專利名稱：內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形技術(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容器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)行縮口容器狀金屬部件的一次成形。
成形過(guò)程中所需內(nèi)高壓來(lái)源于高溫水所產(chǎn)生的巨大壓力，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(shuō)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(lái)源，常溫流體(水或油)為成形介質(zhì)，以管材作坯料，通過(guò)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(diǎn)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(duì)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(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，技術(shù)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?yàn)榻饘倜魇窃诘蜏貏傂誀顟B(tài)下膨脹變形；⑤加工高強(qiáng)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)明是一種內(nèi)加熱金屬容器(超)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)行縮口容器狀金屬部件的一次成形。本方法無(wú)論從壓力產(chǎn)生機(jī)理、成形介質(zhì)、成形過(guò)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(guò)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(zhǎng)27mm、寬11mm的裂口(見(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(lái)進(jìn)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(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，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術(shù)(見(jiàn)圖2A)。其特點(diǎn)為，成形過(guò)程中所需的內(nèi)高壓來(lái)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(shuō)，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(jiàn)圖1A)。我們正是利用水的這一特性來(lái)進(jìn)行縮口容器狀金屬部件的一次成形。即將充滿水的金屬容器毛坯的開(kāi)口端，用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)密封塞頭加以密封，并放入凹形金屬材料模具中；然后開(kāi)啟密封塞頭上的電熱高溫爐，從容器毛坯內(nèi)部對(duì)容器毛坯中的工作水進(jìn)行直接加熱；隨著水溫的逐步升高，容器坯料中由高溫水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加；當(dāng)此高溫水壓超過(guò)容器毛坯壁所能承受的張力時(shí)，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與內(nèi)模表面基本一致，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)的縮口容器狀金屬部件(見(jiàn)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(shí)驗(yàn)中得到印證(見(jiàn)圖1B-1，圖1B-2)。
本發(fā)明第二項(xiàng)內(nèi)容涉及一種內(nèi)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(shù)及組件(見(jiàn)圖4)。技術(shù)特點(diǎn)為，將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封塞頭將加滿水的容器毛坯密封時(shí)，焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)容器毛坯中的工作水進(jìn)行直接加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形坯料為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。
本技術(shù)主要由容器毛坯、焊接在密封塞頭上的高溫電熱元件、以及工作水三部分組成。
本發(fā)明的第三項(xiàng)內(nèi)容涉及一種內(nèi)加熱電熱高溫爐組件。其特點(diǎn)是將U形高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當(dāng)焊有高溫電熱元件的塞頭將加滿水的容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱元件將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行直接加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生成形容器毛坯為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。
本組件包括高溫電熱元件(6-1)、絕緣涂層(6-2)、電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體(6-3)三部分。
電熱元件采用碳化硅棒(工作溫度為1000-1350℃)，或硅化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達(dá)1800℃)。使用前對(duì)碳化硅棒和硅化鉬棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使碳化硅棒和硅化鉬棒外表面產(chǎn)生一層較厚的耐高溫硅質(zhì)絕緣及防氧化層，然后用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化硅棒和硅化鉬棒高溫電熱元件外面，從而避免電熱元件與高溫水直接接觸，以保護(hù)碳化硅棒和硅化鉬棒外表面的硅質(zhì)絕緣層，延長(zhǎng)高溫電熱元件的使用壽命。
