專利名稱：內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形技術(shù)、方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全新的縮口管狀金屬部件水壓一次成形技術(shù)、方法與設(shè)備。具體的，就是利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大的靜壓力這一技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。
成形過(guò)程中所需內(nèi)高壓來(lái)源于高溫水所產(chǎn)生的巨大靜壓力，成形介質(zhì)為高溫超高壓水(超臨界水)，金屬坯料是在高溫狀態(tài)下成形。
2.背景技術(shù)目前通常所說(shuō)的管材液壓成形(內(nèi)高壓成形)是以液壓泵(水泵或油泵)的機(jī)械壓力為壓力來(lái)源，低溫流體(水或油)為成形介質(zhì)，以管材作坯料，通過(guò)管材內(nèi)部施加高壓液體把管坯壓入到模腔中使其成形為所需工件。具體地是將管材毛坯放入一液壓成形組件的模腔中并用液壓泵向毛坯內(nèi)部提供高壓流體，以使毛坯向外膨脹與限定模腔表面一致。此方法的缺點(diǎn)及局限①成本較高，需要一高性能液壓泵；②工作壓力相對(duì)較低，工作壓力通常為0.3-0.5GPa；③升壓較為困難，對(duì)于普通的液壓泵，若要在工作壓力范圍的基礎(chǔ)上再提升0.1GPa，常常較為困難；④所加工金屬部件外表面容易產(chǎn)生扇形微裂隙，因?yàn)榻饘偃萜髅魇窃诔貏傂誀顟B(tài)下膨脹；⑤加工高強(qiáng)度金屬部件(如鈦合金等)受到限制，因是在常溫狀態(tài)下加工；⑥加工厚壁金屬部件受到限制，因是在常溫狀態(tài)下加工。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形技術(shù)、方法與設(shè)備。本發(fā)明是利用水在高溫下(超臨界流體)所產(chǎn)生的巨大靜壓力這一技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。本方法無(wú)論從壓力產(chǎn)生機(jī)理、成形介質(zhì)、成形過(guò)程中金屬所處的狀態(tài)，還是從設(shè)備構(gòu)件上都與傳統(tǒng)的液壓成形技術(shù)和設(shè)備不同，它是一種全新的技術(shù)、方法和設(shè)備。
本發(fā)明是基于水的狀態(tài)方程、水的p-V-T關(guān)系圖、以及下面兩組以水為傳壓介質(zhì)高溫超高壓熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的①將加滿水(約6-7滴)的外徑為48mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶6的Rene41鈦鉬合金高壓釜通過(guò)錐形塞頭加以密封，然后放入由控溫儀控制的管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)定好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至350℃，發(fā)現(xiàn)由釜體內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓使該鈦鉬合金高壓釜體向外膨脹并爆裂一個(gè)長(zhǎng)27mm、寬11mm的裂口(見(jiàn)圖1B-1)；②同樣的實(shí)驗(yàn)方法，將加滿水(約8-9滴)的外徑為60mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶7.5的兩個(gè)不銹鋼高壓釜體通過(guò)錐形塞頭加以密封，然后放入管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)置好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至450℃和480℃時(shí)，由高壓釜內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓導(dǎo)致兩個(gè)不銹鋼高壓釜體均向外膨脹，釜體外徑由實(shí)驗(yàn)前的60mm分別膨脹變形為63.1mm和64.3mm(見(jiàn)圖1B-2)。此現(xiàn)象為我們利用水介質(zhì)在高溫下所產(chǎn)生巨大的靜壓力，來(lái)進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的一項(xiàng)內(nèi)容涉及一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)(見(jiàn)圖2A)。其特點(diǎn)為，成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓來(lái)源于水在高溫下所產(chǎn)生的巨大壓力。水的p-V-T關(guān)系是水的基本的物理化學(xué)性質(zhì)，水的密度隨著溫度和壓力變化而變化，當(dāng)壓力增高時(shí)，流體的密度可以從水蒸氣的密度值連續(xù)地變化到液體水的密度值。在高溫，如200℃、500℃和1000℃時(shí)，要維持常溫常壓下水的密度(1g/cm3)，所需外部壓力分別要達(dá)到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。