CN1824405A - 外加热金属管材高温超高水压一次成形技术、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，一次成形缩口管状金属部件的技术、方法和设备。设备包括，1.加热及成形设备：凹形陶瓷模具(1)、外置式电热高温炉(2)；2.管材装载及密封设备：管材坯料(9)、管材支架(8)、工作水(10)、密封冲头(6)；3.控制设备：温度、模具、及管材支架控制设备。成形方法及步骤：①将管坯中加满水(或一定量水)，用对冲冲头将管材两端开口加以密封；②将加满水的管坯置于炉膛为凹形陶瓷模具的电热高温炉中加热；③当管坯中由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，直至其外表面与内模表面基本一致；④停止加热，取出所加工的金属部件。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。

Description

外加热金属管材高温超高水压一次成形技术、方法与设备

1.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(超临界流体)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。

本发明的一项内容涉及一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次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材坯料，用一对锥形(或球形)对冲密封冲头将管坯两开口端加以密封，然后置于高温炉上进行加热。随着炉温和管坯中水温的升高，管材坯料中由高温水(超临界水)所产生的压力也迅速增高，当此压力超过管壁所能承受的压力时，膨胀管坯的壁使其变形，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)。即将电热高温炉置于管材毛坯外部，透过管壁从外到内加热管坯中的工作水至高温，使其产生膨胀管壁所需的内高压。

本技术主要由管材坯料、外置式电热高温炉、工作水、密封对冲冲头四部分组成。

本发明的第三项内容是外加热金属管材高温超高压水压一次成形设备。设备主要由三大部分13个构件组成(见图6)。第一部分为高温高压成形设备：包括高强度、耐高温的凹形陶瓷模具(1)、外置式电热高温炉(2)、炉壳(3)、模具及炉体固定支架(11)；第二部分为管状金属毛坯支架及密封设备：包括管材毛坯(9)、管材坯料支架(8)、工作水(10)、一对密封对冲冲头(6)；第三部分为控制设备：包括温度控制设备(4，12)，模具开合控制设备(5，13)，管材毛坯支架移动控制设备(7，14)组成。

设备特点是：①高温电热炉与凹形陶瓷模具放置在一起，两者近于一体设计，高温炉的炉膛即为高强度、耐高温的凹形陶瓷材料模具；②电热高温炉置于陶瓷模具的外面，采用外加热的方式，透过陶瓷模具间接对置于模腔中的金属管材毛坯中的水进行加热，使其产生膨胀管壁所需的内高压；③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)；④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)；⑤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)。

本发明的第四项内容是外加热金属管材高温超高压水压一次成形方法，包括如下步骤(见图7A，7B，7C，7D和7E)：

1)将管状金属毛坯中充满水或充填一定量的水，金属材料不同、金属毛坯壁厚及内外径比不同，水的充填度也不同；

2)采用线密封或面密封，用一对锥形(或球形)对冲冲头将管材毛坯两开口端加以密封；

3)将充满(或充填一定量)水的密封的管坯置于支架上并放入外套电热高温炉的凹形模具中；

4)采用外加热方式，程序升温模具外部的电热高温炉并加热管坯中的工作水至预先设定好的温度。当密封在管坯中的高温水所产生的压力大于管壁所能承受的张力时，膨胀金属管材毛坯的壁使其变形，直至其外表面基本与模具内模表面一致，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。

5)停止加热，当炉温和所加工的金属部件的温度降低至安全温度时，打开模具和对头，就得到欲成形的缩口管状金属部件。

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加以密封，再放到外套高温炉的模具内加热成形出零件。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成本低，主要设备组件为耐高温陶瓷材料模具和电热高温炉；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，甚至更高；③增压非常容易，只要电热炉将金属管材毛坯中水的加热到200℃、500℃、1000℃，管材中由高温工作水所产生的压力即可达到300MPa、800MPa、1800MPa；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，管坯外壁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)，因是在高温热状态下成形；⑥可加工厚壁管状金属部件，因是在高温热状态下成形。

