專利名稱：外加熱金屬容器高—中溫超高水壓一次成形技術、方法與設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全新的縮口容器狀金屬部件水壓一次成形技術、方法與設備。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及相關設備，進行縮口容器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.背景技術目前通常所說的液壓成形(內(nèi)高壓成形)是以液壓泵(水泵或油泵)為壓力來源，常溫流體(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。具體地是將金屬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。此方法的缺點及局限①成本較高，需要一高性能高壓水泵；②工作壓力相對較低，最高工作壓力通常為0.3-0.5GPa左右；③升壓較為困難，對于普通的液壓泵，若要在工作壓力范圍的基礎上再提升0.1GPa，技術要求很高，并且常常較為困難；④所加工的金屬部件外表面容易產(chǎn)生扇形微裂隙，因為金屬毛坯是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形；⑤加工高強度金屬部件(如鈦合金等)受到限制，因是在低溫狀態(tài)下加工；⑥加工厚壁金屬材料部件受到限制，因是在低溫狀態(tài)下加工。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形技術、方法與設備。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及相關設備，進行縮口容器狀金屬部件的一次成形。本方法無論從壓力產(chǎn)生機理、成形介質(zhì)、成形過程中金屬所處的狀態(tài)，還是從設備構件上都與傳統(tǒng)的液壓成形技術和設備不同，它是一種全新的技術、方法和設備。
本發(fā)明是基于水的狀態(tài)方程、水的p-V-T關系圖、以及下面兩組以水為傳壓介質(zhì)高溫超高壓熱模擬實驗結果提出的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先設定好的程序逐漸升溫。當爐溫升至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長27mm、寬11mm的裂口(見圖1B-1)；②同樣的實驗方法，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先設置好的程序逐漸升溫。當爐溫升至450℃和480℃時，由高壓釜內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓導致兩個不銹鋼高壓釜體均向外膨脹，釜體外徑由實驗前的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，來進行縮口容器狀金屬部件的一次成形提供了依據(jù)。
本發(fā)明的一項內(nèi)容是一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力，一次液壓成形縮口容器狀金屬部件的技術(見圖2A)。其特點為，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關系是水的基本的物理化學性質(zhì)，水的密度隨著溫度和壓力變化而變化，當壓力增高時，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，要維持常溫常壓下水的密度(1g/cm3)，所需外部壓力分別要達到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行縮口容器狀金屬部件的一次成形。即將充滿水或充填一定量水的金屬容器毛坯，加以密封，然后通過熱傳導的方式間接加熱容器毛坯中的水至高溫。隨著水溫的升高，容器坯料中由高溫水所產(chǎn)生的壓力迅速增加，當由高溫工作水所產(chǎn)生的壓力超過容器毛坯壁所能承受的張力時，容器毛坯的壁開始膨脹，此時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)的縮口容器狀金屬部件(見圖2A和2B)。水在高溫下能夠產(chǎn)生用于膨脹容器坯料的巨大的內(nèi)高壓可以從上述兩組高溫高壓實驗中得到印證(見圖1B-1，圖1B-2)。
本發(fā)明第二項內(nèi)容涉及一種外加熱并產(chǎn)生成形縮口容器狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術及組件(見圖4)。其特點是將高溫爐置于高壓容器外部(外置式電熱高溫爐)，從外部透過高壓容器壁間接對高壓容器中的工作水進行加熱，使其產(chǎn)生成形過程中所需內(nèi)高壓的技術。外加熱容器工作時整體溫度相同，由于高溫條件下容器材料的強度明顯降低，故外加熱高壓容器的工作壓力和工作溫度相對較低，但外加熱高壓容器的高壓密封性較好。
