專利名稱：外加熱金屬管材高溫超高水壓一次成形技術(shù)、方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全新的縮口管狀金屬部件水壓一次成形技術(shù)、方法與設(shè)備。具體的，就是利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大的靜壓力這一技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。
成形過程中所需內(nèi)高壓來源于高溫水所產(chǎn)生的巨大靜壓力，成形介質(zhì)為高溫超高壓水(超臨界水)，金屬坯料是在高溫狀態(tài)下成形。
2.背景技術(shù)目前通常所說的管材液壓成形(內(nèi)高壓成形)是以液壓泵(水泵或油泵)的機(jī)械壓力為壓力來源，低溫流體(水或油)為成形介質(zhì)，以管材作坯料，通過管材內(nèi)部施加高壓液體把管坯壓入到模腔中使其成形為所需工件。具體地是將管材毛坯放入一液壓成形組件的模腔中并用液壓泵向毛坯內(nèi)部提供高壓流體，以使毛坯向外膨脹與限定模腔表面一致。此方法的缺點(diǎn)及局限①成本較高，需要一高性能液壓泵；②工作壓力相對(duì)較低，工作壓力通常為0.3-0.5GPa；③升壓較為困難，對(duì)于普通的液壓泵，若要在工作壓力范圍的基礎(chǔ)上再提升0.1GPa，常常較為困難；④所加工金屬部件外表面容易產(chǎn)生扇形微裂隙，因?yàn)榻饘偃萜髅魇窃诔貏傂誀顟B(tài)下膨脹；⑤加工高強(qiáng)度金屬部件(如鈦合金等)受到限制，因是在常溫狀態(tài)下加工；⑥加工厚壁金屬部件受到限制，因是在常溫狀態(tài)下加工。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種外加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形技術(shù)、方法與設(shè)備。本發(fā)明是利用水在高溫下(超臨界流體)所產(chǎn)生的巨大靜壓力這一技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。本方法無論從壓力產(chǎn)生機(jī)理、成形介質(zhì)、成形過程中金屬所處的狀態(tài)，還是從設(shè)備構(gòu)件上都與傳統(tǒng)的液壓成形技術(shù)和設(shè)備不同，它是一種全新的技術(shù)、方法和設(shè)備。
本發(fā)明是基于水的狀態(tài)方程、水的p-V-T關(guān)系圖、以及下面兩組以水為傳壓介質(zhì)高溫超高壓熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的①將加滿水(約6-7滴)的外徑為48mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶6的Rene41鈦鉬合金高壓釜通過錐形塞頭加以密封，然后放入由控溫儀控制的管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)定好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至350℃，發(fā)現(xiàn)由釜體內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓使該鈦鉬合金高壓釜體向外膨脹并爆裂一個(gè)長27mm、寬11mm的裂口(見圖1B-1)；②同樣的實(shí)驗(yàn)方法，將加滿水(約8-9滴)的外徑為60mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶7.5的兩個(gè)不銹鋼高壓釜體通過錐形塞頭加以密封，然后放入管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)置好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至450℃和480℃時(shí)，由高壓釜內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓導(dǎo)致兩個(gè)不銹鋼高壓釜體均向外膨脹，釜體外徑由實(shí)驗(yàn)前的60mm分別膨脹變形為63.1mm和64.3mm(見圖1B-2)。此現(xiàn)象為我們利用水介質(zhì)在高溫下所產(chǎn)生巨大的靜壓力，來進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的一項(xiàng)內(nèi)容涉及一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)(見圖2A)。