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 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工作温度逐渐增高，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图

图5B 模腔为方形的管状金属部件一次成形过程示意图

图5C 模腔为工字形的管状金属部件一次成形过程示意图

图5D 模腔为五边形的管状金属部件一次成形过程示意图

图6 是本发明的外加热高温超高压管材液力一次成形设备及主要构件示意图

1-高强度、耐高温凹形陶瓷材料模具；2-外置式电热高温炉；3-炉壳；6-对冲冲头密封组件；8-管材毛坯支架；9-管材坯料；10-工作水；11-模具及炉体固定支架；12-控温仪；13-模具开合控制设备；14-管材支架移动控制设备。

图7A 外加热高温超高压金属管材液力一次成形步骤示意图对管材毛坯进行预加工，使其符合本发明设备加工要求。

图7B 外加热高温超高压金属管材液力一次成形步骤示意图将管材坯料空腔中加满水(或充填一定量的水)，并用锥形对冲冲头将管坯开口端加以密封。然后，将加满水(或一定量水)并且密封的管材坯料置于炉膛为高强度、耐高温凹形陶瓷材料模具的电热高温炉中进行加热。图中容器状金属毛坯处于低温未变形状态。

图7C 外加热高温超高压金属管材液力一次成形步骤示意图随着炉温的升高，管材坯料中由高温水(超临界水)所产生的压力也迅速增加，当高温水压超过管壁所能承受的张力时，膨胀管壁使其变形。图中管材坯料处于初始膨胀状态。

图7D 外加热高温超高压金属管材液力一次成形步骤示意图随着管材坯料腔体中工作水的温度和压力进一步升高，管壁继续膨胀变形，直至其外表面与凹形模具内模表面基本一致。图中管材坯料处于高温完全膨胀状态；

图7E 外加热高温超高压金属管材液力一次成形步骤示意图停止加热，当工作水的温度降至室温时，打开模具和对冲冲头，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7A-7E中所述。

Claims (7)

1.一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次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。

其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，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的内高压，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。即将充满水或充填一定量水的管材毛坯，加以密封，然后放入炉膛为高强度、耐高温凹形陶瓷材料模具的电热高温炉中进行直接加热；随着水温的升高，管材坯料中由高温工作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的机械压力，而本发明中的内高压来源于管材坯料中的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管材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炉，陶瓷材料模具，管材毛坯以及工作水。

2.一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。即将电热高温炉置于管材毛坯外部，透过管壁从外到内加热管坯中的工作水至高温，使其产生膨胀管壁所需的内高压。

本技术主要由管材坯料、外置式电热高温炉、工作水、密封对冲冲头四部分组成。

3.一种外加热金属管材高温超高压水压一次成形设备。设备主要由三大部分14个基本构件组成，第一部分为加热及成形设备，包括高强度、耐高温的凹形陶瓷模具(1)、电热高温炉(2)、炉壳(3)、模具及炉体固定支架(11)；第二部分为管材毛坯支架及密封组件，包括管材坯料(9)、管材毛坯支架(8)、工作水(10)、对冲冲头密封组件(6)；第三部分为控制设备，包括控温仪(4，12)，模具开合控制设备(5，13)，管材支架移动控制设备(7，14)。

设备特点是电热高温炉与模具放置在一起，两者近于一体设计，其中模具为高强度、耐高温的凹形陶瓷材料模具，即高温炉的炉膛即为高强度、耐高温的凹形陶瓷材料模具。电热高温炉置于陶瓷材料模具和管材毛坯的外面，采用外加热的方式，透过陶瓷模具和管壁间接对置于模腔中的管材坯料中的工作水进行加热，使其产生膨胀管壁所需的内高压。

