外加热金属管材高—中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

本发明是一种外加热金属管材高-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。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，还是从设备构件及方法步骤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地程序逐渐升温。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，然后通过热传导的方式间接加热管坯中的水至高温。 随着水温的升高，管坯中由高温水所产生的压力迅速增加，当由高温工作水所 产生的压力超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材坯料的壁，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外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6)。其特点是将高温炉置于高压容器外部(外置式电热 高温炉)，从外部透过高压容器壁间接对高压容器中的工作水进行加热，使其产 生成形过程中所需内高压的技术。外加热容器工作时整体温度相同，由于高温 条件下容器材料的强度明显降低，故外加热高压容器的工作压力和工作温度相 对较低，但外加热高压容器的高压密封性较好。

本技术主要由高压容器、外置式电热高温炉、工作水三部分组成。

本发明第三项内容涉及一种以热传导的方式间接加热管材坯料腔体中的工 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。

其特征为，首先将高压容器和管材坯料中都加满水，然后采用外加热方式 加热高压容器中的工作水至高温，以高压容器中的高温水为热源，利用高压容 器中高温水和金属坯料中的低温水之间的温度差，通过连接高压容器和管坯之 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递到金属 坯料腔体水中，间接加热金属坯料腔体中的水至高温，使其产生膨胀管坯壁并 一次成形缩口管状金属部件所需的内高压的技术(见图7)。

本技术主要包括高压容器、外置式电热高温炉、高压金属管线、管材毛坯、 以及工作水五个基本组件(见图7)。

本发明第四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。

其特点是，首先将高压容器中加满水，然后通过外加热的方式加热高压容器 中的工作水至高温，当由高温水(超临界水)所产生的压力达到预定的压力时， 开启高压容器和金属坯料之间的高压阀，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材毛坯的腔体中，膨胀管坯的壁使其变形， 直至管材坯料的外表面与模具内模表面基本一致的技术(见图8A，8B，8C，8D 和8E)。

本技术主要包括高压容器、外置式电热高温炉、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(见图8A，8B，8C，8D和8E)。

本发明的第五项内容是外加热金属管材高-中温超高压水压一次成形技设 备。设备包含四大部分18个基本组件(见图6)。第一部分为高温高压设备(压 力源)：包括高压容器(1)、外置式电热高温炉(2)及炉壳(3)、工作水(4)； 第二部分为温度(或压力)传导设备：包含高压金属管线(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)、管材毛坯支架(9)、管材毛坯(11)、管材密封对冲冲头(8)、 金属套圈(10)；第四部分为控制设备，包括温度控制设备(2，16)、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采用外加热的方式，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，即将高温炉置于高压容器外面，透过高压容器壁对容器 中的工作水进行加热；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、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)；④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与内加热相比，本设备的高压密封性好，但高压容器壁的抗张强度相对 较低，从而导致高压容器中工作水的工作温度和工作压力相对较低；⑥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)；⑦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)；⑧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)。

本发明的第六项内容是一种压力传导外加热金属管材高-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，通过高压金属管 线将内高压传递到管材毛坯腔体中，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用支架将管材坯料置于凹形模腔中；④开启高压 容器外部的外置式电热高温炉，采用外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(超临界水)所产生的巨大内 高压通过高压金属管线传导到管材坯料腔体中，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。

本发明的第七项内容是一种热传导外加热金属管材高-中温超高压水压一 次成形方法

其特点是，首先采用外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金属坯料腔体水中， 以热传导的方式间接加热管材坯料腔体中的水至高温，产生膨胀管材毛坯壁并 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，管材坯料腔体中也加满水；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用支架将管材坯料置 于凹形模腔中；④开启高压容器外部的外置式电热高温炉，采用外加热的方式 加热高压容器中的工作水至设定的温度；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腔体水中，间接加热管材中的水至高温， 当此高温工作水(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，直至管壁的外表面与模具内模表面基本一致；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。其方法是先在数控弯管机上将管坯弯曲到要求的形状， 然后加入一定量的水(或不加水)并加以密封，再放到凹形模具内加热成形出 所需零件。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成本低，主 要设备组件为高压容器、高温炉和凹形模具；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，甚至更高；③增压非常容易，只要 管材毛坯中的水加热到200℃、500℃、1000℃，管坯中的水就可产生300MPa、 800MPa、1800Mpa内高压；④所加工部件壁质地较为均匀，因为金属管坯是在高 温近于塑性状态下膨胀，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或减少；⑤可加工高强度难成形的管状金属部件 (如钛合金)，以及厚壁管状金属部件，因是在高温热状态下成形。

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，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6是本发明的外加热高-中温高压管材液力一次成形设备及主要构件 示意图

1-高压容器；2-外置式电热高温炉；3-炉壳；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7是本发明的热传导外加热高-中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压力传导外加热高-中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压力传导外加热高-中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 坯置于毛坯支架上，并置于凹形模腔内，下行上模。图中管材毛坯处 于低温未变形状态。

图8C压力传导外加热高-中温高压管材液力一次成形步骤示意图

开启高压容器外部的电热高温炉，程序升温高温炉至预定的温度，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 速增高。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，提供膨胀容器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压力传导外加热高-中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压力传导外加热高-中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(尤其是潜水艇)、航空工业、宇航工业(如 各类导弹弹体等)、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。