專利名稱：半埋式加熱金屬管材中—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)明是一種半埋式加熱金屬管材中—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，其中采用半埋式加熱方式對(duì)高壓容器中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生膨脹管壁所需要的內(nèi)高壓。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)件上都與常規(guī)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)容是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2)。其特點(diǎn)是，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(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。即將充滿水或充填一定量水的管狀金屬毛坯，加以密封，然后通過(guò)間接的熱傳導(dǎo)的方式對(duì)管材坯料中的水進(jìn)行加熱。隨著水溫的升高，管坯中由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力亦隨之增加，當(dāng)此水壓超過(guò)管坯壁所能承受的張力時(shí)，管坯的壁開(kāi)始膨脹，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)的縮口管狀金屬部件(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)容涉及一種半埋式加熱并產(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6A)。其特點(diǎn)是將電熱高溫元件置于高壓容器底部厚壁中間，透過(guò)高壓容器壁內(nèi)側(cè)(高溫爐到工作水之間的容器壁部分)對(duì)高壓容器中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生用于膨脹管材毛坯壁所需的內(nèi)高壓。同時(shí)，高壓容器外壁纏繞有方形(或圓形)銅管冷卻水循環(huán)裝置，以提高容器外壁的抗張強(qiáng)度，進(jìn)而提高工作水的工作溫度和工作壓力，擴(kuò)大本設(shè)備的壓力使用范圍，提供膨脹厚壁金屬材料、高強(qiáng)度金屬材料所需的內(nèi)超高壓。
半埋式加熱技術(shù)包括高壓容器壁中間的半埋式電熱高溫爐加熱技術(shù)和容器外壁的冷卻技術(shù)兩部分，其組件主要由高壓容器、工作水、半埋式電熱高溫爐、冷卻水循環(huán)裝置四部分組成(見(jiàn)圖6A)。
半埋式加熱技術(shù)集中了內(nèi)加熱和外加熱兩種方法的優(yōu)點(diǎn)一是保持了外加熱方式中高壓容器在高溫高壓條件下具有良好密封性的特點(diǎn)；二是高壓容器外部纏繞有冷卻水循環(huán)裝置，提高了高壓容器外壁的抗張強(qiáng)度，以及工作水的工作溫度，擴(kuò)大了設(shè)備的壓力使用范圍。
本發(fā)明第三項(xiàng)內(nèi)容涉及一種半埋式電熱高溫爐組件。其特征是將電熱高溫爐置于高壓容器底部容器壁中間，透過(guò)容器壁內(nèi)側(cè)(高溫爐到容器內(nèi)壁之間的容器壁部分)間接對(duì)高壓容器中的工作水進(jìn)行加熱(見(jiàn)圖6A)。
半埋式電熱高溫爐組件(2)由高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座(2-3)、高溫電熱元件(2-1)、及隔熱板(2-2)三部分組成(見(jiàn)圖6A)。其特征是在一整塊圓形或方形耐高溫、高強(qiáng)度絕緣陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均勻加工多條相互連通的U形槽，同時(shí)槽壁上貼有隔熱板，將高溫電熱元件置于U形槽中，并外接到高壓容器厚壁外面的電源上(見(jiàn)圖6A，圖6B)。高溫爐(2)的形態(tài)與高壓容器內(nèi)部形態(tài)相對(duì)應(yīng)，可以呈圓形，也可以呈方形(見(jiàn)圖6B)。
半埋式電熱高溫爐組件采用抽屜式設(shè)計(jì)方式，工作時(shí)將此高溫爐置于高壓容器底部厚壁中所預(yù)留的空間中，此空間與電熱高溫爐組件(2)之間恰好吻合。成形過(guò)程中，由高溫電熱元件所產(chǎn)生的熱量透過(guò)容器內(nèi)壁(1-1)對(duì)高壓容器中的工作水(4)間接進(jìn)行加熱，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。此外，成形過(guò)程中低溫高強(qiáng)度的容器外壁(1-2)通過(guò)高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座(2-3)對(duì)高溫低強(qiáng)度的容器內(nèi)壁(1-1)起一定的支撐作用，以加強(qiáng)該處容器壁的抗張強(qiáng)度。
電熱元件(2-1)，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(1700℃)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。
絕緣陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高溫電熱元件(2-1)的U形槽，由高強(qiáng)度、耐高溫絕緣性好的氮化硅陶瓷材料經(jīng)過(guò)反應(yīng)燒結(jié)或氣壓燒結(jié)制成。
隔熱板表面涂有硼硅酸鹽玻璃涂層，目的是最大限度地將由高溫電熱元件所產(chǎn)生的熱量透過(guò)高壓容器壁內(nèi)側(cè)(1-1)傳導(dǎo)到高壓容器內(nèi)部的工作水中，同時(shí)盡量減少電熱高溫爐將熱量傳導(dǎo)到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗張強(qiáng)度。
本發(fā)明第四項(xiàng)內(nèi)容涉及一種以熱傳導(dǎo)的方式間接加熱管坯中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件。