4.一种外加热金属管材高温超高压水压一次成形方法。该方法步骤为：①首先将欲成形的管材坯料中充满水或充填一定量的水，并用锥形对冲冲头将管坯开口端加以密封；②将加满水(或一定量水)并且密封的管材坯料置于外套高温炉的凹形陶瓷模腔中进行加热，随着管材中水温的升高，由高温工作水所产生的压力也迅速增加，当管材内部由高温水(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，直至管壁外表面基本与凹形模具内模表面一致；③停止加热，当管材中的水温降至安全温度时，打开模具和对冲冲头，这样就得到各种缩口管状金属部件。

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坯弯曲到要求的形状，然后注入一定量的水加以密封，再放到外套高温炉的模具内加热成形出所需零件。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。

5.如权利要求3中所述的加热及成形设备。包括高强度、耐高温的凹形陶瓷模具(1)、外置式电热高温炉(2)、炉壳(3)、模具及炉体固定支架(11)。其特点是电热高温炉置于模具的外面，模具为高强度、耐高温的凹形陶瓷材料模具，即电热高温炉的炉膛即为凹形陶瓷材料模具。因此，本方法设备中的凹形陶瓷材料模具具有双重作用，既为模具，又是炉膛。其特征如下：

模具组件(1)：其特征为凹形高强度、耐高温的陶瓷模具(如氮化硅陶瓷模具等)。模具通常分为上下两半，下模连同下部高温炉一起固定在支架上。上模可以自由开合和移动并由液压机械(5，13)来控制。上模和下模均为凹形模具，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、三角形、梯形等。其上模腔和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。

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模具外部，采用外加热的方式透过模具加热管材毛坯中的工作水，使其产生膨胀管壁所需的内高压。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)。电热高温炉紧套在模具(1)的外面，与模具相配套，高温炉也分为上下两半，其开合和移动由液压机械(5，13)来控制。

炉壳组件(3)是由厚钢材加工而成，紧套在高温电热炉的外面，起紧固模具的作用，可承受管材热膨胀时的冲击力。钢板外壳与模具(1)和电热高温炉(2)相配套，也分为上下两半，其开合由液压机械(5，13)来控制。

模具及炉体固定支架(11)：特征为由高强度钢或铸铁加工而成，作用是固定下模及下半高温炉。

6.如权利要求3中所述的管材毛坯支架及密封组件。包括管材坯料(9)、管材毛坯支架(8)、工作水(10)、对冲冲头密封组件(6)。其特征如下：

管材毛坯支架组件(8)由高强度钢或铸铁加工而成，作用是放置和固定管材毛坯。

对冲冲头密封组件(6)由高强度合金材料加工而成的锥形或球形塞头，与管材开口端采用以弹性形变为基础的锥面-锥面、锥面-球面密封。此冲头固定在管材毛坯支架上(8)，通过轴向移动施压密封管材毛坯开口端。

管材坯料(9)为各种类型、不同厚度、不同内外径的金属管材，包括高强度的钛合金、碳素钢，以及不锈钢、铜、铝合金等金属材料。

管材坯料中的工作水(10)为普通水，工作时加入少量的乙二醇，以降低高温高压水(超临界水)对高压容器和筒状金属毛坯内壁的腐蚀性。其充填量和充填度，随金属管材的性质(强度、屈服温度、膨胀系数、延展性等)、膨胀程度、管壁的厚度等不同而不同。

7.如权利要求3中所述的控制设备。包括控温仪(4，12)，模具开合控制设备(5，13)，管材支架移动控制设备(7，14)。其特征如下：

温度控制设备组件(4，12)用来控制高温炉的升温、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0.2℃。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(5，13)，采用液压机械控制的方式，用以控制上模的开合和移动。并在管材毛坯成形过程中，对模具施加一定的外力，从而使管材毛坯在膨胀触及模具的一瞬间，上模和下模间不会发生位移。

管材毛坯支架移动控制设备组件(7，14)。采用液压机械控制，通过上下、前后、左右移动的方式，在加工之前将管材毛坯准确地放入外套高温炉的凹形模腔中(1)，当金属部件加工完成后又将其快速取出。

此外，此机械设备同时控制向管材毛坯两端的一对冲冲头施加轴向对冲压力，以进给补料和密封管材开口端。

Images