专利名称：外加热金属管材高—中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外加热金属管材高-中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。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，还是从设备构件及方法步骤上都与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2A)。其特点为，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。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(或充填度为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，然后通过热传导的方式间接加热管坯中的水至高温。随着水温的升高，管坯中由高温水所产生的压力迅速增加，当由高温工作水所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材坯料的壁，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外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6)。其特点是将高温炉置于高压容器外部(外置式电热高温炉)，从外部透过高压容器壁间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内高压的技术。外加热容器工作时整体温度相同，由于高温条件下容器材料的强度明显降低，故外加热高压容器的工作压力和工作温度相对较低，但外加热高压容器的高压密封性较好。
本技术主要由高压容器、外置式电热高温炉、工作水三部分组成。
本发明第三项内容涉及一种以热传导的方式间接加热管材坯料腔体中的工作水至高温，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，然后采用外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水为热源，利用高压容器中高温水和金属坯料中的低温水之间的温度差，通过连接高压容器和管坯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递到金属坯料腔体水中，间接加热金属坯料腔体中的水至高温，使其产生膨胀管坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需的内高压的技术(见图7)。
本技术主要包括高压容器、外置式电热高温炉、高压金属管线、管材毛坯、以及工作水五个基本组件(见图7)。
本发明第四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。
其特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过外加热的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)所产生的压力达到预定的压力时，开启高压容器和金属坯料之间的高压阀，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材毛坯的腔体中，膨胀管坯的壁使其变形，直至管材坯料的外表面与模具内模表面基本一致的技术(见图8A，8B，8C，8D和8E)。
本技术主要包括高压容器、外置式电热高温炉、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(见图8A，8B，8C，8D和8E)。
本发明的第五项内容是外加热金属管材高-中温超高压水压一次成形技设备。设备包含四大部分18个基本组件(见图6)。第一部分为高温高压设备(压力源)包括高压容器(1)、外置式电热高温炉(2)及炉壳(3)、工作水(4)；第二部分为温度(或压力)传导设备包含高压金属管线(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)及壳体(13)、模具固定支架(15)、管材毛坯支架(9)、管材毛坯(11)、管材密封对冲冲头(8)、金属套圈(10)；第四部分为控制设备，包括温度控制设备(2，16)、模具开合控制设备(14，17)，管材毛坯支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备(9，18)。
设备特点①采用外加热的方式，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，即将高温炉置于高压容器外面，透过高压容器壁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、高温炉)与模具分开放置，模具为金属材料模具(如不锈钢材料模具)；④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与内加热相比，本设备的高压密封性好，但高压容器壁的抗张强度相对较低，从而导致高压容器中工作水的工作温度和工作压力相对较低；⑥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)；⑦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)；⑧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)。
本发明的第六项内容是一种压力传导外加热金属管材高-中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，通过高压金属管线将内高压传递到管材毛坯腔体中，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用支架将管材坯料置于凹形模腔中；④开启高压容器外部的外置式电热高温炉，采用外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(超临界水)所产生的巨大内高压通过高压金属管线传导到管材坯料腔体中，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。
本发明的第七项内容是一种热传导外加热金属管材高-中温超高压水压一次成形方法其特点是，首先采用外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金属坯料腔体水中，以热传导的方式间接加热管材坯料腔体中的水至高温，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，管材坯料腔体中也加满水；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用支架将管材坯料置于凹形模腔中；④开启高压容器外部的外置式电热高温炉，采用外加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度；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腔体水中，间接加热管材中的水至高温，当此高温工作水(超临界水)所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管壁使其变形，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致；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。其方法是先在数控弯管机上将管坯弯曲到要求的形状，然后加入一定量的水(或不加水)并加以密封，再放到凹形模具内加热成形出所需零件。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和方法。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成本低，主要设备组件为高压容器、高温炉和凹形模具；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，甚至更高；③增压非常容易，只要管材毛坯中的水加热到200℃、500℃、1000℃，管坯中的水就可产生300MPa、800MPa、1800Mpa内高压；④所加工部件壁质地较为均匀，因为金属管坯是在高温近于塑性状态下膨胀，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扇形微裂隙就可避免或减少；⑤可加工高强度难成形的管状金属部件(如钛合金)，以及厚壁管状金属部件，因是在高温热状态下成形。