技術(shù)特點(diǎn)為，首先將高壓容器和管材坯料中都加滿水，然后采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，以高壓容器中的高溫工作水為熱源，利用高壓容器與管坯中的水溫差，通過(guò)連接高壓容器和金屬管坯之間的高壓金屬管線，以熱傳導(dǎo)的方式，將高壓容器中高溫工作水的高溫傳導(dǎo)到管材坯料腔體水中，間接加熱管坯中的水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓技術(shù)(見(jiàn)圖7)。
本技術(shù)主要包括高壓容器、半埋式電熱高溫爐、高壓金屬管線、管材毛坯、以及工作水五個(gè)基本組件。
本發(fā)明第五項(xiàng)內(nèi)容涉及一種以壓力傳導(dǎo)的方式直接提供膨脹管材坯料壁，并一次成形縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件。
技術(shù)特點(diǎn)是，首先將高壓容器中加滿水，然后通過(guò)半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，當(dāng)由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的內(nèi)高壓達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，開(kāi)啟高壓容器和管材坯料之間的高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓經(jīng)由高壓金屬管線傳導(dǎo)到管坯中，膨脹管坯的壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致(見(jiàn)圖8)。
本技術(shù)主要包括高壓容器、半埋式電熱高溫爐、高壓金屬管線、高壓截止閥、管材毛坯、以及工作水六個(gè)基本組件。
本發(fā)明第六項(xiàng)內(nèi)容涉及一種金屬管材坯料預(yù)加熱的技術(shù)。其特征是在模具外面套一中溫爐，并透過(guò)模具對(duì)模腔中的管材毛坯進(jìn)行預(yù)加熱的技術(shù)(見(jiàn)圖6A)。其作用一是使金屬毛坯(無(wú)論熱傳導(dǎo)或壓力傳導(dǎo))在熱狀態(tài)下膨脹變形；二是減少熱傳導(dǎo)過(guò)程中熱量在管材毛坯中的損失，縮短一次成形所需的時(shí)間。
本發(fā)明的第七項(xiàng)內(nèi)容是半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備包含四大部分19個(gè)基本組件(見(jiàn)圖6A)。第一部分為高溫高壓設(shè)備(壓力源)包括高壓容器(1)、半埋式電熱高溫爐(2)、高壓容器外壁冷卻水循環(huán)裝置(3)、工作水(4)；第二部分為溫度(或壓力)傳導(dǎo)設(shè)備包括高壓金屬管線(5)及保溫套(6)、高壓閥(7)；第三部分為成形設(shè)備包括凹形模具(12)、中溫預(yù)熱爐(13)、爐殼(14)、模具固定支架(16)、管材毛坯(11)、密封對(duì)沖沖頭(8)、管材毛坯托架(9)、金屬套圈(10)；第四部分為控制設(shè)備包括溫度控制設(shè)備(2，17)、模具開(kāi)合控制設(shè)備(15，18)，托架及密封對(duì)沖沖頭軸向移動(dòng)控制設(shè)備(9，19)。
設(shè)備特點(diǎn)①采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水，使其產(chǎn)生成形過(guò)程中所需要的內(nèi)高壓，即將電熱高溫爐置于高壓容器底部厚壁中間，透過(guò)高壓容器內(nèi)壁(高溫爐到工作水之間的容器壁部分)間接對(duì)容器中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓；②具有兩個(gè)高溫高壓設(shè)備(高壓容器和高溫爐)，即兩個(gè)壓力源，分別從管材兩端對(duì)管壁施加內(nèi)高壓；③高壓容器外壁纏繞有方形(或圓形)銅管冷卻水循環(huán)裝置，以提高高壓容器壁的抗張強(qiáng)度，進(jìn)而提高工作水的工作溫度及工作壓力，產(chǎn)生更高的內(nèi)高壓；④壓力源(高壓容器和高溫爐)與模具分開(kāi)放置，模具既可使用耐高溫、高強(qiáng)度陶瓷材料模具，也可使用金屬材料模具(如不銹鋼材料模具)；⑤采用壓力傳導(dǎo)或熱傳導(dǎo)的方式，間接提供膨脹管坯所需的內(nèi)高壓。成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓是由高壓容器體中的高溫水(超臨界水)產(chǎn)生，并經(jīng)由高壓金屬管線傳導(dǎo)到金屬管坯中；⑥模具外面套有一中溫爐，以對(duì)管坯進(jìn)行預(yù)加熱；⑦設(shè)備的高壓密封性較好，高壓容器壁抗張強(qiáng)度也較高；⑧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)；⑨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，4B)；⑩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)明第八項(xiàng)內(nèi)容涉及一種壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形方法其特點(diǎn)是，利用高壓容器中由高溫工作水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓，經(jīng)由高壓金屬管線將內(nèi)高壓傳遞到管材坯料腔體中，直接提供膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。具體步驟(見(jiàn)圖8A，8B，8C，8D和8E)如下①首先將兩個(gè)高壓容器中加滿水；②采用線密封或面密封，用兩個(gè)有軸向通孔的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭分別將管材坯料兩端開(kāi)口加以密封，沖頭的另一端則用高壓金屬管線將沖頭和高壓容器相連；③用支架將密封的管材坯料置于外套中溫爐的凹形模腔中進(jìn)行預(yù)加熱至設(shè)定的溫度；④開(kāi)啟高壓容器壁中間的半埋式電熱高溫爐以及容器壁外部的冷卻水循環(huán)裝置，采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的水至設(shè)定的溫度；⑤當(dāng)高壓容器中由高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，開(kāi)啟高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓通過(guò)高壓金屬管線傳導(dǎo)到管材坯料的腔體中，膨脹管坯的壁，直至管壁的外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；⑥關(guān)閉管坯兩端的高壓閥，打開(kāi)模具和沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。
