CN1824421A - 半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形技术、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，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)、半埋式电热高温炉(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。

Description

半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形技术、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

本发明是一种半埋式加热金属管材中—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，其中采用半埋式加热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，管坯的壁开始膨胀，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，图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半埋式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)。其特点是将电热高温元件置于高压容器底部厚壁中间，透过高压容器壁内侧(高温炉到工作水之间的容器壁部分)对高压容器中的工作水进行加热，使其产生用于膨胀管材毛坯壁所需的内高压。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，以提高容器外壁的抗张强度，进而提高工作水的工作温度和工作压力，扩大本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超高压。

半埋式加热技术包括高压容器壁中间的半埋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、半埋式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成(见图6A)。

半埋式加热技术集中了内加热和外加热两种方法的优点：一是保持了外加热方式中高压容器在高温高压条件下具有良好密封性的特点；二是高压容器外部缠绕有冷却水循环装置，提高了高压容器外壁的抗张强度，以及工作水的工作温度，扩大了设备的压力使用范围。

本发明第三项内容涉及一种半埋式电热高温炉组件。其特征是将电热高温炉置于高压容器底部容器壁中间，透过容器壁内侧(高温炉到容器内壁之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热(见图6A)。

半埋式电热高温炉组件(2)由高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)、高温电热元件(2-1)、及隔热板(2-2)三部分组成(见图6A)。其特征是在一整块圆形或方形耐高温、高强度绝缘陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均匀加工多条相互连通的U形槽，同时槽壁上贴有隔热板，将高温电热元件置于U形槽中，并外接到高压容器厚壁外面的电源上(见图6A，图6B)。高温炉(2)的形态与高压容器内部形态相对应，可以呈圆形，也可以呈方形(见图6B)。

半埋式电热高温炉组件采用抽屉式设计方式，工作时将此高温炉置于高压容器底部厚壁中所预留的空间中，此空间与电热高温炉组件(2)之间恰好吻合。成形过程中，由高温电热元件所产生的热量透过容器内壁(1-1)对高压容器中的工作水(4)间接进行加热，使其产生成形管坯为缩口管状金属部件所需的内高压。此外，成形过程中低温高强度的容器外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对高温低强度的容器内壁(1-1)起一定的支撑作用，以加强该处容器壁的抗张强度。

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。

绝缘陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高温电热元件(2-1)的U形槽，由高强度、耐高温绝缘性好的氮化硅陶瓷材料经过反应烧结或气压烧结制成。

隔热板表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层，目的是最大限度地将由高温电热元件所产生的热量透过高压容器壁内侧(1-1)传导到高压容器内部的工作水中，同时尽量减少电热高温炉将热量传导到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗张强度。

本发明第四项内容涉及一种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内高压的技术及组件。

技术特点为，首先将高压容器和管材坯料中都加满水，然后采用半埋式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，利用高压容器与管坯中的水温差，通过连接高压容器和金属管坯之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中高温工作水的高温传导到管材坯料腔体水中，间接加热管坯中的水至高温，使其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技术(见图7)。

本技术主要包括高压容器、半埋式电热高温炉、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坯料壁，并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件。

技术特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过半埋式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，开启高压容器和管材坯料之间的高压阀，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坯中，膨胀管坯的壁使其变形，直至管壁外表面与凹形内模表面基本一致(见图8)。

本技术主要包括高压容器、半埋式电热高温炉、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坯料预加热的技术。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)。其作用一是使金属毛坯(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材毛坯中的损失，缩短一次成形所需的时间。

本发明的第七项内容是半埋式加热金属管材中—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(见图6A)。第一部分为高温高压设备(压力源)：包括高压容器(1)、半埋式电热高温炉(2)、高压容器外壁冷却水循环装置(3)、工作水(4)；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)、管材毛坯(11)、密封对冲冲头(8)、管材毛坯托架(9)、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)，托架及密封对冲冲头轴向移动控制设备(9，19)。

