半埋式加热金属管材高—中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0.1 GPa，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高—中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，它是一种新的技术、方法与设备。

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)地外径为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，一次液压成 形缩口管状金属部件的技术(件图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。

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， 直至管壁外表面与模具内模表面基本一致(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。

本发明的第六项内容是半埋式加热金属管材高—中温超高压水压一次成形 设备。该设备包含四大部分18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)及壳体(13)、模具固定支架(15)、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(2，16)、模具开合控制设备(14，17)，管材毛坯支架及密封对冲冲头 轴向移动控制设备(9，18)。

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 压容器的内壁(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，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，模具为金属材料模具(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设备的高压密封性较好，高压容器壁抗张强度也较 高；⑦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)；⑧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)；⑨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)。

本发明第七项内容涉及一种压力传导半埋式加热金属管材高—中温超高压 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用支架将密封的管坯置于凹 形模腔中；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经由高压金属管线传导到 管坯中，膨胀管坯的壁，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致；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。

本发明第八项内容涉及一种热传导半埋式加热金属管材高—中温超高压水 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，管坯中也加满水；②采用线密封或面密 封，用两个有轴向通孔的锥形(或球形)对冲冲头分别将管坯两开口端加以密 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 的管材坯料置于凹形模腔中；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；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， 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高—中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-模具外壳；15-模具固定支架；16-温度控制设 备；17-模具开合控制设备；18-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高—中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高—中温超高压水压一次 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高—中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高—中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将密封的管坯置于管坯支架上，然后置于凹形模腔内，下行上模；

图中管材毛坯处于低温未变形状态。

图8C压力传导半埋式加热金属管材高—中温超高压水压一次成形步骤示 意图

⑤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；

⑥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高—中温超高压水压一次成形步骤示 意图

⑦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高—中温超高压水压一次成形步骤示 意图

⑧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。

本次暂以最简单的椭圆形(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。