其特點(diǎn)為，成形過程中所需的內(nèi)高壓來源于水在高溫下所產(chǎn)生的巨大壓力。水的p-V-T關(guān)系是水的基本的物理化學(xué)性質(zhì)，水的密度隨著溫度和壓力變化而變化，當(dāng)壓力增高時(shí)，流體的密度可以從水蒸氣的密度值連續(xù)地變化到液體水的密度值。在高溫，如200℃、500℃和1000℃時(shí)，要維持常溫常壓下水的密度(1g/cm3)，所需外部壓力分別要達(dá)到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。換句話說，將充滿水的(或充填度為100％)封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中的高溫水將會(huì)產(chǎn)生約0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的壓力，并均勻作用于四周容器壁上(見圖1A)。我們正是利用水的這一特性來進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。即將充滿水或充填一定量水的管材坯料，用一對(duì)錐形(或球形)對(duì)沖密封沖頭將管坯兩開口端加以密封，然后置于高溫爐上進(jìn)行加熱。隨著爐溫和管坯中水溫的升高，管材坯料中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也迅速增高，當(dāng)此壓力超過管壁所能承受的壓力時(shí)，膨脹管坯的壁使其變形，此時(shí)若用凹形模具加以控制，就得到各種既具有外部形態(tài)又具有內(nèi)部形態(tài)的雙形態(tài)縮口管狀金屬部件(見圖2和3)。水在高溫下能夠產(chǎn)生用于膨脹管材坯料的巨大的內(nèi)高壓可以從上述兩組高溫高壓實(shí)驗(yàn)中得到印證(見圖1B-1，圖1B-2)。
本發(fā)明第二項(xiàng)內(nèi)容涉及一種外加熱并產(chǎn)生成形縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件(見圖6)。即將電熱高溫爐置于管材毛坯外部，透過管壁從外到內(nèi)加熱管坯中的工作水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。
本技術(shù)主要由管材坯料、外置式電熱高溫爐、工作水、密封對(duì)沖沖頭四部分組成。
本發(fā)明的第三項(xiàng)內(nèi)容是外加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備主要由三大部分13個(gè)構(gòu)件組成(見圖6)。第一部分為高溫高壓成形設(shè)備包括高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷模具(1)、外置式電熱高溫爐(2)、爐殼(3)、模具及爐體固定支架(11)；第二部分為管狀金屬毛坯支架及密封設(shè)備包括管材毛坯(9)、管材坯料支架(8)、工作水(10)、一對(duì)密封對(duì)沖沖頭(6)；第三部分為控制設(shè)備包括溫度控制設(shè)備(4，12)，模具開合控制設(shè)備(5，13)，管材毛坯支架移動(dòng)控制設(shè)備(7，14)組成。
設(shè)備特點(diǎn)是①高溫電熱爐與凹形陶瓷模具放置在一起，兩者近于一體設(shè)計(jì)，高溫爐的爐膛即為高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷材料模具；②電熱高溫爐置于陶瓷模具的外面，采用外加熱的方式，透過陶瓷模具間接對(duì)置于模腔中的金屬管材毛坯中的水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓；③本設(shè)備不僅可以加工薄壁、低強(qiáng)度的金屬管材(如銅、鋁合金等)，也可以成形厚壁、高強(qiáng)度的金屬管材(如鈦合金、碳素鋼，以及不銹鋼等)；④本設(shè)備不僅可以加工軸線為直線的空心零件，以及軸線為曲線的空心零件，而且也可以成形空心變截面輕體構(gòu)件(見圖4A和4B)；⑤本設(shè)備不僅可以加工如圓形、橢圓形等形態(tài)簡單的縮口管狀金屬部件，也可以成形形態(tài)較為復(fù)雜的縮口管狀金屬部件(見圖5A，5B，5C和5D)。
