专利名称：内加热金属管材中—高温超高水压一次成形技术、方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全新的缩口管状金属部件水压一次成形技术、方法与设备。具体的，就是利用水在高温下所产生的巨大的静压力这一技术及相关设备，进行缩口管状金属部件的一次成形。
成形过程中所需内高压来源于高温水所产生的巨大静压力，成形介质为高温超高压水(超临界水)，金属坯料是在高温状态下成形。
2.背景技术目前通常所说的管材液压成形(内高压成形)是以液压泵(水泵或油泵)的机械压力为压力来源，低温流体(水或油)为成形介质，以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体把管坯压入到模腔中使其成形为所需工件。具体地是将管材毛坯放入一液压成形组件的模腔中并用液压泵向毛坯内部提供高压流体，以使毛坯向外膨胀与限定模腔表面一致。此方法的缺点及局限①成本较高，需要一高性能液压泵；②工作压力相对较低，工作压力通常为0.3-0.5GPa；③升压较为困难，对于普通的液压泵，若要在工作压力范围的基础上再提升0.1GPa，常常较为困难；④所加工金属部件外表面容易产生扇形微裂隙，因为金属容器毛坯是在常温刚性状态下膨胀；⑤加工高强度金属部件(如钛合金等)受到限制，因是在常温状态下加工；⑥加工厚壁金属部件受到限制，因是在常温状态下加工。
3.发明内容本发明是一种内加热金属管材中一高温超高压水压一次成形技术、方法与设备。本发明是利用水在高温下所产生的巨大静压力这一技术及相关设备，进行缩口管状金属部件的一次成形，其中采用内加热的方式对高压容器中的工作水进行加热，使其产生膨胀管壁所需要的内高压。本方法无论从压力产生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是从设备构件上都与常规液压成形技术和设备不同，它是一种新的技术和方法。
本发明是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组以水为传压介质高温超高压热模拟实验结果提出的①将加满水(约6-7滴)的外径为48mm，内径为8mm，内外径比为1∶6的Rene41钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至350℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长27mm、宽11mm的裂口(见图1B-1)；②同样的实验方法，将加满水(约8-9滴)的外径为60mm，内径为8mm，内外径比为1∶7.5的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至450℃和480℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的60mm分别膨胀变形为63.1mm和64.3mm(见图1B-2)。此现象为我们利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，来进行缩口管状金属部件的一次成形奠定了基础。
本发明的一项内容是一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次液压成形缩口管状金属部件的技术(见图2)。其特点是，成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。水的p-V-T关系是水的基本的物理化学性质，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如200℃、500℃和1000℃时，要维持常温常压下水的密度(1g/cm3)，所需外部压力分别要达到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。换句话说，将充满水的(即充填度为100％)封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的高温水将会产生约0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的压力，并均匀作用于四周容器壁上(见图1A)。我们正是利用水的这一特性来进行缩口管状金属部件的一次成形。即将充满水或充填一定量水的管状金属毛坯，加以密封，然后通过间接的热传导的方式对管材坯料中的水进行加热。随着水温的升高，管坯中由高温工作水所产生的压力亦随之增加，当此水压超过管坯壁所能承受的张力时，膨胀管坯的壁，此时若用凹形模具加以控制，就得到各种既具有外部形态又具有内部形态的双形态的缩口管状金属部件(见图2和3)。水在高温下能够产生用于膨胀管材坯料的巨大的内高压可以从上述两组高温高压实验中得到印证(见图1B-1，图1B-2)。
本发明第二项内容涉及一种内加热并产生成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件(见图6A和6B)。其特点是将高温电热元件置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生成形过程中所需要的内高压。同时，高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高高压容器外壁的抗张强度，进而提高高压容器中工作水的工作温度及工作压力，扩大设备的压力使用范围，提供膨胀厚壁金属材料、高强度金属材料所需的内高压。
内加热技术包括高压容器内部内置式电热高温炉加热技术和容器外壁的冷却技术两部分。其组件主要由高压容器、工作水、内置式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成。
