CN100592943C - 内加热金属板材高温高水压一次成形方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，以板材为坯料，一次成形容器状(或缩口容器状)金属部件的方法和设备。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.成形设备：凹形模具(5)、板材坯料(11)、容器顶盖(6)；3.密封组件：凹凸形密封槽环(7)、螺具(10)；4.控制设备。成形方法及步骤：①将高压容器中加满水；②将板材覆盖在容器上面；③将凹形密封槽与凸形密封环对齐，下行模具；④旋紧螺丝，将板材密封在容器和模具之间；⑤加热容器中的工作水至高温；⑥当高压容器中由高温水所产生的压力超过板材所能承受的张力时，板材向凹形模具拉深变形，直至与内模表面一致。本发明可用于高强度、厚板状金属材料的加工。

Description

内加热金属板材高温高水压一次成形方法与设备

1.技术领域

本发明涉及一种全新的金属板材高温超高压水压一次成形技术、方法和设备。具体的，就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，以板材作坯料，进行容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形。

加工过程中所需内高压来源于液压室中高温水所产生的巨大静压力，成形介质为高温高压水(超临界水)，金属板材是在高温状态下成形。

2.背景技术

目前通常的液压成形(内高压成形)是以低温流体为成形介质，以液压泵为压力源，通过对液压室快速充填高压液，使板材在高压液的作用下拉深变形，紧贴凹形模腔表面成形。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板材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特性，以板材为坯料，进行容器状(缩口容器状)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，以板材为坯料，来进行容器状(缩口容器状)金属部件的一次成形奠定了基础。

本发明的第一项内容涉及一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，进行容器状(缩口容器状)金属部件的一次成形技术(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金属板材的一次成形。即将高压容器(液压室)中充满水或充填一定量的水，利用凹凸形密封槽环将板材坯料密封在高压容器和模具之间；采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至高温，随着高压容器中水温的升高，由高温水(超临界水)所产生的压力也迅速增高，当此高温水压超过板材坯料所能承受的张力时，板材开始紧贴凹形模腔表面成形，这样就得到与凹形模腔表面一致的容器状金属部件。水在高温下可以产生用于膨胀不同类型和不同厚度板材坯料所需的巨大的内高压可以从上述两组高温高压实验结果中得到印证(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板状金属材料为容器状(或缩口容器状)金属部件所需内高压的技术及组件(见图3A和3B)。其特征是，将高温炉置于高压容器(液压室)内部，从内部直接对高压容器(液压室)中的工作水进行加热并产生内超高压的技术和组件。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管材所需的内高压。

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。

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3A，3B)。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3A)。

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3A)，也可以置于高压容器底部壁上(见图3B)，这要视具体情况而定。

本发明的第四项内容是内加热金属板材高温超高压水压一次成形设备。设备包含四部分13个基本组件(见图3A)。第一部分为高温高压设备，即压力产生设备，包括高压容器(液压室)(1)、内置式电热高温炉(2)、冷却水循环装置(3)、工作水(4)；第二部分为成形设备，包括凹形模具(5)、板材成形过程指示小孔(9)、模具外壳(6)、金属板材坯料(11)；第三部分为密封组件，密封凹(槽)凸(环)组件(7)、密封螺具(10)；第四部分为控制设备，包括温度控制设备(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。

设备特征为：①采用内加热方式，即将高温炉置于高压容器内面，从内部对容器中的水直接进行加热；②成形过程中所需的内高压来自高压容器中的高温水；③液压室顶盖与凹形模具为一体(或近于一体设计)，其作用一是控制所加工部件的形态，二是起密封作用；④液压室(高压容器)外壁缠绕有方形(或圆形)铜管冷却水循环装置，其作用是提高高压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，产生成形厚壁金属材料以及高强度金属材料所需要的内超高压；⑤本设备不仅可以加工薄板、低强度的金属材料(如铜、铝合金等)，而且更擅长于可以成形厚板、高强度金属材料(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)。

本发明的第五项内容是内加热金属板材高温超高压水压一次成形方法，具体步骤如下(见图4A，4B，4C，4D和4E)：

1)将高压容器(液压室)中加满水(或充填一定量的水)，金属材料不同、板材厚度不同、金属板材变形程度不同，水的充填量也不同；

2)将板材坯料放置在高压容器与凹形模具之间；

3)将高压容器上的凹形密封槽与顶盖上的凸形密封环对齐，下行带模具的高压容器顶盖，并对其施加一定的机械压力，然后旋紧高压容器和预盖周边的螺具，进一步对板材坯料施加一垂向压力，利用高压容器和顶盖上的凹凸形密封组件将板材坯料密封在高压容器和模具之间；

