内加热金属管材中—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

本发明是一种内加热金属管材中一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，其中采用内加热的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，它是一种新的技术和方法。

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地裂口(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，一次液压成 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，膨胀管坯的壁，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和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内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和6B)。其特点是将高温电热元件置于高压容器内部， 从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，使其产生成形过程中所需要的内 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 高高压容器外壁的抗张强度，进而提高高压容器中工作水的工作温度及工作压 力，扩大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 的内高压。

内加热技术包括高压容器内部内置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、内置式电热高温炉、冷却水 循环装置四部分组成。

本发明第三项内容涉及一种内置式电热高温炉组件。其特点是将电热高温炉 置于高压容器内部，从内部直接对高压容器中的工作水进行加热，以便产生成 形过程中所需的内超高压(见图6A，6B)。本组件包括高温电热元件(2-1)、绝 缘涂层(2-2)、电热元件外面的金属保护壳体(2-3)、以及外裹绝缘层的金属 导线四部分(见图6A)。

内加热设计既要保证高压(超高压)工作环境下的高压容器的密封性，又要 保证电热元件以及金属导线在加热过程中与工作水和高压容器壁之间的绝缘 性。因此，在电热元件和金属导线外面必须涂有耐高温的绝缘材料。

电热元件采用碳化硅棒(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， 然后用耐高温的金属壳体包裹在碳化硅棒和硅化钼棒高温电热元件外面，从而 避免电热元件与高温水直接接触，以保护碳化硅棒和硅化钼棒外表面的硅质绝 缘层，延长高温电热元件的使用寿命。

高温电热元件连同外面的金属保护壳体焊接在高压容器壁上，或用螺具通过 锥面-锥面或锥面-球面固定在高压容器壁上，并用外涂绝缘涂层的金属导线将 高温电热元件和测温热电偶引出，与外接电源和控温仪相连，同时要保证高压 容器在高压下具有良好的密封性。高温电热元件既可以置于高压容器侧壁上(见 图6A)，也可以置于高压容器底部壁上(见图6B)，这要视具体情况而定。

本发明第四项内容涉及一种以热传导的方式间接加热管材坯料中的工作水 至高温，产生膨胀管材毛坯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(见图7)。

其特征为，首先将高压容器和管材坯料中都加满水，然后采用内加热方式 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材坯料中的中-低温水之间的温度差，通过连接高压容器和 管材坯料之间的高压金属管线，以热传导的方式，将高压容器中工作水的高温 传导到管材坯料水中，间接加热管材坯料中的水至高温，使其产生膨胀管坯壁 并一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术。

本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、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毛坯壁，并 一次成形缩口管状金属部件所需内高压的技术及组件(见图8A，8B，8C，8D和 8E)。

其特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过内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， 开启高压容器和管坯之间的高压阀，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，膨胀管材毛坯的壁使其变形，直至管坯 外表面与模具内模表面基本一致的技术。

本技术主要包括高压容器、内置式电热高温炉、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毛坯预加热的技术。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)。 其作用一是使管坯(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内加热金属管材中—高温超高压水压一次成形设备。 该设备包含四大部分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)、内置式电热高温炉(2)、工作水(4)、冷却水循环 装置(3)；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)、金属管材毛坯支架(9)、金属管材 毛坯(11)、一对密封对冲冲头(8)、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)，金属管材毛坯支架 及密封对冲冲头轴向移动控制设备(8，19)。

设备特点：①采用内加热的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，即将电热高温元件置于高压容器内部，从内部直接对高压 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 压容器和两个高温炉，即两个压力源，分别从管材两端对管壁施加内高压；③ 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，也可使用普通的金属材料模具(如不锈钢材料模具)；④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中的高温水(超临界水)产生，并经由高压金属管线传导 到管坯中；⑤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；⑥模具的外面套有一中温炉，以对金属毛坯进行预 加热；⑦高压容器壁抗张强度高，工作水的工作温度高，可最大限度地产生成 形过程中所需的内高压，但高压容器密封难度较大；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和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内加热金属管材中—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 通孔的对冲冲头分别将管坯两端开口加以密封，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用支架将管坯置于外套中温炉的凹形模腔中预加 热至设定的温度；④开启高压容器内部的内置式电热高温炉以及容器壁外部的 冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容器中的工作水至设定的温度； 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压力通过高压金属管线传 导到管坯中，膨胀管材坯料的壁，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致； ⑥关闭管材毛坯两端的高压阀，打开模具和冲头，这样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。

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

其特点是，首先采用内加热的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对冲冲头分别将管坯两端开口加以密封，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用支架将管坯置于外套中温炉 的凹形模腔中预加热至设定的温度；④开启高压容器内部的内置式电热高温炉 以及容器壁外部的冷却水循环装置，采用内加热的方式加热高压容器中的工作 水至设定的温度，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水中，间接加热 管坯中的水至高温，当管坯中由高温水(超临界水)所产生的压力超过管壁所 能承受的张力时，膨胀管材毛坯的壁使其变形，直至管坯的外表面基本与模具 内模表面一致；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2个半片再焊接成整体构件。液压成形的特点是 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， 液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、 方法和设备。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1.5万个大气压；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及设备相比，由于本设备采用内加热的方式以及 高压釜体外壁冷却水循环系统，因此釜体抗压强度显著提高，从而使工作水的 工作温度及工作压力显著提高，扩大了所加工金属材料厚度和类型的范围，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-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，由此造成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 是本发明的内加热中—高温超高压管材液力一次成形设备及主要构 件示意图(电热高温炉置于高压容器侧壁上)

1-高压容器；2-内置式电热高温炉(21-高温电热元件；22-绝 缘涂层；23-电热元件外面的金属保护壳体)；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-管材坯料；12 -凹形模具；13-中温预热炉；14-炉壳；16-模具固定支架；17 -温度控制设备；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 是本发明的将电热高温炉置于高压容器底部的内加热中—高温高压 金属管材液力一次成形设备示意图

图7 是本发明的热传导内加热中—高温高压管材液力一次成形示意图

将高压容器和管材坯料中都加满水，采用热传导的方式加热管材坯 料中的水至高温，使其产生膨胀管壁并形成缩口管状金属部件所需 的内高压

图8A 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图 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；将 高压容器中加满水。

图8B 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图

用有轴向通孔的锥形对冲冲头将管材毛坯开口端加以密封；将管材 毛坯置于管材毛坯支架上，并置于外套中温炉的模腔内，下行上模； 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 毛坯处于低温未变形状态。

图8C 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图

开启高压容器内部的内置式电热高温炉，程序加热高压容器中工作 水的温度至预定的温度，随着炉温的升高，高压容器中由高温水(超 临界水)所产生的压力也迅速增加。当高压容器中由高温水所产生 的压力达到一定程度时，开启高压阀，提供膨胀管材毛坯所需要的 内高压。图中管材坯料处于初始膨胀状态。

图8D 压力传导内加热中—高温高压管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，管材毛 坯的壁继续膨胀变形，直至其外表面与凹形模具内模表面基本一 致。图中金属毛坯处于高温完全膨胀状态。

图8E 压力传导内加热中—高温高压管材液力一次成形步骤示意图

关闭高压阀，停止向管材毛坯中提供压力，当所加工的金属部件降 至安全温度时，打开模具和冲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、航空工业、宇航工业、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。