高溫電熱元件連同外面的金屬保護(hù)殼體緊緊且牢固地焊接密封塞頭上，這既要保證電熱元件與工作水和密封塞頭之間絕對(duì)的絕緣性，又要保證電熱元件與密封塞頭間的高度密封性。
本發(fā)明的第四項(xiàng)內(nèi)容涉及一種金屬容器毛坯預(yù)加熱的技術(shù)及組件。其特征是在金屬材料模具外面套一中溫爐，并透過(guò)模具對(duì)模腔中的容器毛坯及其中的工作水進(jìn)行預(yù)加熱的技術(shù)。即采用‘內(nèi)應(yīng)外合’的加熱成形技術(shù)。
本發(fā)明的第五項(xiàng)內(nèi)容是內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備主要包括三大部分12個(gè)基本組件(見(jiàn)圖4)。第一部分為加熱及成形設(shè)備，包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封塞頭上電熱高溫爐(6)、中溫預(yù)熱爐(2)、及模具外殼(3)；第二部分為金屬容器毛坯密封及移動(dòng)設(shè)備，包括金屬容器毛坯(8)及托架(4)、密封塞頭(5)、金屬套圈(7)、工作水(9)；第三部分為控制設(shè)備，包括溫度控制設(shè)備(10)、模具開(kāi)合控制設(shè)備(11)、以及容器毛坯托架移動(dòng)控制設(shè)備(12)。
設(shè)備特點(diǎn)①將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封塞頭將加滿水的容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱高溫爐將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓；②模具與高溫電熱元件分開(kāi)，因此模具可選用金屬材料模具；③凹形模具外面套有一中溫預(yù)熱爐，即采用‘內(nèi)應(yīng)外合’的成形技術(shù)；④金屬容器毛坯托架可采用單列式設(shè)計(jì)，也可采用陣列式或轉(zhuǎn)盤式設(shè)計(jì)，并與模具相對(duì)應(yīng)，一批次可裝卸、加工多個(gè)金屬部件；⑤本設(shè)備不僅可以加工薄壁、低強(qiáng)度的金屬材料(如銅、鋁合金等)，也可以成形厚壁、高強(qiáng)度金屬材料(如鈦合金、碳素鋼，以及不銹鋼等)；⑥本設(shè)備不僅可以加工如圓形、橢圓形、方形等形態(tài)簡(jiǎn)單的縮口容器狀金屬部件，也可以成形如串珠狀等形態(tài)復(fù)雜的縮口容器狀金屬部件(見(jiàn)圖3)。
本發(fā)明的第六項(xiàng)內(nèi)容是內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形方法(見(jiàn)圖5A，5B，5C，5D和5E)。其步驟為1)預(yù)加工壁厚均勻的金屬容器毛坯；2)將金屬容器毛坯中充滿水，并用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)塞頭將容器毛坯開(kāi)口端加以密封；3)將加滿水并且密封的金屬容器毛坯置于外套中溫爐的模腔中，并對(duì)容器毛坯及其中的工作水進(jìn)行預(yù)加熱；4)開(kāi)啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫；5)隨著爐溫的逐步升高，容器毛坯中由高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水壓超過(guò)容器毛坯壁所能承受的張力時(shí)，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與凹形模具內(nèi)模表面基本一致；6)停止加熱，當(dāng)所加工的金屬部件和容器中的高溫工作水降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)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)的縮口容器狀金屬部件。
對(duì)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兩個(gè)半片再焊接成整體構(gòu)件。與沖壓焊接工藝相比，高溫高壓液力成形的主要優(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)明與傳統(tǒng)意義上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(lái)源)不同。傳統(tǒng)液壓成形過(guò)程中壓力來(lái)源于液壓泵中的機(jī)械壓力。而本發(fā)明中的內(nèi)高壓來(lái)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。傳統(tǒng)液壓成形過(guò)程中的成形介質(zhì)是常溫流體(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(guò)程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同。傳統(tǒng)液壓成形過(guò)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(diǎn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響；④由此所造成的成形設(shè)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(diǎn)①成本低，主要設(shè)備組件為焊有高溫電熱元件的密封塞頭、凹形金屬材料模具、容器毛坯、及工作水；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(wàn)個(gè)大氣壓，甚至更高；③增壓非常容易，只要焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐將容器毛坯中的工作水加熱到200℃、500℃、1000℃，容器毛坯中的高溫工作水就可產(chǎn)生300MPa、800MPa、1800MPa的內(nèi)高壓，并均勻作用于四周容器壁上；④所加工部件壁厚和質(zhì)地均勻，因?yàn)榻饘偃萜髅魇窃谝环N近于塑性狀態(tài)下膨脹，即塑性變形，因此只要條件計(jì)算和控制適當(dāng)，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(qiáng)度鋼等難成形的容器狀金屬部件，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下成形；⑥可加工厚壁容器狀金屬部件，因是在高溫?zé)釥顟B(tài)下膨脹。
4.