本发明第三项内容涉及一种内置式电热高温炉组件。其特点是将电热高温炉置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，以便产生成形过程中所需的内超高压(见图6A，6B)。本组件包括高温电热元件(2-1)、绝缘涂层(2-2)、电热元件外面的金属保护壳体(2-3)、以及外裹绝缘层的金属导线四部分(见图6A)。
内加热设计既要保证高压(超高压)工作环境下的高压容器的密封性，又要保证电热元件以及金属导线在加热过程中与工作水和高压容器壁之间的绝缘性。因此，在电热元件和金属导线外面必须涂有耐高温的绝缘材料。
电热元件采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层，然后用耐高温的金属壳体包裹在碳化硅棒和硅化钼棒高温电热元件外面，从而避免电热元件与高温水直接接触，以保护碳化硅棒和硅化钼棒外表面的硅质绝缘层，延长高温电热元件的使用寿命。
高温电热元件连同外面的金属保护壳体焊接在高压容器壁上，或用螺具通过锥面-锥面或锥面-球面固定在高压容器壁上，并用外涂绝缘涂层的金属导线将高温电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和控温仪相连，同时要保证高压容器在高压下具有良好的密封性。高温电热元件既可以置于高压容器侧壁上(见图6A)，也可以置于高压容器底部壁上(见图6B)，这要视具体情况而定。
本发明第四项内容涉及一种以热传导的方式间接加热管材坯料中的工作水至高温，产生膨胀管材毛坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件(见图7)。
其特征为，首先将高压容器和管材坯料中都加满水，然后采用内加热方式加热高压容器中的工作水至高温，以高压容器中的高温工作水为热源，利用高压容器中高温水和管材坯料中的中-低温水之间的温度差，通过连接高压容器和管材坯料之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中工作水的高温传导到管材坯料水中，间接加热管材坯料中的水至高温，使其产生膨胀管坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术。
本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、管材毛坯、以及工作水五个基本组件。
本发明第五项内容涉及一种以压力传导的方式直接提供膨胀管材毛坯壁，并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件(见图8A，8B，8C，8D和8E)。
其特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过内加热方式加热高压容器中的工作水至高温，当由高温水(超临界水)所产生的内高压达到预定的压力时，开启高压容器和管坯之间的高压阀，这样由高压容器中高温水所产生的巨大内高压经由高压金属管线传导到管坯中，膨胀管材毛坯的壁使其变形，直至管坯外表面与模具内模表面基本一致的技术。
本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、高压截止阀、管材毛坯、以及工作水六个基本组件。
本发明第六项内容涉及一种金属管材毛坯预加热的技术。其特征是在模具外面套一中温炉，并透过模具对模腔中的管材毛坯进行预加热的技术(见图6A)。其作用一是使管坯(无论热传导或压力传导)在热状态下膨胀变形；二是减少热传导过程中热量在管坯中的损失，缩短一次成形所需的时间。
本发明的第七项内容是内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形设备。该设备包含四大部分19个基本组件(见图6A)。第一部分为高温高压设备(压力源)，包括高压容器(1)、内置式电热高温炉(2)、工作水(4)、冷却水循环装置(3)；第二部分为温度(或压力)传导设备包括高压金属管线(5)及保温套(6)、高压阀(7)；第三部分为成形设备，包括凹形模具(12)、中温预热炉(13)、炉壳(14)、模具固定支架(16)、金属管材毛坯支架(9)、金属管材毛坯(11)、一对密封对冲冲头(8)、金属套圈(10)；第四部分为控制设备，包括温度控制设备(2，17)、模具开合控制设备(15，18)，金属管材毛坯支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备(8，19)。
设备特点①采用内加热的方式加热高压容器中的工作水，使其产生成形过程中所需的内高压，即将电热高温元件置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生成形过程中所需的内高压；②具有两个高压容器和两个高温炉，即两个压力源，分别从管材两端对管壁施加内高压；③压力源(高压容器和高温炉)与模具分开放置，模具既可使用耐高温、高强度陶瓷材料模具，也可使用普通的金属材料模具(如不锈钢材料模具)；④采用压力传导或热传导的方式，间接提供膨胀管坯所需的内高压。成形过程中所需的内高压是由高压容器中的高温水(超临界水)产生，并经由高压金属管线传导到管坯中；⑤高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高高压容器壁的抗张强度；⑥模具的外面套有一中温炉，以对金属毛坯进行预加热；⑦高压容器壁抗张强度高，工作水的工作温度高，可最大限度地产生成形过程中所需的内高压，但高压容器密封难度较大；⑧本设备不仅可以加工薄壁、低强度的金属管材(如铜、铝合金等)，也可以成形厚壁、高强度的金属管材(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)；⑨本设备不仅可以加工轴线为直线的空心零件，以及轴线为曲线的空心零件，而且也可以成形空心变截面轻体构件(见图4A和4B)；⑩本设备不仅可以加工如圆形、椭圆形等形态简单的缩口管状金属部件，也可以成形形态较为复杂的缩口管状金属部件(见图5A，5B，5C和5D)。
