內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形技術、方法與設備的製作方法
2023-10-26 15:37:37 2
專利名稱：內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形技術、方法與設備的製作方法
技術領域：
本發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。
成形過程中所需內高壓來源於高溫水所產生的巨大壓力，成形介質為高溫超高壓水(超臨界水)，金屬坯料是在高溫狀態下成形。
2.背景技術目前通常所說的液壓成形(內高壓成形)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，以管材作坯料，通過管材內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並用液壓泵向毛坯內部提供高壓流體，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，對於普通的液壓泵，若要在工作壓力範圍的基礎上再提升0.1GPa，技術要求很高，並且常常較為困難；④所加工的金屬部件外表面容易產生扇形微裂隙，因為金屬毛坯是在低溫剛性狀態下膨脹變形；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，因是在低溫狀態下加工。
3.發明內容本發明是一種內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形技術、方法與設備。本發明是利用水在高溫下(超臨界流體)所產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生機理、成形介質、成形過程中金屬所處的狀態，還是從設備構件上都與傳統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。
本發明是基於水的狀態方程、水的p-V-T關係圖、以及下面兩組以水為傳壓介質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，內徑為8mm，內外徑比為1∶6的Rene41鈦鉬合金高壓釜通過錐形塞頭加以密封，然後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℃，發現由釜體內部的高溫水所產生的巨大內高壓使該鈦鉬合金高壓釜體向外膨脹並爆裂一個長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，內徑為8mm，內外徑比為1∶7.5的兩個不鏽鋼高壓釜體通過錐形塞頭加以密封，然後放入管式爐中，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，由高壓釜內部的高溫水所產生的巨大內高壓導致兩個不鏽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)。此現象為我們利用水介質在高溫下所產生巨大的靜壓力，來進行縮口容器狀金屬部件的一次成形提供了依據。
本發明的一項內容涉及一種利用水在高溫下所產生的巨大靜壓力，一次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高壓來源於水在高溫下所產生的巨大壓力。水的p-V-T關係是水的基本的物理化學性質，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生約0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的壓力，並均勻作用於四周容器壁上(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。即將充滿水的金屬容器毛坯的開口端，用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)密封塞頭加以密封，並放入凹形金屬材料模具中；然後開啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，從容器毛坯內部對容器毛坯中的工作水進行直接加熱；隨著水溫的逐步升高，容器毛坯中由高溫工作水所產生的壓力也迅速增加；當此高溫水壓超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與內模表面基本一致，這樣就得到各種既具有外部形態又具有內部形態的雙形態的縮口容器狀金屬部件(見圖2A，圖2B)。水在高溫下能夠產生用於膨脹容器坯料的巨大的內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)。
本發明第二項內容涉及一種內加熱並產生成形縮口容器狀金屬部件所需內高壓的技術及組件(見圖4)。技術特點為，將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過程中，當密封塞頭將加滿水的容器毛坯密封時，電熱高溫爐將從容器毛坯內部對容器毛坯中的工作水進行直接加熱，即採用內加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產生膨脹容器毛坯壁並成形坯料為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓。
本技術主要由容器毛坯、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。
本發明的第三項內容涉及一種內加熱電熱高溫爐組件。其特點是將U形高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當焊有高溫電熱元件的塞頭將加滿水的容器毛坯開口端密封時，電熱元件將從容器毛坯內部對其中的工作水進行直接加熱，產生成形容器毛坯為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓。