圖1A為水在高溫下所產(chǎn)生巨大壓力示意圖；將充滿水的封閉的金屬容器分別加熱到200℃、500℃和1000℃，容器中由高溫水所產(chǎn)生的內(nèi)高壓將會(huì)達(dá)到200MPa、800MPa、1800MPa。
圖1B不同金屬材料和壁厚的高壓釜在高溫水下膨脹實(shí)驗(yàn)實(shí)例1B-1鈦、鉬合金高壓釜在350℃高溫水所產(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℃高溫水所產(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(shù)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)明的內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備及主要構(gòu)件剖面結(jié)構(gòu)示意圖1-凹形金屬材料模具；2-中溫預(yù)熱爐；3-及模具外殼；4-容器毛坯托架(①是本發(fā)明的陣列式金屬容器毛坯托架示意圖；②是本發(fā)明的轉(zhuǎn)盤金屬容器毛坯托架示意圖)；5-密封塞頭；6-焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐(61-高溫電熱元件；62-絕緣涂層；63-電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體)；7-金屬套圈；8-金屬容器毛坯；9-工作水；10-溫度控制設(shè)備；11-模具開(kāi)合控制設(shè)備；12-容器毛坯托架移動(dòng)控制設(shè)備。
圖5是本發(fā)明的內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形方法及步驟示意5A內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖①將金屬毛坯預(yù)加工成壁厚均勻的容器狀(或筒狀)金屬坯料；②將金屬容器毛坯中充滿水，并用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)塞頭將容器毛坯開(kāi)口端加以密封；圖5B內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖③將加滿水并且密封的金屬容器毛坯置于容器毛坯托架上，然后置于外套中溫爐的凹形金屬模腔中，關(guān)閉左右模具，利用中溫爐對(duì)容器毛坯及其中的工作水進(jìn)行預(yù)加熱；圖中容器毛坯處于低溫未變形狀態(tài)。
圖5C內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖④開(kāi)啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫；⑤隨著爐溫的逐步升高，容器毛坯中高溫工作水(超臨界水)的工作壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水壓超過(guò)容器毛坯壁所能承受的張力時(shí)，膨脹容器毛坯的壁使其變形；
圖中金屬容器毛坯處于初始膨脹狀態(tài)。
圖5D內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑥隨著容器毛坯中工作水的工作溫度和工作壓力的進(jìn)一步升高，容器毛坯壁繼續(xù)膨脹變形，直至其外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；圖中金屬容器毛坯處于高溫完全膨脹狀態(tài)。
圖5E內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑦停止加熱，當(dāng)所加工的金屬部件和容器中的高溫工作水降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)模具和塞頭，并取出所工的縮口容器狀金屬部件。
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、飛船返回艙等)、以及兵器工業(yè)等。
本次暫以最簡(jiǎn)單的橢圓形(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5A-5E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，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術(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(guò)程中所需的內(nèi)高壓來(lái)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(shuō)，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(lái)進(jìn)行縮口容器狀金屬部件的一次成形。