JP2013136099A - アルミニウム押出し加工における加熱された鋳塊セグメントの溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属押出し加工において加熱された金属鋳塊を連続的ビレットとするための接合方法。
【解決手段】各鋳塊の残材は、後続の鋳塊と接続されるために鋳塊セグメントの当接させた端部が鋸切断機と整列される。鋸切断機が作動すると、当接させた端部の双方から同時に材料が取り除かれる。鋳塊セグメントを互いに回転させることによって切断された端部が摩擦溶接されて一体となる。このために事実上エンドレスな加熱された円柱状鋳塊が作成され、鋳塊残材がなくなる。
【選択図】図８

Description

本発明は、アルミニウム押出しに関し、より詳細には、炉を出るアルミニウム鋳塊からビレットを切断する方法に関する。

アルミニウム押出しは、広範に実践されている周知の技術である。アルミニウム鋳塊は、押出しに好適な温度まで鋳塊加熱炉（log furnace）内で加熱される。それぞれの鋳塊が炉を出るとき、鋳塊からビレットが切断され、押出しプレスに送られる。プレスでは、ビレットはダイスを通じて押し出され、所望の形状及び長さを有する製品が作られる。押し出される形材の全長は、その形材から切断される部分材の長さの倍数に加工スクラップを足し合わせたものである。所要のビレット長さは、所望の押出し長さに正比例する。

加熱されたアルミニウム鋳塊から所望の長さのビレットを切断すると、残材又は切断端材が生じる。アルミニウム押出しにおける一つの課題は、特有のコストを伴うことになる再生処理又は再溶融を行うことなしに、この残材又は切断端材を利用することである。残材又は切断端材の利用に好ましい方法は、それらを別の鋳塊セグメント（「短尺材（short-cut piece）」として知られる）と結合して合わせビレット（two-piece billet）を作ることである。合わせビレットはプレスコンテナに装入され、２つの部分材の当接面が押出しダイスを通過するとき、２つの部分材は溶融されて一体となる。残念なことに、２つの部分材の間にある空間及び間隙に空気が入り込むため、最終製品に許容できないレベルのブリスタが発生する。さらに、合わせビレットの２つの当接面上の酸化膜により、アルミニウムが押出しダイスを通るとき、接面間に不完全又は不安定な融合又は溶接が生じる。

先行技術においては、炉への投入材として事実上「連続的な」鋳塊を作成する一つの試みがなされている。具体的には、鋳塊が炉内に進むとき、順次並ぶ鋳塊が両端を突き合わせた形で一体に接続される。接続は、「摩擦撹拌接合」又は当接する鋳塊の表面溶接によって行われる。この技術には、少なくとも２つの問題がある。第一に、鋳塊の端部が直角であることはほとんどなく、且つ鋳塊同士が真っ直ぐであることもほとんどない。結果的に、つなぎ合わされた鋳塊は、直線状でない（すなわち蛇行したような）円柱状鋳塊となる。この円柱状鋳塊は支持ローラ上に平坦に横たわらない。この円柱状鋳塊を炉に通すのは困難である。第二に、この技術では、上記に指摘した混入空気及び酸化物の問題が解決されない。

前述の問題は本発明において克服され、本発明は、各鋳塊の残材を後続の鋳塊と接続し、それによって炉の出口端で事実上「連続的な」円柱状鋳塊を作成する方法を含む。結果的に、この円柱状鋳塊から所望の長さのビレットを連続的に切断することができ、残材は事実上なくなる。

本発明の現在の実施形態において、本方法は、残材部分が残るまで炉を出る鋳塊からビレットを切断し、その残材部分を、次に炉を出る後続の鋳塊と接続して円柱状鋳塊を作成し、次に、その円柱状鋳塊から引き続きビレットを切断することを含む。

好ましくは、残材は「ツイスト溶接（twist welding）」によって後続の鋳塊と接続される。ツイスト溶接では、２つの部分材に軸方向圧力と相対的に回転する動きとの双方が加えられる。ツイスト溶接は当接面を合体させて融合する。さらになお好ましくは、切断は鋸引きによって行われ、それにより比較的直角できれいな面が作成され、接続性がさらに向上する。