本發(fā)明第九項(xiàng)內(nèi)容涉及一種熱傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形方法其特點(diǎn)是，首先采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，然后通過(guò)高壓金屬管線，將高壓容器中高溫工作水的高溫傳遞到管材坯料腔體水中，以熱傳導(dǎo)的方式間接加熱管材坯料腔體中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓(見(jiàn)圖7)。具體步驟如下①首先是將兩個(gè)高壓容器中加滿水，管材坯料的腔體中也加滿水；②采用線密封或面密封，用兩個(gè)有軸向通孔的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭分別將管材坯料兩端開(kāi)口加以密封，沖頭的另一端則用高壓金屬管線將沖頭和高壓容器相連；③用支架將密封的管材坯料置于外套中溫爐的凹形模腔中進(jìn)行預(yù)加熱至設(shè)定的溫度；④開(kāi)啟高壓容器壁中間的半埋式電熱高溫爐以及容器壁外部的冷卻水循環(huán)裝置，采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，高溫爐工作溫度要遠(yuǎn)高于中溫爐的工作溫度；⑤高壓容器中由高溫工作水所產(chǎn)生的高溫通過(guò)高壓金屬管線傳導(dǎo)到管材坯料腔體水中，間接加熱管坯中的水至高溫，當(dāng)管坯中高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；⑥停止加熱，降低爐溫和所加工的金屬部件至安全的溫度；⑦打開(kāi)模具和沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。
與傳統(tǒng)的液壓成形相同，本方法不僅可以加工軸線為直線的零件，而且可以成形軸線為曲線的零件。這種工藝適用于制造沿構(gòu)件軸線具有不同截面形狀的空心構(gòu)件，截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面。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兩個(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)品的強(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)和方法。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)源于液壓泵中的機(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成本較低，主要設(shè)備組件為高壓容器、電熱高溫爐、模具；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1.0萬(wàn)個(gè)大氣壓，甚至更高；③增壓非常容易，通過(guò)高壓金屬管線的熱傳導(dǎo)，管狀金屬坯料中水溫只要達(dá)到200℃、500℃、1000℃，其中水就可以產(chǎn)生高達(dá)300MPa、800MPa和1800MPa的內(nèi)高壓；④所加工部件壁質(zhì)地均勻，因?yàn)楣軤罱饘倜魇窃谝环N近于塑性狀態(tài)下膨脹，即塑性變形，因此只要條件計(jì)算和控制適當(dāng)，管壁外表面由于膨脹所產(chǎn)生的扇形微裂隙就可避免；⑤可加工諸如鈦合金、高強(qiáng)度鋼等難成形的管狀金屬部件，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形；⑥可加工厚壁的管狀金屬部件，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形。
與其它高溫水液壓成形方法相比，半埋式加熱是一種介于內(nèi)加熱和外加熱之間的一種加熱方式。此加熱方式集中了外加熱高壓容器密封性好，以及內(nèi)加熱高壓容器強(qiáng)度高兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。從而使本設(shè)備既可以成形薄壁、低強(qiáng)度金屬材料，也可以成形厚壁、高強(qiáng)度金屬材料。
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6A是本發(fā)明的半埋式加熱金屬管材中—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-高壓容器；2-半埋式電熱高溫爐(21-高溫電熱元件；22-隔熱板；23-高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座)；3-冷卻水循環(huán)裝置；4-工作水；5-高壓金屬管線；6-保溫套；7-高壓閥；8-密封對(duì)沖沖頭；9-管材毛坯支架；10-金屬套圈；11-管材毛坯；12-凹形模具；13-中溫預(yù)熱爐；14-爐殼；16-模具固定支架；17-控溫儀；18-模具開(kāi)合控制設(shè)備；19-毛坯支架及密封對(duì)沖沖頭軸向移動(dòng)控制設(shè)備。
圖6B半埋式電熱高溫爐平面結(jié)構(gòu)示意圖(a-圓形高壓容器匹配的高溫爐；b-方形高壓容器匹配的高溫爐)圖7是本發(fā)明的熱傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形示意圖將高壓容器和管坯中都加滿水，采用熱傳導(dǎo)的方式加熱管坯中的工作水至高溫，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。
