金属缶胴の製造方法
【課題】板厚の薄い金属板を素材とする場合でも、適正な形状の角筒型缶胴を効率的に製造することができる金属缶胴の製造方法を提供する。
【解決手段】金属板の円筒体aを被成形材とし、コーナー状の加工面を有するとともに、該加工面の先端部分が断面円弧状に構成された外型4と、先端に断面円弧状の加工面を有する内型3とにより、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型4により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する角筒型缶胴Aの製造方法であって、外型加工面40の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面40の開角θ（°）、外型加工面40の先端部分の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面30の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が特定の関係を満足する条件で、外型4と内型3による缶胴の成形を行う。
【解決手段】金属板の円筒体aを被成形材とし、コーナー状の加工面を有するとともに、該加工面の先端部分が断面円弧状に構成された外型4と、先端に断面円弧状の加工面を有する内型3とにより、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型4により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する角筒型缶胴Aの製造方法であって、外型加工面40の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面40の開角θ（°）、外型加工面40の先端部分の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面30の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が特定の関係を満足する条件で、外型4と内型3による缶胴の成形を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角筒型の金属缶胴の製造方法に関するもので、特に、極薄金属板を素材とする角筒型缶胴を得るのに好適な製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角筒型の容器は、例えば、複数個の容器を箱に詰めて梱包したり、店頭で陳列する際などに、容器間の空隙を小さくできるため、省スペースの点で有利である。内容量が４００ｍＬ程度以下の飲料容器の場合、従来、こうした角筒型容器の素材には紙が用いられてきた。紙製の容器は軽いという利点がある反面、強度が小さく、圧迫や落下で容易に変形してしまう欠点がある。
一方、飲料容器には金属缶が広く用いられている。金属は紙に較べて強度が高く、容器の変形に対して有利である。但し、従来では角筒型の飲料容器の素材として金属が用いられることは殆どなかった。これは、金属缶が紙製容器に較べて重いことが一因であると考えられる。金属缶を軽くするには、素材金属板の板厚を薄くすることが有効である。
【０００３】
特許文献１には、板厚を薄くした素材を用いて角筒型の金属缶を成形する方法が示されている。この方法では、所定寸法に剪断された長方形の素材をシーム溶接により円筒素体とし、これを角出しする（角部の成形）ことで角筒とする。角出しは成形すべき角部の数に対応した複数組の内型と外型を用いて行い、さらに角部に溝付けを行う。この方法により、板厚０．１ｍｍまでの鋼板を角筒型の金属缶に成形できるとしている。
また、特許文献２には、缶胴の側壁部に内方に凹んだ凹部を形成した角缶およびその成形方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−３４８９１号公報
【特許文献２】特開２００２―２１１５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法について、本発明者らが板厚０．１ｍｍの極薄鋼板を用いて実験を行った結果、以下に述べるような不具合が生じることが判った。まず、角出しおよび溝付けを行うと、溝付け部分に破断が生じた。この破断は溝付け部分に生じたことから、溝付けを行わないで成形したところ、角部は所定の角度（概ね９０°）にならず、結果として側壁部が筒の外側に向けて湾曲した形状となり、適正な形状の角筒にはならないという結果が得られた。すなわち、４つの角部と側壁部を備えた角筒を成形するに当たり、図３（缶胴を高さ方向から見た平面図）に示すように、側壁部１が概ね平面で且つ角部２の角度α（コーナー角度）が概ね９０°である形状を得ようとしたが、実際には、図４（缶胴を高さ方向から見た平面図）に示すように、側壁部１が外側に湾曲し、且つ角部２の角度αが９０°よりも相当程度大きくなり、角筒としての適正な形状が得られないことが判った。このような形状では、容器間の空隙を小さくできるという角筒型容器としての利点が得られない。ここで、上述した角部２の角度αは以下のように定義される。すなわち、図１９に示すように、角部２の曲率半径ｂを持ち且つ角部２に接する円２０（仮想円）を想定し、円２０と角部２とが乖離する点２１，２２における円２０の接線２３，２４を定めた時、この接線２３と接線２４の成す角度を角部２の角度αとする。
【０００６】
また、特許文献２のように、缶胴の側壁部に内方に凹んだ凹部を形成することにより、側壁部の外側への湾曲は回避できるが、側壁部を内方に凹んだ形状にすると角缶の内容量を減少させることになる。特許文献１や特許文献２が対象としているのは、１８Ｌ缶などのような比較的内容量が多い缶であるため、側壁部の内方への凹みによる内容量の減少は大きな問題にはならないとも考えられるが、本発明が主たる対象とする内容量４００ｍＬ程度の比較的内容量の少ない缶では、側壁部の内方への凹みによる内容量の減少は看過できないものである。また、特許文献２の方法は、角筒に成形した後、さらに成形を行って側壁部に凹部を形成するものであるため、缶胴の成形工程が増え、製造コストが高くなる。
以上のように、板厚の薄い金属板を素材とする角筒型缶胴の製造技術は、未だ確立されていない。
したがって本発明の目的は、板厚の薄い金属板を素材とする場合でも、適正な形状の角筒型缶胴を効率的に製造することができる金属缶胴の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］金属板の円筒体を被成形材とし、コーナー状の加工面を有するとともに、該加工面の両先端部分が断面円弧状に構成された外型と、先端に断面円弧状の加工面を有する内型とを用い、円筒体内側に位置する内型と円筒体外側に位置する外型とにより、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する角筒型缶胴の製造方法であって、
外型加工面の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面の開角θ（°）、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が下記（1）式および（2）式を満足する条件で、前記外型と内型による缶胴の成形を行うことを特徴とする金属缶胴の製造方法。
【数１】
［2］上記［1］の製造方法で得られた金属缶胴の少なくとも一方の端部に蓋を固定し、金属缶とすることを特徴とする金属缶の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、板厚の薄い金属板を素材として、側壁部が概ね平面で且つ角部の角度（コーナー角度）が概ね９０°となる適正な形状の角筒型缶胴を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の製造方法の実施状況の一例を示すもので、（イ）は成形前、（ロ）は成形中、（ハ）は成形後の各状態を示す平面図
