CN1824409A - 外加热金属板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，以板材为坯料，一次成形容器状(或缩口容器状)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.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：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，将板材密封在高压容器和模具之间；⑤加热高压容器中的工作水至高温；⑥当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、厚板金属材料的加工。

Description

外加热金属板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

本发明是一种外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，一次液压成形各种容器状(或缩口容器状)金属部件的技术(见图2)。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0.3CPa、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金属板材的一次成形。即将高压容器(液压室)中充满水，利用凹凸形密封组件将板材坯料密封在液压室和模具之间；以外加热的方式，程序升温液压室外部的电热高温炉并加热液压室中的水至高温，随着液压室中水温的升高，液压室中由高温水(超临界水)所产生的压力也迅速增高，当此超临界水压超过板材坯料所能承受的张力时，板材坯料开始紧贴凹形模具内模表面成形，直至其外表面基本与模具内模表面一致，这样就得到与凹形模腔表面一致的容器状(缩口容器状)金属部件。水在高温下能够产生用于膨胀板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板状金属材料为容器状(缩口容器状)金属部件所需内高压的技术及组件(见图3)。其特点是，将电热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，使其产生成形板材为容器状(或缩口容器状)金属部件所需的内高压。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。

本发明的第三项内容是外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3)。第一部分为高温高压设备，即内高压产生设备，包括液压室(1)、外置式电热高温炉(2)、炉壳(3)、工作水(4)；第二部分为成形设备，包括凹形模具(5)、模具外壳(6)、板材成形过程指示小孔(9)、金属板材坯料(11)；第三部分为密封组件，凹凸形密封槽环(7)、密封螺具(10)；第四部分为控制设备，包括温度控制设备(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。

设备特点为：①采用外加热方式，即将高温炉置于液压室外面，从外部对液压室中的工作水进行加热；②板材成形过程中所需的内高压来自液压室中的高温水；③液压室顶盖与模具为一体(或近于一体)设计，其作用一是用来控制所加工金属部件的形态；二是将板材密封在液压室和模具之间；④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)，也可以成形厚板、高强度金属材料(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)。

本发明的第四项内容是外加热金属板材高温超高压水压一次成形方法，包括如下步骤(见图4A，4B，4C，4D和4E)：

1)将液压室中加满水(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)将板材坯料放置在液压室与凹形模具之间；

3)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，然后旋紧液压室和顶盖周边的螺具，进一步对板材坯料施加一垂向压力，利用液压室和顶盖上的凹凸形密封槽环将板材坯料密封在液压室和模具之间；

4)采用外加热的方式，程序升温液压室外部的电热高温炉并加热液压室中的工作水至预定的温度，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，板材向模具的方向开始凸出变形，直至与模具内模表面一致，成形态过程由模具顶部板材成形指示小孔来指示；

5)停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度；

6)打开液压室顶盖(连同模具)，这样就得到各种容器状(缩口容器状)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、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1.5万个大气压，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)就可产生高达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。

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3 是本发明的外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

1-液压室(高压容器)；2-外置式电热高温炉；3-炉壳；4-工作水；5-凹形模具；6-模具外壳；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4A 外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加满水的液压室上面；

图4B 外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 外加热高温超高压板材液力一次成形步骤示意图

采用外加热的方式，程序加热液压室中的工作水至预定的温度，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 外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 外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 (8)

1.一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，以板材为坯料，一次液压成形各种容器状(或缩口容器状)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，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，以板材为坯料，来进行各种容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形加工。水在高温下能够产生用于加工板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，以板材为坯料，来进行各种容器状(或缩口容器状)金属部件的一次成形加工提供了依据。

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(液压室)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状态下膨胀变形，因此本技术对于成形高强度及厚壁金属材料部件具有明显的优势；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，液压室、和模具组成，而本发明设备主要包括外置式电热高温炉，高压容器、工作水、和模具。

2.一种外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。其特征为，将电热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，使其产生成形板材为容器状(或缩口容器状)金属部件所需的内高压。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。

3.一种外加热金属板材高温超高压水压一次成形设备。其特征是本设备包含四大部分13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(液压室)(1)、外置式电热高温炉(2)、炉壳(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)、高压容器顶盖(6)、金属板材坯料(11)；第三部分为密封组件：“V”形凹凸密封组件(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(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。

设备特征为；①采用外加热的方式，加热高压容器(液压室)中的工作水至高温，使其产生成形各类板材为容器状(或缩口容器状)金属部件所需的内高压，即将高温炉置于高压容器外部，透过容器壁对高压容器中的工作水进行加热，产生成形板材所需的内高压；②板材成形过程中所需的内高压来自高压容器中的高温水；③高压容器顶盖与模具近于一体设计，其作用有二，一是为一凹形模具，用来控制所加工部件的形态；二是通过“V”形凹凸密封组件将板材密封在高压容器和模具之间。