本发明第八项内容涉及一种压力传导内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形方法其特点是，利用高压容器中由高温工作水所产生的内高压，经由高压金属管线将内高压传递到管材坯料腔体中，直接提供膨胀管壁并一次成形缩口管状金属部件所需的内高压。具体步骤(见图8A，8B，8C，8D和8E)如下①首先将两个高压容器中加满水；②采用线密封或面密封，用两个有轴向通孔的对冲冲头分别将管坯两端开口加以密封，冲头的另一端则用高压金属管线将冲头和高压容器相连；③用支架将管坯置于外套中温炉的凹形模腔中预加热至设定的温度；④开启高压容器内部的内置式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度；⑤当高压容器中由高温工作水(超临界水)所产生的压力达到预定的压力时，开启高压阀，这样由高压容器中高温水所产生的巨大压力通过高压金属管线传导到管坯中，膨胀管材坯料的壁，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致；⑥关闭管材毛坯两端的高压阀，打开模具和冲头，这样就得到各种既具有外部形态又具有内部形态的双形态的缩口管状金属部件。
本发明第九项内容涉及一种热传导内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形方法其特点是，首先采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至高温，然后通过高压金属管线，将高压容器中高温工作水的高温传递到管材坯料腔体水中，以热传导的方式间接加热管坯中的水至高温，产生膨胀管壁并一次成形缩口管状金属部件所需的内高压(见图7)。具体步骤如下①首先是将两个高压容器中加满水，管坯中也加满水；②采用线密封或面密封，用两个有轴向通孔的对冲冲头分别将管坯两端开口加以密封，冲头的另一端则用高压金属管线将冲头和高压容器相连；③用支架将管坯置于外套中温炉的凹形模腔中预加热至设定的温度；④开启高压容器内部的内置式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度，高温炉工作温度要远高于中温炉的工作温度；⑤高压容器中由高温工作水所产生的高温通过高压金属管线传导到管材坯料水中，间接加热管坯中的水至高温，当管坯中由高温水(超临界水)所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材毛坯的壁使其变形，直至管坯的外表面基本与模具内模表面一致；⑥停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度；⑦打开模具和冲头，这样就得到各种缩口管状金属部件。
与传统的液压成形相同，本方法不仅可以加工轴线为直线的零件，而且可以成形轴线为曲线的零件。这种工艺适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，截面形状可以为圆形、矩形或异型截面。对于变截面空心构件，传统制造工艺一般为先冲压成形2个半片再焊接成整体构件。液压成形的特点是可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的空心构件。与冲压焊接工艺相比，液压成形的主要优点是减轻质量，节约材料；减少了零件和模具的数量，降低了模具费用和生产成本；提高了产品的强度与刚度。
本发明无论从压力产生机理、成形介质、成形过程中金属所处的状态，还是从设备构件上都与目前传统的液压成形技术和设备不同，它是一种全新的技术、方法和设备。本方法与常规液压成形最大的区别是①压力产生机理(或压力来源)不同。常规液压成形过程中的压力来源于液压泵中的机械压力，而本方法中的压力来源于水本身在高温下所产生的巨大静压力；②成形介质不同。传统液压成形介质为常温液体(水或油)，而本发明中的成形介质为高温超高压水(即超临界水)，而非传统意义上的液体；③成形过程中金属坯料所处的状态不同，普通液压成形过程中金属坯料是在低温刚性状态下膨胀变形，而本方法中金属坯料是在高温塑性状态下膨胀变形；④由此所造成的成形设备组件及加工方法也不同。
此外，与传统的液压成形相比，本方法具有如下几方面优点①成本较低，主要设备组件为高压容器、电热高温炉、模具；②使用压力范围宽，可从几十个大气压，一直连续变化到1.5万个大气压；③增压非常容易，通过高压金属管线的热传导，管状金属坯料中水温只要达到200℃、500℃、1000℃，其中水就可以产生高达300MPa、800MPa和1800MPa的内高压；④所加工部件壁质地均匀，因为管状金属毛坯是在一种近于塑性状态下膨胀，即塑性变形，因此只要条件计算和控制适当，管壁外表面由于膨胀所产生的微裂隙就可避免；⑤可加工诸如钛合金、高强度钢等难成形的管状金属部件，因是在高温热状态下成形；⑥可加工厚壁的管状金属部件，因是在高温热状态下成形。
与其它高温水液压成形方法及设备相比，由于本设备采用内加热的方式以及高压釜体外壁冷却水循环系统，因此釜体抗压强度显著提高，从而使工作水的工作温度及工作压力显著提高，扩大了所加工金属材料厚度和类型的范围，既可以成形薄壁、低强度金属材料，也可以成形厚壁、高强度金属材料。
4.