【図２】本発明で用いる外型および内型の構造を示す平面図
【図３】角筒型缶胴の成形工程により得られる適正な缶胴形状（高さ方向から見た缶胴の平面形状）を示す説明図
【図４】角筒型缶胴の成形工程により得られる不適正な缶胴形状（高さ方向から見た缶胴の平面形状）を示す説明図
【図５】特許文献１の方法において、角部の溝付けを行わずに角付けする成形試験を行った際の成形前の材料（円筒体）と成形手段（内型、外型）を示すもので、缶胴を高さ方向から見た平面図
【図６】図５の成形試験で用いた１組の内型と外型を示す平面図
【図７】特許文献１の方法において、角部の溝付けを行わずに角付けする成形試験を行った際に得られた缶胴角部の角度αを、内型加工面の曲率半径ｒとの関係で示すグラフ
【図８】図７の成形試験において、缶胴角部の角度αが９５°以上となった現象を説明するための説明図
【図９】図７の結果をσ・ｒ／（１０００・ｔ）と缶胴角部の角度αとの関係で整理したグラフ
【図１０】本発明を得るために行った缶胴の成形試験において使用した内型と外型を示す平面図
【図１１】図１０に示す内型と外型を用いた成形試験で得られた角筒型缶胴の形状を示す説明図
【図１２】外型加工面の開角θを４５〜９０°として缶胴の成形を行った際に得られた缶胴角部の角度αを、外型加工面の開角θとの関係で示すグラフ
【図１３】図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが９０°となる条件を外型加工面の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したグラフ
【図１４】外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒを４〜１６ｍｍとして缶胴の成形を行った際に得られた側壁部の変位量ｈを、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒとの関係で示すグラフ
【図１５】図１４の結果に基づき、側壁部の変位量ｈが０ｍｍとなる条件を外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒと（ｔ・１０４）／σとの関係で整理したグラフ
【図１６】図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°となる条件を外型加工面の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したグラフ
【図１７】図１４の結果に基づき、側壁部の変位量ｈが±１ｍｍとなる条件を外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒと（ｔ・１０４）／σとの関係で整理したグラフ
【図１８】特許文献１の方法において、角部の溝付けを行う成形手段（内型、外型）の断面図
【図１９】角部の角度αを定義するための説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の角筒型缶胴の製造方法では、金属板の円筒体を被成形材とし、この円筒体内側に位置する内型と円筒体外側に位置する外型とにより、角筒の角部となるべき筒体部分を挟圧して角部の成形を行う。
図１は、本発明の製造方法の実施状況の一例を示すもので、（イ）は成形前、（ロ）は成形中、（ハ）は成形後の各状態を示す平面図である。図において、ａは被成形材である円筒体であり、円筒状に変形させた長方形の金属板の対向する両端縁部をシーム溶接などにより接合して得られたものである。Ａは成形された角筒である。３は円筒体ａの内側に位置する内型、４は円筒体ａの外側に位置する外型であり、この内型３と外型４を対とする成形型が４組備えられ、これらにより成形手段が構成されている。
【００１１】
図２は、１組の内型３と外型４を示す平面図である。
前記外型４は、所定の開角θを有するコーナー状（水平方向断面でコーナー状）の加工面４０を有するとともに、この加工面４０の両方の先端部分４００（コーナーの開放端部分）が断面円弧状に構成されている。成形時には、この外型４の加工面４０が缶胴角部２の外面側を拘束するとともに、隣り合う２つの外型４の加工面４０が１つの側壁部の外面側を半分（半幅）ずつ拘束する。前記内型３は、先端に所定の曲率半径ｒを有する断面円弧状（水平方向断面で円弧状）の加工面３０を有し、成形時には、この加工面３０が缶胴角部の内面側を拘束する。
外型４と内型３による缶胴の成形では、材料が内型３の円弧状の加工面３０の２点と外型４の加工面４０との間で挟圧されつつ、内型３の加工面３０に沿って曲げられる結果、缶胴の各角部が成形され、同時に、隣り合う２つの外型４の加工面４０（先端部分４００を含む加工面）により角筒の側壁部となる円筒体部分が円筒体内側方向に押圧され、側壁部が成形される。
なお、内型３と外型４の好ましい形態については、後に詳細に説明する。
【００１２】
本発明の製造方法では、図１（イ）に示すように、円筒体ａの周方向で等間隔となるように、円筒体ａに対して４組の内型３・外型４を配した状態で、図１（ロ）に示すように、これら４組の内型３と外型４により、角筒の角部となるべき円筒体部分を挟圧して角部の成形を行うとともに、外型４により角筒の側壁部となるべき円筒体部分を円筒体内側方向に押圧し、側壁部の成形を行う。これにより図１（ハ）に示すような角部２と側壁面１を有する角筒Ａが得られる。
本発明では、このような成形工程において、外型加工面４０の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面４０の開角θ（°）、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒ、内型加工面３０の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が後述する（1）式および（2）式を満足する条件で成形を行うものである。以下、そのような本発明の製造方法の詳細と、本発明に至った検討の結果について説明する。
【００１３】
本発明者らは、特許文献１の方法により極薄鋼板を成形した場合、上述したように溝付けで破断が生じ、また、側壁面が缶胴の外側に向けて湾曲し、適正な形状の角筒とはならない理由について詳細に検討した。
まず、溝付けで破断が生じるのは、以下のような理由によるものと考えられる。特許文献１の方法における溝付けは、図１８に示すように外型１１に備えられたポンチ１２と、内型１０に備えられた凹部１３で材料１４（金属板）を成形することにより行われる。この際、内型１０で拘束された材料１４がポンチ１２で凹部１３内に押し込まれ、伸ばされることになる。材料１４がこのような成形に耐え得る十分な伸びを備えていれば問題はないが、伸びが劣る場合は材料が成形に耐えられず、破断に至ると考えられる。材料の伸びは、その化学成分、製造方法、金属組織などで決まる材質的特性であるが、一方で板厚に大きく影響され、板厚が薄いほど伸びは低くなる。従来、製缶分野では用いられてこなかった板厚０．１ｍｍ程度の極薄鋼板は、それよりも板厚が厚い鋼板に較べて、材質的特性が同等であったとしても伸びは低い。そのため、溝付け部分で破断が生じたものと考えられる。
【００１４】
材料の破断は、飲料容器では内容物の漏洩に結びつくため、あってはならない現象である。よって、破断の原因である溝付けは行わないことが望ましい。そこで、溝付けを行わずに、内型と外型で角出しする実験を行った。