本發(fā)明的第四項(xiàng)內(nèi)容是外加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形方法，包括如下步驟(見圖7A，7B，7C，7D和7E)1)將管狀金屬毛坯中充滿水或充填一定量的水，金屬材料不同、金屬毛坯壁厚及內(nèi)外徑比不同，水的充填度也不同；2)采用線密封或面密封，用一對(duì)錐形(或球形)對(duì)沖沖頭將管材毛坯兩開口端加以密封；3)將充滿(或充填一定量)水的密封的管坯置于支架上并放入外套電熱高溫爐的凹形模具中；4)采用外加熱方式，程序升溫模具外部的電熱高溫爐并加熱管坯中的工作水至預(yù)先設(shè)定好的溫度。當(dāng)密封在管坯中的高溫水所產(chǎn)生的壓力大于管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹金屬管材毛坯的壁使其變形，直至其外表面基本與模具內(nèi)模表面一致，這樣就得到各種既具有外部形態(tài)又具有內(nèi)部形態(tài)的雙形態(tài)的縮口管狀金屬部件。
5)停止加熱，當(dāng)爐溫和所加工的金屬部件的溫度降低至安全溫度時(shí)，打開模具和對(duì)頭，就得到欲成形的縮口管狀金屬部件。
與傳統(tǒng)的液壓成形相同，本方法不僅可以加工軸線為直線的零件，而且可以成形軸線為曲線的零件。其方法是先在數(shù)控彎管機(jī)上將管坯彎曲到要求的形狀，然后加入一定量的水加以密封，再放到外套高溫爐的模具內(nèi)加熱成形出零件。這種工藝適用于制造沿構(gòu)件軸線具有不同截面形狀的空心構(gòu)件，截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面。對(duì)于變截面空心構(gòu)件，傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形2個(gè)半片再焊接成整體構(gòu)件。液壓成形的特點(diǎn)是可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件。與沖壓焊接工藝相比，液壓成形的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕質(zhì)量，節(jié)約材料；減少了零件和模具的數(shù)量，降低了模具費(fèi)用和生產(chǎn)成本；提高了產(chǎn)品強(qiáng)度與剛度。
本發(fā)明無論從壓力產(chǎn)生機(jī)理、成形介質(zhì)、成形過程中金屬所處的狀態(tài)，還是從設(shè)備構(gòu)件上都與目前傳統(tǒng)的液壓成形技術(shù)和設(shè)備不同，它是一種全新的技術(shù)方法、和設(shè)備。本方法與常規(guī)液壓成形最大的區(qū)別是①壓力產(chǎn)生機(jī)理(或壓力來源)不同。常規(guī)液壓成形過程中的壓力來源于液壓泵中機(jī)械壓力，而本方法中的壓力來源于水本身在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力；②成形介質(zhì)不同。傳統(tǒng)液壓成形介質(zhì)為常溫液體(水或油)，而本發(fā)明中的成形介質(zhì)為高溫超高壓水(即超臨界水)，而非傳統(tǒng)意義上的液體；③成形過程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同，普通液壓成形過程中金屬坯料是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形，而本方法中金屬坯料是在高溫塑性狀態(tài)下膨脹變形；④由此所造成的成形設(shè)備組件及加工方法也不同。
此外，與傳統(tǒng)的液壓成形相比，本方法具有如下幾方面優(yōu)點(diǎn)①成本低，主要設(shè)備組件為耐高溫陶瓷材料模具和電熱高溫爐；②使用壓力范圍寬，可從幾十個(gè)大氣壓，一直連續(xù)變化到2.0萬個(gè)大氣壓，甚至更高；③增壓非常容易，只要電熱爐將金屬管材毛坯中水的加熱到200℃、500℃、1000℃，管材中由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力即可達(dá)到300MPa、800MPa、1800MPa；④所加工部件壁質(zhì)地較為均勻，因?yàn)榻饘俟芘魇窃诟邷亟谒苄誀顟B(tài)下膨脹，因此只要條件計(jì)算和控制適當(dāng)，管坯外壁由于膨脹所產(chǎn)生的扇形微裂隙就可避免或減少；⑤可加工高強(qiáng)度難成形的管狀金屬部件(如鈦合金)，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形；⑥可加工厚壁管狀金屬部件，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形。
4.


