内加热金属容器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容器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， 进行缩口容器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

目前通常所说的液压成形(内高压成形)是以液压泵(水泵或油泵)为压力 来源，常温流体(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。具体地是将金属毛坯放入一 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，需要一高性能高 压水泵；②工作压力相对较低，最高工作压力通常为0.3-0.5GPa左右；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， 技术要求很高，并且常常较为困难；④所加工的金属部件外表面容易产生扇形 微裂隙，因为金属毛坯是在低温刚性状态下膨胀变形；⑤加工高强度金属部件 (如钛合金等)受到限制，因是在低温状态下加工；⑥加工厚壁金属材料部件 受到限制，因是在低温状态下加工。

3.发明内容

本发明是一种内加热金属容器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(超临界流体)所产生的巨大静压力这一技术及相关 设备，进行缩口容器状金属部件的一次成形。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地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，来进行缩口容器状金 属部件的一次成形提供了依据。

本发明的一项内容涉及一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次成形 缩口容器状金属部件的技术(见图2A)。其特点为，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。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(或充填度为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 一特性来进行缩口容器状金属部件的一次成形。即将充满水的金属容器毛坯的 开口端，用焊有高温电热元件的锥形(或球形)密封塞头加以密封，并放入凹 形金属材料模具中；然后开启焊接在密封塞头上的电热高温炉，从容器毛坯内 部对容器毛坯中的工作水进行直接加热；随着水温的逐步升高，容器毛坯中由 高温工作水所产生的压力也迅速增加；当此高温水压超过容器毛坯壁所能承受 的张力时，膨胀容器毛坯的壁使其变形，直至其外表面与内模表面基本一致， 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容器状金属部 件(见图2A，图2B)。水在高温下能够产生用于膨胀容器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容器状金属部件所需内 高压的技术及组件(见图4)。技术特点为，将高温电热元件焊接在密封塞头上， 成形过程中，当密封塞头将加满水的容器毛坯密封时，电热高温炉将从容器毛 坯内部对容器毛坯中的工作水进行直接加热，即采用内加热的方式加热容器毛 坯中的工作水至高温，产生膨胀容器毛坯壁并成形坯料为缩口容器状金属部件 所需的内高压。

本技术主要由容器毛坯、焊接在密封塞头上的高温电热元件、以及工作水三 部分组成。

本发明的第三项内容涉及一种内加热电热高温炉组件。其特点是将U形高温 电热元件焊接在密封塞头上，当焊有高温电热元件的塞头将加满水的容器毛坯 开口端密封时，电热元件将从容器毛坯内部对其中的工作水进行直接加热，产 生成形容器毛坯为缩口容器状金属部件所需的内高压。

本组件包括高温电热元件(5-1)、绝缘涂层(5-2)、电热元件外面的金属保 护壳体(5-3)三部分。

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紧紧且牢固地焊接密封塞头上，这既 要保证电热元件与工作水和密封塞头之间的绝对的绝缘性，又要保证电热元件 与密封塞头间高度的密封性。

本发明的第四项内容是内加热金属容器高温超高压水压一次成形设备。设备 主要包括三大部分11个基本组件(见图4)。第一部分为加热及成形设备，包括 凹形金属材料模具(1)、焊接在密封塞头上电热高温炉(5)、及模具外壳(2)； 第二部分为金属容器毛坯密封及移动设备，包括金属容器毛坯(7)及托架(3)、 密封塞头(4)、金属套圈(6)、工作水(8)；第三部分为控制设备，包括温度 控制设备(9)、模具开合控制设备(10)、以及容器毛坯托架移动控制设备(11)。

设备特点：①将高温电热元件焊接在密封塞头上，成形过程中，当密封塞头 将加满水的容器毛坯密封时，电热高温炉将从内部对容器毛坯中的工作水进行 加热，即采用内加热的方式加热容器毛坯中的工作水至高温，产生膨胀容器毛 坯壁并成形为缩口容器状金属部件所需的内高压；②模具与高温电热元件分开， 因此模具可选用金属材料模具；③金属容器毛坯托架可采用单列式设计，也可 采用阵列式或转盘式设计，并与模具相对应，一批次可装卸、加工多个金属部 件；④本设备不仅可以加工薄壁、低强度的金属材料(如铜、铝合金等)，也可 以成形厚壁、高强度金属材料(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)；⑤本设备 不仅可以加工如圆形、椭圆形、方形等形态简单的缩口容器状金属部件，也可 以成形如串珠状等形态复杂的缩口容器状金属部件(见图3)。