即將充滿水的金屬容器毛坯的開(kāi)口端，用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)密封塞頭加以密封，并放入凹形金屬材料模具中；然后開(kāi)啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，從容器毛坯內(nèi)部對(duì)容器毛坯中的工作水進(jìn)行直接加熱；隨著水溫的逐步升高，容器坯料中由高溫水所產(chǎn)生的壓力也迅速增加；當(dāng)此高溫水壓超過(guò)容器毛坯壁所能承受的張力時(shí)，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與內(nèi)模表面基本一致，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)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(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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(lái)進(jìn)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(diǎn)①壓力產(chǎn)生機(jī)理(或壓力來(lái)源)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)程中壓力來(lái)源于液壓泵中的機(jī)械壓力，而本發(fā)明中的內(nèi)高壓來(lái)源于容器毛坯中的水在高溫下所產(chǎn)生的巨大靜水壓；②成形介質(zhì)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)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(guò)程中金屬坯料所處的狀態(tài)不同。常規(guī)液壓成形過(guò)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)備主要由焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐、凹形金屬材料模具、容器毛坯、以及工作水四部分組成。
2.一種內(nèi)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(shù)及組件。其特征為，將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封塞頭將加滿水的容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱高溫爐將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行直接加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓；本技術(shù)主要由容器毛坯、焊接在密封塞頭上的高溫電熱元件、以及工作水三部分組成。
3.一種內(nèi)加熱電熱高溫爐組件。其特征是，將U形高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當(dāng)焊有電熱高溫爐的塞頭將加滿水的容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱元件將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。本組件包括高溫電熱元件(6-1)、絕緣涂層(6-2)、電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體(6-3)三部分。電熱元件采用碳化硅棒(工作溫度為1000-1350℃)，或硅化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達(dá)1800℃)。使用前對(duì)碳化硅棒和硅化鉬棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使碳化硅棒和硅化鉬棒外表面產(chǎn)生一層較厚的耐高溫硅質(zhì)絕緣及防氧化層，然后用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化硅棒和硅化鉬棒高溫電熱元件外面，從而避免電熱元件與高溫水直接接觸，以保護(hù)碳化硅棒和硅化鉬棒外表面的硅質(zhì)絕緣層，延長(zhǎng)高溫電熱元件的使用壽命。高溫電熱元件連同外面的金屬保護(hù)殼體須緊緊且牢固地焊接密封塞頭上，這既要保證電熱元件與工作水和密封塞頭之間絕對(duì)的絕緣性，又要保證電熱元件與密封塞頭間高度的密封性。
4.一種金屬容器毛坯預(yù)加熱的技術(shù)及組件。其特征是在金屬材料模具外面套一中溫爐，并透過(guò)模具對(duì)模腔中的容器毛坯及其中的工作水進(jìn)行預(yù)加熱的技術(shù)。即采用‘內(nèi)應(yīng)外合’的加熱成形技術(shù)。