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，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6是本发明的外加热高-中温高压管材液力一次成形设备及主要构件示意图1-高压容器；2-外置式电热高温炉；3-炉壳；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-管材毛坯；12-凹形模具；13-模具外壳；15-模具固定支架；16-温度控制设备；17-模具开合控制设备；18-毛坯支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备。
图7是本发明的热传导外加热高-中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压力传导外加热高-中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压力传导外加热高-中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，将管材毛坯置于毛坯支架上，并置于凹形模腔内，下行上模。图中管材毛坯处于低温未变形状态。
图8C压力传导外加热高-中温高压管材液力一次成形步骤示意图开启高压容器外部的电热高温炉，程序升温高温炉至预定的温度，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高。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，提供膨胀容器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压力传导外加热高-中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压力传导外加热高-中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(尤其是潜水艇)、航空工业、宇航工业(如各类导弹弹体等)、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毛坯中的工作水至高温，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材坯料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机械压力，而本发明中的内高压来源于高压容器中的工作水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+外置式高温炉)(内高压产生设备)、成形设备(金属材料模具)、以及热传导(或压力传导)设备(高压金属管线+保温套)。
2.一种外加热并产生内高压(高温)的技术及组件。即将高温炉置于高压容器外部(外置式电热高温炉)，从外部透过高压容器壁间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内高压的技术。外加热容器工作时整体温度相同，由于高温条件下容器材料的强度明显降低，故外加热高压容器的工作压力和工作温度相对较低。本技术主要由高压容器、外置式电热高温炉、工作水三部分组成。
3.一种以热传导的方式间接加热管材坯料腔体中的工作水至高温，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，然后采用外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水为热源，利用高压容器中高温水和金属坯料中的低温水之间的温度差，通过连接高压容器和管坯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金属坯料腔体水中，间接加热金属坯料腔体中的水至高温，使其产生膨胀管坯壁并一次成形缩口管状金属部件所需的内高压的技术。本技术主要包括高压容器、外置式电热高温炉、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，从而使模具材料的选择范围变宽，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，它不仅适合于成形腔体体积大、膨胀程度大、强度高、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。
4.一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，然后通过外加热的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)所产生的压力达到预定的压力时，开启高压容器和金属坯料之间的高压阀，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材毛坯的腔体中，膨胀管坯的壁使其变形，直至管材坯料的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、外置式电热高温炉、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、或腔体较小、或膨胀程度较小、或强度较低、或壁较薄的管材毛坯较为适合。
5.一种外加热金属管材高—中温超高压水压一次成形设备。本设备包含四大部分18个基本组件，第一部分为高温高压设备(压力源)包括两个高压容器(1)、两个外置式电热高温炉(2)及炉壳(3)、工作水(4)；第二部分为温度(或压力)传导设备包含高压金属管线(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)及壳体(13)、模具固定支架(15)、管材毛坯支架(9)、管材毛坯(11)、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(2，16)、模具开合控制设备(14，17)，管材支架及密封对冲冲头轴向移动控制设备(9，18)。设备特点①采用外加热的方式，加热高压容器中的工作水至高温，使其产生成形过程中所需的内高压，即将高温炉置于高压容器外部，透过容器壁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(高温炉和高压容器)与模具分开放置，模具为金属材料模具(如不锈钢材料模具)；④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腔体中；⑤设备的高压密封性好，但高压容器壁的抗张强度相对较低。
6.一种压力传导外加热金属管材高—中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，通过高压金属管线将内高压传递到管材毛坯腔体中，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用支架将管材坯料置于凹形模腔中；④开启高压容器外部的外置式电热高温炉，采用外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内高压通过高压金属管线传导到管材坯料腔体中，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。