4)程序升温高压容器内部的内置式电热高温炉至预先设定好的温度，同时开启高压容器外部的冷却水循环装置。这样容器中的高温水(超临界水)将会产生巨大的静压力，当此超临界水压超过板材坯料所能承受的张力时，板材向模具的方向开始凸出变形，直至与模具内模表面一致，此过程可由模具顶部的板材成形过程指示小孔来指示。

5)停止加热，当工作水的温度降低至安全温度时，打开凹形模具，就得到与凹形模具内表面一致的容器状金属部件。

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，主要设备组件为液压室、内置式高温炉和模具；②使用压力范围宽，可从几十个大气压，一直连续变化到2.0万个大气压左右，甚至更高；③增压非常容易，当加满水的液压室水的温度达到200℃、500℃、1000℃时，高温水(超临界水)即可产生高达300MPa、800MPa和1820MPa的内高压；④所加工容器状(缩口容器状)金属部件壁质地均匀，因为板材是在高温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，金属容器外壁由于膨胀所产生的扇形微裂隙就可避免；⑤可加工诸如钛合金、高强度钢等难成形的板材，因是在高温热状态下成形；⑥可加工厚板金属材料，因是在高温热状态下成形。

与其它高温水板材液压成形方法及设备相比，由于本设备采用内加热的方式，并在液压室(高压容器)外壁设置有冷却水循环系统，因此高压容器壁的抗压强度显著提高，从而使工作水的工作温度，以及由高温水(超临界水)所产生的压力也大幅提高，提供膨胀厚壁金属材料、高强度金属材料所需的超高压。

4.附图说明

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板材高温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3A是本发明的内加热高温超高压板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底部)

1-液压室(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-凹形模具；6-液压室顶盖；7-“V”形凹凸密封槽环；9-板材成形过程指示小孔；10-密封螺具；11-板材坯料；12-控温仪；13-模具升降控制设备。

图3B是本发明的将电热高温炉置于高压容器侧壁上的内加热高温高压金属板材液力一次成形设备示意图

图4A内加热高温超高压板材液力一次成形步骤示意图

将液压室中加满水，将欲加工的板材坯料覆盖在注满水的液压室上面，

图4B内加热高温超高压板材液力一次成形步骤示意图

将液压室上的凹形密封槽与顶盖上的凸形密封环对齐，下行带模具的液压室顶盖，并对其施加一定的机械压力；旋紧液压室和顶盖周边的螺丝，并进一步对板材坯料施加一垂向挤压力，利用液压室和顶盖上的凹凸形密封组件将板材坯料密封在液压室和模具之间。图中板材处于低温未变形状态。

图4C内加热高温超高压板材液力一次成形步骤示意图

采用内加热的方式，程序升温液压室内部的内置式电热高温炉至预定的温度，同时加热液压力室中的工作水至高温，这样由液压室中高温工作水所产生的巨大压力将作用在液压室上部的板材坯料上，当此压力超过板材坯料所能承受的张力时，板材向凹形模具的方向开始凸出变形。图中板材处于初始变形状态。

图4D内加热高温超高压板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，板材继续向凹形模腔方向拉深变形，直至其外表面与凹形模具内模表面基本一致。图中板材处于高温完全拉深变形状态。

图4E内加热高温超高压板材液力一次成形步骤示意图

停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度，打开液压室顶盖(连同模具)，这样就得到各种容器状金属部件。

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，它不仅可用于汽车工业、机械工业、轻工业，也可用于舰船工业、航空工业(如翼身融合技术)、宇航工业、以及兵器工业等。

本次暂以椭圆形(或圆形)容器状(包括缩口容器状)金属部件为优选实施例，具体实施方法及加工步骤如图4A-4E中所述。

Claims (10)

1.内加热金属板材高温高水压一次成形设备，利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，一次成形金属板材为容器状金属部件，其特征在于：成形设备包含四大部分及工作水(4)，第一部分为高温高压设备：包括高压容器(1)、内置式电热高温炉(2)、冷却水循环装置(3)；第二部分为成形设备：包括凹形模具(5)、高压容器顶盖(6)、金属板材坯料(11)、板材成形过程指示小孔3(9)；第三部分为密封组件：包括“V”形密封槽环(7)、密封螺具(10)；第四部分为控制设备：包括温度控制设备(12)、模具开合及移动控制设备(13)；