本技術主要由高壓容器、外置式電熱高溫爐、工作水三部分組成。
本發(fā)明第三項內(nèi)容涉及一種以熱傳導的方式間接加熱容器坯料腔體中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術及組件其特征在于，首先將高壓容器和金屬容器坯料中都加滿水，然后采用外加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，以高壓容器中的高溫工作水為熱源，利用高壓容器與金屬坯料之間的水溫差，通過連接高壓容器和容器毛坯之間的高壓金屬管線，以熱傳導的方式，將高壓容器中工作水的高溫傳導到容器坯料腔體水中，間接加熱容器坯料腔體中的水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹容器坯料壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術(見圖5)。
本技術主要包括高壓容器、外置式電熱高溫爐、高壓金屬管線、金屬容器毛坯、以及工作水五個基本組件。
本發(fā)明第四項內(nèi)容涉及一種以壓力傳導的方式直接提供膨脹容器毛坯壁，并一次成形縮口容器狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術及組件其特點是，首先將高壓容器中加滿水，然后通過外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，當由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達到預定的壓力時，開啟高壓容器和金屬坯料之間的高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓經(jīng)由高壓金屬管線傳導到容器毛坯腔體中，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至容器坯料的外表面與模具內(nèi)模表面基本一致的技術(見圖6A，6B，6C，6D和6E)。
本技術主要包括高壓容器、外置式電熱高溫爐、高壓金屬管線、高壓截止閥、金屬容器毛坯、以及工作水六個基本組件。
本發(fā)明的第五項內(nèi)容是一種外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形設備。其特征是本設備包含四大部分17個基本組件(見圖4)。第一部分為高溫高壓設備(壓力源)包括高壓容器(1)、外置式電熱高溫爐(2)及爐殼(3)、工作水(4)；第二部分為溫度(或壓力)傳導設備包括高壓金屬管線(5)及保溫套(6)、高壓閥(7)；第三部分為成形設備包括凹形模具(12)及殼體(13)、模具支架(15)、金屬容器毛坯支架(9)、金屬容器毛坯(11)、密封塞頭(8)、金屬套圈(10)；第三部分為控制設備，包括溫度控制設備(2，16)、模具開合及移動控制設備(14，17)。
設備特點①采用外加熱的方式，加熱高壓容器中的工作水，使其產(chǎn)生成形過程中所需的內(nèi)高壓，即將電熱高溫爐置于高壓容器外部，透過高壓容器壁對容器中的工作水進行加熱；②壓力源(高溫爐和高壓容器)與模具分開放置，模具為金屬材料模具(如不銹鋼材料模具)；③成形過程中所需的內(nèi)高壓是由高壓容器中的高溫水(超臨界水)產(chǎn)生，并經(jīng)由高壓金屬管線傳導到容器毛坯腔體中；④設備的高壓密封性好，但高壓容器壁的抗張強度相對較低；⑤本設備不僅可以加工薄壁、低強度的金屬材料(如銅、鋁合金等)，也可以成形厚壁、高強度金屬材料(如鈦合金、碳素鋼，以及不銹鋼等)；⑥本設備不僅可以加工如圓形、橢圓形、方形等形態(tài)簡單的縮口容器狀金屬部件，也可以成形如串珠狀等形態(tài)較復雜的縮口容器狀金屬部件(見圖3)。
本發(fā)明第六項內(nèi)容涉及一種壓力傳導外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形方法其特點是，利用高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓，通過高壓金屬管線將內(nèi)高壓傳遞到容器毛坯腔體中，直接提供膨脹金屬容器毛坯壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。具體步驟(見圖6A，6B，6C，6D和6E)如下①首先將金屬毛坯預制成壁厚均勻的容器狀(或筒狀)金屬坯料；②將高壓容器中加滿水；③用有軸向通孔的塞頭將容器毛坯開口端加以密封，塞頭的另一端則用高壓金屬管線將塞頭和高壓容器相連；④用支架將容器毛坯置于凹形模腔中；⑤開啟高壓容器外部的外置式電熱高溫爐，采用外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫；⑥當高壓容器中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達到預定的壓力時，開啟高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓通過高壓金屬管線傳導到容器毛坯的腔體中，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至容器坯料的外表面基本與模具內(nèi)模表面一致；⑦關閉高壓閥，打開模具和塞頭，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)縮口容器狀金屬部件。