この実験では、表１に示す板厚ｔと降伏強度σを有する供試材Ａ〜Ｄ（錫めっき鋼板）を用いた。供試材をシーム溶接により外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体ａとし、この円筒体ａに対して、図５のように配置した内型５（先端に断面円弧状の加工面５０を有する内型）と外型６（コーナー状の加工面６０を有する外型）により角部を成形し、角筒型の缶胴とした。図６に示す外型６の加工面６０の開角βについては、特許文献１には記述されていないが、同文献の図面を測定するとそれぞれ９０°であるため、ここでも同様とした。また、図６に示す内型５の加工面５０の曲率半径ｒについては、特許文献１では１８Ｌ缶に対して２２ｍｍが例示されているが、本発明は主に小型の４００ｍＬ以下程度の缶を想定しているため、サイズの相違を考慮して本実験では２〜８ｍｍとした。４組の内型５・外型６は、各々の組が円筒体ａの周方向において等間隔となるように配置した。成形後の缶胴について、その角部２の角度α（コーナー角度）を測定した。
【００１５】
【表１】
【００１６】
その缶胴角部２の角度αを内型加工面５０の曲率半径ｒで整理した結果を図７に示す。同図によれば、缶胴角部２の角度αは９５°以上となっており、いずれの条件でも側壁面１が筒の外側に向けて湾曲し、適正な形状の角筒とはならかった。この理由は以下のように考えられる。本実験における成形の概要を図８に示す。図８（イ）に示すように円筒体（被成形材）が内型５と外型６とで挟圧されると、型が接している間は角筒Ａの側壁面１は平面状に保たれ、角部２の角度は外型加工面６０の開角βに沿って９０°となる。しかし、図８（ロ）に示すように成形後に型から開放された缶胴Ａでは、角部２がスプリングバックで開くことで、その角度αが９５°よりも大きくなり、これによって側壁面１が筒の外側に向けて湾曲した状態となる。特許文献１の方法では、溝付けすること、すなわち小さい曲率半径の２つの内型先端部（加工面）で２箇所の曲げを行うことになるため、その効果で角部２のスプリングバックが抑制されるものと考えられる。
【００１７】
したがって、側壁面の湾曲を抑制するためには、型から開放された後の缶胴角部の角度αを９０°に近づければよいことになる。そこで、角度αを制御する方法を見出すべく、前記実験結果を改めて検討すると、材料の降伏強度σが大きいほど、また、内型加工面の曲率半径ｒが大きいほど、さらに、材料の板厚ｔが小さいほど、角度αは大きくなる。つまり、缶胴角部の角度αは材料の降伏強度σと内型加工面の曲率半径ｒに比例し、材料の板厚ｔに反比例する。そこで、上述した実験結果について、σ・ｒ／（１０００・ｔ）と缶胴角部の角度αとの関係を整理したものが図９である。ここで、板厚ｔに１０００を乗じたのは、σ・ｒ／（１０００・ｔ）の絶対値を角度αと同程度の大きさの値とすることで、計算を簡易にするためである。図９によれば、缶胴角部の角度αはσ・ｒ／（１０００・ｔ）を指標とすることで統一的に整理できることが判る。つまり、缶胴角部の角度αを制御するためには、材料の降伏強度σ、板厚ｔ、内型加工面の曲率半径ｒの関係を調整すればよいことが判る。
【００１８】
缶胴角部の角度αを小さくするには、材料の板厚ｔが厚く、降伏強度σが低く、内型加工面の曲率半径ｒが小さいほどよい。しかし、本発明が目指す軽量の缶体を得るためには、材料の板厚ｔは薄いほうがよく、概ね０．１０〜０．１５ｍｍ程度が望ましい。また、缶体の強度を確保する観点から薄い板厚を補うために材料の降伏強度σは高い方がよく、３００〜７５０Ｎ／ｍｍ２程度が望ましい。また、内型加工面の曲率半径ｒは、内型が接触する際に材料に損傷を与えないために大きい方がよく、概ね２ｍｍ以上が望ましい。このように、材料の板厚ｔ、降伏強度σおよび内型加工面の曲率半径ｒの望ましい条件は、いずれも缶胴角部の角度αを小さくして９０°に近づけるために必要な条件とは相反する関係にある。しかも、そのような望ましい板厚ｔ、降伏強度σおよび内型加工面の曲率半径ｒの範囲で得られる缶胴角部の角度αは、図７の実験結果では最低でも９５°である。
【００１９】
そこで、本発明者らは外型加工面の開角θに着目し、この開角θをより小さい角度とすることで、缶胴角部の角度αを９０°にすることができると考え、これに基づき成形方法について検討を行った。その結果、図１０に示すような、開角θが９０°未満のコーナー状の加工面４０を有するとともに、この加工面４０の先端部分４００が断面円弧状に構成された外型４と、先端に断面円弧状の加工面３０を有する内型３とを用い、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型４により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する方法を創案した。この成形方法は、角筒の角部を外型４と内型３に拘束された状態で９０°未満の角度になるように成形し、スプリングバック後に角部の角度が概ね９０°となるようにするものであり、角部の成形と側壁部の矯正とが一工程で達成される。この方法の有効性を確認するため、以下のような実験を行った。
【００２０】
表２に示す板厚ｔと降伏強度σを有する供試材（ｉ）〜（iv）（錫めっき鋼板）を用い、この供試材をシーム溶接して外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体とし、この円筒体に対して図１０に示すような内型３と外型４を用いて缶胴の成形を行った。この実験では、内型加工面３０の曲率半径ｒを２ｍｍ、４ｍｍとし、外型加工面４０の開角θを４５〜９０°、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒを４ｍｍとして缶胴の成形を行った。この実験で得られた外型加工面４０の開角θと缶胴角部の角度αとの関係を図１２に示す。同図に示されるように、外型加工面４０の開角θを適切に設定することで、缶胴角部の角度αを９０°に近い値とすることができる。
【００２１】
【表２】
【００２２】
外型加工面４０の適切な開角θは、表２の（i）〜（iv）の条件によって、つまり材料の板厚ｔ、降伏強度σおよび内型加工面の曲率半径ｒの組み合わせによって異なる。そこで、図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが９０°となる条件を外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したものが図１３である。すなわち、図１３に示される外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係を満足する条件で缶胴の成形を行うことにより、缶胴角部の角度αが９０°で側壁面が平面状の缶胴が得られる。
【００２３】
図１２および図１３の（i）〜（iv）はそれぞれ表２の供試材に対応する。図１３に示されるように、外型加工面４０の開角θを適切に設定することで、缶胴角部の角度αを９０°に近い値とすることができる。ただし、図１１に示すように、単に内型３と外型４で角部と側壁部を成形しただけでは、缶胴角部の角度αを９０°に近い値とすることができても、特許文献２のように側壁部が内側に凹んだ形状となり（図１１中のｈ：凹みによる側壁部中央部の変位量）、望ましくない。そこで、このような側壁部の形状不良を生じない成形条件について検討した結果、外型加工面４０の形状を最適化すればよいことが判った。
【００２４】
表３に示す板厚ｔと降伏強度σを有する供試材（ｖ）〜（vii）（錫めっき鋼板）を用い、この供試材をシーム溶接して外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体とし、この円筒体に対して図１０のように配置した内型３と外型４を用いて角部と側壁部を成形し、角筒状の缶胴とした。内型加工面３０の曲率半径ｒと外型加工面４０の開角θを表３に示す値とし、且つ外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒを４〜１６ｍｍとした。成形後の缶胴を型から開放し、側壁部の中央部での変位量ｈ（図１１参照）を測定した。外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと側壁部の中央部での変位量ｈとの関係を図１４に示す。図１４の側壁部の変位量ｈは、缶内側への凹みの場合をプラス、缶外側への張り出しの場合をマイナスとして示した。図１４によれば、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒを最適化することで、凹み、張り出しによる側壁部の変位を抑制できることが判る。ただし、外型加工面４０の先端部分４００の最適な曲率半径Ｒは、表３の（ｖ）〜（vii）の条件、すなわち材料の板厚ｔと降伏強度σの組み合わせによって異なる。