图1A 为水在高温下所产生巨大压力示意图将充满水(即充填度为100％)的封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的水将会产生近200MPa、800MPa、1800MPa的内高压。
图1B-1 钛、钼合金高压釜在350℃高温水产生的内高压作用下膨胀及破裂图(A)釜体壁厚及内外径比(外径48mm，内径8mm，内外径比1∶6)(B)图1B-2不 锈钢高压釜在480℃高温水产生的内高压作用下膨胀图(A)釜体壁厚及内外径比(外径60mm，内径8mm，内外径比1∶7.5)(B)图2 是本发明的管材高温超高压液压一次成形技术示意图随着工作水的温度逐渐增高，由高温水(超临界水)所产生的压力也越来越大，由此造成金属部件膨胀的程度也逐渐增大。
a-常温未变形，；b-低温初始膨胀；c-中温中等膨胀；d-高温完全膨胀。
图3 是本发明的高温高压管材液压成形原理及步骤示意图a-加水，下行上模；b-密封；c-加热，成形；d-上行上模，打开密封冲头，取出缩口管状金属部件。
图4A 空心变截面轻体构件(空心阶梯轴)示意图a-机加工构件；b-高温内高压成形构件图4B 轴线为曲线变截面的空心构件图5A 模腔为三角形的管状金属部件一次成形过程示意5B 模腔为方形的管状金属部件一次成形过程示意5C 模腔为工字形的管状金属部件一次成形过程示意5D 模腔为五边形的管状金属部件一次成形过程示意6A 是本发明的内加热中—高温超高压管材液力一次成形设备及主要构件示意图(电热高温炉置于高压容器侧壁上)1-高压容器；2-内置式电热高温炉(21-高温电热元件；22-绝缘涂层；23-电热元件外面的金属保护壳体)；3-冷却水循环装置；4-工作水；5-高压金属管线；6-保温套；7-高压阀；8-密封对冲冲头；9-管材毛坯支架；10-金属套圈；11-管材坯料；12-凹形模具；13-中温预热炉；14-炉壳；16-模具固定支架；17-温度控制设备；18-模具开合控制设备；19-毛坯支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备。
图6B 是本发明的将电热高温炉置于高压容器底部的内加热中—高温高压金属管材液力一次成形设备示意7 是本发明的热传导内加热中—高温高压管材液力一次成形示意图将高压容器和管材坯料中都加满水，采用热传导的方式加热管材坯料中的水至高温，使其产生膨胀管壁并形成缩口管状金属部件所需的内高压图8A 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图对管材毛坯进行切割和预加工，使其符合本发明设备加工要求；将高压容器中加满水。
图8B 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图用有轴向通孔的锥形对冲冲头将管材毛坯开口端加以密封；将管材毛坯置于管材毛坯支架上，并置于外套中温炉的模腔内，下行上模；利用中温炉对管材毛坯进行预加热，使其达到一定温度。图中管材毛坯处于低温未变形状态。
图8C 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图开启高压容器内部的内置式电热高温炉，程序加热高压容器中工作水的温度至预定的温度，随着炉温的升高，高压容器中由高温水(超临界水)所产生的压力也迅速增加。当高压容器中由高温水所产生的压力达到一定程度时，开启高压阀，提供膨胀管材毛坯所需要的内高压。图中管材坯料处于初始膨胀状态。
图8D 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图随着高压容器中工作水的工作温度和工作压力进一步升高，管材毛坯的壁继续膨胀变形，直至其外表面与凹形模具内模表面基本一致。图中金属毛坯处于高温完全膨胀状态。
图8E 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图关闭高压阀，停止向管材毛坯中提供压力，当所加工的金属部件降至安全温度时，打开模具和冲头并取出所加工的缩口管状金属部件。
5.优选实施例的详细描述本方法和技术适用的领域非常广，它不仅可用于汽车(摩托车)工业、机械工业、轻工业，也可用于舰船工业、航空工业、宇航工业、以及兵器工业等。
本次暂以椭圆形(或圆形)缩口管状金属部件为优选实施例，具体实施方法及加工步骤如图8A-8E中所述。
权利要求
1.一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次液压成形缩口管状金属部件的技术。本发明是基于水的状态方程、水的p-V-T关系图、以及下面两组高温超高压热模拟实验结果。技术特点为成形过程中所需的内高压来源于水在高温下所产生的巨大压力。根据水的p-V-T关系图以及水的状态方程，水的密度随着温度和压力变化而变化，当压力增高时，流体的密度可以从水蒸气的密度值连续地变化到液体水的密度值。在高温，如200℃、500℃和1000℃时，要维持常温常压下水的密度(1g/cm3)，所需外部压力分别要达到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。换句话说，如果将充满水(即充填度为100％)的封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃，容器中的水将会产生近0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的压力，并均匀作用于四周容器壁上。