一実施形態において、残材と後続の鋳塊との当接面は、溶接前に同時に切断される。これは、両当接面を鋸刃と整列させ、次に、切り溝が双方の部分材に及ぶように鋸刃を両当接面に沿って動かすことによって達成される。

別の実施形態において、ビレットは、残材が後続の鋳塊と接続される前に、後続の鋳塊から切断される。次に、残材の切断面が後続の鋳塊の切断面と接続される。

本発明は、炉の下流に事実上連続的な円柱状鋳塊を作成し、そこからビレットを連続的に切断することができる。残材は一切なくなる。双方の面が溶接前に切断されると、各残材を後続の鋳塊と接続することによって各残材と後続の鋳塊との間に空気又は酸化物が入り込んだり、又は閉じ込められたりする可能性は、大いに低減される。

本発明の以上の、及び他の目的、利点、及び特徴は、現在の実施形態の説明及び図面を参照することによってさらに深く理解及び認識されるであろう。

本発明の高温鋳塊加工システムの斜視図である。 本システムの後面立面図である。 本システムの左側面の立面図である。 本システムの右側面の立面図である。 本システムの上面平面図である。 本システムの前面立面図である。 連続的な円柱状鋳塊を作成し、その円柱塊からビレットを切断する際に用いられる第１の方法の論理フローを示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｇ）は、第１の方法の様々なステップにおける高温の円柱状鋳塊の概略図である。 連続的な円柱状鋳塊を作成し、その円柱塊からビレットを切断する際に用いられる第２の方法の論理フローを示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｇ）は、第２の方法の様々なステップにおける高温の円柱状鋳塊の概略図である。

Ｉ．システム 本発明の現在の実施形態に従い構成された、アルミニウム押出し環境において炉とプレスとの間で高温のアルミニウムビレットを加工又は処理するためのシステムが、図１〜図６に示され、概して１０で指示される。このシステムは、炉（図示せず）から加熱された円柱状鋳塊ＬＣを受け取る。システム１０は、円柱状鋳塊ＬＣからビレットを切断し、それらのビレットを押出しプレス（図示せず）に送り込む。このシステムは、本発明の方法を実施することによって事実上「エンドレスの」円柱状鋳塊ＬＣを作成し、そこから、プレスに送るためのビレットが切断される。

より具体的には、システム１０は、炉の下流及び押出しプレスの上流に配置される。炉（図示せず）は、押し出されるアルミニウム鋳塊を加熱するのに適した任意の炉であり得る。かかる炉は、当該技術分野において周知されている。かかる炉の一つは、Belding, MichiganのGranco Clark, Inc.による「hot jet log furnace」という商品名の直接火炎輻射炉である。任意の他の好適な炉を用いることもできる。

押出しプレス（図示せず）もまた、当業者に一般に公知の任意のプレスであってよい。かかるプレスの一つは、日本国の宇部興産機械株式会社から販売されている任意のプレスである。かかるプレスは、コンテナ、ラム、及びダイスを備える。コンテナが加熱されたビレットを受け取る。ラムがコンテナの中を進むと、押出しダイスにビレットが送り込まれる。

システム１０は、炉扉アセンブリ１２と、高温鋳塊用の鋸切断機１４と、吐出トレイ１６と、ビレット及び残材を処理するための処理アセンブリ１８とを備える。炉扉アセンブリ１２と、高温鋳塊用の鋸切断機１４と、吐出トレイ１６とは、概して当業者に周知されている。扉アセンブリ１２の機能は、円柱状鋳塊ＬＣが切断のため炉から出されるときを除き、炉内の熱を保持することである。高温鋳塊用の鋸切断機１４の機能は、円柱状鋳塊ＬＣを切断してビレットを作成することである。鋸切断機は、選択的に作動される押さえ具を備え、鋸引きする間に鋳塊を固定位置に維持する。吐出トレイ１６の機能は、切断されたビレットを受け取り、その切断されたビレットを、続いてプレスに送り込むための搬送機（transveyor）（図示せず）に送ることである。不良品テーブル２０の機能は、吐出トレイ１６から使用に適さないビレットを受け取ることである。こうした構成要素は全て、本発明より前にGranco Clarkによって、例えば、「hot billet cut-off saw」（ＨＢＣＳ）の商品名で販売されているシステム及び機器において、市販されている。