设备特点：①采用半埋式加热方式加热高压容器中的工作水，使其产生成形过程中所需要的内高压，即将电热高温炉置于高压容器底部厚壁中间，透过高压容器内壁(高温炉到工作水之间的容器壁部分)间接对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具有两个高温高压设备(高压容器和高温炉)，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，产生更高的内高压；④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，也可使用金属材料模具(如不锈钢材料模具)；⑤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体中的高温水(超临界水)产生，并经由高压金属管线传导到金属管坯中；⑥模具外面套有一中温炉，以对管坯进行预加热；⑦设备的高压密封性较好，高压容器壁抗张强度也较高；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，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半埋式加热金属管材中—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锥形(或球形)对冲冲头分别将管材坯料两端开口加以密封，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用支架将密封的管材坯料置于外套中温炉的凹形模腔中进行预加热至设定的温度；④开启高压容器壁中间的半埋式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用半埋式加热方式加热高压容器中的水至设定的温度；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内高压通过高压金属管线传导到管材坯料的腔体中，膨胀管坯的壁，直至管壁的外表面与凹形内模表面基本一致；⑥关闭管坯两端的高压阀，打开模具和冲头，这样就得到各种缩口管状金属部件。

本发明第九项内容涉及一种热传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形方法

其特点是，首先采用半埋式加热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材坯料腔体中的水至高温，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，管材坯料的腔体中也加满水；②采用线密封或面密封，用两个有轴向通孔的锥形(或球形)对冲冲头分别将管材坯料两端开口加以密封，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用支架将密封的管材坯料置于外套中温炉的凹形模腔中进行预加热至设定的温度；④开启高压容器壁中间的半埋式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用半埋式加热方式加热高压容器中的工作水至高温，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腔体水中，间接加热管坯中的水至高温，当管坯中高温工作水(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，直至管壁外表面与凹形内模表面基本一致；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。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两个半片再焊接成整体构件。高温水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，高温水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，常规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1.0万个大气压，甚至更高；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相比，半埋式加热是一种介于内加热和外加热之间的一种加热方式。此加热方式集中了外加热高压容器密封性好，以及内加热高压容器强度高两种方法的优点。从而使本设备既可以成形薄壁、低强度金属材料，也可以成形厚壁、高强度金属材料。

4.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不同金属材料和壁厚的高压釜在高温水下膨胀实验实例图

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4特殊缩口管状金属部件示意图

本发明设备不仅可以加工轴线为曲线的空心构件，也可以成形空心变截面轻体构件。

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5不同形态模腔一次成形缩口管状金属部件示意图

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6A是本发明的半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形设备及主要构件剖面结构示意图

1-高压容器；2-半埋式电热高温炉(21-高温电热元件；22-隔热板；23-高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座)；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-管材毛坯；12-凹形模具；13-中温预热炉；14-炉壳；16-模具固定支架；17-控温仪；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半埋式电热高温炉平面结构示意图

(a-圆形高压容器匹配的高温炉；b-方形高压容器匹配的高温炉)

图7是本发明的热传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形示意图

将高压容器和管坯中都加满水，采用热传导的方式加热管坯中的工作水至高温，使其产生膨胀管壁并成形管坯为缩口管状金属部件所需的内高压。

图8是本发明的压力传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形方法及步骤示意图

图8A压力传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形步骤示意图

①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；

②将高压容器中加满水；

图8B压力传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形步骤示意图

③用有轴向通孔的锥形(或球形)对冲冲头将管材毛坯两开口端加以密封；

④将密封的管材毛坯置于管坯支架上，然后置于外套中温炉的凹形模腔内，下行上模；

⑤利用中温炉对管材毛坯进行预加热，使其达到一定温度；

图中管材毛坯处于未变形状态。

图8C压力传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑥开启高压容器底部厚壁中间的半埋式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用半埋式加热方式加热高压容器中的工作水至设定的温度，使其产生成形过程中所需的内高压；

⑦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工作水所产生的巨大内高压通过高压金属管线传导到管材毛坯的腔体中，膨胀管材毛坯的壁使其变形；

图中管材坯料处于初始膨胀状态。

图8D压力传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑧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；

图中管材毛坯处于高温完全膨胀状态。

图8E压力传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑨关闭高压阀，停止向管坯中提供内高压，当所加工的金属部件降至安全温度时，打开模具和塞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、飞船返回舱等)、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。

Claims (12)

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+半埋式电热高温炉+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)。

2.一种透过高压容器内壁对容器中的工作水进行加热并产生内高压的半埋式加热技术及组件。这是一种介于内加热和外加热之间的一种加热方式。其特点是将高温炉置于高压容器底部厚壁中间(既非外加热中将高温炉置于容器外部，也非内加热中将高温炉置于容器内部)，透过容器壁内侧(高温炉到容器内部工作水之间的容器壁部分)间接加热高压容器中的工作水至高温，使其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的技术及组件。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，以冷却容器外壁，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，扩大本设备的压力使用范围。

半埋式加热技术包括高压容器壁中间的半埋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、半埋式电热高温炉、冷却水循环装置四部分组成。