圖1A 為水在高溫下所產(chǎn)生巨大壓力示意圖將充滿水(即充填度為100％)的封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中的水將會(huì)產(chǎn)生近200MPa、800MPa、1800MPa的內(nèi)高壓。
圖1B-1 鈦、鉬合金高壓釜在350℃高溫水產(chǎn)生的內(nèi)高壓作用下膨脹及破裂圖(A)釜體壁厚及內(nèi)外徑比(外徑48mm，內(nèi)徑8mm，內(nèi)外徑比1∶6)(B)圖1B-2 不銹鋼高壓釜在480℃高溫水產(chǎn)生的內(nèi)高壓作用下膨脹圖(A)釜體壁厚及內(nèi)外徑比(外徑60mm，內(nèi)徑8mm，內(nèi)外徑比1∶7.5)(B)圖2 是本發(fā)明的管材高溫超高壓液壓一次成形技術(shù)示意圖隨著工作水的工作溫度逐漸增高，由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也越來越大，金屬部件膨脹的程度也逐漸增大。
a-常溫未變形；b-低溫初始膨脹；c-中溫中等膨脹；d-高溫完全膨脹。
圖3 是本發(fā)明的高溫高壓管材液壓成形原理及步驟示意圖a-加水，下行上模；b-密封；c-加熱，成形；d-上行上模，打開密封沖頭，取出縮口管狀金屬部件。
圖4A 空心變截面輕體構(gòu)件(空心階梯軸)示意圖a-機(jī)加工構(gòu)件；b-高溫內(nèi)高壓成形構(gòu)件圖4B 軸線為曲線變截面的空心構(gòu)件圖5A 模腔為三角形的管狀金屬部件一次成形過程示意5B 模腔為方形的管狀金屬部件一次成形過程示意5C 模腔為工字形的管狀金屬部件一次成形過程示意5D 模腔為五邊形的管狀金屬部件一次成形過程示意6 是本發(fā)明的外加熱高溫超高壓管材液力一次成形設(shè)備及主要構(gòu)件示意圖1-高強(qiáng)度、耐高溫凹形陶瓷材料模具；2-外置式電熱高溫爐；3-爐殼；6-對(duì)沖沖頭密封組件；8-管材毛坯支架；9-管材坯料；10-工作水；11-模具及爐體固定支架；12-控溫儀；13-模具開合控制設(shè)備；14-管材支架移動(dòng)控制設(shè)備。
圖7A 外加熱高溫超高壓金屬管材液力一次成形步驟示意圖對(duì)管材毛坯進(jìn)行預(yù)加工，使其符合本發(fā)明設(shè)備加工要求。
圖7B 外加熱高溫超高壓金屬管材液力一次成形步驟示意圖將管材坯料空腔中加滿水(或充填一定量的水)，并用錐形對(duì)沖沖頭將管坯開口端加以密封。然后，將加滿水(或一定量水)并且密封的管材坯料置于爐膛為高強(qiáng)度、耐高溫凹形陶瓷材料模具的電熱高溫爐中進(jìn)行加熱。圖中容器狀金屬毛坯處于低溫未變形狀態(tài)。
圖7C 外加熱高溫超高壓金屬管材液力一次成形步驟示意圖隨著爐溫的升高，管材坯料中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)高溫水壓超過管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管壁使其變形。圖中管材坯料處于初始膨脹狀態(tài)。
圖7D 外加熱高溫超高壓金屬管材液力一次成形步驟示意圖隨著管材坯料腔體中工作水的溫度和壓力進(jìn)一步升高，管壁繼續(xù)膨脹變形，直至其外表面與凹形模具內(nèi)模表面基本一致。圖中管材坯料處于高溫完全膨脹狀態(tài)；圖7E 外加熱高溫超高壓金屬管材液力一次成形步驟示意圖停止加熱，當(dāng)工作水的溫度降至室溫時(shí)，打開模具和對(duì)沖沖頭，并取出所加工的縮口管狀金屬部件。
5.優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述本方法和技術(shù)適用的領(lǐng)域非常廣，它不僅可用于汽車(摩托車)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、輕工業(yè)，也可用于艦船工業(yè)(尤其是潛水艇)、航空工業(yè)、宇航工業(yè)(如各類導(dǎo)彈彈體等)、以及兵器工業(yè)等。
本次暫以橢圓形(或圓形)縮口容器狀金屬部件為優(yōu)選實(shí)施例，具體實(shí)施方法及加工步驟如圖7A-7E中所述。
權(quán)利要求