圖8是本發(fā)明的壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形方法及步驟示意8A壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—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)行切割和預(yù)加工，使其符合本發(fā)明設(shè)備加工要求；②將高壓容器中加滿水；圖8B壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖③用有軸向通孔的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭將管材毛坯兩開(kāi)口端加以密封；④將密封的管材毛坯置于管坯支架上，然后置于外套中溫爐的凹形模腔內(nèi)，下行上模；⑤利用中溫爐對(duì)管材毛坯進(jìn)行預(yù)加熱，使其達(dá)到一定溫度；圖中管材毛坯處于未變形狀態(tài)。
圖8C壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑥開(kāi)啟高壓容器底部厚壁中間的半埋式電熱高溫爐以及容器壁外部的冷卻水循環(huán)裝置，采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至設(shè)定的溫度，使其產(chǎn)生成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓；⑦當(dāng)高壓容器中由高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，開(kāi)啟高壓閥，這樣由高壓容器中高溫工作水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓通過(guò)高壓金屬管線傳導(dǎo)到管材毛坯的腔體中，膨脹管材毛坯的壁使其變形；圖中管材坯料處于初始膨脹狀態(tài)。
圖8D壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑧隨著高壓容器中工作水的工作溫度和工作壓力進(jìn)一步升高，管材毛坯壁繼續(xù)膨脹變形，直至其外表面與凹形模具內(nèi)模表面基本一致；圖中管材毛坯處于高溫完全膨脹狀態(tài)。
圖8E壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑨關(guān)閉高壓閥，停止向管坯中提供內(nèi)高壓，當(dāng)所加工的金屬部件降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)模具和塞頭并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、飛船返回艙等)、以及兵器工業(yè)等。
本次暫以橢圓形(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8A-8E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，一次液壓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。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)，如果將充滿水(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0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的壓力，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。即利用熱傳導(dǎo)的方式間接加熱管材毛坯中的工作水至高溫；隨著水溫的升高，管材坯料中由高溫水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)高溫水所產(chǎn)生的壓力超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁使其變形，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)的縮口管狀金屬部件。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)象為實(shí)際利用水介質(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)源于高壓容器中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。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)程中金屬材料是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形，而本發(fā)明金屬坯料是在高溫近于塑性的狀態(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)備主要包括高溫高壓設(shè)備(高壓容器+半埋式電熱高溫爐+冷卻水循環(huán)裝置)(內(nèi)高壓產(chǎn)生設(shè)備)、成形設(shè)備(金屬材料模具+中溫預(yù)熱爐)、以及熱傳導(dǎo)(或壓力傳導(dǎo))設(shè)備(高壓金屬管線+保溫套)。
2.一種透過(guò)高壓容器內(nèi)壁對(duì)容器中的工作水進(jìn)行加熱并產(chǎn)生內(nèi)高壓的半埋式加熱技術(shù)及組件。這是一種介于內(nèi)加熱和外加熱之間的一種加熱方式。其特點(diǎn)是將高溫爐置于高壓容器底部厚壁中間(既非外加熱中將高溫爐置于容器外部，也非內(nèi)加熱中將高溫爐置于容器內(nèi)部)，透過(guò)容器壁內(nèi)側(cè)(高溫爐到容器內(nèi)部工作水之間的容器壁部分)間接加熱高壓容器中的工作水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹管材毛坯壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓的技術(shù)及組件。同時(shí)，高壓容器外壁纏繞有方形(或圓形)銅管冷卻水循環(huán)裝置，以冷卻容器外壁，提高高壓容器壁的抗張強(qiáng)度，進(jìn)而提高工作水的工作溫度及工作壓力，擴(kuò)大本設(shè)備的壓力使用范圍。半埋式加熱技術(shù)包括高壓容器壁中間的半埋式電熱高溫爐加熱技術(shù)和容器外壁的冷卻技術(shù)兩部分，其組件主要由高壓容器、工作水、半埋式電熱高溫爐、冷卻水循環(huán)裝置四部分組成。半埋式加熱技術(shù)集中了內(nèi)加熱和外加熱兩種方法的優(yōu)點(diǎn)一是保持了外加熱方式中高壓容器在高溫高壓條件下具有良好密封性的特點(diǎn)；二是高壓容器外部纏繞有冷卻水循環(huán)裝置，提高了高壓容器外壁的抗張強(qiáng)度，以及工作水的工作溫度，從而產(chǎn)生更高的內(nèi)高壓，提供成形厚壁金屬材料以及高強(qiáng)度金屬材料所需要的內(nèi)高壓。