処理アセンブリ１８は、本発明による新規のものである。アセンブリ１８は、一対のグリッパ３０ａ及び３０ｂ並びにチャック３２を備える。

グリッパ３０は、従来の油圧又は空気圧技術を利用して閉じたり、又は開いたりすることにより、円柱状鋳塊ＬＣから切断されたビレット又は残材を掴んだり、又は放したりすることができる。グリッパ３０はまた、炉扉１２に近付いたり、そこから離れたりするよう（すなわち図３〜図５で見るとき左右に）往復することもできる。グリッパ３０ａ及び３０ｂはまた、上昇したり降下したりすることにより、ビレット又は残材を一時的に保持又は保管しておく位置に移動させることもできる。そこに保持される部分材は、後続の円柱状鋳塊ＬＣの動きを妨げない。

チャック３２、又は任意の他の好適な把持装置は、従来の油圧又は空気圧技術を利用して閉じたり、又は開いたりすることができる。チャック３２は、炉扉１２に近付いたり、そこから離れたりするよう（すなわち、ここでも図３〜図５で見るとき左右に）往復することができ、後述されるとおり、溶接される部分材間に所要の軸方向力を加える。さらに、チャックは、回転することによって部分材間に相対的な回転を生じさせることができ、後述されるとおり、それによって摩擦溶接が作り出される。記載されるようなグリッパ３０及びチャック３２の動き及び作動を生じさせるために必要な油圧又は空気圧技術は、十分に当業者の能力の範囲内であり、本明細書に基づき容易に実行され得る。或いは、動力は、電気モータ又は任意の他の好適な技術によって供給されてもよい。

ＩＩ．第１の方法
図７は、炉を出る円柱状鋳塊ＬＣからビレットを加工するための第１の方法についての基本的な論理制御を示すフローチャートである。記載される本発明の方法を実行可能な主制御システムもまた、一般に当業者に周知である。かかるシステムの一つは、Granco Clark, Inc.によってSupervisory Control Systemの商品名で販売されているものである。かかるシステムは、本発明の方法を実行するよう容易にプログラムすることができる。

図７に示されるとおり、炉を出る鋳塊から次に切断されるビレットの長さを制御システムが特定するとき、論理フローは開始となる。第１のステップ１０１は、現在炉内にある鋳塊残材の長さが、（ａ）次のビレットの所要の長さに、（ｂ）溶接のためのシステムが後続の鋳塊に対して加工することのできる部分材の最小長さ（すなわち、「最小残材長さ」）を足し合わせた長さ以上かどうかを判断することである。最小残材長さは、処理アセンブリ１８の物理的パラメータに応じて決まるもので、システムごとに異なり得る。

ステップ１０１の答えがyesの場合、所望のビレット長さに対応する鋳塊の長さが鋸切断機の向こう側に延在するよう、鋳塊残材が扉アセンブリ１２を通って鋸切断機１４を越えて進む。鋸切断機の押さえ具が作動して、鋳塊を固定位置に拘束する。鋸切断機１４が作動し、１０２において、鋳塊残材から次のビレットを切断する。吐出トレイ１６上の切断されたビレットは、プレスに送るため搬送機（図示せず）に移される。次のステップ１０３は、新しい残材が、次のビレットの長さに最小残材長さを足し合わせた長さ以上かどうかを判断することである。答えがyesの場合、１０６において、切断後に残った鋳塊残材が、処理アセンブリ１８の従来のラムシリンダ２２を用いて扉アセンブリ１２を通って炉内に押し戻される。

ステップ１０１、１０２、１０３、及び１０６の逐次ループは、新しい残材の長さが、次のビレット長さに最小残材長さを足し合わせた長さ未満になるまで続く。足し合わせた長さ未満になった時点で、制御がステップ１０４に移り、そこで溶接サイクルが始まる。円柱状鋳塊が炉を出て、残材と第２の鋳塊との当接面が鋸刃の中心線を過ぎるまで前進する。吐出トレイ１６が鋸切断機１４から後退し、グリッパ３０が降下して鋳塊残材を取り囲み、グリッパは鋳塊残材を囲んで閉じる。次に、グリッパが上昇して残材を持ち上げ、それにより残材が押し戻し機構２２の挿入を妨げることがなくなる。鋳塊残材が一時的に持ち上げられている間、押し戻し機構２２が後続の鋳塊を炉に向かって、後続の鋳塊の前面が鋸刃の中心線と整列するまで押し戻す。鋸切断機の押さえ具を作動させることによって鋳塊が所定位置に拘束され、押し戻し機構２２は後退する。