我们正是利用水的这一特性来进行缩口管状金属部件的一次成形。即利用热传导的方式间接加热管材坯料中的工作水至高温；随着水温的升高，管材坯料中由高温水所产生的压力也迅速增加，当高温水所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材毛坯的壁使其变形，此时若用凹形模具加以控制，就得到各种既具有外部形态又具有内部形态的双形态的缩口管状金属部件。水在高温下能够产生用于膨胀管坯的巨大的内高压可以从以下两组高温高压实验中得到印证。一组是将加满水(约6-7滴)的外径为48mm，内径为8mm，内外径比为1∶6的Rene41钛钼合金高压釜通过锥形塞头加以密封，然后放入由控温仪控制的管式炉中，以外加热的方式按预先设定好的程序逐渐升温。当炉温升至350℃，发现由釜体内部的高温水所产生的巨大内高压使该钛钼合金高压釜体向外膨胀并爆裂一个长27mm、宽11mm的裂口；第二组实验方法与第一组相同，即将加满水(约8-9滴)的外径为60mm，内径为8mm，内外径比为1∶7.5的两个不锈钢高压釜体通过锥形塞头加以密封，然后放入管式炉中，以外加热的方式按预先设置好的程序逐渐升温。当炉温升至450℃和480℃时，由高压釜内部的高温水所产生的巨大内高压导致两个不锈钢高压釜体均向外膨胀，釜体外径由实验前的60mm分别膨胀变形为63.1mm和64.3mm。此现象为实际利用水介质在高温下所产生巨大的静压力，来进行缩口管状金属部件的一次成形提供了依据。本发明与目前常规的液压成形最大的不同有三点①压力产生机理(或压力来源)不同。常规液压成形过程中压力来源于液压泵中的机械压力，而本发明中的内高压来源于高压容器中水本身在高温下所产生的巨大静压力；②成形介质不同。常规液压成形过程中的成形介质是常温液体(水或油)，而本发明中的成形介质为高温超高压水(超临界水)，而非传统意义上的液体；③成形过程中金属坯料所处的状态不同。常规液压成形过程中金属材料是在低温刚性状态下膨胀变形，而本发明中金属坯料是在高温近于塑性的状态下膨胀变形；④由此所造成的成形设备组件及加工方法也不同。常规液压成形设备主要由液压泵、模具和金属坯料组成，而本发明设备主要包括高温高压设备(高压容器+内置式电热高温炉+冷却水循环装置)(内高压产生设备)、成形设备(金属材料模具+中温预热炉)、以及热传导(或压力传导)设备(高压金属管线+保温套)。
2.一种将高温炉置于高压容器内部，从容器内部直接对高压容器中的工作水进行加热并产生内超高压的技术。其特征是将高温电热元件置于高压容器内部并与工作水接触，从容器内部直接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生成形过程中所需的内高压。同时，高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以降低高压容器外壁的温度，提高容器外壁的抗张强度，进而提高工作水的工作温度及工作压力，扩大本设备的压力使用范围，提供膨胀厚壁及高强度金属材料所需的内高压。内加热技术包括高压容器内部内置式电热高温炉加热技术和容器外壁的冷却技术两部分。其组件主要由高压容器、工作水、内置式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成。其特点内加热高压容器工作时，电炉在容器内部，虽然容器内腔温度相当高，但外部用循环的冷水冷却，仍具有较高的抗张强度，这相当于高压容器壁的强度自内向外逐渐增高，故内加热容器可以在比外加热容器高的多的温度和压力下工作。
3.一种内置式电热高温炉组件。其特点是将电热高温炉置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，以便产生成形过程中所需的内超高压。本组件包括高温电热元件(2-1)、绝缘涂层(2-2)、电热元件外面的金属保护壳体(2-3)、以及外裹绝缘层的金属导线四部分。内加热设计既要保证高压(超高压)工作环境下的高压容器的密封性，又要保证电热元件以及金属导线在加热过程中与工作水和高压容器壁之间的绝缘性。因此，在电热元件和金属导线外面必须涂有耐高温的绝缘材料。电热元件采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层，然后用耐高温的金属壳体包裹在碳化硅棒和硅化钼棒高温电热元件外面，从而避免电热元件与高温水直接接触，以保护碳化硅棒和硅化钼棒外表面的硅质绝缘层，延长高温电热元件的使用寿命。高温电热元件连同外面的金属保护壳体焊接在高压容器壁上，或用螺具通过锥面-锥面或锥面-球面固定在高压容器壁上，并用外涂绝缘涂层的金属导线将高温电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和控温仪相连，同时要保证高压容器在高压下具有良好的密封性。