3.一種半埋式電熱高溫爐組件。其特征是將電熱高溫爐置于高壓容器底部容器壁中間，透過(guò)容器壁內(nèi)側(cè)(高溫爐到容器內(nèi)壁之間的容器壁部分)間接對(duì)高壓容器中的工作水進(jìn)行加熱。半埋式電熱高溫爐組件(2)由高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座(2-3)、高溫電熱元件(2-1)、及隔熱板(2-2)三部分組成。其特征是在一整塊圓形或方形耐高溫、高強(qiáng)度絕緣陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均勻加工多條相互連通的U形槽，同時(shí)槽壁上貼有隔熱板，將高溫電熱元件置于U形槽中，并外接到高壓容器厚壁外面的電源上。電熱高溫爐(2)的形態(tài)與高壓容器內(nèi)部形態(tài)相對(duì)應(yīng)，可以呈圓形，也可以呈方形。半埋式電熱高溫爐組件采用抽屜式設(shè)計(jì)方式，工作時(shí)將此高溫爐置于高壓容器底部厚壁中所預(yù)留的空間中，此空間與電熱高溫爐組件(2)之間恰好吻合。成形過(guò)程中，由高溫電熱元件所產(chǎn)生的熱量透過(guò)容器內(nèi)壁(1-1)對(duì)高壓容器中的工作水(4)間接進(jìn)行加熱，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。此外，成形過(guò)程中低溫高強(qiáng)度的容器外壁(1-2)通過(guò)高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座(2-3)對(duì)高溫低強(qiáng)度的容器內(nèi)壁(1-1)起一定的支撐作用，以加強(qiáng)該處容器壁的抗張強(qiáng)度。電熱元件(2-1)，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(1700℃)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。絕緣陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高溫電熱元件(2-1)的U形槽，由高強(qiáng)度、耐高溫絕緣性好的氮化硅陶瓷材料經(jīng)過(guò)反應(yīng)燒結(jié)或氣壓燒結(jié)制成。隔熱板表面涂有硼硅酸鹽玻璃涂層，目的是最大限度地將由高溫電熱元件所產(chǎn)生的熱量透過(guò)高壓容器壁內(nèi)側(cè)(1-1)傳導(dǎo)到高壓容器內(nèi)部的工作水中，同時(shí)盡量減少電熱高溫爐將熱量傳導(dǎo)到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗張強(qiáng)度。
4.一種以熱傳導(dǎo)的方式間接加熱管坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并一次成形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，首先將高壓容器和管材坯料中都加滿水，然后采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，以高壓容器中的高溫工作水為熱源，利用高壓容器中高溫水和管坯中的中-低溫水之間的溫度差，通過(guò)連接高壓容器和金屬管坯之間的高壓金屬管線，以熱傳導(dǎo)的方式，將高壓容器中高溫工作水的高溫傳導(dǎo)到管材坯料腔體水中，間接加熱管坯中的水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓技術(shù)。本技術(shù)主要包括高壓容器、半埋式電熱高溫爐、高壓金屬管線、管材毛坯、以及工作水五個(gè)基本組件。此項(xiàng)技術(shù)使高溫爐與模具分開(kāi)放置，從而使模具可以使用金屬材料模具(如不銹鋼模具)。熱傳導(dǎo)技術(shù)適合加工的范圍較寬，它不僅適合于成形毛坯腔體體積大、膨脹程度大、強(qiáng)度高、壁厚的縮口管狀金屬部件，也適合于加工薄壁、低強(qiáng)度、膨脹程度小的金屬部件。
5.一種以壓力傳導(dǎo)的方式直接提供膨脹管材坯料壁，并一次成形縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件。其特點(diǎn)是，首先將高壓容器中加滿水，然后通過(guò)半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，當(dāng)由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的內(nèi)高壓達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，開(kāi)啟高壓容器和管材坯料之間的高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓經(jīng)由高壓金屬管線傳導(dǎo)到管坯中，膨脹管坯的壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致的技術(shù)。本技術(shù)主要包括高壓容器、半埋式電熱高溫爐、高壓金屬管線、高壓截止閥、管材毛坯、以及工作水六個(gè)基本組件。相對(duì)于熱傳導(dǎo)來(lái)說(shuō)，壓力傳導(dǎo)成形方法，對(duì)于那些成形壓力較低、或管腔較小、或膨脹程度較小、或強(qiáng)度較低、或管壁較薄的管材毛坯較為適合。
6.一種金屬管材坯料預(yù)加熱的技術(shù)。其特征是在模具外面套一中溫爐，并透過(guò)模具對(duì)模腔中的管材毛坯進(jìn)行預(yù)加熱的技術(shù)。其作用一是使金屬毛坯(無(wú)論熱傳導(dǎo)或壓力傳導(dǎo))在熱狀態(tài)下膨脹變形；二是減少熱傳導(dǎo)過(guò)程中熱量在管材毛坯中的損失，縮短一次成形所需的時(shí)間。