本發(fā)明第七項內(nèi)容涉及一種熱傳導外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形方法其特點是，首先采用外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，然后通過高壓金屬管線，將高壓容器中高溫工作水的高溫傳遞到金屬坯料腔體水中，以熱傳導的方式間接加熱金屬坯料腔體中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓(見圖5)。具體步驟如下①將金屬毛坯預制成壁厚均勻的容器狀(或筒狀)金屬坯料；②將高壓容器中加滿水，金屬毛坯的腔體中也加滿水；③用有軸向通孔的塞頭將容器毛坯開口端加以密封，塞頭的另一端則用高壓金屬管線將塞頭和高壓容器相連；④用支架將容器毛坯置于凹形模腔中；⑤開啟高壓容器外部的外置式電熱高溫爐，采用外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫；⑥高壓容器中由高溫工作水所產(chǎn)生的高溫通過高壓金屬管線傳導到容器毛坯腔體水中，間接加熱容器毛坯腔體中的水至高溫，當此高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹金屬毛坯的壁使其變形，直至金屬坯料的外表面基本與模具內(nèi)模表面一致；⑦停止加熱，降低爐溫和所加工的金屬部件至安全的溫度；⑧打開模具和塞頭，這樣就得到各種縮口容器狀金屬部件。
對于縮口容器狀金屬部件，傳統(tǒng)制造工藝一般為先沖壓成形2個半片再焊接成整體構件。與沖壓焊接工藝相比，高溫高壓液力成形的主要優(yōu)點是減輕質(zhì)量，節(jié)約材料；減少了零件和模具的數(shù)量，降低了模具費用和生產(chǎn)成本；提高了產(chǎn)品強度與剛度。
本發(fā)明與傳統(tǒng)液壓成形最大的不同有三點一是壓力產(chǎn)生機理(或壓力來源)不同。傳統(tǒng)液壓成形過程中壓力來源于液壓泵中機械壓力，而本方法中壓力來源于水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜態(tài)壓力；二是成形介質(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；三是成形過程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同，傳統(tǒng)液壓成形過程中金屬材料是在低溫剛性狀態(tài)下膨脹變形，而本發(fā)明中金屬坯料是在高溫塑性狀態(tài)下膨脹變形。由此所造成的成形設備組件及加工方法也不同。
與傳統(tǒng)的液壓成形相比，本方法具有如下幾方面優(yōu)點①成本低，主要設備組件為高壓容器、高溫爐和凹形模具；②使用壓力范圍寬，可從幾十個大氣壓，一直可連續(xù)變化到1.5萬個大氣壓，甚至更高；③增壓非常容易，只要高溫電熱爐將高壓容器中的水加熱到200℃、500℃、700℃，高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的壓力即可達到300MPa、800MPa、1200MPa；④所加工部件壁厚和質(zhì)地均勻，因為金屬容器毛坯是在一種近于塑性狀態(tài)下膨脹，即塑性變形，因此只要條件計算和控制適當，金屬容器外壁由于膨脹所產(chǎn)生的扇形微裂隙就可避免；⑤可加工鈦合金、高強度鋼等難成形的容器狀金屬部件，因是在高溫熱狀態(tài)下成形；⑥可加工厚壁所口容器狀金屬部件，因是在高溫熱狀態(tài)下膨脹。
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2A 是本發(fā)明的金屬容器高溫超高壓液壓一次成形技術示意圖；利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大壓力一次成形縮口容器狀金屬部件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2B 是本發(fā)明的金屬容器高溫超高壓液壓一次成形步驟示意圖；a-加水；b-密封；c-加熱；d-膨脹。
圖3 部分縮口容器狀金屬部件產(chǎn)品示意圖a-橢圓形；b-圓形；c-方形；d-串珠形。
圖4 是本發(fā)明的外加熱高—中溫高壓金屬容器液力一次成形設備及主要構件示意圖1-高壓容器；2-外置式電熱高溫爐；3-爐殼；4-工作水；5-高金屬管線；6-保溫套；7-高壓閥；8-密封塞頭；9-容器毛坯支架；10-金屬套圈；11-容器毛坯；12-凹形模具；13-模具外殼；15-模具支架；16-控溫儀；17-模具開合及移動控制設備。