4.一种以热传导的方式间接加热管材坯料中的工作水至高温，产生膨胀管材毛坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件。其特征为，首先将高压容器和管材坯料中都加满水，然后采用内加热方式加热高压容器中的工作水至高温，以高压容器中的高温工作水为热源，利用高压容器中高温水和管材坯料中的中-低温水之间的温度差，通过连接高压容器和管材坯料之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中工作水的高温传导到管材坯料水中，间接加热管材坯料中的水至高温，使其产生膨胀管坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术。本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、管材毛坯、以及工作水五个基本组件。此项技术使高温炉与模具分开放置，从而使模具既可使用耐高温的陶瓷材料模具，也可使用金属材料模具(如不锈钢模具)。热传导技术适合加工的范围较宽，它不仅适合于成形管坯腔体体积大、膨胀程度大、强度高、管壁厚的缩口管状金属部件，也适合于加工薄壁、低强度、膨胀程度小的缩口管状金属部件。
5.一种以压力传导的方式直接提供膨胀管材毛坯壁，并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件。其特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过内加热方式加热高压容器中的工作水至高温，当由高温水(超临界水)所产生的内高压达到预定的压力时，开启高压容器和管坯之间的高压阀，这样由高压容器中高温水所产生的巨大内高压经由高压金属管线传导到管坯中，膨胀管材毛坯的壁使其变形，直至管坯外表面与模具内模表面基本一致的技术。本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、高压金属管线、高压截止阀、管材毛坯、以及工作水六个基本组件。相对于热传导来说，压力传导成形方法，对于那些成形压力较低、或管腔较小、或膨胀程度较小、或强度较低、或管壁较薄的金属毛坯较为适合。
6.一种金属管材毛坯预加热的技术。其特征是在模具外面套一中温炉，并透过模具对模腔中的管材毛坯进行预加热的技术。其作用一是使管坯(无论热传导或压力传导)在热状态下膨胀变形；二是减少热传导过程中热量在管坯中的损失，缩短一次成形所需的时间。
7.一种内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形设备。设备包含四大部分19个基本组件，第一部分为高温高压设备(压力源)包括高压容器(1)、内置式电热高温炉(2)、工作水(4)、冷却水循环装置(3)；第二部分为温度(或压力)传导设备包括高压金属管线(5)及保温套(6)、高压阀(7)；第三部分为成形设备包括凹形模具(12)、中温预热炉(13)、炉壳(14)、模具固定支架(16)、管材坯料(11)、管材毛坯支架(9)、密封对冲冲头(8)、金属套圈(10)；第四部分为控制设备包括温度控制设备(2，17)、模具开合控制设备(15，18)，管材毛坯支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备(9，19)。设备特点①采用内加热的方式加热高压容器中的工作水，使其产生成形过程中所需的内高压，即将高温电热元件置于高压容器内部，高温炉从容器内部直接对容器中的工作水进行加热；②具有两个高压容器和两个高温炉，即两个压力源，分别从管材两端对管壁施加内高压；③压力源(高压容器和高温炉)与模具分开放置，模具既可使用耐高温、高强度陶瓷材料模具(如氮化硅陶瓷材料模具)，也可使用金属材料模具(如不锈钢材料模具)；④采用压力传导(或热传导)的方式，直接(或间接)提供膨胀管材坯料所需的内高压。成形过程中所需的内高压是由高压容器中的高温水(超临界水)产生，并经由高压金属管线传导到管材毛坯中；⑤高压容器外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，以提高高压容器壁的抗张强度，进而提高工作水的工作温度及工作压力；⑥模具的外面套有一中温炉，以对管材毛坯进行预加热；⑦与其它方法相比，内加热高压容器壁抗张强度高，工作水的工作温度高，可提供成形高强度金属材料和厚壁管材所需的内高压，但高压容器密封难度较大。
8.一种压力传导内加热金属管材中一高温超高压水压一次成形方法其特点是，利用高压容器中由高温工作水所产生的内高压，经由高压金属管线将内高压传递到管材坯料腔体中，直接提供膨胀管壁并一次成形缩口管状金属部件所需的内高压。具体步骤如下①首先将两个高压容器中加满水；②采用线密封或面密封，用两个有轴向通孔的对冲冲头分别将管坯两端开口加以密封，冲头的另一端则用高压金属管线将冲头和高压容器相连；③用支架将管坯置于外套中温炉的凹形模腔中预加热至设定的温度；④开启高压容器内部的内置式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度；⑤当高压容器中由高温工作水(超临界水)所产生的压力达到预定的压力时，开启高压阀，这样由高压容器中高温水所产生的巨大压力通过高压金属管线传导到管坯中，膨胀管材坯料的壁，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致；⑥关闭管材毛坯两端的高压阀，打开模具和冲头，这样就得到各种既具有外部形态又具有内部形态的双形态的缩口管状金属部件。