7.一種半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。其特征是設(shè)備包含四大部分19個(gè)基本組件，第一部分為高溫高壓設(shè)備(壓力源)包括高壓容器(1)、半埋式電熱高溫爐(2)、高壓容器外壁冷卻水循環(huán)裝置(3)、工作水(4)；第二部分為溫度(或壓力)傳導(dǎo)設(shè)備包括高壓金屬管線(5)及保溫套(6)、高壓閥(7)；第三部分為成形設(shè)備包括凹形模具(12)、中溫預(yù)熱爐(13)、爐殼(14)、模具固定支架(16)、管材毛坯(11)、密封對(duì)沖沖頭(8)、管材毛坯支架(9)、金屬套圈(10)；第四部分為控制設(shè)備包括溫度控制設(shè)備(2，17)、模具開(kāi)合控制設(shè)備(15，18)，管材毛坯支架及密封對(duì)沖沖頭軸向移動(dòng)控制設(shè)備(9，19)。設(shè)備特點(diǎn)①采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水，使其產(chǎn)生成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓，即將電熱高溫爐置于高壓容器底部厚壁中間，透過(guò)高壓容器壁內(nèi)側(cè)(高溫爐到工作水之間的容器壁部分)間接對(duì)容器中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓；②具有兩個(gè)高溫高壓設(shè)備(高壓容器和高溫爐)，即兩個(gè)壓力源，分別從管坯兩端對(duì)管壁施加內(nèi)高壓；③高壓容器外壁纏繞有方形(或圓形)銅管冷卻水循環(huán)裝置，以提高高壓容器壁的抗張強(qiáng)度，進(jìn)而提高工作水的工作溫度，并產(chǎn)生更高的內(nèi)高壓；④壓力源(高壓容器和高溫爐)與模具分開(kāi)放置，模具既可使用耐高溫、高強(qiáng)度陶瓷材料模具，也可使用金屬材料模具(如不銹鋼材料模具)；⑤采用壓力傳導(dǎo)(或熱傳導(dǎo))的方式，直接(或間接)提供膨脹管坯所需的內(nèi)高壓。成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓是由高壓容器體中的高溫工作水產(chǎn)生，并經(jīng)由高壓金屬管線傳導(dǎo)到金屬管坯中；⑥模具外面套有一中溫爐，以對(duì)管材坯料進(jìn)行預(yù)加熱；⑦設(shè)備的高壓密封性較好，高壓容器壁抗張強(qiáng)度也較高。
8.一種壓力傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形方法其特點(diǎn)是，利用高壓容器中由高溫工作水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓，經(jīng)由高壓金屬管線將內(nèi)高壓傳遞到管材坯料腔體中，直接提供膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。具體步驟如下①首先將兩個(gè)高壓容器中加滿水；②采用線密封或面密封，用兩個(gè)有軸向通孔的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭分別將管材坯料兩端開(kāi)口加以密封，沖頭的另一端則用高壓金屬管線將沖頭和高壓容器相連；③用支架將管材坯料置于外套中溫爐的凹形模腔中進(jìn)行預(yù)加熱至設(shè)定的溫度；④開(kāi)啟高壓容器壁中間的半埋式電熱高溫爐以及容器壁外部的冷卻水循環(huán)裝置，采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的水至設(shè)定的溫度；⑤當(dāng)高壓容器中由高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達(dá)到預(yù)定的壓力時(shí)，開(kāi)啟高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓通過(guò)高壓金屬管線傳導(dǎo)到管材坯料的腔體中，膨脹管坯的壁，直至管壁的外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；⑥關(guān)閉管坯兩端的高壓閥，打開(kāi)模具和沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。
9.一種熱傳導(dǎo)半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形方法其特點(diǎn)是，首先采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，然后通過(guò)高壓金屬管線，將高壓容器中高溫工作水的高溫傳遞到管材坯料腔體水中，以熱傳導(dǎo)的方式間接加熱管材坯料腔體中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁并一次成形縮口管狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。具體步驟如下①首先是將兩個(gè)高壓容器中加滿水，管材坯料的腔體中也加滿水；②采用線密封或面密封，用兩個(gè)有軸向通孔的錐形(或球形)對(duì)沖沖頭分別將管材坯料兩端開(kāi)口加以密封，沖頭的另一端則用高壓金屬管線將沖頭和高壓容器相連；③用支架將管材坯料置于外套中溫爐的凹形模腔中進(jìn)行預(yù)加熱至設(shè)定的溫度；④開(kāi)啟高壓容器壁中間的半埋式電熱高溫爐以及容器壁外部的冷卻水循環(huán)裝置，采用半埋式加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，高溫爐工作溫度要遠(yuǎn)高于中溫爐的工作溫度；⑤高壓容器中由高溫工作水所產(chǎn)生的高溫通過(guò)高壓金屬管線傳導(dǎo)到管材坯料腔體水中，間接加熱管坯中的水至高溫，當(dāng)管坯中高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力超過(guò)管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管壁使其變形，直至管壁外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；⑥停止加熱，降低爐溫和所加工的金屬部件至安全的溫度；⑦打開(kāi)模具和沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。