圖5 是本發(fā)明的熱傳導高—中溫高壓金屬容器液力一次成形示意圖將高壓容器和容器毛坯空腔中都加滿水，采用熱傳導的方式加熱容器坯料中的水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹容器壁并形成縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。
圖6A 壓力傳導高—中溫高壓金屬容器液力一次成形步驟示意圖①將金屬毛坯預加工成壁厚均勻的容器狀(或筒狀)金屬毛坯，并使其符合本發(fā)明設備加工要求；②將高壓容器中加滿水。
圖6B 壓力傳導高—中溫高壓金屬容器液力一次成形步驟示意圖①用有軸向通孔的錐形塞頭將容器毛坯開口端加以密封；②將容器毛坯置于容器毛坯支架上，并置于凹形模腔內(nèi)，下行上模；③開啟高壓容器外部的電熱高溫爐，程序升溫高壓容器中的工作水至設定的溫度，使其產(chǎn)生成形過程中所需的內(nèi)高壓。圖中金屬容器毛坯處于低溫未變形狀態(tài)。
圖6C 壓力傳導高—中溫高壓金屬容器液力一次成形步驟示意圖當高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的壓力達到一定程度時，開啟高壓閥，提供膨脹容器毛坯所需要的內(nèi)高壓。圖中金屬容器毛坯處于初始膨脹狀態(tài)；圖6D 壓力傳導高—中溫高壓金屬容器液力一次成形步驟示意圖隨著高壓容器中工作水的工作溫度和工作壓力進一步升高，容器毛坯的壁繼續(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。圖中容器毛坯處于高溫完全膨脹狀態(tài)。
圖6E 壓力傳導高—中溫高壓金屬容器液力一次成形步驟示意圖關閉高壓閥，停止向金屬容器毛坯腔體中提供壓力，當所加工的金屬部件降至安全溫度時，打開模具并取出所加工的縮口容器狀金屬部件。
5.優(yōu)選實施例的詳細描述本方法和技術適用的領域非常廣，它不僅可用于汽車(摩托車)工業(yè)、機械工業(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)(如各類導彈彈體、飛船返回艙等)、以及兵器工業(yè)等。
本次暫以橢圓形(或圓形)容器狀金屬部件為優(yōu)選實施例，具體加工實施方法及步驟如圖6A-6E中所述。
權利要求
1.一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜壓力，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術。本發(fā)明是基于水的狀態(tài)方程、水的p-V-T關系圖、以及下面兩組高溫超高壓熱模擬實驗結果。其技術特點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，當壓力增高時，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，要維持常溫常壓下水的密度(1g/cm3)，所需外部壓力分別要達到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行縮口容器狀金屬部件的一次成形。即利用熱傳導的方式間接加熱金屬容器毛坯中的工作水至高溫，隨著水溫的升高，容器坯料中由高溫水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當高溫水所產(chǎn)生的壓力超過容器壁所能承受的張力時，膨脹容器毛坯的壁使其變形，此時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)的縮口容器狀金屬部件。水在高溫下能夠產(chǎn)生用于膨脹容器坯料的巨大的內(nèi)高壓可以從以下兩組高溫高壓實驗中得到印證。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先設定好的程序逐漸升溫。當爐溫升至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長27mm、寬11mm的裂口；第二組實驗方法與第一組相同，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先設置好的程序逐漸升溫。當爐溫升至450℃和480℃時，由高壓釜內(nèi)部的高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓導致兩個不銹鋼高壓釜體均向外膨脹，釜體外徑由實驗前的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，來進行縮口容器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①壓力產(chǎn)生機理(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械壓力，而本發(fā)明中的內(nèi)高壓來源于高壓容器中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。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)液壓成形過程中金屬材料是在低溫剛性狀態(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，此特點對產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響；④由此所造成的成形設備組件及加工方法也不同。常規(guī)液壓成形設備主要由液壓泵、模具和金屬坯料組成，而本發(fā)明設備主要包括高溫高壓設備(高壓容器+高溫爐)(內(nèi)高壓產(chǎn)生設備)、成形設備(金屬材料模具)、以及熱傳導(壓力傳導)設備(高壓金屬管線+保溫套)。