後続の鋳塊が位置決めされた後、残材が後続の鋳塊と軸方向に整列するまで、グリッパ３０が降下する。チャック３２が開き、チャック３２は、その中に鋳塊残材が嵌まり込むまで炉に向かって動く。次に、チャック３２は鋳塊残材を囲んで閉じる。グリッパ３０が開き、図２に示されるとおりの上方位置に戻る。チャック３２及びグリッパ３０が鋳塊残材を第２の鋳塊に向かって動かし、２つの酸化面を互いに当接させて鋸切断機の中心線と整列させる。残材が押さえ具によって拘束され、鋸刃が切断を行う（「クリーンアップカット（clean-up cut）」と称される）。鋸刃の切り溝は、当接面の双方から材料を取り除くのに十分な幅を有する。結果的に、クリーンアップカットにより、双方の面から酸化物が取り除かれ、同時にそれらの面が直角且つ正確なものとなる。この切断作業に加えて、又はそれに代えて、酸化物を取り除くための他の技術が用いられてもよい。かかる技術の一つは、残材及び／又は後続の鋳塊の端部のワイヤブラシ加工であり得る。

次のステップ１０５は、鋳塊残材を後続の鋳塊と接続することである。現在の方法では、この接続は、摩擦溶接、より詳細にはツイスト溶接によって作成される。具体的には、２つの切断面を一体に溶接するための要件に応じて、チャック３２が軸方向圧力を加え、鋳塊残材を回転させる。いくつかの適用では、ある割合の相対的な回転（例えば６０度）が適切であり得ると予想される。他の適用では、複数回の相対的な回転が適切であり得ると予想される。任意の適用についての軸方向圧力及び相対的な回転の大きさは、金属合金及び所望の結果に依存し得る。他の摩擦溶接技術が、ツイスト溶接に加えて、又はそれに代えて用いられ得る。かかる技術としては、相対的な直線の動き、揺動する動き、及び振動する動きが挙げられる。

場合により、「クリーンアップカット」の後、及びスピン溶接の前に、不活性ガス（例えばアルゴン又は窒素）を切断領域、従って切断面上に送り込み、酸化物の形成を抑制してもよい。

軸方向圧力及び相対的な回転により、「ツイスト溶接」又は「スピン溶接」（例えば、摩擦溶接の一形態）がもたらされ、２つの鋸引きされた面が互いに融合される。ツイスト溶接により、溶接継ぎ目における空気の混入がなくなる。他の好適な接続方法を用いることもできるが、現在のところ、それほど好ましくないと考えられる。その理由は、最も明らかなところでは、空気が入り込む可能性である。鋳塊残材を後続の鋳塊と接続し直すと、改良された円柱状鋳塊が作成される。

ブロック１０５の後、円柱状鋳塊は、まず初めにチャック３２によって、次にラムシリンダ２２によって、扉アセンブリ１２を通って炉内に戻される。円柱状鋳塊が十分に再加熱されると、次のビレットを切断するため円柱状鋳塊が炉から出されて前進し得る。鋳塊残材と後続の鋳塊との間の溶接継目は本質的に気密であり、続くプレスでの押出し中に空気が入り込むことが防止される。