9.一种热传导内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形方法其特点是，首先采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至高温，然后通过高压金属管线，将高压容器中高温工作水的高温传递到管材坯料腔体水中，以热传导的方式间接加热管坯中的水至高温，产生膨胀管壁并一次成形缩口管状金属部件所需的内高压。具体步骤如下①首先是将两个高压容器中加满水，管坯中也加满水；②采用线密封或面密封，用两个有轴向通孔的对冲冲头分别将管坯两端开口加以密封，冲头的另一端则用高压金属管线将冲头和高压容器相连；③用支架将管坯置于外套中温炉的凹形模腔中预加热至设定的温度；④开启高压容器内部的内置式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度，高温炉工作温度要远高于中温炉的工作温度；⑤高压容器中由高温工作水所产生的高温通过高压金属管线传导到管材坯料水中，间接加热管坯中的水至高温，当管坯中由高温水(超临界水)所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材毛坯的壁使其变形，直至管坯的外表面基本与模具内模表面一致；⑥停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度；⑦打开模具和冲头，这样就得到各种缩口管状金属部件。
10.如权利要求7中所述的高温高压设备，即内高压产生设备。包括高压容器(1)、内置式电热高温炉(2)、容器外壁冷却水循环装置(3)、工作水(4)。其特征如下高压容器组件(1)。其特征是两个基本相同的高压容器分别从管材两端对管壁施加内高压。高压容器材料可以是高强度、高熔点的钛合金、钛钼合金、工具钢、优质不锈钢，也可以是其它高强度、耐高温的合金材料。高压容器外部形态和内部形态可以是圆形、正方形，也可以是其它耐高压的形态。在开启容器外壁冷却水循环装置的情况下，高压容器可在700℃高温下以及1.2GPa内部水压下长时间工作。此外，在保证能承受1.2GPa的内部水压的前提下，高压容器容积尽可能大，容水量尽可能多，这样使管材毛坯膨胀的程度就大。内置式电热高温炉组件(2)。其特点是将高温电热炉置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，以便产生成形过程中所需的内高压。本组件包括高温电热元件(2-1)、绝缘涂层(2-2)、电热元件外面的金属保护壳体(2-3)、以及外裹绝缘层的金属导线四部分。内加热设计既要保证高压(超高压)工作环境下的高压容器的密封性，又要保证电热元件以及金属导线在加热过程中与工作水和高压容器壁之间的绝缘性。因此，在电热元件和金属导线外面必须涂有耐高温的绝缘材料。电热元件(2-1)采用碳化硅棒(工作温度为1000-1350℃)，或硅化钼棒(工作温度1350-1600℃，最高达1800℃)。使用前对碳化硅棒和硅化钼棒在高温下(1700℃)进行烧结，使碳化硅棒和硅化钼棒外表面产生一层较厚的耐高温硅质绝缘及防氧化层(2-2)，然后用耐高温的金属壳体(2-3)包裹在碳化硅棒和硅化钼棒高温电热元件外面，从而避免电热元件与高温水直接接触，以保护碳化硅棒和硅化钼棒外表面的硅质绝缘层，延长高温电热元件的使用寿命。高温电热元件(2-1)连同外面的金属保护壳体(2-3)焊接在高压容器壁上，或用螺具通过锥面-锥面或锥面-球面固定在高压容器壁上，并用外涂绝缘涂层的金属导线将高温电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和控温仪相连，同时要保证高压容器在高压下具有良好的密封性。容器外壁冷却水循环装置(3)是由方形(或圆形)的铜管四周缠绕在高压容器的外壁，用来冷却容器的外壁，提高容器壁的抗张强度，以及工作水的工作温度，进而产生成形厚壁金属材料以及高强度金属材料所需的内高压。高压容器中的工作水(4)。其特征为普通水，并加入少量的乙二醇，作用是降低高温高压水(超临界水)对高压容器和管材毛坯内壁的腐蚀性。高压容器中的水为充满状态，而管材毛坯中的水可以是充满的，半充满的或不充填水，这要视成形压力高低、管腔大小、膨胀系数、膨胀程度大小、管材强度、管壁厚薄等来定。
11.如权利要求7中所述的温度(或压力)传导设备包括高压金属管线(5)及保温套(6)、及高压阀(7)。其特征如下高压金属管线组件(5)。其特征是采用小内外径比的优质不锈钢(1Cr18Ni9Ti)金属管线，并能长时间承受1.2GPa的内部水压。管线一端焊接在高压容器(1)，或密封冲头(8)上，另一端则焊接在锥形或球形接头上，接头与高压阀(7)则采用以弹性形变为基础的锥面-锥面、锥面-球面密封。该管线起压力传导和温度传导作用，即将高压容器中由高温水(超临界水)所产生的高压和高温传导到管坯中，提供膨胀管壁所需的内高压。。金属管线保温套组件(6)为由耐高温的石棉等保温材料做的带子缠绕到高压金属管线外面，作用是保证高压容器中的高温水的高温在传导到管坯水的过程中热量损失尽可能小。高压阀组件(7)。其特征为由不锈钢材料精加工而成的高压截止阀，高压阀两侧各加工一个含锥面的螺母，通过接头一侧与高压容器(1)相连，另一侧与对冲冲头(8)相接。阀中的阀针(球)与阀座的密封以弹性形变为主，制造时二者一起研磨，要求精度高。高压阀与金属管线接头采用以弹性形变为基础的锥面-锥面、锥面-球面密封。阀的作用是随时将高压容器中由高温水所产生的内高压传送到管坯中，提供成形缩口管状金属部件所需的内高压。