換句話說(shuō)，將充滿水的(或充填度為100％)封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中的高溫水將會(huì)產(chǎn)生約0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的壓力，并均勻作用于四周容器壁上(見(jiàn)圖1A)。我們正是利用水的這一特性來(lái)進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。即將充滿水的管材坯料，用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)對(duì)沖密封沖頭將管坯兩開(kāi)口端加以密封；然后開(kāi)啟密封沖頭上的電熱高溫爐，從管坯內(nèi)部對(duì)管坯中的工作水進(jìn)行直接加熱；隨著水溫的逐漸升高，管坯中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也迅速增高，當(dāng)此高溫水壓超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管壁使其變形，此時(shí)若用凹形模具加以控制，就得到各種既具有外部形態(tài)又具有內(nèi)部形態(tài)的雙形態(tài)縮口管狀金屬部件(見(jiàn)圖2，圖3)。水在高溫下能夠產(chǎn)生用于膨脹管材坯料的巨大的內(nèi)高壓可以從上述兩組高溫高壓實(shí)驗(yàn)中得到印證(見(jiàn)圖1B-1，圖1B-2)。
本發(fā)明第二項(xiàng)內(nèi)容涉及一種內(nèi)加熱并產(chǎn)生成形縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件(見(jiàn)圖6)。其特征為，將高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封沖頭將加滿水的管坯密封時(shí)，電熱高溫爐將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。
本技術(shù)主要由管材坯料、焊接在密封沖頭上的高溫電熱元件、以及工作水三部分組成。
本發(fā)明的第三項(xiàng)內(nèi)容涉及一種內(nèi)加熱電熱高溫爐組件。其特點(diǎn)是將U形高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，當(dāng)焊有高溫電熱元件的沖頭將加滿水的管坯密封時(shí)，電熱元件將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行直接加熱，產(chǎn)生成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。
本組件包括高溫電熱元件(4-1)、絕緣涂層(4-2)、電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體(4-3)三部分。
電熱元件采用碳化硅棒(工作溫度為1000-1350℃)，或硅化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達(dá)1800℃)。使用前對(duì)碳化硅棒和硅化鉬棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使碳化硅棒和硅化鉬棒外表面產(chǎn)生一層較厚的耐高溫硅質(zhì)絕緣及防氧化層，然后用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化硅棒和硅化鉬棒高溫電熱元件外面，從而避免電熱元件與高溫水直接接觸，以保護(hù)碳化硅棒和硅化鉬棒外表面的硅質(zhì)絕緣層，延長(zhǎng)高溫電熱元件的使用壽命。
高溫電熱元件連同外面的金屬保護(hù)殼體緊緊且牢固地焊接密封沖頭上，這既要保證電熱元件與工作水和密封沖頭之間絕對(duì)的絕緣性，又要保證電熱元件與密封沖頭間的高度密封性。
本發(fā)明的第四項(xiàng)內(nèi)容是內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備主要由三大部分12個(gè)基本構(gòu)件組成(見(jiàn)圖6)，第一部分為加熱及成形設(shè)備，包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐(4)、模具外殼(2)、模具固定支架(9)；第二部分為管材毛坯支架及密封組件，包括管材坯料(7)、管材毛坯支架(5)、工作水(8)、焊有電熱高溫爐的對(duì)沖沖頭密封組件(3)、金屬套圈(6)；第三部分為控制設(shè)備，包括控溫儀(10)，模具開(kāi)合控制設(shè)備(11)，管材支架移動(dòng)控制設(shè)備(12)。
設(shè)備特點(diǎn)①將高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封沖頭將加滿水的管坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱高溫爐將從管坯內(nèi)部對(duì)管坯中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓；②模具與高溫電熱元件分開(kāi)，因此模具可選用金屬材料模具；③本設(shè)備不僅可以加工薄壁、低強(qiáng)度的金屬管材(如銅、鋁合金等)，也可以成形厚壁、高強(qiáng)度的金屬管材(如鈦合金、碳素鋼，以及不銹鋼等)；④本設(shè)備不僅可以加工軸線為直線的空心零件，以及軸線為曲線的空心零件，而且也可以成形空心變截面輕體構(gòu)件(見(jiàn)圖4A和4B)；⑤本設(shè)備不僅可以加工如圓形、橢圓形等形態(tài)簡(jiǎn)單的縮口管狀金屬部件，也可以成形形態(tài)較為復(fù)雜的縮口管狀金屬部件(見(jiàn)圖5A，5B，5C和5D)。
