内加热金属容器高温超高压水压一次成形技术、方法与设备技术

一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，一次成形缩口容器状金属部件的技术、方法和设备。设备由三部分组成，１．加热及成形设备：凹形金属模具（１）、电热高温炉（５）；２．毛坯托架及密封设备：容器毛坯（７）、密封塞头（４）、工作水（８）、毛坯托架（３）；３．控制设备。成形方法及步骤：①将容器毛坯中充满水，并用焊有高温电热元件的塞头将其开口端加以密封；②将加满水且密封的容器毛坯置于凹形模腔中；③开启密封塞头上的电热高温炉，采用内加热的方式加热容器中的工作水至高温；④当此高温水压超过容器毛坯壁所能承受的张力时，膨胀容器的壁，直至其外表面与内模表面基本一致；⑤停止加热，取出所加工的金属部件。本发明专利技术可成形各种高强度、厚壁缩口容器状金属部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种全新的缩口容器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，进行缩口容器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.
技术介绍
目前通常所说的液压成形(内高压成形)是以液压泵(水泵或油泵)为压力来源，常温流体(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。具体地是将金属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，需要一高性能高压水泵；②工作压力相对较低，最高工作压力通常为0.3-0.5GPa左右；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0.1GPa，技术要求很高，并且常常较为困难；④所加工的金属部件外表面容易产生扇形微裂隙，因为金属毛坯是在低温刚性状态下膨胀变形；⑤加工高强度金属部件(如钛合金等)受到限制，因是在低温状态下加工；⑥加工厚壁金属材料部件受到限制，因是在低温状态下加工。3.
技术实现思路
本专利技术是一种内加热金属容器高温超高压水压一次成形技术、方法与设备。本专利技术是利用水在高温下(超临界流体)所产生的巨大静压力这一技术及相关设备，进行缩口容器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。本专利技术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，来进行缩口容器状金属部件的一次成形提供了依据。本专利技术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，一次成形缩口容器状金属部件的技术(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容器状金属部件的一次成形。即将充满水的金属容器毛坯的开口端，用焊有高温电热元件的锥形(或球形)密封塞头加以密封，并放入凹形金属材料模具中；然后开启焊接在密封塞头上的电热高温炉，从容器毛坯内部对容器毛坯中的工作水进行直接加热；随着水温的逐步升高，容器毛坯中由高温工作水所产生的压力也迅速增加；当此高温水压超过容器毛坯壁所能承受的张力时，膨胀容器毛坯的壁使其变形，直至其外表面与内模表面基本一致，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容器状金属部件(见图2A，图2B)。水在高温下能够产生用于膨胀容器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)。本专利技术第二项内容涉及一种内加热并产生成形缩口容器状金属部件所需内高压的技术及组件(见图4)。技术特点为，将高温电热元件焊接在密封塞头上，成形过程中，当密封塞头将加满水的容器毛坯密封时，电热高温炉将从容器毛坯内部对容器毛坯中的工作水进行直接加热，即采用内加热的方式加热容器毛坯中的工作水至高温，产生膨胀容器毛坯壁并成形坯料为缩口容器状金属部件所需的内高压。本技术主要由容器毛坯、焊接在密封塞头上的高温电热元件、以及工作水三部分组成。本专利技术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塞头上，当焊有高温电热元件的塞头将加满水的容器毛坯开口端密封时，电热元件将从容器毛坯内部对其中的工作水进行直接加热，产生成形容器毛坯为缩口容器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塞头上，这既要保证电热元件与工作水和密封塞头之间的绝对的绝缘性，又要保证电热元件与密封塞头间高度的密封性。本专利技术的第四项内容是内加热金属容器高温超高压水压一次成形设备。设备主要包括三大部分11个基本组件(见图4)。第一部分为加热及成形设备，包括凹形金属材料模具(1)、焊接在密封塞头上电热高温炉(5)、及模具外壳(2)；第二部分为金属容器毛坯密封及移动设备，包括金属容器毛坯(7)及托架(3)、密封塞头(4)、金属套圈(6)、工作水(8)；第三部分为控制设备，包括温度控制设备(9)、模具开合控制设备(10)、以及容器毛坯托架移动控制设备(11)。设备特点①将高温电热元件焊接在密封塞头上，成形过程中，当密封塞头将加满水的容器毛坯密封时，电热高温炉将从内部对容器毛坯中的工作水进行加热，即采用内加热的方式加热容器毛坯中的工作水至高温，产生膨胀容器毛坯壁并成形为缩口容器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金属容器毛坯托架可采用单列式设计，也可采用阵列式或转盘式设计，并与模具相对应，一批次可装卸、加工多个金属部件；④本设备不仅可以加工薄壁、低强度的金属材料(如铜、铝合金等)，也可以成形厚壁、高强度金属材料(如钛合金、碳素钢，以及不锈钢等)；⑤本设备不仅可以加工如圆形、椭圆形、方形等形态简单的缩口容器状金属部件，也可以成形如串珠状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水在高温下所产生的巨大静压力，一次成形缩口容器状金属部件的技术。本专利技术是基于水的状态方程、水的ｐ－Ｖ－Ｔ关系图、以及下面两组高温超高压热模拟实验结果。其技术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。根据水 的ｐ－Ｖ－Ｔ关系图以及水的状态方程，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／ｃｍ↑［３］），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（即充填度为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的内高压，并均匀作用于四周容器壁上。我们正是利用水的这一特性来进行缩口容器状金属部件的一次成形。即将充满水的金属容器毛坯的开口端，用焊有高温电热元件的锥形（或球形）密封塞头加以密封，并放入凹形金属材料模具中；然后开启密封塞头上的电热高温炉，从容器毛坯内部对容器毛坯中的工作水进行直接加热；随着水温的逐步升高，容器毛坯中由高温工作水所产生的压力也迅速增加；当此高温水压超过容器毛坯壁所能承受的张力时，膨胀容器毛坯的壁使其变形，直至其外表面与内模表面基本一致，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容器状金属部件。水在高温下能够产生用于膨胀容器坯料的巨大的内高压可以从以下两组高温高压实验中得到印证。一组是将加满水（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；第二组实验方法与第一组相同，即将加满水（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。此现象为我们利...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭光，
申请(专利权)人：孙旭光，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]