JP2021530363A - 中小径の厚肉金属管及びその製造方法 - Google Patents

中小径の厚肉金属管及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、小径厚肉金属管及びその製造方法を開示した。前記金属管の断面直径の範囲は３０〜１６０ｍｍで、寸法精度は±０．２ｍｍで、肉厚に対する金属管外径の比は２より大きく２０以下である。前記金属管の内外壁に皮むき、凹み痕或いは亀裂がない。前記金属管の材質は鋼、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン又は合金である。本発明は、鍛造と圧延の両方の特徴を兼備し、金属ビレットのシングルパス、大きな変形量の加工を実現することができ、工程フローが短く、製品の寸法精度が高く（±０．２ｍｍ）、内外壁面の品質がよく、コストが低い。【選択図】図１

Description

本発明は、金属管材料加工技術の分野に関し、さらには、中小径の厚肉金属管及びその製造方法に関する。
現在、中小径の厚肉（Ｄ／Ｓが２〜２０範囲内に位置する）金属管の成形方法は、主に押出、圧延などがあり、ここで、押出成形は、生産効率が低いため、製品コストが高く、市場競争力がなく、通常、他の工程では生産できないか又は生産が困難な極めて少ない金属管を生産するために用いられる。熱間圧延成形には、主として、回転鍛造ミル、３ロールクロス圧延成形、及びストレッチリダクション成形などが含まれる。
回転鍛造ミルは、一定の頻度でマンドレルと周期的に往復運動する孔型からなる圧延溝内に管材を送り込み、内壁はマンドレルに支持され、次第に収縮する可変断面孔型でビレットを圧延することにより、縮径と減肉の機能を実現する。回転鍛造ミルとして、主に２段式ピルガー圧延機が一般的であるが、圧延プロセスでは、フレームと圧延ロールは往復運動し、運動する部品が多く、かつ、慣性が大きいため、圧延プロセスの安定性が悪く、かつ圧延機の構造が複雑で、メンテナンス・調整が困難になり、２段式圧延機によって圧延される管材は、寸法精度が低く、表面の品質が悪い。
３ロールクロス圧延機の３つの圧延ロール同士は、圧延中心線の周りに１２０°を呈するように均等に配置され、圧延ロールの軸線と圧延中心線は傾斜し、交差して特定の角度（即ち、圧延角度とフィード角度）になるため、ビレットが圧延ロールの作用により螺旋状に前進し、圧延された管材の外面に「螺旋状の線」が形成され、表面の品質に影響し、圧延停止の原因になる後部に「三角形」の欠陥が発生しやすい。
３ロールストレッチリダクションミルは、一般に、１０個以上のフレームで構成される一連の孔型であり、隣接するフレームの圧延ロールの回転速度の差によってストレッチを提供し、それにより、ビレットの中空縮径を完了するが、フレームの数が多いため、設備投資が多く、生産ラインが長く、敷地面積が大きく、設備の調整と制御が複雑である。
本発明は、従来技術に現れた問題を解決するために、中小径の厚肉金属管及びその製造方法を提供する。本発明は、鍛造と圧延の両方の特徴を備え、金属ビレットのシングルパス、大きな変形量の加工を実現し、プロセスが短く、製品の寸法精度が高く（±０．２ｍｍ）、内外壁面の品質がよく、低コストである。
本発明の１つ目の目的は、中小径の厚肉金属管を提供することである。
前記金属管の断面直径の範囲は３０〜１６０ｍｍであり、寸法精度は±０．２ｍｍであり、肉厚に対する金属管外径の比は２より大きく２０以下である。
好ましくは、
前記金属管の断面直径の範囲は３０〜１００ｍｍであり、
前記肉厚に対する金属管外径の比は２より大きく１２以下であり、２より大きく１０以下であるのがより好ましく、２より大きく５以下であるのが最も好ましい。
前記金属管の内外壁に皮むき、凹み痕或いは亀裂がない。
前記金属管の材質は、鋼、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン又は合金であることが好ましい。
本発明の２つ目の目的は、中小径の厚肉金属管の製造方法を提供することである。
（１）ビレットを選択して、定尺にカットするステップと、
（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、先端を支持ロールで支持し、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通することを保証するステップと、
（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構は、ビレットが複合鍛造成形装置に入って成形するように、それを１〜３ｍ／ｍｉｎの供給速度で５〜３０ｍｍ送り込むステップと、
（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に１５〜９０°回転させるステップと、
（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続けるステップと、
（６）冷却し、定尺裁断するステップと、を含む。
ここで、好ましくは、
ステップ（１）において、ビレットの外径は４０〜１８０ｍｍであり、定尺の長さは０．５〜１０ｍであり、
ステップ（３）において、冷間成形する場合、ビレットを供給した後、複合鍛造成形装置に直接送り込み、熱間成形する場合、誘導加熱装置により、ビレットを目標温度まで加熱した後、複合鍛造成形装置に送り込み、
ステップ（３）において、熱間成形する場合、誘導加熱装置は中波誘導加熱コイルであり、目標温度範囲は８００〜１２００℃であることが、好ましい。
