Mantelquerschnittsfläche des zu ziehenden Materials mit der Zugfestigkeit erhält, d. h. Dicke × Umfangslänge × Zugfestigkeit an einem festen Punkt in Axialrichtung.

Die Folie reißt im allgemeinen an der Stelle, wo die Festigkeit minimal ist. Das praktische Ziehverhältnis, d. h. der Grenzwert des Ziehverhältnisses, hängt sowohl von der minimalen Festigkeit des Produkts als auch von der maximalen Gesamtzugkraft ab. Die Minimaldicke des Materials liegt in der Nähe von dessen Boden, insbesondere nahe dem Behälterboden in Axialrichtung des Behälters, d. h. der Zugrichtung.

Die Dicke nimmt zum offenen Ende des Behälters hin allmählich zu.

Die Materialfestigkeit variiert in der gleichen Weise wie die Dickenänderung.

Wie vorstehend ausgeführt, erhält man die maximale Zugkraft etwa in der Mitte des Ziehvorganges, der minimale Punkt der Materialfestigkeit liegt nahe dem Behälterboden, und die Wandung reißt im allgemeinen an einer Stelle, bei der das Ziehen relativ lange erfolgt und in einem Bereich nahe dem Umfang des Behälterbodens.

Es treten zwei Arten von Falten auf: die eine Faltenart wird erzeugt im Flanschbereich (nachstehend als Flansch-Falten bezeichnet), und die andere Faltenart wird im Bereich B der Wandung erzeugt (nachstehend als Wand-Falten bezeichnet).

Bei Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens kann eine Falte als ein Phänomen angesehen werden, das dann auftritt, wenn die Haltekraft senkrecht zur Oberfläche des gezogenen Materials eine Materialausbeulung nicht beschränken kann, die durch Kompressionsspannungen am Umfang verursacht wird.

Daher können Flansch-Falten durch Erhöhen der Haltekraft (nachstehend als Rohling-Haltekraft bezeichnet) zwischen dem Rohlinghalter und dem Gesenk begrenzt werden.

Die Reibung zwischen dem Rohlinghalter, dem Gesenk und der zu ziehenden Folie erhöht sich jedoch ebenfalls entsprechend der Erhöhung der Rohling-Haltekraft, und damit bilden sich leichter Wandrisse.

Es erscheint damit zweckmäßig, den anfänglichen Rohlingdurchmesser (und damit das statische Ziehverhältnis) um das Äquivalent der Rohling-Haltekraft-Zunahme zum Beschränken der Falten zu reduzieren. Es ist jedoch bekannt, daß eine Verbesserung der Faltenbildung und des Ziehverhältnisses nicht gleichzeitig in dieser Weise erreicht werden kann.

Andererseits hängen die Bildung und der Grad der Wand-Falten vom Zwischenraum zwischen dem Stempel und dem Gesenk ab. Wenn der Zwischenraum größer ist, so ergeben sich auch mehr und größere Wand-Falten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Stempel zum Tiefziehen eines Behälters aus einer Folie in einem sich in Ziehrichtung verengenden Gesenk zu schaffen, mit dem sich gleichzeitig das Ziehverhältnis verbessern und die Faltenbildung im Behälter bei dessen Herstellung verringern läßt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Mit dem erfindungsgemäßen Stempel lassen sich beim Tiefziehen auch bei großen Ziehverhältnissen Faltenbildungen im Behälter verhindern.

Der erfindungsgemäße Stempel wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt des Stempels vor dem Tiefziehen einer Folie,

Fig. 2 den Längsschnitt nach Fig. 1 etwa in der Mitte des Tiefziehvorganges,

Fig. 3 den Längsschnitt nach Fig. 1 am Ende des Tiefziehvorganges,

Fig. 4 einen Längsschnitt des Stempels gemäß einer anderen Ausführungsform mit einem starren Werkzeug,

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Unterschiedes zwischen der Ziehgeschwindigkeit an der Außenseite des Stempels und der an der Innenseite der zu ziehenden Folie,

Fig. 6 die Hälfte eines Querschnittes des Stempels gemäß Fig. 1 entlang der Linie VI-VI,

Fig. 7 die Hälfte eines Querschnittes des Stempels gemäß Fig. 3 entlang der Linie VII-VII und

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der auf den elastischen Zylinderkörper einwirkenden Kräfte.