本發(fā)明的第五項(xiàng)內(nèi)容是內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形方法，包括如下步驟(見(jiàn)圖7A，7B，7C，7D和7E)1)首先將欲成形的管材坯料中充滿水，并用焊有電熱高溫爐的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端加以密封；2)將加滿水并且密封的管材坯料置于凹形金屬材料模具中；3)開(kāi)啟焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫；4)隨著管坯中水溫的逐步升高，由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水(超臨界水)壓超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；5)停止加熱，當(dāng)所加工的金屬部件及其中的高溫工作水降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)模具和對(duì)沖沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。
本方法不僅適合于加工軸線為直線的零件，而且也可以成形軸線為曲線的零件(如成形汽車支架等)，其方法首先是將電熱元件制成可彎曲的多節(jié)的電熱高溫爐；將管坯中加滿水，并用焊有多節(jié)電熱高溫爐的對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端加以密封；然后將加滿水并且密封的管坯在數(shù)控彎管機(jī)上將其彎曲到要求的形狀；再將其放置到凹形金屬模具中加熱成形出所需零件。
此外，這種工藝還適用于制造沿構(gòu)件軸線具有不同截面形狀的空心構(gòu)件，即可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件，其截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面等。
對(duì)于變截面空心構(gòu)件，傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形2個(gè)半片再焊接成整體構(gòu)件。高溫水壓成形的特點(diǎn)是可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件。與沖壓焊接工藝相比，高溫水壓成形的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕質(zhì)量，節(jié)約材料；減少了零件和模具的數(shù)量，降低了模具費(fèi)用和生產(chǎn)成本；提高了產(chǎn)品強(qiáng)度與剛度。
本發(fā)明無(wú)論從壓力產(chǎn)生機(jī)理、成形介質(zhì)、成形過(guò)程中金屬所處的狀態(tài)，還是從設(shè)備構(gòu)件上都與目前傳統(tǒng)的液壓成形技術(shù)和設(shè)備不同，它是一種全新的技術(shù)方法、和設(shè)備。本方法與常規(guī)液壓成形最大的區(qū)別是①壓力產(chǎn)生機(jī)理(或壓力來(lái)源)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)程中的壓力來(lái)源于液壓泵中機(jī)械壓力，而本方法中的壓力來(lái)源于水本身在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力；②成形介質(zhì)不同。傳統(tǒng)液壓成形介質(zhì)為常溫液體(水或油)，而本發(fā)明中的成形介質(zhì)為高溫超高壓水(即超臨界水)，而非傳統(tǒng)意義上的液體；③成形過(guò)程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同，常規(guī)液壓成形過(guò)程中金屬坯料是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形，而本方法中金屬坯料是在高溫塑性狀態(tài)下膨脹變形；④由此所造成的成形設(shè)備組件及加工方法也不同。
此外，與傳統(tǒng)的液壓成形相比，本方法具有如下幾方面優(yōu)點(diǎn)①成本低，主要設(shè)備組件為焊有高溫電熱元件的密封沖頭、凹形金屬材料模具、管坯、及工作水；②使用壓力范圍寬，可從幾十個(gè)大氣壓，一直連續(xù)變化到2.0萬(wàn)個(gè)大氣壓，甚至更高；③增壓非常容易，只要焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐將管坯中的工作水加熱到200℃、500℃、1000℃，管坯中的高溫工作水就可產(chǎn)生300MPa、800MPa、1800MPa的內(nèi)高壓，并均勻作用于四周管壁上；④所加工部件壁質(zhì)地較為均勻，因?yàn)榻饘俟芘魇窃诟邷亟谒苄誀顟B(tài)下膨脹變形，因此只要條件計(jì)算和控制適當(dāng)，管坯外壁由于膨脹所產(chǎn)生的扇形微裂隙就可避免或減少；⑤可加工高強(qiáng)度難成形的管狀金屬部件(如鈦合金)，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形；⑥可加工厚壁管狀金屬部件，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形。
4.