10.如權(quán)利要求7中所述的高溫高壓設(shè)備，即內(nèi)高壓產(chǎn)生設(shè)備。包括高壓容器(1)、半埋式電熱高溫爐(2)、容器外壁冷卻水循環(huán)裝置(3)、工作水(4)。其特征如下高壓容器組件(1)。其材料可以是高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)的鈦合金、鈦鉬合金、工具鋼、優(yōu)質(zhì)不銹鋼，也可以是其它高強(qiáng)度、耐高溫的合金材料；容器外部形態(tài)和內(nèi)部形態(tài)可以是圓形、正方形，也可以是其它耐高壓的形態(tài)；此容器可在600℃高溫下長(zhǎng)時(shí)間承受1.0GPa的內(nèi)部水壓。此外，在保證能承受1.0GPa的內(nèi)部水壓的前提下，高壓容器容積盡可能大，容水量盡可能多，這樣使金屬毛坯膨脹的程度就大。半埋式高溫爐組件(2)。其特征是將電熱高溫爐置于高壓容器底部容器壁中間，透過(guò)容器壁內(nèi)側(cè)(高溫爐到容器內(nèi)壁之間的容器壁部分)間接對(duì)高壓容器中的工作水進(jìn)行加熱。高溫爐組件(2)由高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座(2-3)、高溫電熱元件(2-1)、及隔熱板(2-2)三部分組成。其特征是在一整塊圓形或方形耐高溫、高強(qiáng)度絕緣陶瓷材料板(如氮化硅陶瓷材料板)上均勻加工多條相互連通的U形槽，同時(shí)槽壁上貼有隔熱板，將高溫電熱元件置于U形槽中，并外接到高壓容器厚壁外面的電源上，電熱高溫爐的形態(tài)與高壓容器內(nèi)部形態(tài)相對(duì)應(yīng)，可以呈圓形，也可以呈方形。電熱高溫爐形態(tài)設(shè)計(jì)原則有二一是將電熱元件所產(chǎn)生的熱量最大效率地傳遞給高壓容器中的工作水；二是最大限度地保證容器底部容器壁的抗張強(qiáng)度。半埋式電熱高溫爐組件采用抽屜式的設(shè)計(jì)方式，工作時(shí)將此高溫爐置于高壓容器底部厚壁中所預(yù)留的空間中，此空間與電熱高溫爐組件(2)之間恰好吻合，同時(shí)要考慮高壓容器與陶瓷材料在高溫下的熱膨脹系數(shù)不同。成形過(guò)程中，由高溫電熱元件所產(chǎn)生的熱量透過(guò)容器內(nèi)壁(1-1)對(duì)高壓容器中的工作水(4)間接進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生成形管坯為縮口管狀金屬部件所需要的內(nèi)高壓。此外，成形過(guò)程中由冷卻水循環(huán)裝置所導(dǎo)致的低溫高強(qiáng)度的高壓容器外壁(1-2)通過(guò)高強(qiáng)度、耐高溫絕緣陶瓷材料基座(2-3)對(duì)高溫低強(qiáng)度的容器內(nèi)壁(1-1)起一定的支撐作用，以加強(qiáng)該處容器壁的抗張強(qiáng)度。電熱元件(2-1)，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(1700℃)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。絕緣陶瓷材料基座(2-3)及其中的放置高溫電熱元件的U形槽，由高強(qiáng)度、耐高溫絕緣性好的氮化硅陶瓷材料經(jīng)過(guò)反應(yīng)燒結(jié)或氣壓燒結(jié)制成。隔熱板表面涂有硼硅酸鹽玻璃涂層，目的是最大限度地將由高溫電熱元件所產(chǎn)生的熱量透過(guò)高壓容器壁內(nèi)側(cè)(1-1)傳導(dǎo)到高壓容器內(nèi)部的工作水中，同時(shí)盡量減少電熱高溫爐將熱量傳導(dǎo)到容器外壁(1-2)，以提高外壁的抗張強(qiáng)度。高壓容器外壁的冷卻水循環(huán)裝置(3)。其特征是由方形(或圓形)的銅管四周纏繞在高壓容器的外壁，用來(lái)冷卻高壓容器的外壁，提高高壓容器壁的抗張強(qiáng)度以及工作水的工作溫度，進(jìn)而提高工作水的工作壓力，提供成形厚壁及高強(qiáng)度金屬管材所需的巨大的壓力。高壓容器中的工作水(4)。其特征為普通水，并加入少量的乙二醇，以降低高溫高壓水(超臨界水)對(duì)高壓容器及管壁的腐蝕性。高壓容器中的水為充滿狀態(tài)，而管材毛坯中的水可以是充滿的，半充滿的或不充填水，這要視成形壓力高低、管材腔體大小、膨脹系數(shù)、膨脹程度大小、金屬管材強(qiáng)度、管材坯料厚薄、管材腔體體積大小等來(lái)定。
11.如權(quán)利要求7中所述的溫度(或壓力)傳導(dǎo)設(shè)備包括高壓金屬管線(5)及保溫套(6)、及高壓閥(7)。其特征如下高壓金屬管線組件(5)采用小內(nèi)外徑比的優(yōu)質(zhì)不銹鋼(如1Cr18Ni9Ti等)金屬管線，并能長(zhǎng)時(shí)間承受1.0GPa的內(nèi)部水壓。管線一端焊接在高壓容器(1)，或密封塞頭(8)上，另一端則焊接在錐形或球形接頭上，接頭與高壓閥(7)則采用以彈性形變?yōu)榛A(chǔ)的錐面-錐面、錐面-球面密封。該管線起壓力和溫度傳導(dǎo)作用，即將高壓容器中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的高壓和高溫傳導(dǎo)到管材毛坯的腔體中，提供膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。高壓金屬管線外部保溫套組件(6)是由耐高溫的石棉等保溫材料做的帶子纏繞到高壓金屬管線外面，作用是保證高壓容器中的高溫工作水的高溫在傳導(dǎo)到管材毛坯腔體水的過(guò)程中熱量損失盡可能小。高壓閥組件(7)是由不銹鋼材料精制而成的高壓截止閥，高壓閥兩側(cè)各加工一個(gè)含錐面的螺母，閥中的閥針(球)與閥座的密封以彈性形變?yōu)橹?，制造時(shí)二者一起研磨，要求精度高。高壓閥與金屬管線接頭采用以彈性形變?yōu)榛A(chǔ)的錐面-錐面、錐面-球面密封。閥的作用是隨時(shí)將高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓傳送到筒狀金屬毛坯腔體，提供成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓。