図８の（ａ）〜（ｇ）は、第１の方法の各ステップにおける鋳塊、ビレット、及び残材の位置を概略的に示す。図８（ａ）は、「最初の」鋳塊から最後のビレットが切断された直後の鋳塊残材ＬＲの位置を示す。この時点で、次の鋳塊ＮＬはまだ炉内にある。図８（ｂ）は、円柱状鋳塊が炉から前進し、鋳塊残材がグリッパ３０の届く範囲にきた後の、次の鋳塊ＮＬと鋳塊残材ＬＲとの当接位置（鋸刃の中心線を越えている）を示す。図８（ｃ）は、吐出トレイ１６によって引き込まれた鋳塊残材ＬＲを示す。図８（ｄ）は、グリッパ３０によって持ち上げられた鋳塊残材ＬＲと、押し戻し機構２２によって鋸刃の中心線と整列した次の鋳塊ＮＬとを示す。図８（ｅ）１２は、鋳塊残材ＬＲが次の鋳塊ＮＬと軸方向に整列して当接したところを示す。この時点で、「クリーンアップカット」が行われ、鋳塊残材ＬＲ及び次の鋳塊ＮＬの双方にきれいな切断面が作成される。図８（ｆ）は、鋳塊残材ＬＲに軸方向圧力ＡＰ及び回転動作ＲＭが加えられ、鋳塊残材が次の鋳塊ＮＬとツイスト溶接されているところを示す。図８（ｇ）は、次のビレットＢの長さが溶接された鋳塊残材ＬＲより短いことを示す。見て分かるとおり、連続的に作製される円柱状鋳塊ＬＣが、事実上エンドレスなアルミニウム鋳塊を提供し、そこからビレットが切断され得る。

第１の方法は１回のカットで双方の面を切断するが、２つの面に別個のカットが必要となり得るか、又は望ましいとされ得る可能性がある。例えば、２つの当接面が、鋸刃の切り溝の幅を上回る凸凹のある当接面を有する可能性がある。その場合、各面について別個のカットが必要となり得る。

ＩＩＩ．第２の方法
図１５は、炉を出る円柱状鋳塊ＬＣからビレットを切断する加工を行うための第２の方法を制御する基本的な論理を示すフローチャートである。

図９に示されるとおり、炉を出る鋳塊から次に切断されるビレットの長さを制御システムが特定するとき、論理フローは開始となる。第１のステップ２０１は、現在炉内にある鋳塊残材が、（ａ）次のビレットの所要の長さに、（ｂ）最小残材長さを足し合わせた長さ以上かどうかを判断することである。答えがyesの場合、制御はブロック２０２に移る。所望のビレット長さに対応する鋳塊の長さが鋸切断機の向こう側に延在するよう、鋳塊残材が扉アセンブリ１２を通って鋸切断機１４を越えて進む。鋸切断機の押さえ具が作動して、鋳塊を固定位置に拘束する。鋸切断機１４が作動し、鋳塊残材から次のビレットを切断する。フローチャートには具体的に示されないが、切断後に残った鋳塊残材は、ラムシリンダ２２を用いて扉アセンブリ１２を通って炉内に押し戻される。吐出トレイ１６上の切断されたビレットは、プレスに送るため搬送機（図示せず）に移される。

ステップ２０１及び２０２の逐次ループは、鋳塊残材の長さが、（ａ）次のビレット長さに、（ｂ）最小残材長さを、足し合わせた長さ未満になるまで続く。足し合わせた長さ未満になった時点で、制御がステップ２０３に移り、そこで鋳塊残材は一時的に鋳塊／ビレット経路の外側に退けられる。具体的には、グリッパ３０が降下して鋳塊残材を取り囲み、グリッパが鋳塊残材を囲んで閉じる。次に、グリッパ３０が上昇して鋳塊残材を持ち上げ、それにより鋳塊残材が炉を出る後続の鋳塊を妨げることがなくなる。鋳塊はこの保持位置又は一時的な保管位置に保持又は保管される。鋳塊残材はまた、２０３において、直前に切断された鋳塊の端部が炉扉１２に面するように両端が反対向きに転回される。

鋳塊残材が一時的に保管され、転回されている間、次の、又は後続の鋳塊が、２０４において、その鋳塊から次のビレットを切断することができるように炉から出される。具体的には、鋳塊がビレットの所望の長さと等しい距離だけ鋸切断機１４を越えて延在するように、鋳塊が炉から動かされる。鋳塊は所定位置で拘束され、鋸切断機１４が作動することにより、２０４において、その鋳塊からビレットが切断される。