2.一種外加熱并產(chǎn)生內(nèi)高壓(高溫)的技術及組件。即將高溫爐置于高壓容器外部(外置式電熱高溫爐)，從外部透過高壓容器壁間接對高壓容器中的工作水進行加熱，使其產(chǎn)生成形過程中所需內(nèi)高壓的技術。外加熱容器工作時整體溫度相同，由于高溫條件下容器材料的強度明顯降低，故外加熱高壓容器的工作壓力和工作溫度相對較低。本技術主要由高壓容器、外置式電熱高溫爐、工作水三部分組成。
3.一種以熱傳導的方式間接加熱金屬坯料腔體中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術及組件其特征在于，首先將高壓容器和金屬容器坯料中都加滿水，然后采用外加熱方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，以高壓容器中的高溫水為熱源，利用高壓容器中高溫水和金屬坯料中的中—低溫水之間的溫度差，通過連接高壓容器和容器毛坯之間的高壓金屬管線，以熱傳導的方式，將高壓容器中工作水的高溫傳導到容器坯料腔體水中，間接加熱容器坯料腔體中的水至高溫，使其產(chǎn)生膨脹容器坯料壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓的技術。本技術主要包括高壓容器、外置式電熱高溫爐、高壓金屬管線、金屬容器毛坯、以及工作水五個基本組件。此項技術使高溫爐與模具分開放置，從而使模具材料的選擇范圍變寬，模具可使用金屬材料模具(如不銹鋼模具)。熱傳導技術適合加工的范圍較寬，它不僅適合于成形毛坯腔體體積大、膨脹程度大、強度高、壁厚的縮口容器狀金屬部件，也適合于加工壁薄、強度低、膨脹程度小的金屬部件。
4.一種以壓力傳導的方式直接提供膨脹容器毛坯壁，并一次成形縮口容器狀金屬部件所需內(nèi)高壓的技術及組件。其特點是，首先將高壓容器中加滿水，然后通過外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，當由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達到預定的壓力時，開啟高壓容器和金屬坯料之間的高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓經(jīng)由連接高壓容器和金屬坯料的高壓金屬管線傳導到容器毛坯的腔體中，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至金屬坯料的外表面基本與模具內(nèi)模表面一致的技術。本技術主要包括高壓容器、外置式電熱高溫爐、高壓金屬管線、高壓截止閥、金屬容器毛坯、以及工作水六個基本組件。相對于熱傳導來說，壓力傳導成形方法，對于那些成形壓力較低、或腔體較小、或膨脹程度較小、或強度較低、或壁較薄的容器毛坯較為適合。
5.一種外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形設備。本設備包含四大部分17個基本組件，第一部分為高溫高壓設備(壓力源)包括高壓容器(1)、外置式電熱高溫爐(2)及爐殼(3)、工作水(4)；第二部分為溫度(或壓力)傳導設備包括高壓金屬管線(5)及保溫套(6)、高壓閥(7)；第三部分為成形設備包括凹形模具(12)及殼體(13)、模具支架(15)、金屬毛坯支架(9)、金屬毛坯(11)、密封塞頭(8)、金屬套圈(10)；第四部分為控制設備，包括溫度控制設備(2，16)、模具開合及移動控制設備(14，17)。設備特點①采用外加熱的方式，加熱高壓容器中的工作水，使其產(chǎn)生成形過程中所需的內(nèi)高壓，即將電熱高溫爐置于高壓容器外部，透過高壓容器壁對容器中的工作水進行加熱；②壓力源(高溫爐和高壓容器)與模具分開放置，模具可使用金屬材料模具(如不銹鋼材料模具)；③成形過程中所需的內(nèi)高壓是由高壓容器中的高溫水(超臨界水)產(chǎn)生，并經(jīng)由高壓金屬管線傳導到容器毛坯腔體中；④設備的高壓密封性好，但高壓容器壁的抗張強度相對較低。