Der Stempel weist einen elastischen Stempelkörper 5 mit einem nach unten offenen Hohlraum 6 an seinem freien Ende, einen fesren oder starren Kern 7, der sich durch den Stempelkörper 5 erstreckt, und gegebenenfalls am unteren Ende des Kerns 7 ein starres oder festes Werkzeug 8 zum Ausbilden eines Behälterbodens auf.

Mit einem derartigen Stempel können Folien 4 in einem Gesenk 3 tiefgezogen werden, das in Ziehrichtung konvergiert, d. h. einen positiven Gesenkwinkel R₁ aufweist. Die Reibung zwischen dem Stempelkörper 5 und der Innenseite der Folie 4 wird beim Ziehen ausgenutzt.

Falten werden zunehmend eliminiert, wenn der Hohlraum 6 so geformt ist, daß sein Volumen unmittelbar vor dem Ende des Ziehhubs Null wird.

Bei elastischer Ausbildung des Stempelkörpers 5 ist der Außendurchmesser im ungespannten Zustand etwa gleich dem Innendurchmesser der Mündung des Gesenks 3 (vgl. Fig. 1) oder sogar geringfügig größer als diese. Wenn der Winkel R₁ positiv ist, schreitet jeder Punkt m entlang dem Stempelkörper 5 und jeder Punkt n entlang der Innenseite der zu ziehenden Folie 4 mit unterschiedlichen Vorwärtsgeschwindigkeiten voran; diese Punkte entlang der Wandungsoberfläche etwa in der Mitte des Ziehvorganges sind in Fig. 7 dargestellt.

Beim fortschreitenden Ziehen ergibt sich ein Schlupf zwischen dem Punkt m und dem Punkt n. Dadurch ergibt sich eine Reibung in Richtung des Pfeils 10 oder 11 entsprechend der Schlupfrichtung auf der Innenseite der Folie 4.

Wenn die Reibung in Richtung des Pfeils 10 wirkt, wird die Belastung des Folienabschnitts nahe des Umfangs des Behälterbodens, wo die Materialfestigkeit am geringsten ist, reduziert; dies bewirkt eine Verbesserung des Ziehverhältnisses.

Wenn andererseits die Reibung in Richtung des Pfeils 11 wirkt, wird das mögliche Ziehverhältnis reduziert. Der Schlupf zwischen den Punkten m und n kann besser im Zusammenhang mit Fig. 5 verstanden werden.

Mit fortschreitendem Stempelkörper 5 in den Hohlraum des Gesenks 3 wird die Folie 4 in Arbeitsrichtung, insbesondere die Behälterhöhe, länger, da die Folie 4 deformiert wird, während der Oberflächenbereich fast konstant gehalten wird.

Daher unterscheidet sich die Vorwärtsgeschwindigkeit des Wandabschnitts der Folie 4 entsprechend der Position in Axialrichtung. Die Genauigkeit am freien Ende des Behälters ist am größten, und am rückwärtigen Ende ist sie am geringsten. Andererseits wird der Stempelkörper 5 deformiert, während das Volumen fast konstant gehalten wird, und die Vorwärtsgeschwindigkeit differiert entsprechend der Position in Axialrichtung.

Die relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Folie 4 und dem Stempelkörper 5 ändert sich entsprechend der Position in Axialrichtung, dem Außendurchmesser des Stempelkörpers 5, dem Gesenkwinkel R₁ usw. Diese Tatsache kann durch Versuche oder Berechnungen bestätigt werden.

Zum Ausnutzen der Reibung während des tatsächlichen Ziehvorganges muß die Reibung in Richtung des Pfeils 10 auf der Innenseite der Folie 4 in Fig. 2 wirken, d. h. der Stempelkörper 5 muß schneller fortschreiten als die Wand der Folie 4. Dies mag zunächst physikalisch unmöglich erscheinen. Da jedoch die Geschwindigkeit der Wand der Folie 4 ist im Verhältnis zum Abstand vom freien Ende, kann erwartet werden, daß die Reibung einwirkt, wenn die Geschwindigkeit des Stempelkörpers 5 fast gleich der Geschwindigkeit der Folienspitze während des Ziehens gehalten werden kann.