5.一種內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形設(shè)備。設(shè)備主要包括三大部分12個(gè)基本組件。第一部分為加熱及成形設(shè)備包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封塞頭上電熱高溫爐(6)、中溫預(yù)熱爐(2)、及模具外殼(3)；第二部分為金屬容器毛坯密封及移動(dòng)設(shè)備包括金屬容器毛坯(8)及托架(4)、密封塞頭(5)、金屬套圈(7)、工作水(9)；第三部分為控制設(shè)備包括溫度控制設(shè)備(10)、模具開(kāi)合控制設(shè)備(11)、以及容器毛坯托架移動(dòng)控制設(shè)備(12)。設(shè)備特點(diǎn)①將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過(guò)程中，當(dāng)密封塞頭將加滿水的容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱高溫爐將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓；②模具與電熱高溫爐分開(kāi)，因此模具可選用金屬材料模具；③凹形模具外面套有一中溫預(yù)熱爐，即采用‘內(nèi)應(yīng)外合’的成形技術(shù)。
6.一種內(nèi)加熱金屬容器(超)高溫超高壓水壓一次成形方法。該方法步驟為①預(yù)加工壁厚均勻的金屬容器毛坯；②將金屬容器毛坯中充滿水，并用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)塞頭將容器毛坯開(kāi)口端加以密封；③將加滿水并且密封的金屬容器毛坯置于外套中溫爐的凹形金屬材料模具中，并對(duì)容器毛坯及其中的工作水進(jìn)行預(yù)加熱；④開(kāi)啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫；⑤隨著爐溫的逐步升高，容器毛坯中由高溫工作水(超臨界水)所產(chǎn)生的壓力也迅速增加，當(dāng)此高溫水壓超過(guò)容器毛坯壁所能承受的張力時(shí)，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與凹形內(nèi)模表面基本一致；⑥停止加熱，當(dāng)所加工的金屬部件和容器中的高溫工作水降至安全溫度時(shí)，打開(kāi)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)的縮口容器狀金屬部件。
7.如權(quán)利要求5中所述的加熱及成形設(shè)備組件，包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封塞頭上電熱高溫爐(6)、中溫預(yù)熱爐(2)、及模具外殼(3)。其特點(diǎn)是將U形高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當(dāng)焊有高溫電熱元件的塞頭將加滿水的容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，電熱元件將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，即采用內(nèi)加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。此外，由于電熱高溫爐與模具分開(kāi)，因此本設(shè)備模具可采用金屬材料模具。各組件特征如下模具組件(1)其特征為凹形金屬材料模具。模具通常分為左右兩半，可以自由開(kāi)合并由液壓機(jī)械來(lái)控制(11)。左模和右模均為凹形模具，其內(nèi)模形態(tài)為限定的任意可加工的形態(tài)，如葫蘆狀、串珠狀、方形、三角形、圓形、梯形、橢圓形等其它任意形態(tài)。其左右模腔體形態(tài)可以是相同的、對(duì)稱的，也可以是不同的、非對(duì)稱的。凹形金屬材料模具連同其外部的中溫電熱爐(2)及模具外殼(3)可以是單個(gè)設(shè)置，也可以是多個(gè)模具呈陣列式，或呈轉(zhuǎn)盤式組合，并與陣列式或轉(zhuǎn)盤式金屬容器毛坯托架(4)及焊有高溫電熱元件的密封塞頭(5)相配合，一次可同時(shí)加工多個(gè)相同或不同的容器狀金屬部件。焊接在密封塞頭上的高溫電熱元件(6)其特征為，將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當(dāng)塞頭將容器毛坯開(kāi)口端密封時(shí)，高溫電熱元件將從容器毛坯內(nèi)部對(duì)其中的工作水進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生膨脹容器毛坯壁并成形為縮口容器狀金屬部件所需的內(nèi)高壓。本組件包括高溫電熱元件(6-1)、絕緣涂層(6-2)、電熱元件外面的金屬保護(hù)殼體(6-3)三部分。電熱元件采用碳化硅棒(工作溫度為1000-1350℃)，或硅化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達(dá)1800℃)。使用前對(duì)碳化硅棒和硅化鉬棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使碳化硅棒和硅化鉬棒外表面產(chǎn)生一層較厚的耐高溫硅質(zhì)絕緣及防氧化層，然后用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化硅棒和硅化鉬棒高溫電熱元件外面，從而避免電熱元件與高溫水直接接觸，以保護(hù)碳化硅棒和硅化鉬棒外表面的硅質(zhì)絕緣層，延長(zhǎng)高溫電熱元件的使用壽命。