7.一种热传导外加热金属管材高—中温超高压水压一次成形方法其特点是，首先采用外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金属坯料腔体水中，以热传导的方式间接加热管材坯料腔体中的水至高温，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，管材坯料腔体中也加满水；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用支架将管材坯料置于凹形模腔中；④开启高压容器外部的外置式电热高温炉，采用外加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度；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腔体水中，间接加热管材中的水至高温，当此高温工作水(超临界水)所产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管壁使其变形，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致；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。
8.如权利要求5中所述的高温高压设备。即压力产生设备，包括高压容器(1)、外置式电热高温炉(2)、炉壳(3)、及工作水(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、优质不锈钢、工具钢，也可以是其它高强度、耐高温的合金材料；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；此容器可在500℃高温下长时间承受0.8GPa左右的内部水压。此外，在保证能承受0.8GPa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，这样使金属毛坯膨胀的程度就大，从而扩大加工金属部件的范围。外置式电热高温炉及炉壳组件(2，3)。其特征为，电热高温炉置于高压容器的外部，采用外加热的方式透过容器壁加热高压容器中的工作水至高温，使其产生膨胀管材坯料所需的内高压。如果电炉工作温度低于1000℃时用高电阻合金(如Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金)电热元件(电热丝或电热带)，工作温度为1000-1350℃时使用碳化硅电热元件(棒或管)，1350-1600℃(最高达1800℃)时用铂、铂铑合金丝或硅化钼电热元件(棒或管)。考虑到高压容器的钢材或合金的强度随温度的升高而降低，外加热容器工作时整体温度相同，由于高温条件下容器材料的强度明显降低，故工作压力和工作温度较低。因此，外加热设备中高温炉电热元件采用Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金，或碳化硅电热元件即可。电热高温炉炉壳(3)是由薄钢板加工而成。工作水(4)为普通水，并加入少量的乙二醇，以降低高温高压水(超临界水)对高压容器和管坯内壁的腐蚀性。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、管材腔体大小、膨胀系数、膨胀程度大小、管材强度、管材坯料厚薄等来定。
9.如权利要求5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)、高压阀(7)。其特征如下高压金属管线(5)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0.8GPa的内部水压。管线一端焊接在高压容器(1)，或密封塞头(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腔体中，提供膨胀管壁所需的内高压。高压金属管线外部保温套组件(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工作水的高温在传导到管材毛坯腔体水的过程中热量损失尽可能小。高压阀(7)由不锈钢材料精制而成的高压截止阀，高压阀两侧加工有含锥面的螺母，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材毛坯腔体，直接提供膨胀管壁所需的内高压。
10.如权利要求6中所述的成形设备。包括凹形模具(12)及壳体(13)、模具固定支架(15)、管材毛坯支架(9)、管材毛坯(11)、密封对冲冲头(8)、金属套圈(10)。其特征如下模具组件(12)为一金属材料(如不锈钢材料)凹形模具。模具分上、下(或左、右)两半，一半固定，另一半可以自由开合和移动并由液压机械来控制(14，17)。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、下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(如汽车支架等)。其方法是先在数控弯管机上将管坯弯曲到要求的形状，并放置到凹形模腔内，然后采用热传导(或压力传导)的加工方法，一次成形出所需零件。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。模具壳体组件(13)是由厚钢材加工而成，紧套在模具外面，起紧固模具的作用，并可承受管材热膨胀时的冲击力。钢壳与凹形模具(12)相配套，也分为上下(或左右)两部分，其开合和移动由液压机械来控制(14，17)。模具固定支架组件(15)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(9，18)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材开口端。管材坯料(11)为各类金属管料，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。管材坯料密封对冲冲头组件(8)。其特征是此冲头有轴向通孔，与管材坯料开口端采用线密封或面密封，冲头的另一端则通过高压金属管线与高压容器相连，从而可以保证高压容器中由高温工作水所产生的巨大内高压通过金属管线可以传导到管材坯料腔体中，提供膨胀管材所需要的内高压。此密封冲头固定在管材毛坯支架(9)上，并通过液压机械(9，18)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。金属套圈(10)是一种由耐高温、高强度金属材料(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，本发明的外加热金属管材高—中温超高压水压一次成形设备还包含控制设备，如温度控制设备(2，16)、模具开合控制设备(14，17)、以及管材坯料支架及密封对冲冲头轴向移动机械控制设备(9，18)。其特征如下温度控制设备组件(2，16)。用以控制高温炉的升温、降温和恒温。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0.3℃。该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(14，17)。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，对模具施加一定的外力，从而使管材坯料在膨胀触及到模具的一瞬间，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(9，18)，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)、外置式电热高温炉(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.成形设备凹形金属材料模具(12)、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，膨胀管坯的壁；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B21D26/033GK1824413SQ20051008994
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