本組件包括高溫電熱元件(5-1)、絕緣塗層(5-2)、電熱元件外面的金屬保護殼體(5-3)三部分。
電熱元件採用碳化矽棒(工作溫度為1000-1350℃)，或矽化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達1800℃)。使用前對碳化矽棒和矽化鉬棒在高溫下進行燒結，使碳化矽棒和矽化鉬棒外表面產生一層較厚的耐高溫矽質絕緣及防氧化層，然後用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化矽棒和矽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，以保護碳化矽棒和矽化鉬棒外表面的矽質絕緣層，延長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的絕對的絕緣性，又要保證電熱元件與密封塞頭間高度的密封性。
本發明的第四項內容是內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形設備。設備主要包括三大部分11個基本組件(見圖4)。第一部分為加熱及成形設備，包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封塞頭上電熱高溫爐(5)、及模具外殼(2)；第二部分為金屬容器毛坯密封及行動裝置，包括金屬容器毛坯(7)及託架(3)、密封塞頭(4)、金屬套圈(6)、工作水(8)；第三部分為控制設備，包括溫度控制設備(9)、模具開合控制設備(10)、以及容器毛坯託架移動控制設備(11)。
設備特點①將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過程中，當密封塞頭將加滿水的容器毛坯密封時，電熱高溫爐將從內部對容器毛坯中的工作水進行加熱，即採用內加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產生膨脹容器毛坯壁並成形為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓；②模具與高溫電熱元件分開，因此模具可選用金屬材料模具；③金屬容器毛坯託架可採用單列式設計，也可採用陣列式或轉盤式設計，並與模具相對應，一批次可裝卸、加工多個金屬部件；④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，以及不鏽鋼等)；⑤本設備不僅可以加工如圓形、橢圓形、方形等形態簡單的縮口容器狀金屬部件，也可以成形如串珠狀等形態複雜的縮口容器狀金屬部件(見圖3)。
本發明的第五項內容是內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形方法(見圖5A，5B，5C，5D和5E)。其步驟為1)預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，並用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)塞頭將容器毛坯開口端加以密封；3)將加滿水並且密封的金屬容器毛坯置於凹形金屬材料模具中；4)開啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，採用內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)所產生的壓力也迅速增加，當此高溫水壓超過金屬容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與凹形模具內模表面基本一致；6)停止加熱，當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，打開模具和塞頭，這樣就得到各種既具有外部形態又具有內部形態的雙形態的縮口容器狀金屬部件。
對於縮口容器狀金屬部件，傳統製造工藝一般為先衝壓成形兩個半片再焊接成整體構件。與衝壓焊接工藝相比，高溫高壓液力成形的主要優點是減輕質量、節約材料；減少了零件和模具的數量，降低了模具費用和生產成本；提高了產品強度與剛度。
本發明與傳統意義上的液壓成形最大的不同有三點①壓力產生機理(或壓力來源)不同。傳統液壓成形過程中壓力來源於液壓泵中的機械壓力。而本發明中的內高壓來源於高壓容器中水本身在高溫下所產生的巨大靜壓力；②成形介質不同。傳統液壓成形過程中的成形介質是常溫流體(水或油)，而本發明中的成形介質為高溫超高壓水(超臨界水)，而非傳統意義上的液體；③成形過程中金屬坯料所處的狀態不同。傳統液壓成形過程中金屬材料是在低溫剛性狀態下膨脹變形，而本發明中金屬坯料是在高溫近於塑性的狀態下膨脹變形，此特點對產品質量有很大影響；④由此所造成的成形設備組件及加工方法也不同。
與傳統的液壓成形相比，本方法具有如下幾方面優點①成本低，主要設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使用壓力範圍寬，可從幾十個大氣壓，一直連續變化到2.0萬個大氣壓，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生300MPa、800MPa、1800MPa的內高壓，並均勻作用於四周容器壁上；④所加工部件壁厚和質地均勻，因為金屬容器毛坯是在一種近於塑性狀態下膨脹，即塑性變形，因此只要條件計算和控制適當，容器外壁由於膨脹所產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，因是在高溫熱狀態下成形；⑥可加工厚壁容器狀金屬部件，因是在高溫熱狀態下膨脹。
4.