高溫電熱元件連同外面的金屬保護(hù)殼體緊緊且牢固地焊接密封塞頭上，這既要保證電熱元件與工作水和密封塞頭之間絕對(duì)的絕緣性，又要保證密封塞頭在高溫高壓條件下仍具有高度的密封性。中溫電熱爐組件(2)。其特征是由高電阻合金(如Ni-Cr和Fe-Cr-Al合金)電熱元件(電熱絲或電熱帶)制成，緊套在凹形金屬材料模具(1)的外面，與模具相配套，也分為左右兩部分，其開(kāi)合和移動(dòng)由液壓機(jī)械(11)來(lái)控制。其作用是對(duì)容器毛坯及其中的工作水進(jìn)行預(yù)加熱。高溫爐與中溫爐的升溫、恒溫、降溫由溫度控制設(shè)備(10)來(lái)控制。模具外殼組件(3)是由厚鋼板制成，緊套在中溫爐的外面，起緊固模具的作用，可承受金屬容器毛坯熱膨脹時(shí)的沖擊力。
8.如權(quán)利要求5中所述的金屬容器毛坯密封及移動(dòng)設(shè)備，包括金屬容器毛坯(8)、容器毛坯托架(4)、密封塞頭(5)、金屬套圈(7)、工作水(9)。各組件特征如下金屬容器毛坯托架(4)。其特征是由不銹鋼材料加工而成的放置和固定金屬容器毛坯的托架，可采用單列式設(shè)計(jì)，也可采用陣列式或轉(zhuǎn)盤式(4)設(shè)計(jì)，并與模具(1)相對(duì)應(yīng)和配合，一批次可裝卸、加工多個(gè)相同的或不同的縮口容器狀金屬部件。焊有高溫電熱元件的金屬容器毛坯密封塞頭組件(5)。其特征為由高強(qiáng)度金屬材料加工而成的焊有高溫電熱元件的錐形或球形塞頭，與容器毛坯開(kāi)口端采用以彈性形變?yōu)榛A(chǔ)的錐面-錐面、錐面-球面密封。容器狀金屬毛坯(8)。容器毛坯是由金屬坯料預(yù)加工而成的壁厚均勻的容器狀毛坯，它可以是不同材料、不同壁厚、不同內(nèi)外徑的金屬容器毛坯，包括高強(qiáng)度的鈦合金、碳素鋼、不銹鋼，以及低強(qiáng)度的銅、鋁合金等金屬材料。容器中的工作水(9)，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)金屬容器毛坯以及焊接在密封塞頭上的高溫電熱元件的腐蝕。其充填量和充填度，隨金屬容器毛坯材料的性質(zhì)(強(qiáng)度、屈服溫度、膨脹系數(shù)、延展性等)、膨脹程度、容器的壁厚不同而不同。金屬套圈(7)。其特征是一種由耐高溫、高強(qiáng)度合金材料(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的容器毛坯上，其作用是防止容器毛坯在成形過(guò)程中首先從此處膨脹，從而限定容器毛坯只在的凹形金屬模腔中膨脹。
9.如權(quán)利要求5中所述的控制設(shè)備，包括溫度控制設(shè)備組件(10)、模具開(kāi)合控制設(shè)備組件(11)、以及金屬容器毛坯托架移動(dòng)控制設(shè)備組件(12)。其特征如下溫度控制設(shè)備組件(10)用以控制高溫爐和中溫爐的升溫、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(kāi)合控制設(shè)備組件(11)，采用液壓機(jī)械控制的方式，用以控制左模或右模的開(kāi)合。并在金屬容器加工過(guò)程中，對(duì)模具施加一定的外力，從而使金屬容器毛坯在膨脹觸及模具的一瞬間，左右模具間不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。金屬容器毛坯托架移動(dòng)控制設(shè)備組件(12)，采用機(jī)械控制，通過(guò)上下、前后、左右移動(dòng)的方式，在加工之前將金屬容器毛坯放入外套中溫爐的凹形模腔中(1)，加工完成之后，又將縮口容器狀金屬部件快速取出。
全文摘要
一種利用水在高溫下所產(chǎn)生的巨大內(nèi)高壓，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術(shù)、方法和設(shè)備。設(shè)備包括，1.加熱及成形設(shè)備凹形金屬模具(1)、電熱高溫爐(6)、中溫預(yù)熱爐(2)；2.毛坯托架及密封設(shè)備容器毛坯(8)、密封塞頭(5)、工作水(9)、毛坯托架(4)；3.控制設(shè)備。成形方法及步驟①將容器毛坯中充滿水，并用塞頭將其開(kāi)口端加以密封；②將加滿水且密封的容器毛坯置于外套中溫爐的凹形模腔中；③開(kāi)啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，采用內(nèi)加熱的方式加熱容器中的水至高溫；④當(dāng)此高溫水壓超過(guò)容器毛坯壁所能承受的張力時(shí)，膨脹容器的壁，直至其外表面與內(nèi)模表面基本一致；⑤停止加熱，取出所加工的金屬部件。本發(fā)明可成形各種高強(qiáng)度、厚壁縮口容器狀金屬部件。
文檔編號(hào)B21D26/02GK1824415SQ20051009364
公開(kāi)日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者孫旭光 申請(qǐng)人:孫旭光