1.一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)。本發(fā)明是基于水的狀態(tài)方程、水的p-V-T關(guān)系圖、以及下面兩組高溫超高壓熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其技術(shù)特點(diǎn)為成形過程中所需的內(nèi)高壓來源于水在高溫下所產(chǎn)生的巨大壓力。根據(jù)水的p-V-T關(guān)系圖以及水的狀態(tài)方程，水的密度隨著溫度和壓力變化而變化，當(dāng)壓力增高時(shí)，流體的密度可以從水蒸氣的密度值連續(xù)地變化到液體水的密度值。在高溫，如200℃、500℃和1000℃時(shí)，要維持常溫常壓下水的密度(1g/cm3)，所需外部壓力分別要達(dá)到0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa。換句話說，將充滿水的(即充填度為100％)封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中的高溫水將會(huì)產(chǎn)生約0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的內(nèi)高壓，并均勻作用于四周容器壁上。我們正是利用水的這一特性來進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形。即將充滿水或充填一定量水的管材毛坯，加以密封，然后放入爐膛為高強(qiáng)度、耐高溫凹形陶瓷材料模具的電熱高溫爐中進(jìn)行直接加熱；隨著水溫的升高，管材坯料中由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)高溫水所產(chǎn)生的壓力超過管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁使其變形，此時(shí)若用凹形模具加以控制，就得到各種縮口管狀金屬部件。水在高溫下能夠產(chǎn)生用于膨脹管材坯料的巨大的內(nèi)高壓可以從以下兩組高溫高壓實(shí)驗(yàn)中得到印證。一組是將加滿水(約6-7滴)的外徑為48mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶6的Rene41鈦鉬合金高壓釜通過錐形塞頭加以密封，然后放入由控溫儀控制的管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)定好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至350℃，發(fā)現(xiàn)由釜體內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓使該鈦鉬合金高壓釜體向外膨脹并爆裂一個(gè)長27mm、寬11mm的裂口；第二組實(shí)驗(yàn)方法與第一組相同，即將加滿水(約8-9滴)的外徑為60mm，內(nèi)徑為8mm，內(nèi)外徑比為1∶7.5的兩個(gè)不銹鋼高壓釜體通過錐形塞頭加以密封，然后放入管式爐中，以外加熱的方式按預(yù)先設(shè)置好的程序逐漸升溫。當(dāng)爐溫升至450℃和480℃時(shí)，由高壓釜內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓導(dǎo)致兩個(gè)不銹鋼高壓釜體均向外膨脹，釜體外徑由實(shí)驗(yàn)前的60mm分別膨脹變形為63.1mm和64.3mm。此現(xiàn)象為我們利用水介質(zhì)在高溫下所產(chǎn)生巨大的靜壓力，來進(jìn)行縮口管狀金屬部件的一次成形提供了依據(jù)。本發(fā)明與目前常規(guī)的液壓成形最大的不同有三點(diǎn)①壓力產(chǎn)生機(jī)理(或壓力來源)不同。常規(guī)液壓成形過程中壓力來源于液壓泵中的機(jī)械壓力，而本發(fā)明中的內(nèi)高壓來源于管材坯料中的水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力；②成形介質(zhì)不同。常規(guī)液壓成形過程中的成形介質(zhì)是常溫液體(水或油)，而本發(fā)明中的成形介質(zhì)為高溫超高壓水(超臨界水)，而非傳統(tǒng)意義上的液體；③成形過程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同。常規(guī)液壓成形過程中管材是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形，而本發(fā)明中金屬坯料是在高溫近于塑性的狀態(tài)下膨脹變形；④由此所造成的成形設(shè)備組件及加工方法也不同。常規(guī)液壓成形設(shè)備主要由液壓泵，模具和金屬坯料組成，而本發(fā)明設(shè)備主要包括高溫爐，陶瓷材料模具，管材毛坯以及工作水。