圖1A為水在高溫下所產(chǎn)生巨大壓力示意圖將充滿水(即充填度為100％)的封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中的水將會(huì)產(chǎn)生近200MPa、800MPa、1800MPa的內(nèi)高壓。
圖1B不同金屬材料和壁厚的高壓釜在高溫水下膨脹實(shí)驗(yàn)實(shí)例1B-1鈦、鉬合金高壓釜在350℃高溫水產(chǎn)生的內(nèi)高壓作用下膨脹及破裂圖(A)釜體壁厚及內(nèi)外徑比(外徑48mm，內(nèi)徑8mm，內(nèi)外徑比1∶6)(B)圖1B-2不銹鋼高壓釜在480℃高溫水產(chǎn)生的內(nèi)高壓作用下膨脹圖(A)釜體壁厚及內(nèi)外徑比(外徑60mm，內(nèi)徑8mm，內(nèi)外徑比1∶7.5)(B)圖2是本發(fā)明的管材高溫超高壓液壓一次成形技術(shù)示意圖隨著工作水的工作溫度逐漸增高，由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也越來(lái)越大，金屬部件膨脹的程度也逐漸增大。
a-常溫未變形，；b-低溫初始膨脹；c-中溫中等膨脹；d-高溫完全膨脹。
圖3是本發(fā)明的高溫高壓管材液壓成形原理及步驟示意圖a-加水，下行上模；b-密封；c-加熱，成形；d-上行上模，打開(kāi)密封沖頭，取出縮口管狀金屬部件。
圖4部分特殊縮口管狀金屬部件示意圖本發(fā)明設(shè)備不僅可以加工軸線為曲線的空心構(gòu)件，也可以成形空心變截面輕體構(gòu)件。
圖4A空心變截面輕體構(gòu)件(空心階梯軸)示意圖a-機(jī)加工構(gòu)件；b-高溫內(nèi)高壓成形構(gòu)件圖4B軸線為曲線變截面的空心構(gòu)件圖5不同形態(tài)模腔一次成形縮口管狀金屬部件示意5A模腔為三角形的管狀金屬部件一次成形過(guò)程示意5B模腔為方形的管狀金屬部件一次成形過(guò)程示意5C模腔為工字形的管狀金屬部件一次成形過(guò)程示意5D模腔為五邊形的管狀金屬部件一次成形過(guò)程示意6是本發(fā)明的內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備及主要構(gòu)件剖面結(jié)構(gòu)示意圖1-凹形金屬材料模具；2-模具外殼；3-焊有電熱高溫爐的對(duì)沖沖頭密封組件；4-焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐(41-高溫電熱元件；42-絕緣涂層；43-電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體)；5-管材毛坯支架；6-金屬套圈；7-管材坯料；8-工作水；9-模具固定支架；10-括控溫儀(10)；11-模具開(kāi)合控制設(shè)備；12-管材支架移動(dòng)控制設(shè)備。
圖7是本發(fā)明的內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形方法及步驟示意7A內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖①對(duì)管材毛坯進(jìn)行預(yù)加工，使其符合本發(fā)明設(shè)備加工要求；圖7B內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖②將欲成形的管材坯料中充滿水，并用焊接有電熱高溫爐的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端加以密封；
③將加滿水并且密封的管材坯料置于管材毛坯支架上，然后置于凹形金屬材料模腔中，下行上模；圖中管坯處于低溫未變形狀態(tài)。
圖7C內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖④開(kāi)啟焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫；⑤隨著管坯中水溫的逐步升高，由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水(超臨界水)壓超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁使其變形；圖中管坯處于初始膨脹狀態(tài)。
圖7D內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑥隨著管坯中工作水的工作溫度和工作壓力進(jìn)一步升高，管壁繼續(xù)膨脹變形，直至其外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；圖中管坯處于高溫完全膨脹狀態(tài)。
圖7E內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑦停止加熱，當(dāng)所加工的金屬部件及其中的高溫工作水降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)模具和對(duì)沖沖頭，取出所加工的縮口管狀金屬部件。