本发明的第五项内容是内加热金属容器高温超高压水压一次成形方法(见图 5A，5B，5C，5D和5E)。其步骤为：

1)预加工壁厚均匀的金属容器毛坯；

2)将金属容器毛坯中充满水，并用焊有高温电热元件的锥形(或球形)塞 头将容器毛坯开口端加以密封；

3)将加满水并且密封的金属容器毛坯置于凹形金属材料模具中；

4)开启焊接在密封塞头上的电热高温炉，采用内加热的方式加热容器毛坯 中的工作水至高温；

5)随着炉温的逐步升高，容器毛坯中由高温工作水(超临界水)所产生的 压力也迅速增加，当此高温水压超过金属容器毛坯壁所能承受的张力时，膨胀 容器毛坯的壁使其变形，直至其外表面与凹形模具内模表面基本一致；

6)停止加热，当所加工的金属部件和容器中的高温工作水降至安全温度时， 打开模具和塞头，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 缩口容器状金属部件。

对于缩口容器状金属部件，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。与冲压焊接工艺相比，高温高压液力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 品强度与刚度。

本发明与传统意义上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。传统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。传统液压成形过程中的成形介质是常温流体(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。传统液压成形过程中金属材料是在低温刚性状态 下膨胀变形，而本发明中金属坯料是在高温近于塑性的状态下膨胀变形，此特 点对产品质量有很大影响；④由此所造成的成形设备组件及加工方法也不同。

与传统的液压成形相比，本方法具有如下几方面优点：①成本低，主要设备 组件为焊有高温电热元件的密封塞头、凹形金属材料模具、容器毛坯、及工作 水；②使用压力范围宽，可从几十个大气压，一直连续变化到2.0万个大气压， 甚至更高；③增压非常容易，只要焊接在密封塞头上的电热高温炉将容器毛坯 中的工作水加热到200℃、500℃、1000℃，容器毛坯中的高温工作水就可产生 300MPa、800MPa、1800MPa的内高压，并均匀作用于四周容器壁上；④所加工部 件壁厚和质地均匀，因为金属容器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，容器外壁由于膨胀所产生的扇形微裂隙 就可避免；⑤可加工钛合金、高强度钢等难成形的容器状金属部件，因是在高 温热状态下成形；⑥可加工厚壁容器状金属部件，因是在高温热状态下膨胀。

4.附图说明

图1A为水在高温下所产生巨大压力示意图；

将充满水的封闭的金属容器分别加热到200℃、500℃和1000℃， 容器中由高温水所产生的内高压将会达到200MPa、800MPa、 1800MPa。

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℃高温水所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℃高温水所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2A是本发明的金属容器高温超高压液压一次成形技术示意图；

利用水在高温下所产生的巨大压力一次成形缩口容器状金属部件

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2B是本发明的金属容器高温超高压液压一次成形步骤示意图；

a-加水；b-密封；c-加热；d-膨胀。

图3部分缩口容器状金属部件产品示意图

a-椭圆形；b-圆形；c-方形；d-串珠形。

图4是本发明的内加热金属容器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-凹形金属材料模具；2-模具外壳；3-金属容器毛坯托架(① 是本发明的阵列式金属容器毛坯托架示意图；②是本发明的转盘金 属容器毛坯托架示意图)；4-密封塞头；5-焊接在密封塞头上电 热高温炉(51-高温电热元件；52-绝缘涂层；53-电热元件外面的 金属保护壳体)；6-金属套圈；7-金属容器毛坯；8-工作水；9 -温度控制设备；10-模具开合控制设备；11-容器毛坯托架移动 控制设备。

图5是本发明的内加热金属容器高温超高压水压一次成形方法及步骤 示意图

图5A内加热金属容器高温超高压水压一次成形步骤示意图

①将金属毛坯预加工成壁厚均匀的容器状(或筒状)金属坯料；

②将金属容器毛坯中充满水，并用焊有高温电热元件的锥形(或球 形)塞头将容器毛坯开口端加以密封；

图5B内加热金属容器高温超高压水压一次成形步骤示意图

③将加满水并且密封的金属容器毛坯置于容器毛坯托架上，然后置 于凹形金属模腔中，关闭左右模具；

图中容器毛坯处于低温未变形状态。

图5C内加热金属容器高温超高压水压一次成形步骤示意图

④开启焊接在密封塞头上的电热高温炉，采用内加热的方式加热容 器毛坯中的工作水至高温；

⑤随着炉温的逐步升高，容器毛坯中高温工作水(超临界水)的工 作压力也迅速增加，当此高温水压超过容器毛坯壁所能承受的张力 时，膨胀容器毛坯的壁使其变形；

图中金属容器毛坯处于初始膨胀状态。

图5D内加热金属容器高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑥随着容器毛坯中工作水的工作温度和工作压力的进一步升高，容 器毛坯壁继续膨胀变形，直至其外表面与凹形内模表面基本一致；

图中金属容器毛坯处于高温完全膨胀状态。

图5E内加热金属容器高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑦停止加热，当所加工的金属部件和容器中的高温工作水降至安全 温度时，打开模具和塞头，并取出所工的缩口容器状金属部件。

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)缩口容器状金属部件为优选实施例，具 体实施方法及加工步骤如图5A-5E中所述。