【００２５】
図１４の結果から、側壁部の凹み或いは張り出しによる変位量ｈを０に近づける曲率半径Ｒは、板厚ｔが厚いほど小さく、また、降伏強度が大きいほど小さい。そこで、図１４の結果に基づき、側壁部の変位量ｈが０となる条件を外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係で整理したものが図１５である。ここで、板厚ｔに１０４を乗じたのは、（１０４・ｔ）／σの絶対値を曲率半径Ｒと同程度の大きさの値とすることで、計算を簡易にするためである。すなわち、図１５に示される外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係を満足する条件で缶胴の成形を行うことにより、側壁部の変位量ｈが０の缶胴が得られる。
【００２６】
【表３】
【００２７】
以上のように、図１０に示すような内型３と外型４を用いた缶胴の成形方法において、缶胴角部の角度αを９０°とし、且つ側壁部の凹みあるいは張り出しによる変位量ｈを０にできる成形条件が存在することが判った。
本発明により製造される缶胴を角筒型容器として用いるには、缶胴の両端（両開口部）にフランジ部を設けた後、同様にフランジ部を備えた蓋を装着し、双方のフランジ部を巻締めることで蓋を取付固定する。ここで、容器間の空隙を小さくできるという角筒型容器の利点は、厳密に缶胴の側壁部が平面状で且つ缶胴角部の角度αが９０°でなくても、すなわち、缶胴の側壁部が概ね平面状で且つ缶胴角部の角度αが９０°に近い角度であれば、実質的に問題なく得られる。
具体的には、缶胴角部の角度αが８５〜９３°であれば、側壁部を外型で押圧成形する条件を適正化することで、側壁部の凹みあるいは張り出しによる変位量ｈを±１ｍｍ以内とすることができる。
【００２８】
そこで、図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°となる条件を外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したものが図１６である。すなわち、図１６に示される外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係を満足する、下記（1）式の条件で缶胴の成形を行うことにより、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°の缶胴が得られる。
また、図１４の結果に基づき、側壁部の中央部の変位量が±１ｍｍ以内となる条件を外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係で整理したものが図１７である。すなわち、図１７に示される外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係を満足する、下記（2）式の条件で缶胴の成形を行うことにより、側壁部の中央部の変位量が±１ｍｍ以内の缶胴が得られる。
したがって、本発明では、外型加工面４０の開角θ（°）、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面３０の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が下記（1）式および（2）式を満足する条件で前記外型４と内型３よる缶胴の成形を行う。
【００２９】
【数２】
【００３０】
本発明で製造される缶胴の素材としては、耐食性の確保のため各種の表面処理を施した鋼板が望ましい。そのような表面処理鋼板としては、錫、亜鉛、ニッケル、クロムなどの１種または２種以上を鋼板表面にめっきしたもの、さらに、そのめっき層の上層にクロメート処理やリン酸塩処理のような各種化成処理を施したものが好適である。なかでも、従来から飲料容器に用いられている錫めっき鋼板（ぶりき）、電解クロメート処理鋼板（ティンフリー・スチール）が好適である。また、各種表面処理鋼板に有機樹脂フィルムを被覆したラミネート鋼板は、耐食性、環境適合性などの観点から特に好適である。
【００３１】
金属板の板厚に特別な制限はないが、容器の軽量化の観点からは、０．０９５〜０．１５５ｍｍが好適である。また、金属板の降伏強度σは、３６０〜６５０Ｎ／ｍｍ２程度が特に好ましい。
被成形材である円筒体ａを得るには、通常、円筒状に変形させた長方形の金属板の対向する両端縁部を接合して円筒体とする。金属板の両端縁部を接合する方法は、十分な接合強度が得られる方法であれば特に制限はないが、溶接法、接着法、半田法などを用いことができる。これらのうち、特に接合強度の高い溶接法が好適である。溶接法としは、シーム溶接などの通電溶接や、レーザー溶接などを適用することができる。
【００３２】
内型３と外型４は、缶胴の成形を精度よく行う必要性から、材料を成形する際に型自体が変形しないことが必要である。したがって、剛体であることが望ましく、通常の金属加工で用いられる金属等の素材を用いたものが望ましい。
本発明により製造される角筒型缶胴のサイズや、この缶胴を用いる角筒型容器のサイズ、内容量に特別な制限はないが、特に好適な角筒型缶胴、角筒型容器のサイズは、相対する側壁部間が約４ｃｍ〜５ｃｍ、缶高さが約５ｃｍ〜１５ｃｍ、内容量が約８０〜４００ｍＬ程度のものである。また、本発明により製造されるのは、断面四角形状の角筒型缶胴および角筒型容器である。
本発明により製造される缶胴は、少なくとも一方の端部に蓋が取り付けられ、角筒型金属缶となる。蓋の取付は、通常、缶胴の端部周縁と蓋の周縁にそれぞれフランジ部を設け、缶胴端部に蓋を装着した状態で、両者のフランジ部を巻締めることにより行う。
【実施例】
【００３３】
表４〜表６に示す板厚ｔと降伏強度σを有する錫めっき鋼板を供試材として用いた。この供試材をシーム溶接法で外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体とした後、表４〜表６に示す内型加工面の曲率半径ｒ、外型加工面の開角θ、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒとした各４個の内型と外型で角筒型缶胴への成形を行った。このようにして得られた缶胴について、角部の角度αと側壁部の凹みまたは張り出しによる変位量ｈを測定した。側壁部の変位量ｈは、缶内側への凹みの場合をプラス、缶外側への張り出しの場合をマイナスとして示した。それらの結果を表４〜表６に併せて示す。
表４〜表６に示されるように、本発明例はいずれも、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°の範囲で且つ側壁部の変位量ｈが±１ｍｍ以内となっている。
【００３４】
【表４】
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
なお、表４〜表６において、ｆ１，ｆ２は以下のように本発明の（1）式の左辺と右辺を示し、ｆ３，ｆ４は以下のように本発明の（2）式の左辺と右辺を示す。
【数３】
【符号の説明】
【００３８】
１ 側壁部
２ 角部
３ 内型
４ 外型
３０ 内型加工面
４０ 外型加工面
４００ 先端部分
ａ 円筒体