所述内置式电热高温炉(2)置于高压容器(1)内部，即采用内加热的方式，从高压容器(1)内部对其中的工作水(4)直接进行加热，产生高水压并膨胀金属板材坯料(11)为容器状金属部件；其中金属板材成形过程中所需的高水压由高压容器(1)中的内置式电热高温炉(2)通过加热其中的工作水(4)而产生，内置式电热高温炉(2)的升温、降温和恒温由温度控制设备(12)来控制；

所述“V”形密封槽环(7)为所述高压容器(1)和高压容器顶盖(6)的接触面上分别加工出的1至2条凹形密封槽和凸形密封环(7)，以增强高压容器(1)的密封效果；

所述密封螺具(10)等间距偶数个分布在所述的高压容器(1)和高压容器顶盖(6)周缘，通过对称旋紧对高压容器(1)上的凹形密封槽(7)和高压容器顶盖(6)上的凸形密封环(7)均匀施压，并捋金属板材坯料(11)密封在高压容器(1)和凹形模具(5)之间。

2.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述高压容器(1)由高强度且高熔点的金属材料制成，其内部横截面形态呈圆形。

3.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述冷却水循环装置(3)为方形或圆形铜管，缠绕在高压容器(1)的外壁，用来冷却高压容器(1)的外璧，进而提高高压容器(1)壁的抗张强度。

4.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述内置式电热高温炉(2)包括电热元件(2-1)、绝缘涂层(2-2)、电热元件外面的金属保护外壳(2-3)、以及外裹绝缘层的金属导线四部分；其中电热元件(2-1)采用碳化硅棒或硅化钼棒，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(1)壁上，并用外裹绝缘层的金属导线捋电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和温度控制设备(12)相连。

5.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述工作水(4)为普通水，并加入少量的乙二醇，以降低所述工作水(4)在高温高压状态下对高压容器(1)和金属板材坯料(11)的腐蚀；工作水(4)的充填量随所加工的金属板材坯料(11)的性质、金属板材坯料(11)的膨胀程度、以及金属板材坯料(11)厚度的不同而不同。

6.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述凹形模具(5)由高强度且耐高温的金属材料加工而成。

7.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述高压容器顶盖(6)由与高压容器(1)相同的金属材料加工而成，紧套在凹形模具(5)的外面，与凹形模具(5)近于一体设计。

8.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述温度控制设备(12)采用镍铬-镍铝热电偶或铂-铂铑热电偶，其测温精度达0.2℃；热电偶外面涂有绝缘涂层，与内置式电热高温炉(2)一起置于高压容器(1)内部，并通过金属导线与温度控制设备(12)相连。

9.如权利要求1所述内加热金属板材高温高水压一次成形设备，其特征在于：所述模具开合及移动控制设备(13)，采用机械控制的方式控制凹形模具(5)及高压容器顶盖(6)的开合和移动。

10.内加热金属板材高温高水压一次成形方法，利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，一次成形金属板材为容器状金属部件，其特征在于：利用如权利要求1至9任一项所述的成形设备，采用内加热方式，从容器内部对高压容器(1)中的工作水(4)直接进行加热，产生高水压，以此成形高压容器(1)和凹形模具(5)之间的金属板材为容器状金属部件；该方法的具体步骤如下：①捋高压容器(1)中加满水；②捋欲加工的金属板材坯料(11)覆盖在加满水的高压容器(1)上面，捋高压容器(1)上的凹形密封槽(7)与高压容器顶盖(6)上的凸形密封环(7)对齐，下行带凹形模具(5)的高压容器顶盖(6)，并对其施加一定的机械压力；③旋紧高压容器(1)和高压容器顶盖(6)周边的密封螺具(10)，并进一步对金属板材坯料(11)施加一垂向挤压力，利用高压容器(1)上的凹形密封槽(7)和高压容器顶盖(6)上的凸形密封环(7)捋金属板材坯料(11)密封在高压容器(1)和凹形模具(5)之间；④采用内加热方式，加热高压容器(1)中的工作水(4)，同时开通高压容器(1)外部的冷却水循环装置(3)，这样由高压容器(1)中的高温水所产生的高水压捋作用在高压容器(1)顶部的金属板材坯料(11)上，当此压力超过金属板材坯料(11)所能承受的张力时，金属板材坯料(11)向凹形模具(5)的方向开始凸出变形；⑤当金属板材膨胀至与凹形模具(5)内表面一致时，停止加热；⑥当高压容器(1)中的工作水(4)降至安全温度时，打开高压容器顶盖(6)及凹形模具(5)并取出所加工的容器状金属部件。

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