内加热金属管材(超)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(超)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地程序逐渐 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 缩口管状金属部件的技术(见图2)。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。即将充满水的管材坯料，用焊有 高温电热元件的锥形(或球形)对冲密封冲头将管坯两开口端加以密封；然后 开启焊接在密封冲头上的电热高温炉，从管坯内部对管坯中的工作水进行直接 加热；随着管坯中水温的逐渐升高，由高温水(超临界水)所产生的压力也迅 速增高，当此高温水压超过管壁所能承受的张力时，膨胀管壁使其变形，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 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6)。其特征为，将高温电热元件焊接在密封冲头上，成 形过程中，当密封冲头将加满水的管坯密封时，电热高温炉将从管坯内部对其 中的工作水进行加热，即采用内加热的方式加热管坯中的工作水至高温，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。

本技术主要由管材坯料、焊接在密封冲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冲头上，当焊有高温电热元件的冲头将加满水的管坯密封 时，电热元件将从管坯内部对其中的工作水进行直接加热，产生成形管坯为缩 口管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冲头上，这既 要保证电热元件与工作水和密封冲头之间绝对的绝缘性，又要保证电热元件与 密封冲头间高度的密封性。

本发明的第四项内容涉及一种金属管材毛坯预加热的技术及组件。其特征是 在金属材料模具外面套一中温炉，并透过模具对模腔中的管材毛坯及其中的工 作水进行预加热。即采用‘内应外合’的加热成形技术。

本发明的第五项内容是内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形设备。 设备主要由三大部分13个基本构件组成(见图6)，第一部分为加热及成形设备： 包括凹形金属材料模具(1)、焊接在密封冲头上的电热高温炉(5)、中温预热 炉(2)、模具外壳(3)、模具固定支架(10)；第二部分为管材毛坯支架及密封 组件：包括管材坯料(8)、管材毛坯支架(6)、工作水(9)、焊有高温电热元 件的对冲冲头密封组件(4)、金属套圈(7)；第三部分为控制设备：包括控温 仪(11)，模具开合控制设备(12)，管材支架移动控制设备(13)。

设备特点：①将高温电热元件焊接在密封冲头上，成形过程中，当密封冲头 将加满水的管坯开口端密封时，电热高温炉将从管坯内部对管坯中的工作水进 行加热，即采用内加热的方式加热管坯中的工作水至高温，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；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凹形模具外面套有一中温预热炉，即采用‘内应 外合’的成形技术；④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)；⑤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)；⑥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内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形方法， 包括如下步骤(见图7A，7B，7C，7D和7E)：

1)首先将欲成形的管材坯料中充满水，用焊有电热高温炉的锥形(或球形) 对冲冲头将管坯开口端加以密封；

2)将加满水并且密封的管材坯料置于外套中温炉的凹形金属材料模腔中， 并对管坯及其中的工作水进行预加热；

3)开启焊接在密封冲头上的电热高温炉，采用内加热的方式加热管坯中的 工作水至高温；

4)随着管坯中水温的逐步升高，由高温工作水所产生的压力也迅速增加， 当此高温水(超临界水)压超过管壁所能承受的张力时，膨胀管材毛坯的壁使 其变形，直至管壁外表面与凹形内模表面基本一致；

5)停止加热，当所加工的金属部件及其中的高温工作水降至安全温度时， 打开模具和对冲冲头，这样就得到各种缩口管状金属部件。

本方法不仅适合于加工轴线为直线的零件，而且也可以成形轴线为曲线的零 件(如成形汽车支架等)，其方法首先是将电热元件制成可弯曲的多节的电热高 温炉；将管坯中加满水，并用焊有多节电热高温炉的对冲冲头将管坯开口端加 以密封；然后将加满水的管坯在数控弯管机上将其弯曲到要求的形状；再将其 放置到凹形金属模具中加热成形出所需零件。

此外，这种工艺还适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件，即 可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的空心构件，其截面形状可以为圆形、 矩形或异型截面等。

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，常规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成本低，主 要设备组件为焊有高温电热元件的密封冲头、凹形金属材料模具、管坯、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，只要焊接在密封冲头上的电热高温炉将管坯 中的工作水加热到200℃、500℃、1000℃，管坯中的高温工作水就可产生300MPa、 800MPa、1800MPa的内高压，并均匀作用于四周管壁上；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变形，因此只要条件计算 和控制适当，管坯外壁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)，因是在高温热状态下成形；⑥可 加工厚壁管状金属部件，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

随着工作水的工作温度逐渐增高，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部分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6是本发明的内加热金属管材(超)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-金属材料模具；2-中温预热炉；3-模具外壳；4-焊有高温电 热元件的对冲冲头密封组件；5-焊接在密封冲头上的电热高温炉 (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-管材毛坯支架；7-金属套圈；8-管材坯料；9-工作水； 10-模具固定支架；11-控温仪；12-模具开合控制设备；13-管 材支架移动控制设备。

图7是本发明的内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形方法及 步骤示意图

图7A内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形步骤示意图

①对管材毛坯进行预加工，使其符合本发明设备加工要求；

图7B内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形步骤示意图

②将欲成形的管材坯料中充满水，并用焊接有电热高温炉的锥形(或 球形)对冲冲头将管坯开口端加以密封；

③将加满水并且密封的管材坯料置于管材毛坯支架上，然后置于外 套中温炉的凹形金属材料模腔中，下行上模，利用中温炉对管坯及 其中的工作水进行预加热；

图中管坯处于低温未变形状态。

图7C内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形步骤示意图

④开启焊接在密封冲头上的电热高温炉，采用内加热的方式加热管 坯中的工作水至高温；

⑤随着管坯中水温的逐步升高，由高温工作水所产生的压力也迅速 增加，当此高温水(超临界水)压超过管壁所能承受的张力时，膨 胀管材毛坯的壁使其变形；

图中管坯处于初始膨胀状态。

图7D内加热金属管材(超)高温超高压水压一次成形步骤示意图

⑥随着管坯中工作水的工作温度和工作压力进一步升高，管壁继续 膨胀变形，直至其外表面与凹形内模表面基本一致； 图中管坯处于高温完全膨胀状态。

图7E内加热金属管材(超)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及其中的高温工作水降至安全温 度时，打开模具和对冲冲头，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7A-7E中所述。