Ａ 角筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角筒型の金属缶胴の製造方法に関するもので、特に、極薄金属板を素材とする角筒型缶胴を得るのに好適な製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角筒型の容器は、例えば、複数個の容器を箱に詰めて梱包したり、店頭で陳列する際などに、容器間の空隙を小さくできるため、省スペースの点で有利である。内容量が４００ｍＬ程度以下の飲料容器の場合、従来、こうした角筒型容器の素材には紙が用いられてきた。紙製の容器は軽いという利点がある反面、強度が小さく、圧迫や落下で容易に変形してしまう欠点がある。
一方、飲料容器には金属缶が広く用いられている。金属は紙に較べて強度が高く、容器の変形に対して有利である。但し、従来では角筒型の飲料容器の素材として金属が用いられることは殆どなかった。これは、金属缶が紙製容器に較べて重いことが一因であると考えられる。金属缶を軽くするには、素材金属板の板厚を薄くすることが有効である。
【０００３】
特許文献１には、板厚を薄くした素材を用いて角筒型の金属缶を成形する方法が示されている。この方法では、所定寸法に剪断された長方形の素材をシーム溶接により円筒素体とし、これを角出しする（角部の成形）ことで角筒とする。角出しは成形すべき角部の数に対応した複数組の内型と外型を用いて行い、さらに角部に溝付けを行う。この方法により、板厚０．１ｍｍまでの鋼板を角筒型の金属缶に成形できるとしている。
また、特許文献２には、缶胴の側壁部に内方に凹んだ凹部を形成した角缶およびその成形方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−３４８９１号公報
【特許文献２】特開２００２―２１１５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法について、本発明者らが板厚０．１ｍｍの極薄鋼板を用いて実験を行った結果、以下に述べるような不具合が生じることが判った。まず、角出しおよび溝付けを行うと、溝付け部分に破断が生じた。この破断は溝付け部分に生じたことから、溝付けを行わないで成形したところ、角部は所定の角度（概ね９０°）にならず、結果として側壁部が筒の外側に向けて湾曲した形状となり、適正な形状の角筒にはならないという結果が得られた。すなわち、４つの角部と側壁部を備えた角筒を成形するに当たり、図３（缶胴を高さ方向から見た平面図）に示すように、側壁部１が概ね平面で且つ角部２の角度α（コーナー角度）が概ね９０°である形状を得ようとしたが、実際には、図４（缶胴を高さ方向から見た平面図）に示すように、側壁部１が外側に湾曲し、且つ角部２の角度αが９０°よりも相当程度大きくなり、角筒としての適正な形状が得られないことが判った。このような形状では、容器間の空隙を小さくできるという角筒型容器としての利点が得られない。ここで、上述した角部２の角度αは以下のように定義される。すなわち、図１９に示すように、角部２の曲率半径ｂを持ち且つ角部２に接する円２０（仮想円）を想定し、円２０と角部２とが乖離する点２１，２２における円２０の接線２３，２４を定めた時、この接線２３と接線２４の成す角度を角部２の角度αとする。
【０００６】
また、特許文献２のように、缶胴の側壁部に内方に凹んだ凹部を形成することにより、側壁部の外側への湾曲は回避できるが、側壁部を内方に凹んだ形状にすると角缶の内容量を減少させることになる。特許文献１や特許文献２が対象としているのは、１８Ｌ缶などのような比較的内容量が多い缶であるため、側壁部の内方への凹みによる内容量の減少は大きな問題にはならないとも考えられるが、本発明が主たる対象とする内容量４００ｍＬ程度の比較的内容量の少ない缶では、側壁部の内方への凹みによる内容量の減少は看過できないものである。また、特許文献２の方法は、角筒に成形した後、さらに成形を行って側壁部に凹部を形成するものであるため、缶胴の成形工程が増え、製造コストが高くなる。
以上のように、板厚の薄い金属板を素材とする角筒型缶胴の製造技術は、未だ確立されていない。
したがって本発明の目的は、板厚の薄い金属板を素材とする場合でも、適正な形状の角筒型缶胴を効率的に製造することができる金属缶胴の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］金属板の円筒体を被成形材とし、コーナー状の加工面を有するとともに、該加工面の両先端部分が断面円弧状に構成された外型と、先端に断面円弧状の加工面を有する内型とを用い、円筒体内側に位置する内型と円筒体外側に位置する外型とにより、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する角筒型缶胴の製造方法であって、
外型加工面の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面の開角θ（°）、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が下記（1）式および（2）式を満足する条件で、前記外型と内型による缶胴の成形を行うことを特徴とする金属缶胴の製造方法。
【数１】
［2］上記［1］の製造方法で得られた金属缶胴の少なくとも一方の端部に蓋を固定し、金属缶とすることを特徴とする金属缶の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、板厚の薄い金属板を素材として、側壁部が概ね平面で且つ角部の角度（コーナー角度）が概ね９０°となる適正な形状の角筒型缶胴を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の製造方法の実施状況の一例を示すもので、（イ）は成形前、（ロ）は成形中、（ハ）は成形後の各状態を示す平面図
【図２】本発明で用いる外型および内型の構造を示す平面図
【図３】角筒型缶胴の成形工程により得られる適正な缶胴形状（高さ方向から見た缶胴の平面形状）を示す説明図
【図４】角筒型缶胴の成形工程により得られる不適正な缶胴形状（高さ方向から見た缶胴の平面形状）を示す説明図
【図５】特許文献１の方法において、角部の溝付けを行わずに角付けする成形試験を行った際の成形前の材料（円筒体）と成形手段（内型、外型）を示すもので、缶胴を高さ方向から見た平面図
【図６】図５の成形試験で用いた１組の内型と外型を示す平面図
【図７】特許文献１の方法において、角部の溝付けを行わずに角付けする成形試験を行った際に得られた缶胴角部の角度αを、内型加工面の曲率半径ｒとの関係で示すグラフ
【図８】図７の成形試験において、缶胴角部の角度αが９５°以上となった現象を説明するための説明図
【図９】図７の結果をσ・ｒ／（１０００・ｔ）と缶胴角部の角度αとの関係で整理したグラフ
【図１０】本発明を得るために行った缶胴の成形試験において使用した内型と外型を示す平面図
【図１１】図１０に示す内型と外型を用いた成形試験で得られた角筒型缶胴の形状を示す説明図
【図１２】外型加工面の開角θを４５〜９０°として缶胴の成形を行った際に得られた缶胴角部の角度αを、外型加工面の開角θとの関係で示すグラフ
【図１３】図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが９０°となる条件を外型加工面の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したグラフ
【図１４】外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒを４〜１６ｍｍとして缶胴の成形を行った際に得られた側壁部の変位量ｈを、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒとの関係で示すグラフ
【図１５】図１４の結果に基づき、側壁部の変位量ｈが０ｍｍとなる条件を外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒと（ｔ・１０４）／σとの関係で整理したグラフ