Beim Eindringen des Stempelkörpers 5 in den Gesenkhohlraum wirkt die in Fig. 8 dargestellte Kraft P senkrecht zur Oberfläche des Stempelkörpers 5. Diese Kraft P kann in eine Axialkraft P 1 und in eine Radialkraft P 2 zerlegt werden. Die Axialkraft P 1 verformt den Stempelkörper 5 in Axialrichtung, während die Radialkraft P 2 den Stempelkörper 5 in Radialrichtung verformt.

Beim Eindringen des Stempelkörpers 5 in das Gesenk 3 mit positivem Gesenkwinkel R₁, d. h. mit einem Durchmesser der Gesenköffnung, der größer ist als der Innendurchmesser, erhält man fortschreitend ein Überschußvolumen des Materials des Stempelkörpers 5.

Das Überschußvolumen des Materials muß durch Deformation in Radial- oder in Axialrichtung ausgeglichen werden. Die rückwärtige Verformung in Axialrichtung gesehen muß vermieden werden, um eine Reibung zu erreichen. Im Rahmen zahlreicher Experimente hat sich ergeben, daß die Verformungsrichtung erheblich durch die Form des Stempelkörpers 5 beeinflußt wird und daß die Reibung nur dann zufriedenstellend eingesetzt werden kann, wenn der Stempelkörper 5 einen Konuswinkel R₂ in Fig. 1 von 0° bis 20° aufweist.

Die Größe dieses Winkels R₂ sowie das vom Stempelkörper 5 umgebene Hohlraumvolumen hängen voneinander ab. Daher muß das Hohlraumvolumen entsprechend der Größe des Winkels R₂ bestimmt werden, so daß das Hohlraumvolumen unmittelbar vor dem Ende des Hubs Null wird.

Der Zweck des Hohlraums 6 im Boden des Stempelkörpers 5 ist es, eine stärkere Deformation in Radialrichtung als in Axialrichtung zu ermöglichen.

Das Hohlraumvolumen wird entsprechend den Abmessungen des Gesenks 3 und des Stempels so ermittelt, daß das Hohlraumvolumen unmittelbar vor dem Ende des Hubs Null wird.

Wenn das Werkzeug 8 zum Ausbilden eines Behälterbodens erforderlich ist, müssen die relative Position der Rückfläche 14 des Werkzeugs 8 und des Vorderendes 13 des Stempelkörpers 5 so bestimmt werden, daß der Kontakt zwischen der Rückfläche 14 und dem Vorderende 13 nicht zu stark ist, da eine zu starke Berührung die Verformung des Stempelkörpers 5 in Radialrichtung verhindern würde.

Der Stempelkörper 5 ist so gehaltert, daß er sich nicht relativ nach rückwärts im Vergleich mit der Bewegung des Vorderendes 13 des Werkzeugs 8 bewegt. Hierfür ist ein starrer Träger 12 vorgesehen, der am Kern 7 befestigt ist.

Die Wanddicke des Stempelkörpers 5 in Radialrichtung wird ermittelt aufgrund der folgenden Parameter: der Reibungskraft durch den Druck auf der Innenseite der zu ziehenden Folie 4, der Verformbarkeit des Stempelkörpers 5 in Radialrichtung gegenüber der in Axialrichtung, der Größe der Faltenrückhaltekraft am Ende des Hubs, der Lösbarkeit beim Abziehen des tiefgezogenen Produkts vom Stempel nach dem Tiefziehen und der Art der zu ziehenden Folie 4. Die radiale Querschnittsfläche des Stempelkörpers 5 nimmt vom unteren oder freien Ende zum anderen Ende hin zu. Der Stempelkörper 5 muß das Gesenk 3 während des Ziehvorganges so früh wie möglich berühren, und daher ist es wünschenswert, daß der Durchmesser des Stempelkörpers 5 am Vorderende 13 fast gleich dem Durchmesser der Gesenkmündung ist.