後続の鋳塊から第１のビレットが切断された後、論理はブロック２０５に続き、これは鋳塊残材を後続の鋳塊と接続するステップを含む。残材が後続の鋳塊と軸方向に整列するまで、グリッパアセンブリが降下する。チャック３２が開き、チャック３２は、その中に鋳塊残材が嵌まり込むまで炉に向かって動く。次に、チャック３２が鋳塊残材を囲んで閉じる。グリッパ３０が開き、図２に示されるとおりの上方位置に戻る。チャック３２及びグリッパ３０が鋳塊残材を第２の鋳塊に向かって動かし、鋸引きされた２つの面を互いに当接させる。チャック３２が軸方向圧力を加え、鋳塊残材を回転させる。

ブロック２０５の後、円柱状鋳塊は、まず初めにチャック３２によって、次にラムシリンダ２２によって、扉アセンブリ１２を通って炉内に戻される。次のビレットは、典型的には接続し直される鋳塊残材より短い。しかしながら、次のビレットが接続し直される鋳塊残材より長いこともあり得る。

図１０の（ａ）〜（ｇ）は、第２の方法の各ステップにおける鋳塊、ビレット、及び残材の位置を概略的に示す。図１０（ａ）は、「最初の」鋳塊から最後のビレットが切断された後の鋳塊残材ＬＲの位置を示す。この時点で、次の鋳塊ＮＬはまだ炉１２内にある。図１０（ｂ）は、鋳塊残材ＬＲがグリッパ３０によって持ち上げられた後の鋳塊残材ＬＲを示す。この時点で、次の鋳塊ＮＬは炉から前進している。図１０（ｃ）は、次の鋳塊ＮＬが、次の所望のビレットＢの長さと等しい距離だけ鋸切断機を越えて延在しているところを示す。図１０（ｄ）は、ビレットＢが次の鋳塊ＮＬから切断され、プレスに向かう途中であることを示す。図１０（ｅ）は、鋳塊残材ＬＲが両端を逆に転回され、次の鋳塊ＮＬと軸方向に整列されることを示す。図１０（ｆ）は、鋳塊残材ＬＲに軸方向圧力ＡＰ及び回転動作ＲＭが加えられ、鋳塊残材が次の鋳塊とツイスト溶接されているところを示す。図１０（ｇ）は、次のビレットＢの長さが溶接された鋳塊残材ＬＲより長いことを示す。

ＩＶ．結論
システム１０の一部として鋸切断機１４が開示されるが、鋳塊は、当業者に公知の任意の好適な方法で切断され得る。例えば、鋳塊を切断するための代替的装置の一つは、Granco Clark, Inc.によって販売されるものなどの高温鋳塊の剪断機である。しかしながら、鋸切断機によるときれいで直角な面が生じるため、現在のところ、鋸切断機がツイスト溶接に最適であると考えられる。さらに、切断された面が最も効果的な接続をもたらすと考えられるが、事実上切断されていない面（例えば鋳塊の端部）を接続することもまた可能であり得る。

上記の説明は、本発明の現在の実施形態のものである。特許請求の範囲に定義されるとおりの本発明の趣旨及びより広義の態様から逸脱することなく、様々な修正及び変更を加えることができ、それらは、均等論も含め、特許法の原則に基づいて解釈されるべきである。

Claims (5)

1. 金属押出しシステムにおいて金属鋳塊を加工する方法であって、
   炉から加熱された金属鋳塊を受け取るステップと、
   ２つの加熱された金属鋳塊の隣接する端部を切断装置と整列させるステップと、
   前記金属鋳塊の各々に切断面を作成するため、前記切断装置を作動させて、当接させた
   端部の双方から１回の切断動作で金属を取り除くステップと、
   連続的な鋳塊を作成するため、前記切断面を互いに直接溶接するステップと、
   前記連続的な鋳塊から少なくとも１つのビレットを切断するステップと、
   前記少なくとも１つのビレットをプレスに送るステップと、
   を含む、方法。
2. 前記切断装置が、前記１回の切断動作中に前記隣接する鋳塊の双方から金属を取り除いて前記切断面を作成するのに十分な幅の切り溝を有する鋸切断機である、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶接するステップが摩擦溶接するステップを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記摩擦溶接するステップが、ツイスト溶接を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記摩擦溶接するステップが、
   前記２つの面の間に軸方向圧力を生じさせるステップと、
   前記２つの面の間に相対的に回転する動きを生じさせるステップと、
   を含む、請求項４に記載の方法。

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