【図１６】図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°となる条件を外型加工面の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したグラフ
【図１７】図１４の結果に基づき、側壁部の変位量ｈが±１ｍｍとなる条件を外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒと（ｔ・１０４）／σとの関係で整理したグラフ
【図１８】特許文献１の方法において、角部の溝付けを行う成形手段（内型、外型）の断面図
【図１９】角部の角度αを定義するための説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の角筒型缶胴の製造方法では、金属板の円筒体を被成形材とし、この円筒体内側に位置する内型と円筒体外側に位置する外型とにより、角筒の角部となるべき筒体部分を挟圧して角部の成形を行う。
図１は、本発明の製造方法の実施状況の一例を示すもので、（イ）は成形前、（ロ）は成形中、（ハ）は成形後の各状態を示す平面図である。図において、ａは被成形材である円筒体であり、円筒状に変形させた長方形の金属板の対向する両端縁部をシーム溶接などにより接合して得られたものである。Ａは成形された角筒である。３は円筒体ａの内側に位置する内型、４は円筒体ａの外側に位置する外型であり、この内型３と外型４を対とする成形型が４組備えられ、これらにより成形手段が構成されている。
【００１１】
図２は、１組の内型３と外型４を示す平面図である。
前記外型４は、所定の開角θを有するコーナー状（水平方向断面でコーナー状）の加工面４０を有するとともに、この加工面４０の両方の先端部分４００（コーナーの開放端部分）が断面円弧状に構成されている。成形時には、この外型４の加工面４０が缶胴角部２の外面側を拘束するとともに、隣り合う２つの外型４の加工面４０が１つの側壁部の外面側を半分（半幅）ずつ拘束する。前記内型３は、先端に所定の曲率半径ｒを有する断面円弧状（水平方向断面で円弧状）の加工面３０を有し、成形時には、この加工面３０が缶胴角部の内面側を拘束する。
外型４と内型３による缶胴の成形では、材料が内型３の円弧状の加工面３０の２点と外型４の加工面４０との間で挟圧されつつ、内型３の加工面３０に沿って曲げられる結果、缶胴の各角部が成形され、同時に、隣り合う２つの外型４の加工面４０（先端部分４００を含む加工面）により角筒の側壁部となる円筒体部分が円筒体内側方向に押圧され、側壁部が成形される。
なお、内型３と外型４の好ましい形態については、後に詳細に説明する。
【００１２】
本発明の製造方法では、図１（イ）に示すように、円筒体ａの周方向で等間隔となるように、円筒体ａに対して４組の内型３・外型４を配した状態で、図１（ロ）に示すように、これら４組の内型３と外型４により、角筒の角部となるべき円筒体部分を挟圧して角部の成形を行うとともに、外型４により角筒の側壁部となるべき円筒体部分を円筒体内側方向に押圧し、側壁部の成形を行う。これにより図１（ハ）に示すような角部２と側壁面１を有する角筒Ａが得られる。
本発明では、このような成形工程において、外型加工面４０の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面４０の開角θ（°）、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒ、内型加工面３０の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が後述する（1）式および（2）式を満足する条件で成形を行うものである。以下、そのような本発明の製造方法の詳細と、本発明に至った検討の結果について説明する。
【００１３】
本発明者らは、特許文献１の方法により極薄鋼板を成形した場合、上述したように溝付けで破断が生じ、また、側壁面が缶胴の外側に向けて湾曲し、適正な形状の角筒とはならない理由について詳細に検討した。
まず、溝付けで破断が生じるのは、以下のような理由によるものと考えられる。特許文献１の方法における溝付けは、図１８に示すように外型１１に備えられたポンチ１２と、内型１０に備えられた凹部１３で材料１４（金属板）を成形することにより行われる。この際、内型１０で拘束された材料１４がポンチ１２で凹部１３内に押し込まれ、伸ばされることになる。材料１４がこのような成形に耐え得る十分な伸びを備えていれば問題はないが、伸びが劣る場合は材料が成形に耐えられず、破断に至ると考えられる。材料の伸びは、その化学成分、製造方法、金属組織などで決まる材質的特性であるが、一方で板厚に大きく影響され、板厚が薄いほど伸びは低くなる。従来、製缶分野では用いられてこなかった板厚０．１ｍｍ程度の極薄鋼板は、それよりも板厚が厚い鋼板に較べて、材質的特性が同等であったとしても伸びは低い。そのため、溝付け部分で破断が生じたものと考えられる。
【００１４】
材料の破断は、飲料容器では内容物の漏洩に結びつくため、あってはならない現象である。よって、破断の原因である溝付けは行わないことが望ましい。そこで、溝付けを行わずに、内型と外型で角出しする実験を行った。
この実験では、表１に示す板厚ｔと降伏強度σを有する供試材Ａ〜Ｄ（錫めっき鋼板）を用いた。供試材をシーム溶接により外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体ａとし、この円筒体ａに対して、図５のように配置した内型５（先端に断面円弧状の加工面５０を有する内型）と外型６（コーナー状の加工面６０を有する外型）により角部を成形し、角筒型の缶胴とした。図６に示す外型６の加工面６０の開角βについては、特許文献１には記述されていないが、同文献の図面を測定するとそれぞれ９０°であるため、ここでも同様とした。また、図６に示す内型５の加工面５０の曲率半径ｒについては、特許文献１では１８Ｌ缶に対して２２ｍｍが例示されているが、本発明は主に小型の４００ｍＬ以下程度の缶を想定しているため、サイズの相違を考慮して本実験では２〜８ｍｍとした。４組の内型５・外型６は、各々の組が円筒体ａの周方向において等間隔となるように配置した。成形後の缶胴について、その角部２の角度α（コーナー角度）を測定した。
【００１５】
【表１】
【００１６】
その缶胴角部２の角度αを内型加工面５０の曲率半径ｒで整理した結果を図７に示す。同図によれば、缶胴角部２の角度αは９５°以上となっており、いずれの条件でも側壁面１が筒の外側に向けて湾曲し、適正な形状の角筒とはならかった。この理由は以下のように考えられる。本実験における成形の概要を図８に示す。図８（イ）に示すように円筒体（被成形材）が内型５と外型６とで挟圧されると、型が接している間は角筒Ａの側壁面１は平面状に保たれ、角部２の角度は外型加工面６０の開角βに沿って９０°となる。しかし、図８（ロ）に示すように成形後に型から開放された缶胴Ａでは、角部２がスプリングバックで開くことで、その角度αが９５°よりも大きくなり、これによって側壁面１が筒の外側に向けて湾曲した状態となる。特許文献１の方法では、溝付けすること、すなわち小さい曲率半径の２つの内型先端部（加工面）で２箇所の曲げを行うことになるため、その効果で角部２のスプリングバックが抑制されるものと考えられる。
【００１７】
したがって、側壁面の湾曲を抑制するためには、型から開放された後の缶胴角部の角度αを９０°に近づければよいことになる。そこで、角度αを制御する方法を見出すべく、前記実験結果を改めて検討すると、材料の降伏強度σが大きいほど、また、内型加工面の曲率半径ｒが大きいほど、さらに、材料の板厚ｔが小さいほど、角度αは大きくなる。つまり、缶胴角部の角度αは材料の降伏強度σと内型加工面の曲率半径ｒに比例し、材料の板厚ｔに反比例する。そこで、上述した実験結果について、σ・ｒ／（１０００・ｔ）と缶胴角部の角度αとの関係を整理したものが図９である。ここで、板厚ｔに１０００を乗じたのは、σ・ｒ／（１０００・ｔ）の絶対値を角度αと同程度の大きさの値とすることで、計算を簡易にするためである。図９によれば、缶胴角部の角度αはσ・ｒ／（１０００・ｔ）を指標とすることで統一的に整理できることが判る。つまり、缶胴角部の角度αを制御するためには、材料の降伏強度σ、板厚ｔ、内型加工面の曲率半径ｒの関係を調整すればよいことが判る。