12.如权利要求7中所述的成形设备。包括凹形模具(12)、中温预热炉(13)、炉壳(14)、模具固定支架(16)、管材坯料(11)、管材毛坯支架(9)、密封对冲冲头(8)、金属套圈(10)。其特征如下模具组件(12)。其特征为一凹形模具，材料既可用高强度、耐高温的陶瓷材料(如氮化硅陶瓷)，也可用金属材料(如不锈钢材料)。模具分上、下(或左、右)两半，下模固定在金属支架(16)上，上模可以自由开合和移动并由液压机械来控制(15，18)。上模和下模(或左模和右模)均为凹形模具，其内模形态据需要为限定的任意的可加工的形态，如葫芦状、串珠状、方形、圆形、椭圆形、梯形等形态。据需要，上模和下模(或左模和右模)模腔形态可以是相同的、对称的，也可以是不同的、非对称的。另外，在纵向上，模具可以为直线，也可以根据需要为各种曲线模具。本方法不仅适合加工轴线为直线的零件，而且可以成形轴线为曲线的零件(如成形汽车支架等)。其方法是先在数控弯管机上将管材弯曲到要求的形状，然后再放到模腔内成形出所需零件。此外，这种工艺还适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，即可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的空心构件，其截面形状可以为圆形、矩形或异型截面等。中温电热炉组件(13)。其特征是由高电阻合金(如Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金)电热元件(电热丝或电热带)制成，紧套在凹形模具(12)的外面，与模具相配套，也分为上、下两部分，其开合和移动由液压机械(15，18)来控制。其作用是对管坯进行预加热。中温电热炉炉壳组件(14)是由厚钢板制成，紧套在中温电热炉的外面，起紧固模具的作用，可承受管坯热膨胀时的冲击力。钢板外壳与模具(12)和中温电热炉(13)相配套，也分为上下两部分，其开合和移动由液压机械(15，18)来控制。模具固定支架组件(16)是由厚钢材或铸铁加工而成，作用是使下模固定，而只移动上模。管材毛坯支架(9)是由厚钢材或铸铁加工而成，并处于固定状态，但可以利用液压机械(9，19)向管材坯料和对冲冲头施加轴向压力，以进给补料和密封管坯开口端。管材坯料密封对冲冲头组件(8)。其特征是此冲头是由高强度金属材料(如钛合金、工具钢、或不锈钢等)加工而成有轴向通孔的锥体或球体，与管材坯料开口端采用以弹性形变为基础的锥面-锥面、锥面-球面密封。冲头的另一端焊接在高压金属管线上，并通过高压金属管线与高压容器相连，从而保证高压容器中由高温水所产生的内高压通过金属管线可以传导到管坯中，提供膨胀管壁所需要的内高压。此密封对冲冲头固定在管材毛坯支架(9)上，并通过液压机械(9，19)向管材坯料两端的对冲冲头施加轴向压力，以达到密封管材坯料的目的。管材坯料(11)为不同类型材料、不同壁厚、不同内外径比的金属管材。可以是高强度的钛合金、碳素钢，也可以是不锈钢，以及强度较低的铜、铝合金等金属管材。金属套圈(10)。其特征是一种由耐高温、高强度合金材料(如钛合金等)加工而成的金属套圈，紧套在密封塞头和模具之间的管坯上，其作用是防止管坯在成形过程中首先从此处膨胀，从而限定管坯只在的凹形模腔中膨胀。除上述高温高压设备、温度(压力)传导设备、成形设备外，本发明的内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形设备还包含温度控制设备(2，17)、模具开合控制设备(15，18)，管材毛坯支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备(9，19)。其特征如下温度控制设备组件(2，17)。用以控制高压容器内部的内置式高温炉，以及模具外面的中温炉的升温、降温以及恒温。热电偶有两种，一种是镍铬-镍铝热电偶，测温精度可达0.2℃；另一种是铂-铂铑热电偶，测温精度可达0.2℃。热电偶外面涂有绝缘涂层，与高温电热元件一起置于高压容器内部，并用外涂绝缘涂层的金属导线将其从高压容器中引出，与温度控制仪相连。温度控制设备是一种可编程的程序升温控制仪。模具开合控制设备组件(15，18)。采用液压机械控制的方式，用以控制上模的开合和移动(下模为固定的)。并在管材坯料加工过程中，对模具施加一外力，从而使管材坯料在膨胀触及模具的一瞬间，上下模具间不会发生相对移动。管材坯料支架及密封冲头轴向移动机械控制设备(9，19)。其作用是向管材坯料两端的对冲冲头施加轴向压力，以达到密封管材坯料以及进给补料的目的。
全文摘要
一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，通过热传导(或压力传导)，一次成形缩口管状金属部件的技术、方法和设备。设备由四部分组成，1.高温高压设备高压容器(1)、内置式电热高温炉(2)、工作水(4)；2.温度(或压力)传导设备高压金属管线(5)、高压阀(7)；3.成形设备凹形模具(12)、中温预热炉(13)、管材坯料(11)、密封冲头(8)；4.控制设备。成形方法分两种一是压力传导，直接利用高压容器中由高温水所产生的内高压，经由高压金属管线传导到管坯中，膨胀管壁；二是热传导，通过金属管线，将高压容器中高温水的高温传导到管坯水中，间接加热管坯中的水至高温，产生膨胀管壁所需的内高压。本发明可成形轴线为直线、曲线，以及变截面的缩口管状金属部件。
文档编号B21D26/033GK1824410SQ20051008994
公开日2006年8月30日 申请日期2005年8月8日 优先权日2005年8月8日
发明者孙旭光 申请人:孙旭光