半埋式加热技术集中了内加热和外加热两种方法的优点：一是保持了外加热方式中高压容器在高温高压条件下具有良好密封性的特点；二是高压容器外部缠绕有冷却水循环装置，提高了高压容器外壁的抗张强度，以及工作水的工作温度，从而产生更高的内高压，提供成形厚壁金属材料以及高强度金属材料所需要的内高压。

3.一种半埋式电热高温炉组件。其特征是将电热高温炉置于高压容器底部容器壁中间，透过容器壁内侧(高温炉到容器内壁之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热。

半埋式电热高温炉组件(2)由高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)、高温电热元件(2-1)、及隔热板(2-2)三部分组成。其特征是在一整块圆形或方形耐高温、高强度绝缘陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均匀加工多条相互连通的U形槽，同时槽壁上贴有隔热板，将高温电热元件置于U形槽中，并外接到高压容器厚壁外面的电源上。电热高温炉(2)的形态与高压容器内部形态相对应，可以呈圆形，也可以呈方形。

半埋式电热高温炉组件采用抽屉式设计方式，工作时将此高温炉置于高压容器底部厚壁中所预留的空间中，此空间与电热高温炉组件(2)之间恰好吻合。成形过程中，由高温电热元件所产生的热量透过容器内壁(1-1)对高压容器中的工作水(4)间接进行加热，使其产生成形管坯为缩口管状金属部件所需的内高压。此外，成形过程中低温高强度的容器外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对高温低强度的容器内壁(1-1)起一定的支撑作用，以加强该处容器壁的抗张强度。

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。

绝缘陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高温电热元件(2-1)的U形槽，由高强度、耐高温绝缘性好的氮化硅陶瓷材料经过反应烧结或气压烧结制成。

隔热板表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层，目的是最大限度地将由高温电热元件所产生的热量透过高压容器壁内侧(1-1)传导到高压容器内部的工作水中，同时尽量减少电热高温炉将热量传导到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗张强度。

4.一种以热传导的方式间接加热管坯中的工作水至高温，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，然后采用半埋式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坯中的中-低温水之间的温度差，通过连接高压容器和金属管坯之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中高温工作水的高温传导到管材坯料腔体水中，间接加热管坯中的水至高温，使其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技术。

本技术主要包括高压容器、半埋式电热高温炉、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，从而使模具可以使用金属材料模具(如不锈钢模具)。

热传导技术适合加工的范围较宽，它不仅适合于成形毛坯腔体体积大、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、膨胀程度小的金属部件。

5.一种以压力传导的方式直接提供膨胀管材坯料壁，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，然后通过半埋式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，开启高压容器和管材坯料之间的高压阀，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坯中，膨胀管坯的壁使其变形，直至管壁外表面与凹形内模表面基本一致的技术。

本技术主要包括高压容器、半埋式电热高温炉、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、或管壁较薄的管材毛坯较为适合。

6.一种金属管材坯料预加热的技术。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。其作用一是使金属毛坯(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材毛坯中的损失，缩短一次成形所需的时间。

7.一种半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形设备。其特征是设备包含四大部分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)、半埋式电热高温炉(2)、高压容器外壁冷却水循环装置(3)、工作水(4)；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)、管材毛坯(11)、密封对冲冲头(8)、管材毛坯支架(9)、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采用半埋式加热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，即将电热高温炉置于高压容器底部厚壁中间，透过高压容器壁内侧(高温炉到工作水之间的容器壁部分)间接对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具有两个高温高压设备(高压容器和高温炉)，即两个压力源，分别从管坯两端对管壁施加内高压；③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，并产生更高的内高压；④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，也可使用金属材料模具(如不锈钢材料模具)；⑤采用压力传导(或热传导)的方式，直接(或间接)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体中的高温工作水产生，并经由高压金属管线传导到金属管坯中；⑥模具外面套有一中温炉，以对管材坯料进行预加热；⑦设备的高压密封性较好，高压容器壁抗张强度也较高。

8.一种压力传导半埋式加热金属管材中—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锥形(或球形)对冲冲头分别将管材坯料两端开口加以密封，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外套中温炉的凹形模腔中进行预加热至设定的温度；④开启高压容器壁中间的半埋式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用半埋式加热方式加热高压容器中的水至设定的温度；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内高压通过高压金属管线传导到管材坯料的腔体中，膨胀管坯的壁，直至管壁的外表面与凹形内模表面基本一致；⑥关闭管坯两端的高压阀，打开模具和冲头，这样就得到各种缩口管状金属部件。