Der von dem Hohlraum 6 umgebene Kern 7 hat folgenden Zweck:
Die Größe der Reibungskraft zwischen dem Stempelkörper 5 und der Innenseite der Folie 4 ist proportional zur Größe des auf die Innenseite der Folie 4 durch den Stempelkörper 5 einwirkenden Drucks, d. h. proportional zur Wanddicke des Stempelkörpers 5 in Radialrichtung.

Wenn daher die Reibung in Richtung des Pfeils 10 in Fig. 2 wirkt, sollte selbst bei großer Wanddicke diese Dicke für die Verbesserung des Ziehverhältnisses groß sein.

Die Verformbarkeit in Axialrichtung im Vergleich zu der in Radialrichtung nimmt proportional zur Wanddicke des Stempelkörpers 5 zu, und die Schwierigkeiten beim Abnehmen des gezogenen Behälters vom Stempel nehmen ebenfalls zu. Daher sollte die Wanddicke des Stempelkörpers 5 nicht zu groß sein. Die Wanddicke des Stempelkörpers 5, die zur Verbesserung des Ziehverhältnisses und zum Abnehmen des gezogenen Behälters bevorzugt ist, entspricht jedoch nicht immer der am besten geeigneten Dicke bezüglich der Verhinderung von Falten. Ohne Verwendung des Kerns 7 können Falten nicht vollständig verhindert werden.

Wenn das Hohlraumvolumen um den Kern 7 unmittelbar vor dem Ende des Ziehhubs Null wird, wirkte der zur Härte des Stempelkörpers 5 direkt proportionale Druck auf die Innenseite der Folie 4, von dem Punkt aus, wo das Hohlraumvolumen am Ende des Hubs Null wird und kann sogar Falten wieder beseitigen, die sich bereits gebildet haben.

In den Fig. 6 und 7 bedeuten f den Durchmesser des Kerns 7, g den Durchmesser des Hohlraums 6 in Fig. 1, h den Durchmesser des Stempelkörpers 5 in derselben Position und h′ den Durchmesser des Stempelkörpers 5 in Fig. 3.

Macht man den Bereich X des Hohlraums in Fig. 1 geringfügig kleiner als den Bereich Y innerhalb der gestrichelten Linie in Fig. 7, d. h. die Größe des Körperumfangs vermindert sich, so wird der Hohlraum 6 unmittelbar vor dem Ende des Hubs Null. Wie für die Beziehung zwischen der Wanddicke des Stempelkörpers 5 und der Beseitigung von Falten ergibt sich aus dem Hooke'schen Gesetz, daß die Beseitigung von Falten umgekehrt proportional ist zur Wanddicke des Stempelkörpers 5, wenn das Hohlraumvolumen Null wird. Während also zur Verbesserung des Ziehverhältnisses und der Lösbarkeit des gezogenen Behälters vom Stempel die Wanddicke möglichst klein sein sollte, erreicht man durch den Kern 7 eine bessere Beseitigung der Falten.

Da in der Nähe des Hubendes die maximale Ziehkraft bereits überschritten ist, beeinflußt der Punkt, an dem das Hohlraumvolumen Null wird, nicht das Ziehverhältnis.

Beim Ziehen mit dem Stempelkörper 5 ist dessen Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Gesenks 3, und daher kann das Abziehen des gezogenen Behälters unter bestimmten Umständen problematisch werden. Daher dient zum Ausbilden des Behälterbodens das Werkzeug 8 als Hilfselement, um das Ablösen zu erleichtern und den Behälterboden mit vorgegebenen Abmessungen fertigzustellen.

Wenn das Werkzeug 8 vorgesehen ist, so sollte dessen Dicke so gering wie möglich sein, so daß der Stempelkörper 5 so früh wie möglich während des Ziehvorganges komprimiert wird.

Der Kontakt zwischen der Rückfläche 14 des Werkzeugs 8 und dem Vorderende 13 des Stempelkörpers 5 sollte nicht zu stark sein.

Spezielle Ausführungsbeispiele werden nachstehend in Verbindung mit Tabelle I und Fig. 1 erläutert.