5.優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述本方法和技術(shù)適用的領(lǐng)域非常廣，它不僅可用于汽車(摩托車)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、輕工業(yè)，也可用于艦船工業(yè)(尤其是潛水艇)、航空工業(yè)、宇航工業(yè)(如各類導(dǎo)彈彈體等)、以及兵器工業(yè)等。
本次暫以最簡(jiǎn)單的橢圓形(或圓形)縮口管狀金屬部件為優(yōu)選實(shí)施例，具體實(shí)施方法及加工步驟如圖7A-7E中所述。
權(quán)利要求
1.一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)。本發(fā)明是基于水的狀態(tài)方程、水的p-V-T關(guān)系圖、以及下面兩組高溫超高壓熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其技術(shù)特點(diǎn)為成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓來(lái)源于水在高溫下所產(chǎn)生的巨大壓力。根據(jù)水的p-V-T關(guān)系圖以及水的狀態(tài)方程，水的密度隨著溫度和壓力變化而變化，當(dāng)壓力增高時(shí)，流體的密度可以從水蒸氣的密度值連續(xù)地變化到液體水的密度值。在高溫，如200℃、500℃和1000℃時(shí)，要維持常溫常壓下水的密度(1g/cm3)，所需外部壓力分別要達(dá)到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。換句話說(shuō)，將充滿水的(即充填度為100％)封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中的高溫水將會(huì)產(chǎn)生約0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的內(nèi)高壓，并均勻作用于四周容器壁上。我們正是利用水的這一特性來(lái)進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。即將充滿水的管材毛坯，用焊有高溫電熱元件的對(duì)沖沖頭將管坯兩開(kāi)口端加以密封，并放入凹形金屬材料模具中；然后，利用焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式對(duì)管坯中的工作水進(jìn)行直接加熱；隨著水溫的升高，管坯中由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水壓超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。水在高溫下能夠產(chǎn)生用于膨脹管坯的巨大的內(nèi)高壓可以從以下兩組高溫高壓實(shí)驗(yàn)中得到印證。一組是將加滿水(約6-7滴)的外徑為48mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶6的Rene41鈦鉬合金高壓釜通過(guò)錐形塞頭加以密封，然后放入由控溫儀控制的管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)定好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至350℃，發(fā)現(xiàn)由釜體內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓使該鈦鉬合金高壓釜體向外膨脹并爆裂一個(gè)長(zhǎng)27mm、寬11mm的裂口；第二組實(shí)驗(yàn)方法與第一組相同，即將加滿水(約8-9滴)的外徑為60mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶7.5的兩個(gè)不銹鋼高壓釜體通過(guò)錐形塞頭加以密封，然后放入管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)置好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至450℃和480℃時(shí)，由高壓釜內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓導(dǎo)致兩個(gè)不銹鋼高壓釜體均向外膨脹，釜體外徑由實(shí)驗(yàn)前的60mm分別膨脹變形為63.1mm和64.3mm。