圖1A為水在高溫下所產生巨大壓力示意圖；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生的內高壓將會達到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驗實例1B-1鈦、鉬合金高壓釜在350℃高溫水所產生的內高壓作用下膨脹及破裂圖(A)釜體壁厚及內外徑比(外徑48mm，內徑8mm，內外徑比1∶6)(B)圖1B-2不鏽鋼高壓釜在480℃高溫水所產生的內高壓作用下膨脹圖(A)釜體壁厚及內外徑比(外徑60mm，內徑8mm，內外徑比1∶7.5)(B)圖2A是本發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品示意圖a-橢圓形；b-圓形；c-方形；d-串珠形。
圖4是本發明的內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形設備及主要構件剖面結構示意圖1-凹形金屬材料模具；2-模具外殼；3-金屬容器毛坯託架(①是本發明的陣列式金屬容器毛坯託架示意圖；②是本發明的轉盤金屬容器毛坯託架示意圖)；4-密封塞頭；5-焊接在密封塞頭上電熱高溫爐(51-高溫電熱元件；52-絕緣塗層；53-電熱元件外面的金屬保護殼體)；6-金屬套圈；7-金屬容器毛坯；8-工作水；9-溫度控制設備；10-模具開合控制設備；11-容器毛坯託架移動控制設備。
圖5是本發明的內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形方法及步驟示意5A內加熱金屬容器高溫超高壓水壓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)金屬坯料；②將金屬容器毛坯中充滿水，並用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)塞頭將容器毛坯開口端加以密封；圖5B內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖③將加滿水並且密封的金屬容器毛坯置於容器毛坯託架上，然後置於凹形金屬模腔中，關閉左右模具；圖中容器毛坯處於低溫未變形狀態。
圖5C內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖④開啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，採用內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，當此高溫水壓超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹容器毛坯的壁使其變形；圖中金屬容器毛坯處於初始膨脹狀態。
圖5D內加熱金屬容器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一步升高，容器毛坯壁繼續膨脹變形，直至其外表面與凹形內模表面基本一致；圖中金屬容器毛坯處於高溫完全膨脹狀態。
圖5E內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形步驟示意圖⑦停止加熱，當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，打開模具和塞頭，並取出所工的縮口容器狀金屬部件。
5.優選實施例的詳細描述本方法和技術適用的領域非常廣，它不僅可用於汽車(摩託車)工業、機械工業、輕工業，也可用於艦船工業(尤其是潛水艇)、航空工業、宇航工業(如各類飛彈彈體、飛船返回艙等)、以及兵器工業等。
本次暫以最簡單的橢圓形(或圓形)縮口容器狀金屬部件為優選實施例，具體實施方法及加工步驟如圖5A-5E中所述。
權利要求
1.一種利用水在高溫下所產生的巨大靜壓力，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術。本發明是基於水的狀態方程、水的p-V-T關係圖、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高壓來源於水在高溫下所產生的巨大壓力。根據水的p-V-T關係圖以及水的狀態方程，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生約0.3GPa、0.8GPa、1.82GPa的內高壓，並均勻作用於四周容器壁上。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。即將充滿水的金屬容器毛坯的開口端，用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)密封塞頭加以密封，並放入凹形金屬材料模具中；然後開啟密封塞頭上的電熱高溫爐，從容器毛坯內部對容器毛坯中的工作水進行直接加熱；隨著水溫的逐步升高，容器毛坯中由高溫工作水所產生的壓力也迅速增加；當此高溫水壓超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與內模表面基本一致，這樣就得到各種既具有外部形態又具有內部形態的雙形態的縮口容器狀金屬部件。水在高溫下能夠產生用於膨脹容器坯料的巨大的內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，內徑為8mm，內外徑比為1∶6的Rene41鈦鉬合金高壓釜通過錐形塞頭加以密封，然後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℃，發現由釜體內部的高溫水所產生的巨大內高壓使該鈦鉬合金高壓釜體向外膨脹並爆裂一個長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，內徑為8mm，內外徑比為1∶7.5的兩個不鏽鋼高壓釜體通過錐形塞頭加以密封，然後放入管式爐中，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，由高壓釜內部的高溫水所產生的巨大內高壓導致兩個不鏽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。此現象為我們利用水介質在高溫下所產生巨大的靜壓力，來進行縮口容器狀金屬部件的一次成形提供了依據。本發明與目前常規的液壓成形最大的不同有三點①壓力產生機理(或壓力來源)不同。常規液壓成形過程中壓力來源於液壓泵中的機械壓力，而本發明中的內高壓來源於容器毛坯中的水在高溫下所產生的巨大靜水壓；②成形介質不同。常規液壓成形過程中的成形介質是常溫液體(水或油)，而本發明中的成形介質為高溫超高壓水(超臨界水)，而非傳統意義上的液體；③成形過程中金屬坯料所處的狀態不同。常規液壓成形過程中金屬材料是在低溫剛性狀態下膨脹變形，而本發明中金屬坯料是在高溫近於塑性狀態下膨脹變形；④由此所造成的成形設備組件及加工方法也不同。常規液壓成形設備主要由液壓泵、模具和金屬坯料組成，而本發明設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。