4.一种外加热金属板材高温超高压水压一次成形方法。方法及具体步骤为：①首先将高压容器(液压室)中加满水；②将欲加工的板材坯料覆盖在加满水的高压容器上面，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；③旋紧高压容器和其顶盖周边的螺丝，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采用外加热的方式，加热高压容器中的工作水至预定的温度，这样由高压容器中高温工作水所产生的巨大压力将作用在高压容器顶部的板材坯料上，当此压力超过板材坯料所能承受的张力时，板材向模具的方向开始凸出变形，直至与模具内模表面一致，成形过程由模具顶部板材成形指示小孔来指示；⑤停止加热，降低炉温和所加工的金属部件至安全的温度；⑥打开高压容器顶盖(连同模具)，这样就得到各种容器状(或缩口容器状)金属部件。

5.如权利要求3中所述的高温高压设备(压力源)，包括高压容器(液压室)(1)、外置式电热高温炉(2)、炉壳(3)、工作水(4)。其特征如下：

高压容器(液压室)组件(1)：其材料可以是高强度、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，这要视欲加工部件的形态而定；此容器可在500℃高温下承受0.8GPa左右的内部水压。此外，在保证能承受0.8GPa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，这样使金属毛坯膨胀的程度就大。

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，使其产生膨胀板材所需的内高压。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。

本设备中的电热高温炉炉壳(3)则由薄钢板加工而成。

高压容器中的工作水(4)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(液压室)和板材坯料的腐蚀性。液压室中工作水的充填量(或充填度)，随所加工板材坯料的性质(强度、屈服温度、膨胀系数、延展性等)、膨胀程度、以及板材厚度不同而不同。

6.如权利要求3中所述的成形设备，包括凹形模具(5)、板材成形过程指示小孔(9)、高压容器顶盖(6)、金属板材坯料(11)。其特征如下：

模具组件(5)为一半球形凹形金属材料模具(如不锈钢模具)。与其它成形方法中所用模具不同的是，本方法中的模具为一凹形上模，而没有下模，即半个凹形模具。模具内模形态据需要为限定的任意可加工的形态，如简单的圆形、椭圆形，以及其它复杂的形态。

高压容器顶盖(6)由与高压容器相同的高强度金属材料加工而成，紧套在模具的外面，与模具为近于一体设计(或一体设计)，其开合和移动由液压机械(8，13)来控制。

模具顶部板材成形过程指示孔(9)。其特征是在模具顶部加工一小圆孔，用以指示板材的成形过程。由于凹形模腔中存有空气，当板材坯料向凹形模腔方向开始凸出变形时，由于受到板材的挤压模腔中的空气开始向外喷出，直至板材停止变形，如果在指示小孔的喷嘴上设置一声音指示器、或显示出气量的组件，就可以起到指示板材变形过程(开始、结束等)及成形程度的作用。

板材坯料(11)为各类板状金属材料，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、铝合金等金属板材。

7.如权利要求3中所述的密封组件：包括“V”形凹凸密封槽环组件(7)、以及密封螺具(10)。其特征如下：

“V”形凹凸密封槽环组件(7)。其特征为“V”形密封环槽，在高压容器(1)和顶盖(6)的接触面上加工1-2条“V”形环槽，这有助于增强密封效果。

密封螺具组件(10)。其特征是螺具等间距偶数个(最少为三对6个螺具，其数量要视液压室大小、板材强度及厚薄等加工对象的具体情况而定)分布在高压容器和顶盖周缘，通过对称旋紧对高压容器上的凹形密封槽和顶盖上的凸形密封环均匀施压，并将板材坯料密封在高压容器和模具之间。

板材密封分两步：首先利用液压机械设备(8，13)对顶盖施加一定的外压力，通过挤压板状金属毛坯，使其在凹凸形密封组件间变形，达到初步密封的目的；二是利用高压容器和顶盖周缘偶数个等间距螺具(10)对凹凸形密封组件间板材施压，使其进一步变形，从而达到完全密封的目的。

8.如权利要求3中所述的控制设备：包括温度控制设备(2，12)、模具升降控制设备(8，13)。其特征如下：

温度控制设备组件(2，12)。用来控制高压容器外部高温炉的升温、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℃。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(8，13)。采用液压机械控制的方式，用以控制模具(5)(连同高压容器顶盖)的开合和移动。并在模具下行过程中，对模具施加一定的外力，使板材通过凹凸密封槽环初步密封在高压容器和模具之间。

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