【００１８】
缶胴角部の角度αを小さくするには、材料の板厚ｔが厚く、降伏強度σが低く、内型加工面の曲率半径ｒが小さいほどよい。しかし、本発明が目指す軽量の缶体を得るためには、材料の板厚ｔは薄いほうがよく、概ね０．１０〜０．１５ｍｍ程度が望ましい。また、缶体の強度を確保する観点から薄い板厚を補うために材料の降伏強度σは高い方がよく、３００〜７５０Ｎ／ｍｍ２程度が望ましい。また、内型加工面の曲率半径ｒは、内型が接触する際に材料に損傷を与えないために大きい方がよく、概ね２ｍｍ以上が望ましい。このように、材料の板厚ｔ、降伏強度σおよび内型加工面の曲率半径ｒの望ましい条件は、いずれも缶胴角部の角度αを小さくして９０°に近づけるために必要な条件とは相反する関係にある。しかも、そのような望ましい板厚ｔ、降伏強度σおよび内型加工面の曲率半径ｒの範囲で得られる缶胴角部の角度αは、図７の実験結果では最低でも９５°である。
【００１９】
そこで、本発明者らは外型加工面の開角θに着目し、この開角θをより小さい角度とすることで、缶胴角部の角度αを９０°にすることができると考え、これに基づき成形方法について検討を行った。その結果、図１０に示すような、開角θが９０°未満のコーナー状の加工面４０を有するとともに、この加工面４０の先端部分４００が断面円弧状に構成された外型４と、先端に断面円弧状の加工面３０を有する内型３とを用い、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型４により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する方法を創案した。この成形方法は、角筒の角部を外型４と内型３に拘束された状態で９０°未満の角度になるように成形し、スプリングバック後に角部の角度が概ね９０°となるようにするものであり、角部の成形と側壁部の矯正とが一工程で達成される。この方法の有効性を確認するため、以下のような実験を行った。
【００２０】
表２に示す板厚ｔと降伏強度σを有する供試材（ｉ）〜（iv）（錫めっき鋼板）を用い、この供試材をシーム溶接して外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体とし、この円筒体に対して図１０に示すような内型３と外型４を用いて缶胴の成形を行った。この実験では、内型加工面３０の曲率半径ｒを２ｍｍ、４ｍｍとし、外型加工面４０の開角θを４５〜９０°、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒを４ｍｍとして缶胴の成形を行った。この実験で得られた外型加工面４０の開角θと缶胴角部の角度αとの関係を図１２に示す。同図に示されるように、外型加工面４０の開角θを適切に設定することで、缶胴角部の角度αを９０°に近い値とすることができる。
【００２１】
【表２】
【００２２】
外型加工面４０の適切な開角θは、表２の（i）〜（iv）の条件によって、つまり材料の板厚ｔ、降伏強度σおよび内型加工面の曲率半径ｒの組み合わせによって異なる。そこで、図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが９０°となる条件を外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したものが図１３である。すなわち、図１３に示される外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係を満足する条件で缶胴の成形を行うことにより、缶胴角部の角度αが９０°で側壁面が平面状の缶胴が得られる。
【００２３】
図１２および図１３の（i）〜（iv）はそれぞれ表２の供試材に対応する。図１３に示されるように、外型加工面４０の開角θを適切に設定することで、缶胴角部の角度αを９０°に近い値とすることができる。ただし、図１１に示すように、単に内型３と外型４で角部と側壁部を成形しただけでは、缶胴角部の角度αを９０°に近い値とすることができても、特許文献２のように側壁部が内側に凹んだ形状となり（図１１中のｈ：凹みによる側壁部中央部の変位量）、望ましくない。そこで、このような側壁部の形状不良を生じない成形条件について検討した結果、外型加工面４０の形状を最適化すればよいことが判った。
【００２４】
表３に示す板厚ｔと降伏強度σを有する供試材（ｖ）〜（vii）（錫めっき鋼板）を用い、この供試材をシーム溶接して外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体とし、この円筒体に対して図１０のように配置した内型３と外型４を用いて角部と側壁部を成形し、角筒状の缶胴とした。内型加工面３０の曲率半径ｒと外型加工面４０の開角θを表３に示す値とし、且つ外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒを４〜１６ｍｍとした。成形後の缶胴を型から開放し、側壁部の中央部での変位量ｈ（図１１参照）を測定した。外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと側壁部の中央部での変位量ｈとの関係を図１４に示す。図１４の側壁部の変位量ｈは、缶内側への凹みの場合をプラス、缶外側への張り出しの場合をマイナスとして示した。図１４によれば、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒを最適化することで、凹み、張り出しによる側壁部の変位を抑制できることが判る。ただし、外型加工面４０の先端部分４００の最適な曲率半径Ｒは、表３の（ｖ）〜（vii）の条件、すなわち材料の板厚ｔと降伏強度σの組み合わせによって異なる。
【００２５】
図１４の結果から、側壁部の凹み或いは張り出しによる変位量ｈを０に近づける曲率半径Ｒは、板厚ｔが厚いほど小さく、また、降伏強度が大きいほど小さい。そこで、図１４の結果に基づき、側壁部の変位量ｈが０となる条件を外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係で整理したものが図１５である。ここで、板厚ｔに１０４を乗じたのは、（１０４・ｔ）／σの絶対値を曲率半径Ｒと同程度の大きさの値とすることで、計算を簡易にするためである。すなわち、図１５に示される外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係を満足する条件で缶胴の成形を行うことにより、側壁部の変位量ｈが０の缶胴が得られる。
【００２６】
【表３】
【００２７】
以上のように、図１０に示すような内型３と外型４を用いた缶胴の成形方法において、缶胴角部の角度αを９０°とし、且つ側壁部の凹みあるいは張り出しによる変位量ｈを０にできる成形条件が存在することが判った。
本発明により製造される缶胴を角筒型容器として用いるには、缶胴の両端（両開口部）にフランジ部を設けた後、同様にフランジ部を備えた蓋を装着し、双方のフランジ部を巻締めることで蓋を取付固定する。ここで、容器間の空隙を小さくできるという角筒型容器の利点は、厳密に缶胴の側壁部が平面状で且つ缶胴角部の角度αが９０°でなくても、すなわち、缶胴の側壁部が概ね平面状で且つ缶胴角部の角度αが９０°に近い角度であれば、実質的に問題なく得られる。
具体的には、缶胴角部の角度αが８５〜９３°であれば、側壁部を外型で押圧成形する条件を適正化することで、側壁部の凹みあるいは張り出しによる変位量ｈを±１ｍｍ以内とすることができる。
【００２８】