此現(xiàn)象為我們利用水介質(zhì)在高溫下所產(chǎn)生巨大的靜壓力，來(lái)進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形提供了依據(jù)。本發(fā)明與目前常規(guī)的液壓成形最大的不同有三點(diǎn)①壓力產(chǎn)生機(jī)理(或壓力來(lái)源)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)程中壓力來(lái)源于液壓泵中的機(jī)械壓力，而本發(fā)明中的內(nèi)高壓來(lái)源于管材坯料中的水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力；②成形介質(zhì)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)程中的成形介質(zhì)是常溫液體(水或油)，而本發(fā)明中的成形介質(zhì)為高溫超高壓水(超臨界水)，而非傳統(tǒng)意義上的液體；③成形過(guò)程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)程中管材是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形，而本發(fā)明中金屬坯料是在高溫近于塑性狀態(tài)下膨脹變形；④由此所造成的成形設(shè)備組件及加工方法也不同。常規(guī)液壓成形設(shè)備主要由液壓泵，模具和金屬坯料組成，而本發(fā)明設(shè)備主要包括焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐，凹形金屬材料模具，管材毛坯以及工作水四部分。
2.一種內(nèi)加熱并產(chǎn)生成形管坯為縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件。其特征為，將高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封沖頭將加滿水的管坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱高溫爐將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。本技術(shù)主要由管材坯料、焊接在密封沖頭上的高溫電熱元件、以及工作水三部分組成。3.一種內(nèi)加熱電熱高溫爐組件。其特征是將U形高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，當(dāng)焊有高溫電熱元件的沖頭將加滿水的管坯密封時(shí)，電熱元件將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫，使其產(chǎn)生成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。本組件包括高溫電熱元件(4-1)、絕緣涂層(4-2)、電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體(4-3)三部分。電熱元件采用碳化硅棒(工作溫度為1000-1350℃)，或硅化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達(dá)1800℃)。使用前對(duì)碳化硅棒和硅化鉬棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使碳化硅棒和硅化鉬棒外表面產(chǎn)生一層較厚的耐高溫硅質(zhì)絕緣及防氧化層，然后用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化硅棒和硅化鉬棒高溫電熱元件外面，從而避免電熱元件與高溫水直接接觸，以保護(hù)碳化硅棒和硅化鉬棒外表面的硅質(zhì)絕緣層，延長(zhǎng)高溫電熱元件的使用壽命。高溫電熱元件連同外面的金屬保護(hù)殼體緊緊且牢固地焊接在密封沖頭上，這既要保證電熱元件與工作水和密封沖頭之間絕對(duì)的絕緣性，又要保證電熱元件與密封沖頭間高度的密封性。
4.一種內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備主要由三大部分12個(gè)基本構(gòu)件組成，第一部分為加熱及成形設(shè)備包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐(4)、模具外殼(2)、模具固定支架(9)；第二部分為管材毛坯支架及密封組件包括管材坯料(7)、管材毛坯支架(5)、工作水(8)、焊有高溫電熱元件的對(duì)沖沖頭密封組件(3)、金屬套圈(6)；第三部分為控制設(shè)備包括控溫儀(10)，模具開(kāi)合控制設(shè)備(11)，管材支架移動(dòng)控制設(shè)備(12)。設(shè)備特點(diǎn)①將高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封沖頭將加滿水的管坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱高溫爐將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓；②模具與高溫電熱元件分開(kāi)，因此模具可選用金屬材料模具。