6.一種壓力傳導外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形方法其特點是，利用高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓，通過高壓金屬管線將內(nèi)高壓傳遞到容器毛坯腔體中，直接提供膨脹金屬容器毛坯壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。具體步驟如下①首先將金屬毛坯預制成壁厚均勻的容器狀(或筒狀)金屬坯料；②將高壓容器中加滿水；③用有軸向通孔的塞頭將容器毛坯開口端加以密封，塞頭的另一端則用高壓金屬管線將塞頭和高壓容器相連；④用支架將容器毛坯置于凹形模腔中；⑤開啟高壓容器外部的外置式電熱高溫爐，采用外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫；⑥當高壓容器中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力達到預定的壓力時，開啟高壓閥，這樣由高壓容器中高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓通過高壓金屬管線傳導到容器毛坯的腔體中，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至容器坯料的外表面基本與模具內(nèi)模表面一致；⑦關閉高壓閥，打開模具和塞頭，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)縮口容器狀金屬部件。
7.一種熱傳導外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形方法其特點是，首先采用外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫，然后通過高壓金屬管線，將高壓容器中高溫工作水的高溫傳遞到金屬坯料腔體水中，以熱傳導的方式間接加熱金屬坯料腔體中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并一次成形縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。具體步驟如下①將金屬毛坯預制成壁厚均勻的容器狀(或筒狀)金屬坯料；②將高壓容器中加滿水，金屬毛坯的腔體中也加滿水；③用有軸向通孔的塞頭將容器毛坯開口端加以密封，塞頭的另一端則用高壓金屬管線將塞頭和高壓容器相連；④用支架將容器毛坯置于凹形模腔中；⑤開啟高壓容器外部的外置式電熱高溫爐，采用外加熱的方式加熱高壓容器中的工作水至高溫；⑥高壓容器中由高溫工作水所產(chǎn)生的高溫通過高壓金屬管線傳導到容器毛坯腔體水中，間接加熱容器毛坯腔體中的水至高溫，當此高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹金屬毛坯的壁使其變形，直至金屬坯料的外表面基本與模具內(nèi)模表面一致；⑦停止加熱，降低爐溫和所加工的金屬部件至安全的溫度；⑧打開模具和塞頭，這樣就得到各種縮口容器狀金屬部件。
8.如權利要求5中所述的高溫高壓設備，即壓力產(chǎn)生設備。包括高壓容器(1)、外置式電熱高溫爐(2)、爐殼(3)、及工作水(4)。其特征如下高壓容器(1)所用材料可以是高強度、高熔點的鈦合金、鈦鉬合金、工具鋼、不銹鋼，也可以是其它高強度、耐高溫的合金材料；容器外部形態(tài)和內(nèi)部形態(tài)可以是圓形、正方形，也可以是其它耐高壓的形態(tài)；此容器可在500℃高溫下長時間承受0.8GPa左右的內(nèi)部水壓。此外，在保證能承受0.8GPa的內(nèi)部水壓的前提下，高壓容器容積盡可能大，容水量盡可能多，這樣使金屬毛坯膨脹的程度就大。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高壓容器的外部，采用外加熱的方式透過容器壁加熱高壓容器中的工作水，使其產(chǎn)生膨脹金屬容器毛坯壁所需的內(nèi)高壓。如果電爐工作溫度低于1000℃時用高電阻合金(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℃時使用碳化硅電熱元件(棒或管)，1350-1600℃(最高達1800℃)時用鉑、鉑銠合金絲或硅化鉬電熱元件(棒或管)。考慮到高壓容器的鋼材或合金的強度隨溫度的升高而降低，外加熱容器工作時整體溫度相同，由于高溫條件下容器材料的強度明顯降低，故工作壓力和工作溫度相對較低。因此，外加熱設備中高溫爐電熱元件采用Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金，或碳化硅電熱元件即可。高溫爐爐殼(3)由薄鋼板加工而成。工作水(4)為普通水，并加入少量的乙二醇，以降低高溫高壓水(超臨界水)對高壓容器和容器毛坯內(nèi)壁的腐蝕性。高壓容器中的水為充滿狀態(tài)，而容器毛坯中的水可以是充滿的，半充滿的或不充填水，這要視成形壓力高低、容器腔體大小、膨脹系數(shù)、膨脹程度大小、材料強度、容器坯料壁厚薄等來定。