前記複合鍛造成形装置は、３つの搖動する鋳型ブロックで構成され、ビレットの中心軸線を中心に１２０°を呈するように等間隔に配置され、鋳型ブロックは、モータによって駆動されるクランク連結ロッド機構を介して同期的に揺動し、鋳型ブロックは、その連結軸の周りを回転しながら、連結軸とともに往復直線運動を行い、連結軸の両端には平らな鍵を介して連結される平歯車が取り付けられ、鋳型の移動変位と回転角度は平歯車により制御される。
本発明は、具体的には、以下の技術的解決手段を採用することができる。
当該工程プロセスは以下のとおりである。（１）適切なビレットを選択して、定尺にカットする。（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、先端を支持ロールで支持し、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通することを保証する。（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構１〜３ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを５〜３０ｍｍを送り込み、冷間成形する場合、供給した後、複合鍛造成形装置に直接送り込み、熱間成形する場合、誘導加熱装置により、ビレット を目標温度まで加熱した後、複合鍛造成形装置に送り込む。（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に１５〜９０°回転させ、再度５〜３０ｍｍ送り込んだ後、再び複合鍛造成形装置に入れて成形する。（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続ける。（６）冷却し、定尺裁断する。
当該工程は、主に、
（１）適切なビレットを選択して、定尺にカットするステップと、
（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、先端を支持ロールで支持し、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通することを保証するステップと、
（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構１〜３ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを５〜３０ｍｍを送り込み、冷間成形する場合、供給した後、複合鍛造成形装置に直接送り込み、熱間成形する場合、誘導加熱装置により、ビレットを目標温度まで加熱した後、複合鍛造成形装置に送り込むステップと、
（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に１５〜９０°回転させ、再度５〜３０ｍｍ送り込んだ後、再び複合鍛造成形装置に入れて成形するステップと、
（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続けるステップと、
（６）冷却し、定尺裁断するステップと、を含む。
本発明で選択したビレットは、高周波ストレートシーム溶接管、シームレス管を含み、材質要件は鋼管、及びアルミニウム、銅、マグネシウム、チタンなどの非鉄金属管を含み、ビレットの外径は４０〜１８０ｍｍであり、定尺の長さは０．５〜１０ｍである。
本発明において、成形鋳型は３つの搖動する鋳型ブロックで構成され、ビレットの中心軸線を中心に１２０°を呈するように等間隔に配置され、鋳型ブロックは、モータによって駆動されるクランク連結ロッド機構を介して同期的に揺動し、鋳型ブロックは、その連結軸を中心に回転しながら、連結軸とともに往復直線運動を行い、その移動変位と回転角度は厳密に対応する。
本発明において、ビレットの供給速度は１〜３ｍ／ｍｉｎであり、毎回の供給量は５〜３０ｍｍである。
本発明において、前記工程は、冷間、熱間の２種類の成形方式を行うことができ、前記ステップ（３）における誘導加熱装置は、中波誘導加熱コイルであり、成形温度区間は８００〜１２００℃である。
本発明は、様々な金属材質の中小径の金属管の成形に適用し、製品の外径範囲は３０〜１６０ｍｍであり、肉厚に対する製品の外径の比（Ｄ／Ｓ）は２より大きく２０以下である。
本発明において、取得した金属管製品の寸法精度は±０．２ｍｍである。
本発明の上記技術的解決手段の有益な効果は以下のとおりである。
（１）金属ビレットのシングルパス、大きな変形量で断面が変化する加工を実現できる。
（２）工程プロセスが短く、設備投資が少ない。
（３）製品の寸法精度は高く（±０．２ｍｍ）、内外壁面の品質がよい。
（４）工程は鍛造と圧延の特徴を兼備し、変形質量点は三軸圧縮応力状態にあり、様々な金属材質の中小径の金属管の冷間、熱間成形に適用できる。
本発明の複合鍛造金属管成形機の模式図である。 本発明の伝動装置の模式図である。 本発明の複合鍛造成形装置の模式図である。 図３の側面断面図である。 本発明の誘導加熱コイルの模式図である。 本発明の中子鋳型装置の模式図である。 本発明の材料供給装置の模式図である。 本発明の材料受容装置の模式図である。 本発明の小径厚肉金属管製品の模式図である。 図９の断面の模式図である。
以下、実施例を参照しながら、本発明についてさらに説明する。