12.如權(quán)利要求7中所述的成形設(shè)備。包括凹形模具(12)、中溫預(yù)熱爐(13)、爐殼(14)、模具固定支架(16)、管材毛坯(11)、一對(duì)密封對(duì)沖沖頭(8)、管材毛坯支架(9)、金屬套圈(10)。其特征如下模具組件(12)。其特征為一凹形模具，材料既可用高強(qiáng)度、耐高溫的陶瓷材料(如氮化硅陶瓷)，也可用金屬材料(如不銹鋼材料)。模具分上、下(或左、右)兩半，一半固定，另一半可以自由開(kāi)合和移動(dòng)并由液壓機(jī)械來(lái)控制(15，18)。上模和下模(或左模和右模)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、橢圓形、梯形等形態(tài)。據(jù)需要，上模和下模(或左模和右模)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。本方法不僅適合加工軸線為直線的零件，而且可以成形軸線為曲線的零件(如汽車支架等)。其方法是先在數(shù)控彎管機(jī)上將管坯彎曲到要求的形狀，并放置到凹形模腔內(nèi)，然后采用熱傳導(dǎo)(或壓力傳導(dǎo))的加工方法，一次成形出所需零件。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。中溫電熱爐組件(13)。其特征是由高電阻合金(如Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金)電熱元件(電熱絲或電熱帶)制成，緊套在凹形模具(12)的外面，與模具相配套，也分為上、下兩部分，其開(kāi)合和移動(dòng)由液壓機(jī)械(15，18)來(lái)控制。其作用是對(duì)管狀金屬毛坯進(jìn)行預(yù)加熱。模具及中溫電熱爐爐殼組件(14)是由厚鋼板制成，緊套在中溫電熱爐的外面，起緊固模具的作用，可承受管坯熱膨脹時(shí)的沖擊力。鋼板外殼與模具(12)和中溫電熱爐(13)相配套，也分為上下兩部分，其開(kāi)合和移動(dòng)由液壓機(jī)械(15，18)來(lái)控制。模具固定支架組件(16)是由厚鋼材或鑄鐵加工而成，作用是使下模固定，而只移動(dòng)上模管材毛坯支架(9)是由工具鋼或鑄鐵加工而成，并處于固定狀態(tài)，但可以利用液壓機(jī)械(9，19)向管材坯料和對(duì)沖沖頭施加軸向壓力，以進(jìn)給補(bǔ)料和密封管狀金屬毛坯開(kāi)口端。管材坯料密封對(duì)沖沖頭組件(8)。其特征是此沖頭是由高強(qiáng)度金屬材料(如鈦合金、工具鋼、或不銹鋼等)加工而成有軸向通孔的錐體或球體，與管材坯料開(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，沖頭的另一端焊接在高壓金屬管線上，并通過(guò)高壓金屬管線與高壓容器相連，從而保證高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的壓力通過(guò)金屬管線可以傳導(dǎo)到管材坯料腔體中，提供膨脹管材所需要的內(nèi)高壓。此密封沖頭固定在管材毛坯支架(9)上，并通過(guò)液壓機(jī)械(9，19)向管材坯料兩端的對(duì)沖沖頭施加軸向壓力，以達(dá)到密封管材坯料的目的。管材坯料(11)為各種材料不同、壁厚不同、內(nèi)外徑不同的金屬管料，可以是高強(qiáng)度的鈦合金、碳素鋼，也可以是不銹鋼，以及強(qiáng)度較低的銅、鋁合金等金屬管材。金屬套圈(10)是由耐高溫、高強(qiáng)度金屬材料(如鈦合金等)加工而成的金屬套圈，緊套在密封塞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，從而限定金屬坯料只在的凹形模腔中膨脹。除上述高溫高壓設(shè)備、溫度(壓力)傳導(dǎo)設(shè)備、成形設(shè)備外，本次發(fā)明的半埋式加熱金屬管材中—高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備還包含溫度控制設(shè)備(2，17)、模具開(kāi)合控制設(shè)備(15，18)，管材毛坯支架及密封對(duì)沖沖頭軸向移動(dòng)控制設(shè)備(9，19)。其特征如下溫度控制設(shè)備組件(2，17)。用以控制高壓容器壁中間半埋式高溫爐以及中溫爐的升溫、降溫以及恒溫。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℃。熱電偶外面涂有絕緣涂層，與高溫電熱元件一起置于高壓容器壁中間，并用外涂絕緣涂層的金屬導(dǎo)線將其引出，與溫度控制儀相連。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(15，18)。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)(下模為固定的)。并在管材坯料加工過(guò)程中，對(duì)模具施加一定的外力，從而使管材坯料在膨脹觸及模具的一瞬間，上下模具間不會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。管材坯料支架及密封沖頭軸向移動(dòng)機(jī)械控制設(shè)備(9，19)，其作用是向管材坯料兩端的對(duì)沖沖頭施加軸向壓力，以達(dá)到密封管材坯料以及進(jìn)給補(bǔ)料的目的。
全文摘要
一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓，通過(guò)熱傳導(dǎo)(或壓力傳導(dǎo))，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)、方法和設(shè)備。設(shè)備由四部分組成，1.高溫高壓設(shè)備高壓容器(1)、半埋式電熱高溫爐(2)、工作水(4)；2.溫度(或壓力)傳導(dǎo)設(shè)備高壓金屬管線(5)、高壓閥(7)；3.成形設(shè)備凹形模具(12)、中溫預(yù)熱爐(13)、管材坯料(11)、密封沖頭(8)；4.控制設(shè)備。成形方法分兩種一是壓力傳導(dǎo)，直接利用高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓，經(jīng)由金屬管線傳導(dǎo)到管坯中，膨脹管坯的壁；二是熱傳導(dǎo)，通過(guò)金屬管線，將高壓容器中高溫水的高溫傳導(dǎo)到管坯水中，間接加熱管坯中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。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)B21D26/033GK1824421SQ20051009365
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