9.如權利要求5中所述的溫度(或壓力)傳導設備。包括高壓金屬管線(5)及保溫套(6)、高壓閥(7)。其特征如下高壓金屬管線(5)采用小內(nèi)外徑比的優(yōu)質(zhì)不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)金屬管線，并能長時間承受0.8GPa的內(nèi)部水壓。管線一端焊接在高壓容器(1)，或密封沖頭(8)上，另一端則焊接在錐形或球形接頭上，接頭與高壓閥(7)則采用以彈性形變?yōu)榛A的錐面-錐面、錐面-球面密封。該管線起壓力和溫度傳導作用，即將高壓容器中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的高壓和高溫傳導到管材坯料中，提供膨脹管材所需的內(nèi)高壓。金屬管線保溫套組件(6)由耐高溫的石棉等保溫材料做的帶子纏繞到高壓金屬管線外面，作用是保證高壓容器中的高溫工作水的高溫在傳導到金屬毛坯腔體水的過程中熱量損失盡可能小。高壓閥組件(7)由不銹鋼材料精制而成的高壓截止閥，高壓閥兩側各加工一個加工有含錐面的螺母，通過接頭一側與高壓容器(1)相連，另一側與密封沖頭(8)相接。閥中的閥針(球)與閥座的密封以彈性形變?yōu)橹?，制造時二者一起研磨，要求精度高。高壓閥與金屬管線接頭采用以彈性形變?yōu)榛A的錐面-錐面、錐面-球面密封。閥的作用是隨時將高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓傳送到筒狀金屬毛坯腔體，提供成形過程中所需的內(nèi)高壓。
10.如權利要求5中所述的成形設備。包括凹形模具(12)及殼體(13)、模具支架(15)、金屬毛坯支架(9)、金屬毛坯(11)、密封塞頭(8)、金屬套圈(10)。其特征如下凹形模具組件(12)為一金屬材料(如不銹鋼材料)凹形模具。模具分上、下(或左、右)兩半，一半固定，另一半可以自由開合和移動并由液壓機械來控制(14，17)。上模和下模(或左模和右模)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、橢圓形、梯形等形態(tài)。據(jù)需要，上模和下模模腔形態(tài)可以是相同的、對稱的，也可以是不同的、非對稱的。模具殼體組件(13)是由厚鋼板制成，緊套在模具外面，起緊固模具的作用，可承受金屬毛坯熱膨脹時的沖擊力。鋼板外殼與模具(12)相配套，為近于一體設計，也分為上下兩部分，其開合和移動由液壓機械來控制(14，17)。模具固定支架組件(15)由厚鋼材或鑄鐵加工而成，作用是使下模固定，而只移動上模。金屬毛坯支架(9)由優(yōu)質(zhì)鋼材加工而成，其作用是固定金屬毛坯，而相對移動的是凹形模具。金屬毛坯(11)。為一經(jīng)過預加工的壁厚均勻的容器狀金屬毛坯。其材料可以是高強度的鈦合金、碳素鋼，也可以是不銹鋼，以及強度較低的銅、鋁合金等金屬材料。金屬套圈(10)是一種由耐高溫、高強度金屬材料(如鈦合金等)加工而成的金屬套圈，緊套在密封塞頭和模具之間，其作用是防止金屬坯料在成形過程中首先從此處膨脹，從而限定金屬坯料只在的凹形模腔中膨脹。金屬毛坯密封塞頭組件(8)為由高強度金屬材料(鈦合金、不銹鋼等)精加工而成的有軸向通孔的錐體(或球體)。此塞頭通過線密封或面密封將容器毛坯開口端加以密封，塞頭的另一端焊接到高壓金屬管線上并經(jīng)過高壓閥與高壓容器相連，從而使高壓容器中由高溫水(超臨界水)所產(chǎn)生的內(nèi)高壓經(jīng)由高壓管線傳導到容器毛坯腔體中，膨脹容器毛坯的壁。除上述高溫高壓設備、溫度(壓力)傳導設備、成形設備外，本發(fā)明的外加熱金屬容器高—中溫超高壓水壓一次成形設備還包含控制設備，如溫度控制設備(2，16)、模具開合及移動控制設備(14，17)。其特征為溫度控制設備組件(2，16)。用以控制高溫爐的升溫、降溫以及恒溫。熱電偶有兩種，一種是鎳鉻-鎳鋁熱電偶，測溫精度可達0.2℃；另一種是鉑-鉑銠熱電偶，測溫精度可達0.2℃。溫度控制設備是一種可編程的程序升溫控制儀。模具開合及移動控制設備組件(14，17)。采用液壓機械控制的方式，用以控制權利要求11中所述的上模的開合和移動(下模為固定的)。并在筒狀金屬毛坯成形過程中，對模具施加一定的外力，從而使筒狀金屬毛坯在膨脹觸及到模具的一瞬間，上下模具間不會發(fā)生相對移動。
全文摘要
一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓，通過熱傳導(或壓力傳導)，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術、方法和設備。設備由四部分組成1.高溫高壓設備高壓容器(1)、外置式電熱高溫爐(2)、工作水(4)；2.溫度(或壓力)傳導設備高壓金屬管線(5)、高壓閥(7)；3.成形設備凹形模具(12)、容器毛坯(11)、密封塞頭(8)；4.控制設備溫度和模具控制設備。成形方法分兩種一是壓力傳導，直接利用高壓容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓，經(jīng)由金屬管線傳導到容器毛坯中，膨脹毛坯壁；二是熱傳導，通過金屬管線，將高壓容器中高溫水的高溫傳導到容器毛坯水中，間接加熱坯料中的水至高溫，產(chǎn)生膨脹坯料壁所需的內(nèi)高壓。本發(fā)明可用于成形高強度、厚壁縮口容器狀金屬部件。
文檔編號B21D26/02GK1824406SQ20051008993
公開日2006年8月30日 申請日期2005年8月8日 優(yōu)先權日2005年8月8日
發(fā)明者孫旭光 申請人:孫旭光