Die Abmessungen des Stempels bei den Experimenten sind in Fig. 1 dargestellt: b=33 mm, c=50 mm, d=30 mm, e=33 mm, f=2×a und R₁=8°. Die anderen Abmessungen R₂ und a werden gemäß Tabelle I variiert; ferner sind dort noch die Folienparameter angegeben. Die Ziehverhältnisse und die Art der Wand-Falten sind für jeden Stempel und jedes Material angegeben.

Alle Stempel hatten ein starres Werkzeug 8 am Vorderende 13 des Kerns 7. Ein Rohlinghalter 2, das Gesenk 3 und der Kern 7 bestanden aus Werkzeugstahl. Der Stempelkörper 5 bestand aus Urethan-Gummi mit 90° Härte (gemessen nach ASTMD 2240 mit Durometer A).

Die Stempel mit den Nummern 5 bis 7 in Tabelle I sind zum Vergleich angegeben.

Das Volumen des Hohlraums 6 bei den Stempeln 1 bis 4 ist so bemessen, daß es unmittelbar vor dem Ende des Hubs Null wird. Die Überlegenheit bzw. die Unterlegenheit der Stempel wird aufgrund der ermittelten Ziehbarkeit, insbesondere des begrenzenden Ziehverhältnisses, und der Faltenbildung bestimmt.

Aus Tabelle I ergibt sich, daß die Stempel 7 und 5 hinsichtlich Ziehverhältnis und Faltenbildung nur schlechte Ergebnisse zeigen.

Der Stempel Nr. 7 ist ein starres Werkzeug. Der Stempel Nr. 5 ist mit einem Hohlraum 6 in dem Stempelkörper 5 versehen, jedoch beträgt der Winkel R₂ zwischen der Mantelfläche des Stempelkörpers 5 und der Achse des Ziehstempels -5°C (d. h. der Außendurchmesser des Stempelkörpers 5 nimmt in Richtung vom freien Ende zum rückwärtigen Ende - oder oberen Ende in der Zeichnung - ab).

Die Stempel Nr. 6 sind mit einem Stempelkörper ohne Hohlraum 6 versehen. Diese Stempel verhindern relativ gut die Ausbildung von Falten, haben jedoch ein niedriges Ziehverhältnis.

Die Stempel 1 bis 4 haben sowohl verbesserte Ziehverhältnisse als auch gute Eigenschaften zur Verhinderung von Faltenbildung, sind also den bekannten Stempeln 5 bis 7 deutlich überlegen.

Tabelle I

Claims

1. Stempel zum Tiefziehen eines Behälters aus einer Folie in einem sich in Ziehrichtung des Stempels verengenden Gesenk
mit einem starren Kern (7),
mit einem den Kern (7) umgebenden elastischen Stempelkörper (5), der an seinem dem Gesenk (3) zugewandten freien Vorderende (13) seinen kleinsten Durchmesser aufweist, mit seiner Mantelfläche unter einem positiven Winkel zur Längsachse des Stempels verläuft und mit einer vom Vorderende zum Hinterende zunehmenden radialen Querschnittsfläche ausgebildet ist, und
mit einem den Stempelkörper (5) an dessen Hinterende haltenden starren Träger (12),
dadurch gekennzeichnet, daß der Stempelkörper (5) im Inneren einen um den Kern (7) angeordneten, zum Vorderende des Stempelkörpers (5) hin offenen Hohlraum (6) aufweist, der bei dem Tiefziehen zusammendrückbar ist, wobei unmittelbar vor dem Ende des Tiefziehhubes das Volumen des Hohlraumes (6) Null wird.

2. Stempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Tiefziehhub der Außendurchmesser des Stempelkörpers (5) an seinem Vorderende fast gleich dem dem Stempel zugewandten Mündungsdurchmesser des Gesenks (3) oder geringfügig größer als der Mündungsdurchmesser ausgebildet ist.

3. Stempel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des Kerns (7) ein starres Werkzeug (8) zum Ausformen des Behälterbodens befestigt ist, wobei das Vorderende (13) des Stempelkörpers (5) entlang der zugeordneten Rückfläche (14) des Werkzeuges (8) frei beweglich ist.