9.一种热传导半埋式加热金属管材中—高温超高压水压一次成形方法

其特点是，首先采用半埋式加热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材坯料腔体中的水至高温，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，管材坯料的腔体中也加满水；②采用线密封或面密封，用两个有轴向通孔的锥形(或球形)对冲冲头分别将管材坯料两端开口加以密封，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外套中温炉的凹形模腔中进行预加热至设定的温度；④开启高压容器壁中间的半埋式电热高温炉以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用半埋式加热方式加热高压容器中的工作水至高温，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腔体水中，间接加热管坯中的水至高温，当管坯中高温工作水(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，直至管壁外表面与凹形内模表面基本一致；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。

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)、半埋式电热高温炉(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；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600℃高温下长时间承受1.0GPa的内部水压。此外，在保证能承受1.0GPa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。

半埋式高温炉组件(2)。其特征是将电热高温炉置于高压容器底部容器壁中间，透过容器壁内侧(高温炉到容器内壁之间的容器壁部分)间接对高压容器中的工作水进行加热。

高温炉组件(2)由高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)、高温电热元件(2-1)、及隔热板(2-2)三部分组成。其特征是在一整块圆形或方形耐高温、高强度绝缘陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均匀加工多条相互连通的U形槽，同时槽壁上贴有隔热板，将高温电热元件置于U形槽中，并外接到高压容器厚壁外面的电源上，电热高温炉的形态与高压容器内部形态相对应，可以呈圆形，也可以呈方形。

电热高温炉形态设计原则有二：一是将电热元件所产生的热量最大效率地传递给高压容器中的工作水；二是最大限度地保证容器底部容器壁的抗张强度。

半埋式电热高温炉组件采用抽屉式的设计方式，工作时将此高温炉置于高压容器底部厚壁中所预留的空间中，此空间与电热高温炉组件(2)之间恰好吻合，同时要考虑高压容器与陶瓷材料在高温下的热膨胀系数不同。成形过程中，由高温电热元件所产生的热量透过容器内壁(1-1)对高压容器中的工作水(4)间接进行加热，使其产生成形管坯为缩口管状金属部件所需要的内高压。此外，成形过程中由冷却水循环装置所导致的低温高强度的高压容器外壁(1-2)通过高强度、耐高温绝缘陶瓷材料基座(2-3)对高温低强度的容器内壁(1-1)起一定的支撑作用，以加强该处容器壁的抗张强度。

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。

绝缘陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高温电热元件的U形槽，由高强度、耐高温绝缘性好的氮化硅陶瓷材料经过反应烧结或气压烧结制成。

隔热板表面涂有硼硅酸盐玻璃涂层，目的是最大限度地将由高温电热元件所产生的热量透过高压容器壁内侧(1-1)传导到高压容器内部的工作水中，同时尽量减少电热高温炉将热量传导到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗张强度。

高压容器外壁的冷却水循环装置(3)。其特征是由方形(或圆形)的铜管四周缠绕在高压容器的外壁，用来冷却高压容器的外壁，提高高压容器壁的抗张强度以及工作水的工作温度，进而提高工作水的工作压力，提供成形厚壁及高强度金属管材所需的巨大的压力。

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，以降低高温高压水(超临界水)对高压容器及管壁的腐蚀性。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、金属管材强度、管材坯料厚薄、管材腔体体积大小等来定。

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)采用小内外径比的优质不锈钢(如1Cr18Ni9Ti等)金属管线，并能长时间承受1.0GPa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材毛坯的腔体中，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)是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。

高压阀组件(7)是由不锈钢材料精制而成的高压截止阀，高压阀两侧各加工一个含锥面的螺母，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筒状金属毛坯腔体，提供成形过程中所需的内高压。

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)、管材毛坯(11)、一对密封对冲冲头(8)、管材毛坯支架(9)、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，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(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、三角形、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。

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。其作用是对管状金属毛坯进行预加热。

模具及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)是由工具钢或铸铁加工而成，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状金属毛坯开口端。

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压力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(9，19)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)为各种材料不同、壁厚不同、内外径不同的金属管料，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。

金属套圈(10)是由耐高温、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，从而限定金属坯料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，本次发明的半埋式加热金属管材中—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)。用以控制高压容器壁中间半埋式高温炉以及中温炉的升温、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壁中间，并用外涂绝缘涂层的金属导线将其引出，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，对模具施加一定的外力，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。

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