5.一種內(nèi)加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形方法。該方法步驟為①首先將欲成形的管材坯料中充滿水，并用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端加以密封；②將加滿水并且密封的管材坯料置于凹形金屬材料模腔中；③開(kāi)啟焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫；④隨著管坯中水溫的逐步升高，由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水壓超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；⑤停止加熱，當(dāng)所加工的金屬部件及其中的高溫工作水降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)模具和對(duì)沖沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。本方法不僅適合于加工軸線為直線的零件，而且也可以成形軸線為曲線的零件(如成形汽車支架等)。其方法首先是將電熱元件制成可彎曲的多節(jié)的電熱高溫爐；將管坯中加滿水，并用焊有多節(jié)電熱高溫爐的對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端加以密封；然后將加滿水并且密封的管坯在數(shù)控彎管機(jī)上將其彎曲到要求的形狀；再將其放置到凹形金屬材料模具中加熱成形出所需零件。此外，這種工藝還適用于制造沿構(gòu)件軸線具有不同截面形狀的空心構(gòu)件，即可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件，其截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面等。
6.如權(quán)利要求4中所述的加熱及成形設(shè)備組件。包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封沖頭上的高溫電熱元件(4)、模具外殼(2)、模具固定支架(9)。其特點(diǎn)是將U形高溫電熱元件焊接在密封沖頭上，當(dāng)焊有高溫電熱元件的沖頭將加滿水的管坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱元件將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。此外，由于電熱高溫爐與模具分開(kāi)，因此本設(shè)備模具可采用金屬材料模具。各組件特征如下模具組件(1)其特征為凹形金屬材料模具。模具通常分為上下(或左右)兩半，下模連同外殼一起固定在支架上。上?？梢宰杂砷_(kāi)合和移動(dòng)并由液壓機(jī)械(11)來(lái)控制。上模和下模均為凹形模具，其內(nèi)模形態(tài)據(jù)需要為限定的任意的可加工的形態(tài)，如葫蘆狀、串珠狀、方形、圓形、三角形、梯形等。其上模腔和下模腔形態(tài)可以是相同的對(duì)稱的，也可以是不同的非對(duì)稱的。另外，在縱向上，模具可以為直線，也可以根據(jù)需要為各種曲線模具。焊接在密封沖頭上的高溫電熱元件(4)其特征為，將高溫電熱元件緊緊且牢固地焊接在密封沖頭上，當(dāng)對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端密封時(shí)，高溫電熱元件將從管坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生膨脹管壁并成形管坯為縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。本組件包括高溫電熱元件(4-1)、絕緣涂層(4-2)、電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體(4-3)三部分。電熱元件采用碳化硅棒(工作溫度為1000-1350℃)，或硅化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達(dá)1800℃)。使用前對(duì)碳化硅棒和硅化鉬棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使碳化硅棒和硅化鉬棒外表面產(chǎn)生一層較厚的耐高溫硅質(zhì)絕緣及防氧化層，然后用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化硅棒和硅化鉬棒高溫電熱元件外面，從而避免電熱元件與高溫水直接接觸，以保護(hù)碳化硅棒和硅化鉬棒外表面的硅質(zhì)絕緣層，延長(zhǎng)高溫電熱元件的使用壽命。