2.一種外加熱并產(chǎn)生成形縮口管狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(shù)及組件。即將電熱高溫爐置于管材毛坯外部，透過管壁從外到內(nèi)加熱管坯中的工作水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。本技術(shù)主要由管材坯料、外置式電熱高溫爐、工作水、密封對(duì)沖沖頭四部分組成。
3.一種外加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備主要由三大部分14個(gè)基本構(gòu)件組成，第一部分為加熱及成形設(shè)備，包括高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷模具(1)、電熱高溫爐(2)、爐殼(3)、模具及爐體固定支架(11)；第二部分為管材毛坯支架及密封組件，包括管材坯料(9)、管材毛坯支架(8)、工作水(10)、對(duì)沖沖頭密封組件(6)；第三部分為控制設(shè)備，包括控溫儀(4，12)，模具開合控制設(shè)備(5，13)，管材支架移動(dòng)控制設(shè)備(7，14)。設(shè)備特點(diǎn)是電熱高溫爐與模具放置在一起，兩者近于一體設(shè)計(jì)，其中模具為高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷材料模具，即高溫爐的爐膛即為高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷材料模具。電熱高溫爐置于陶瓷材料模具和管材毛坯的外面，采用外加熱的方式，透過陶瓷模具和管壁間接對(duì)置于模腔中的管材坯料中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。
4.一種外加熱金屬管材高溫超高壓水壓一次成形方法。該方法步驟為①首先將欲成形的管材坯料中充滿水或充填一定量的水，并用錐形對(duì)沖沖頭將管坯開口端加以密封；②將加滿水(或一定量水)并且密封的管材坯料置于外套高溫爐的凹形陶瓷模腔中進(jìn)行加熱，隨著管材中水溫的升高，由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)管材內(nèi)部由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力超過管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁，直至管壁外表面基本與凹形模具內(nèi)模表面一致；③停止加熱，當(dāng)管材中的水溫降至安全溫度時(shí)，打開模具和對(duì)沖沖頭，這樣就得到各種縮口管狀金屬部件。本方法不僅適合加工軸線為直線的零件，而且可以成形軸線為曲線的零件(如成形汽車支架等)，其方法是先在數(shù)控彎管機(jī)上將管坯彎曲到要求的形狀，然后注入一定量的水加以密封，再放到外套高溫爐的模具內(nèi)加熱成形出所需零件。此外，這種工藝還適用于制造沿構(gòu)件軸線具有不同截面形狀的空心構(gòu)件，即可以一次整體成形沿構(gòu)件軸線截面有變化的空心構(gòu)件，其截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面等。
5.如權(quán)利要求3中所述的加熱及成形設(shè)備。包括高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷模具(1)、外置式電熱高溫爐(2)、爐殼(3)、模具及爐體固定支架(11)。其特點(diǎn)是電熱高溫爐置于模具的外面，模具為高強(qiáng)度、耐高溫的凹形陶瓷材料模具，即電熱高溫爐的爐膛即為凹形陶瓷材料模具。因此，本方法設(shè)備中的凹形陶瓷材料模具具有雙重作用，既為模具，又是爐膛。其特征如下模具組件(1)其特征為凹形高強(qiáng)度、耐高溫的陶瓷模具(如氮化硅陶瓷模具等)。模具通常分為上下兩半，下模連同下部高溫爐一起固定在支架上。上?？梢宰杂砷_合和移動(dòng)并由液壓機(jī)械(5，13)來控制。上模和下模均為凹形模具，其內(nèi)模形態(tài)據(jù)需要為限定的任意的可加工的形態(tài)，如葫蘆狀、串珠狀、方形、圓形、三角形、梯形等。其上模腔和下模腔形態(tài)可以是相同的對(duì)稱的，也可以是不同的非對(duì)稱的。另外，在縱向上，模具可以為直線，也可以根據(jù)需要為各種曲線模具。