そこで、図１２の結果に基づき、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°となる条件を外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係で整理したものが図１６である。すなわち、図１６に示される外型加工面４０の開角θとσ・ｒ／（１０００・ｔ）との関係を満足する、下記（1）式の条件で缶胴の成形を行うことにより、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°の缶胴が得られる。
また、図１４の結果に基づき、側壁部の中央部の変位量が±１ｍｍ以内となる条件を外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係で整理したものが図１７である。すなわち、図１７に示される外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒと（１０４・ｔ）／σとの関係を満足する、下記（2）式の条件で缶胴の成形を行うことにより、側壁部の中央部の変位量が±１ｍｍ以内の缶胴が得られる。
したがって、本発明では、外型加工面４０の開角θ（°）、外型加工面４０の先端部分４００の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面３０の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が下記（1）式および（2）式を満足する条件で前記外型４と内型３よる缶胴の成形を行う。
【００２９】
【数２】
【００３０】
本発明で製造される缶胴の素材としては、耐食性の確保のため各種の表面処理を施した鋼板が望ましい。そのような表面処理鋼板としては、錫、亜鉛、ニッケル、クロムなどの１種または２種以上を鋼板表面にめっきしたもの、さらに、そのめっき層の上層にクロメート処理やリン酸塩処理のような各種化成処理を施したものが好適である。なかでも、従来から飲料容器に用いられている錫めっき鋼板（ぶりき）、電解クロメート処理鋼板（ティンフリー・スチール）が好適である。また、各種表面処理鋼板に有機樹脂フィルムを被覆したラミネート鋼板は、耐食性、環境適合性などの観点から特に好適である。
【００３１】
金属板の板厚に特別な制限はないが、容器の軽量化の観点からは、０．０９５〜０．１５５ｍｍが好適である。また、金属板の降伏強度σは、３６０〜６５０Ｎ／ｍｍ２程度が特に好ましい。
被成形材である円筒体ａを得るには、通常、円筒状に変形させた長方形の金属板の対向する両端縁部を接合して円筒体とする。金属板の両端縁部を接合する方法は、十分な接合強度が得られる方法であれば特に制限はないが、溶接法、接着法、半田法などを用いことができる。これらのうち、特に接合強度の高い溶接法が好適である。溶接法としは、シーム溶接などの通電溶接や、レーザー溶接などを適用することができる。
【００３２】
内型３と外型４は、缶胴の成形を精度よく行う必要性から、材料を成形する際に型自体が変形しないことが必要である。したがって、剛体であることが望ましく、通常の金属加工で用いられる金属等の素材を用いたものが望ましい。
本発明により製造される角筒型缶胴のサイズや、この缶胴を用いる角筒型容器のサイズ、内容量に特別な制限はないが、特に好適な角筒型缶胴、角筒型容器のサイズは、相対する側壁部間が約４ｃｍ〜５ｃｍ、缶高さが約５ｃｍ〜１５ｃｍ、内容量が約８０〜４００ｍＬ程度のものである。また、本発明により製造されるのは、断面四角形状の角筒型缶胴および角筒型容器である。
本発明により製造される缶胴は、少なくとも一方の端部に蓋が取り付けられ、角筒型金属缶となる。蓋の取付は、通常、缶胴の端部周縁と蓋の周縁にそれぞれフランジ部を設け、缶胴端部に蓋を装着した状態で、両者のフランジ部を巻締めることにより行う。
【実施例】
【００３３】
表４〜表６に示す板厚ｔと降伏強度σを有する錫めっき鋼板を供試材として用いた。この供試材をシーム溶接法で外径５２．４ｍｍ、高さ１３６．７ｍｍの円筒体とした後、表４〜表６に示す内型加工面の曲率半径ｒ、外型加工面の開角θ、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒとした各４個の内型と外型で角筒型缶胴への成形を行った。このようにして得られた缶胴について、角部の角度αと側壁部の凹みまたは張り出しによる変位量ｈを測定した。側壁部の変位量ｈは、缶内側への凹みの場合をプラス、缶外側への張り出しの場合をマイナスとして示した。それらの結果を表４〜表６に併せて示す。
表４〜表６に示されるように、本発明例はいずれも、缶胴角部の角度αが８５°〜９３°の範囲で且つ側壁部の変位量ｈが±１ｍｍ以内となっている。
【００３４】
【表４】
【００３５】
【表５】
【００３６】
【表６】
【００３７】
なお、表４〜表６において、ｆ１，ｆ２は以下のように本発明の（1）式の左辺と右辺を示し、ｆ３，ｆ４は以下のように本発明の（2）式の左辺と右辺を示す。
【数３】
【符号の説明】
【００３８】
１ 側壁部
２ 角部
３ 内型
４ 外型
３０ 内型加工面
４０ 外型加工面
４００ 先端部分
ａ 円筒体
Ａ 角筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板の円筒体を被成形材とし、コーナー状の加工面を有するとともに、該加工面の両先端部分が断面円弧状に構成された外型と、先端に断面円弧状の加工面を有する内型とを用い、円筒体内側に位置する内型と円筒体外側に位置する外型とにより、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する角筒型缶胴の製造方法であって、
外型加工面の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面の開角θ（°）、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が下記（1）式および（2）式を満足する条件で、前記外型と内型による缶胴の成形を行うことを特徴とする金属缶胴の製造方法。
【数１】
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法で得られた金属缶胴の少なくとも一方の端部に蓋を固定し、金属缶とすることを特徴とする金属缶の製造方法。
【請求項１】
金属板の円筒体を被成形材とし、コーナー状の加工面を有するとともに、該加工面の両先端部分が断面円弧状に構成された外型と、先端に断面円弧状の加工面を有する内型とを用い、円筒体内側に位置する内型と円筒体外側に位置する外型とにより、角筒の角部となる円筒体部分を挟圧して角部を成形するとともに、外型により角筒の側壁部となる円筒体部分を円筒体内側方向に押圧して側壁部を成形する角筒型缶胴の製造方法であって、
外型加工面の開角θを９０°未満とし、且つ外型加工面の開角θ（°）、外型加工面の先端部分の曲率半径Ｒ（ｍｍ）、内型加工面の曲率半径ｒ(ｍｍ)、金属板の板厚ｔ(ｍｍ)および金属板の降伏強度σ（Ｎ／ｍｍ２）が下記（1）式および（2）式を満足する条件で、前記外型と内型による缶胴の成形を行うことを特徴とする金属缶胴の製造方法。
【数１】
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法で得られた金属缶胴の少なくとも一方の端部に蓋を固定し、金属缶とすることを特徴とする金属缶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−１１２１３（Ｐ２０１１−１１２１３Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５５４５０（Ｐ２００９−１５５４５０）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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