鋼管６をビレットとして、ビレットを材料供給フレーム８に取り付け、ビレットの後端は油圧チャック２７によってクランプされるとともに、中子鋳型装置７がビレットの内側ボアを貫通するように保証し、１．５ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを２５ｍｍ送り込み、ビレットが誘導加熱コイル４に入って１０００℃まで加熱された後、成形フレーム３に入る。ビレットの先端が材料受容フレーム１に入るまで、複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に６０°を回転させ、再度２５ｍｍ送り込んで成形する。材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続ける。ビレットを冷却後に定尺にカットする。
実施例１
（１）Ｑ２３５高周波ストレートシーム溶接管をビレットとして選択し、ビレットの元の外径は８６ｍｍで、肉厚は４．５ｍｍで、定尺の長さは３ｍである。
（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、先端を支持ロールで支持し、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通するように保証し、マンドレルの直線部分の直径は５４ｍｍである。
（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構は１．５ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを２５ｍｍ送り込み、誘導加熱コイルでビレットを１０００℃まで加熱した後、複合鍛造成形装置に送り込む。
（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に６０°回転させ、再度２５ｍｍ送り込み、誘導コイルで加熱したてから、複合鍛造成形装置に入れて成形する。
（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続ける。
（６）冷却し、定尺裁断する。
当該成形工程を用いて得たビレットの外径は６５ｍｍで、肉厚は５．５ｍｍで、製品の寸法精度は±０．２ｍｍで、内外壁に皮むき、凹み痕などの欠陥がない。
実施例２
（１）０８Ａｌシームレス鋼管をビレットとして選択し、ビレットの元の外径は６０ｍｍで、肉厚は３．８ｍｍで、定尺の長さは５ｍである。
（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、先端を支持ロールで支持し、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通するように保証し、マンドレルの直線部分の直径は２５ｍｍである。
（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構は２ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを２０ｍｍ送り込み、誘導加熱コイルでビレットを９００℃まで加熱した後、複合鍛造成形装置に送り込む。
（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に７５°回転させ、再度２０ｍｍ送り込み、誘導コイルで加熱してから、複合鍛造成形装置に入れて成形する。
（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続ける。
（６）冷却し、定尺裁断する。
当該成形工程を用いて得たビレットの外径は３５ｍｍで、肉厚は５ｍｍで、製品の寸法精度は±０．１８ｍｍで、内外壁皮むき、凹み痕などの欠陥がない。
実施例３
（１）銅管をビレットとして選択し、ビレットの元の外径は６０ｍｍで、肉厚は４ｍｍで、定尺の長さは６ｍである。
（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、先端を支持ロールで支持し、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通するように保証し、マンドレルの直線部分の直径は１８ｍｍである。
（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構は３ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを１０ｍｍ送り込み、複合鍛造成形装置に送り込む。
（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に４５°回転させ、再度１０ｍｍ送り込んだ後、再び複合鍛造成形装置に入れて成形する。
（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続ける。
（６）定尺裁断する。
冷間成形工程を用いて得たアルミニウム管製品の外径は３０ｍｍで、肉厚は６．５ｍｍで、内外壁は滑らかで、皮むき、凹み痕などの欠陥がなく、製品の寸法精度は±０．２ｍｍである。
実施例４
（１）純アルミニウム管をビレットとして選択し、ビレットの元の外径は１４０ｍｍで、肉厚は１０ｍｍで、定尺の長さは８ｍである。
（２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、先端を支持ロールで支持し、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通するように保証し、マンドレルの直線部分の直径は８５ｍｍである。
（３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構は３ｍ／ｍｉｎの供給速度でビレットを８ｍｍ送り込み、複合鍛造成形装置に送り込む。
（４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に２５°回転させ、再度８ｍｍ送り込んだ後、再び複合鍛造成形装置に入れて成形する。