外置式電熱高溫爐及爐殼組件(2，3)其特征為電熱高溫爐置于模具外部，采用外加熱的方式透過模具加熱管材毛坯中的工作水，使其產(chǎn)生膨脹管壁所需的內(nèi)高壓。如果電爐工作溫度低于1000℃時(shí)用高電阻合金(如Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金)電熱元件(電熱絲或電熱帶)，工作溫度為1000-1350℃時(shí)使用碳化硅電熱元件(棒或管)，1350-1600℃(最高達(dá)1800℃)時(shí)用鉑、鉑銠合金絲或硅化鉬電熱元件(棒或管)。電熱高溫爐緊套在模具(1)的外面，與模具相配套，高溫爐也分為上下兩半，其開合和移動(dòng)由液壓機(jī)械(5，13)來控制。爐殼組件(3)是由厚鋼材加工而成，緊套在高溫電熱爐的外面，起緊固模具的作用，可承受管材熱膨脹時(shí)的沖擊力。鋼板外殼與模具(1)和電熱高溫爐(2)相配套，也分為上下兩半，其開合由液壓機(jī)械(5，13)來控制。模具及爐體固定支架(11)特征為由高強(qiáng)度鋼或鑄鐵加工而成，作用是固定下模及下半高溫爐。
6.如權(quán)利要求3中所述的管材毛坯支架及密封組件。包括管材坯料(9)、管材毛坯支架(8)、工作水(10)、對(duì)沖沖頭密封組件(6)。其特征如下管材毛坯支架組件(8)由高強(qiáng)度鋼或鑄鐵加工而成，作用是放置和固定管材毛坯。對(duì)沖沖頭密封組件(6)由高強(qiáng)度合金材料加工而成的錐形或球形塞頭，與管材開口端采用以彈性形變?yōu)榛A(chǔ)的錐面-錐面、錐面-球面密封。此沖頭固定在管材毛坯支架上(8)，通過軸向移動(dòng)施壓密封管材毛坯開口端。管材坯料(9)為各種類型、不同厚度、不同內(nèi)外徑的金屬管材，包括高強(qiáng)度的鈦合金、碳素鋼，以及不銹鋼、銅、鋁合金等金屬材料。管材坯料中的工作水(10)為普通水，工作時(shí)加入少量的乙二醇，以降低高溫高壓水(超臨界水)對(duì)高壓容器和筒狀金屬毛坯內(nèi)壁的腐蝕性。其充填量和充填度，隨金屬管材的性質(zhì)(強(qiáng)度、屈服溫度、膨脹系數(shù)、延展性等)、膨脹程度、管壁的厚度等不同而不同。
7.如權(quán)利要求3中所述的控制設(shè)備。包括控溫儀(4，12)，模具開合控制設(shè)備(5，13)，管材支架移動(dòng)控制設(shè)備(7，14)。其特征如下溫度控制設(shè)備組件(4，12)用來控制高溫爐的升溫、降溫和恒溫。熱電偶有兩種，一種是鎳鉻-鎳鋁熱電偶，測(cè)溫精度可達(dá)0.2℃；另一種是鉑-鉑銠熱電偶，測(cè)溫精度可達(dá)0.2℃。該溫度控制設(shè)備是一種可編程的程序升溫控制儀。模具開合控制設(shè)備組件(5，13)，采用液壓機(jī)械控制的方式，用以控制上模的開合和移動(dòng)。并在管材毛坯成形過程中，對(duì)模具施加一定的外力，從而使管材毛坯在膨脹觸及模具的一瞬間，上模和下模間不會(huì)發(fā)生位移。管材毛坯支架移動(dòng)控制設(shè)備組件(7，14)。采用液壓機(jī)械控制，通過上下、前后、左右移動(dòng)的方式，在加工之前將管材毛坯準(zhǔn)確地放入外套高溫爐的凹形模腔中(1)，當(dāng)金屬部件加工完成后又將其快速取出。此外，此機(jī)械設(shè)備同時(shí)控制向管材毛坯兩端的一對(duì)沖沖頭施加軸向?qū)_壓力，以進(jìn)給補(bǔ)料和密封管材開口端。
全文摘要
一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓，一次成形縮口管狀金屬部件的技術(shù)、方法和設(shè)備。設(shè)備包括，1.加熱及成形設(shè)備凹形陶瓷模具(1)、外置式電熱高溫爐(2)；2.管材裝載及密封設(shè)備管材坯料(9)、管材支架(8)、工作水(10)、密封沖頭(6)；3.控制設(shè)備溫度、模具、及管材支架控制設(shè)備。成形方法及步驟①將管坯中加滿水(或一定量水)，用對(duì)沖沖頭將管材兩端開口加以密封；②將加滿水的管坯置于爐膛為凹形陶瓷模具的電熱高溫爐中加熱；③當(dāng)管坯中由高溫水所產(chǎn)生的壓力超過管壁所能承受的張力時(shí)，膨脹管材毛坯的壁，直至其外表面與內(nèi)模表面基本一致；④停止加熱，取出所加工的金屬部件。本發(fā)明可成形軸線為直線、曲線，以及變截面的縮口管狀金屬部件。
文檔編號(hào)B21D26/033GK1824405SQ20051008993
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者孫旭光 申請(qǐng)人:孫旭光