高溫電熱元件連同外面的金屬保護(hù)殼體緊緊且牢固地焊接密封沖頭上，這既要保證電熱元件與工作水和密封沖頭之間絕對(duì)的絕緣性，又要保證密封沖頭在高溫高壓條件下仍具有高度的密封性。高溫爐的升溫、恒溫、降溫由溫度控制設(shè)備(10)來(lái)控制。模具外殼組件(2)是由厚鋼材加工而成，緊套在模具外面，起緊固模具的作用，可承受管材熱膨脹時(shí)的沖擊力。鋼板外殼與模具(1)相配套，也分為上下兩半，其開(kāi)合由液壓機(jī)械(11)來(lái)控制。模具固定支架(9)由高強(qiáng)度鋼或鑄鐵加工而成，作用是固定下模。
7.如權(quán)利要求4中所述的管材毛坯支架及密封組件。包括管材坯料(7)、管材毛坯支架(5)、工作水(8)、對(duì)沖沖頭(3)、金屬套圈(6)。其特征如下管材毛坯支架組件(5)由高強(qiáng)度鋼或鑄鐵加工而成，作用是放置和固定管材毛坯。對(duì)沖沖頭密封組件(3)。其特征為，由高強(qiáng)度合金材料加工而成的并焊有高溫電熱元件的錐形或球形沖頭，與管材開(kāi)口端采用以彈性形變?yōu)榛A(chǔ)的錐面-錐面、錐面-球面密封。此沖頭固定在管材毛坯支架上(5)，通過(guò)軸向移動(dòng)施壓密封管材毛坯開(kāi)口端。其移動(dòng)及施壓由管材支架移動(dòng)控制設(shè)備(12)來(lái)控制。金屬套圈(6)。其特征是一種由耐高溫、高強(qiáng)度合金材料(如鈦合金等)加工而成的金屬套圈，緊套在密封沖頭和模具之間的管坯上，其作用是防止管坯在成形過(guò)程中首先從此處膨脹，從而限定管坯只在凹形模腔中膨脹。管材坯料(7)為各種類型、不同厚度、不同內(nèi)外徑的金屬管材，包括高強(qiáng)度的鈦合金、碳素鋼，以及不銹鋼、銅、鋁合金等金屬材料。管材坯料中的工作水(8)為普通水，工作時(shí)加入少量的乙二醇，以降低高溫高壓水(超臨界水)對(duì)管坯以及焊接在密封沖頭上的高溫電熱元件的腐蝕性。其充填量和充填度，隨金屬管材的性質(zhì)(強(qiáng)度、屈服溫度、膨脹系數(shù)、延展性等)、膨脹程度、管壁的厚度等不同而不同。
8.如權(quán)利要求4中所述的控制設(shè)備。包括溫度控制設(shè)備(10)，模具開(kāi)合控制設(shè)備(11)，管材支架移動(dòng)控制設(shè)備(12)。其特征如下溫度控制設(shè)備組件(10)，用來(lái)控制電熱高溫爐的升溫、降溫和恒溫。熱電偶有兩種，一種是鎳鉻-鎳鋁熱電偶，測(cè)溫精度可達(dá)0.2℃；另一種是鉑-鉑銠熱電偶，測(cè)溫精度可達(dá)0.2℃。該溫度控制設(shè)備是一種可編程的程序升溫控制儀。模具開(kāi)合控制設(shè)備組件(11)，采用液壓機(jī)械控制的方式，用以控制上模的開(kāi)合和移動(dòng)。并在管材毛坯成形過(guò)程中，對(duì)模具施加一定的外力，從而使管材毛坯在膨脹觸及模具的一瞬間，上模和下模間不會(huì)發(fā)生位移。管材毛坯支架移動(dòng)控制設(shè)備組件(12)。采用液壓機(jī)械控制，通過(guò)上下、前后、左右移動(dòng)的方式，在加工之前將管材毛坯準(zhǔn)確地放入凹形模腔中(1)，當(dāng)金屬部件加工完成后又將其快速取出。此外，此機(jī)械設(shè)備同時(shí)控制向管材毛坯兩端的一對(duì)沖沖頭施加軸向?qū)_壓力，以進(jìn)給補(bǔ)料和密封管材開(kāi)口端。
全文摘要
一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)、方法和設(shè)備。設(shè)備主要包括，1.加熱及成形設(shè)備凹形金屬模具(1)、電熱高溫爐(4)；2.管材裝載及密封設(shè)備管材坯料(7)、管坯支架(5)、工作水(8)、密封沖頭(3)；3.控制設(shè)備。成形方法及步驟①將管坯中加滿水，用焊有高溫電熱元件的對(duì)沖沖頭將管坯開(kāi)口端加以密封；②將加滿水且密封的管坯置于凹形模具中；③開(kāi)啟焊接在密封沖頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱管坯中的工作水至高溫；④當(dāng)此高溫水壓超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管壁，直至其外表面與內(nèi)模表面基本一致；⑤停止加熱，取出所加工的金屬部件。本發(fā)明可成形軸線為直線、曲線，以及變截面的縮口管狀金屬部件。
文檔編號(hào)B21D26/033GK1824418SQ200510093650
公開(kāi)日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者孫旭光 申請(qǐng)人:孫旭光