（５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続ける。
（６）定尺裁断する。
冷間成形工程を用いて得たアルミニウム管製品の外径は１１０ｍｍで、肉厚は１２．５ｍｍで、内外壁は滑らかで、皮むき、凹み痕などの欠陥がなく、製品の寸法精度は±０．２ｍｍである。
以上は、本発明の好ましい実施形態である。当業者にとって、本発明の前記原理から逸脱せずに、いくつかの改善及び修飾を行うこともでき、これらの改善及び修飾も、本発明の保護範囲と見なされるべきであることに留意されたい。
１…材料受容フレーム、２…伝動フレーム、３…成形フレーム、４…誘導加熱コイル、５…誘導加熱装置の制御キャビネット、６…ビレット、７…中子鋳型、８…材料供給フレーム、９…偏心輪連結ロッド、１０…成形フレームベース、１１…メイン伝動軸、１２…互いに噛合う伝動ベベルギヤＡ、１３…互いに噛合う伝動ベベルギヤＢ、１４…互いに噛合う伝動ベベルギヤＣ、１５…互いに噛合う伝動ベベルギヤＤ、１６…中間伝動軸、１７…偏心輪軸、１８偏心輪、１９…連結軸、２０…軸受座連結ロッド、２１…扇形鋳型ブロック、２２…鋳型軸、２３…ストローク平歯車、２４…ラック、２５…鋳型のレールフレーム、２６…材料供給支持ロール、２７…油圧チャック、２８…サーボモータ、２９…減速小歯車、３０…減速大歯車、３１…チャックシート、３２…走行台車、３３…走行台車のガイドプーリー、３４…位置決めガイドレール、３５…中子鋳型位置決めシート、３６…材料供給台、３７…支持脚、３８…走行台車のモータ、３９…材料受容支持ロール

Claims (10)

  1. 金属管の断面直径の範囲は３０〜１６０ｍｍで、寸法精度は±０．２ｍｍで、肉厚に対する金属管外径の比は２より大きく２０以下である、
    ことを特徴とする小径厚肉金属管。
  2. 前記金属管の断面直径の範囲は３０〜１００ｍｍであり、
    前記肉厚に対する金属管外径の比は２より大きく１２以下である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の小径厚肉金属管。
  3. 前記肉厚に対する金属管外径の比は２より大きく１０以下である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の小径厚肉金属管。
  4. 前記金属管の内外壁に皮むき、凹み痕或いは亀裂がない、
    ことを特徴とする請求項１に記載の小径厚肉金属管。
  5. 前記金属管の材質は、鋼、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン又は合金である、
    ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の小径厚肉金属管。
  6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の中小径の厚肉金属管の製造方法であって、
    （１）ビレットを選択して、定尺にカットするステップと、
    （２）ビレットを材料供給フレームに取り付け、ビレットの後端をクランプ装置でクランプし、先端を支持ロールで支持し、中子鋳型装置がビレットの内側ボアを貫通することを保証するステップと、
    （３）１パスを開始するたび、その前に、材料供給機構は、ビレットが複合鍛造成形装置に入って成形するように、それを１〜３ｍ／ｍｉｎの供給速度で５〜３０ｍｍ送り込むステップと、
    （４）複合鍛造成形装置内で、ビレットの成形が１回完了するたびに、ビレットをその中心軸線を中心に１５〜９０°回転させるステップと、
    （５）工程ステップ（３）と（４）を、ビレットの先端が材料受容フレームに入るまで繰り返し、材料受容機構がビレットの先端をクランプするとともに、材料供給フレームがビレットの後端を解放し、ビレットは、ビレット全体の成形が完了するまで、材料受容機構に連動されて前進し続けるステップと、
    （６）冷却し、定尺裁断するステップと、を含む、
    ことを特徴とする中小径の厚肉金属管の製造方法。
  7. ステップ（１）において、ビレットの外径は４０〜１８０ｍｍであり、定尺の長さは０．５〜１０ｍである、
    ことを特徴とする請求項６に記載の小径厚肉金属管の製造方法。
  8. ステップ（３）において、冷間成形する場合、ビレットを供給した後、複合鍛造成形装置に直接送り込み、熱間成形する場合、誘導加熱装置により、ビレットを目標温度まで加熱してから、複合鍛造成形装置に送り込む、
    ことを特徴とする請求項６に記載の小径厚肉金属管の製造方法。
  9. ステップ（３）において、熱間成形する場合、誘導加熱装置は中波誘導加熱コイルであり、目標温度範囲は８００〜１２００℃である、
    ことを特徴とする請求項８に記載の小径厚肉金属管の製造方法。
  10. 前記複合鍛造成形装置は、３つの搖動する鋳型ブロックで構成され、ビレットの中心軸線を中心に１２０°を呈するように等間隔に配置され、鋳型ブロックは、モータによって駆動されるクランク連結ロッド機構を介して同期的に揺動し、鋳型ブロックは、その連結軸の周りを回転しながら、連結軸とともに往復直線運動を行い、連結軸の両端には平らな鍵を介して連結される平歯車が取り付けられ、鋳型の移動変位と回転角度は平歯車により制御される、
    ことを特徴とする請求項６に記載の小径厚肉金属管の製造方法。
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