2.一種內加熱並產生成形縮口容器狀金屬部件所需內高壓的技術及組件。其特徵為，將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過程中，當密封塞頭將加滿水的容器毛坯開口端密封時，電熱高溫爐將從容器毛坯內部對容器毛坯中的工作水進行直接加熱，即採用內加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產生膨脹容器毛坯壁並成形為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓；本技術主要由容器毛坯、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。
3.一種內加熱電熱高溫爐組件。其特徵是，將U形高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當焊有電熱高溫爐的塞頭將加滿水的容器毛坯開口端密封時，電熱元件將從容器毛坯內部對其中的工作水進行加熱，即採用內加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產生膨脹容器毛坯壁並成形為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓。本組件包括高溫電熱元件(5-1)、絕緣塗層(5-2)、電熱元件外面的金屬保護殼體(5-3)三部分。電熱元件採用碳化矽棒(工作溫度為1000-1350℃)，或矽化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達1800℃)。使用前對碳化矽棒和矽化鉬棒在高溫下進行燒結，使碳化矽棒和矽化鉬棒外表面產生一層較厚的耐高溫矽質絕緣及防氧化層，然後用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化矽棒和矽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，以保護碳化矽棒和矽化鉬棒外表面的矽質絕緣層，延長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。
4.一種內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形設備。設備主要包括三大部分11個基本組件。第一部分為加熱及成形設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(5)、模具外殼(2)；第二部分為金屬容器毛坯密封及行動裝置包括金屬容器毛坯(7)及託架(3)、密封塞頭(4)、金屬套圈(6)、工作水(8)；第三部分為控制設備包括溫度控制設備(9)、模具開合控制設備(10)、以及容器毛坯託架移動控制設備(11)。設備特點①將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，成形過程中，當密封塞頭將加滿水的容器毛坯開口端密封時，電熱高溫爐將從容器毛坯內部對其中的工作水進行加熱，即採用內加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產生膨脹容器毛坯壁並成形為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓；②模具與電熱高溫爐分開，因此模具可選用金屬材料模具。
5.一種內加熱金屬容器高溫超高壓水壓一次成形方法。該方法步驟為①預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，並用焊有高溫電熱元件的錐形(或球形)塞頭將容器毛坯開口端加以密封；③將加滿水並且密封的金屬容器毛坯置於凹形金屬模腔中；④開啟焊接在密封塞頭上的電熱高溫爐，採用內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)所產生的壓力也迅速增加，當此高溫水壓超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹容器毛坯的壁使其變形，直至其外表面與凹形內模表面基本一致；⑥停止加熱，當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，打開模具和塞頭，這樣就得到各種既具有外部形態又具有內部形態的雙形態的縮口容器狀金屬部件。
6.如權利要求4中所述的加熱及成形設備組件，包括凹形金屬材料模具(1)、焊接在密封塞頭上電熱高溫爐(5)、模具外殼(2)。其特徵為，將U形高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當焊有高溫電熱元件的塞頭將加滿水的容器毛坯開口端密封時，電熱元件將從容器毛坯內部對其中的工作水進行加熱，即採用內加熱的方式加熱容器毛坯中的工作水至高溫，產生膨脹容器毛坯壁並成形為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓。此外，由於電熱高溫爐與模具分開，因此本設備模具可採用金屬材料模具。各組件特徵如下模具組件(1)其特徵為凹形金屬材料模具。模具通常分為左右兩半，可以自由開合併由液壓機械來控制(10)。左模和右模均為凹形模具，其內模形態為限定的任意可加工的形態，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。其左右模腔體形態可以是相同的、對稱的，也可以是不同的、非對稱的。凹形金屬材料模具可以是單個設置，也可以是多個模具呈陣列式，或呈轉盤式組合，並與陣列式或轉盤式金屬容器毛坯託架(3)及焊有高溫電熱元件的密封塞頭(4)相配合，一次可同時加工多個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(5)其特徵為，將高溫電熱元件焊接在密封塞頭上，當塞頭將容器毛坯開口端密封時，高溫電熱元件將從容器毛坯內部對其中的工作水進行加熱，使其產生膨脹容器毛坯壁並成形為縮口容器狀金屬部件所需的內高壓。本組件包括高溫電熱元件(5-1)、絕緣塗層(5-2)、電熱元件外面的金屬保護殼體(5-3)三部分。電熱元件採用碳化矽棒(工作溫度為1000-1350℃)，或矽化鉬棒(工作溫度1350-1600℃，最高達1800℃)。使用前對碳化矽棒和矽化鉬棒在高溫下進行燒結，使碳化矽棒和矽化鉬棒外表面產生一層較厚的耐高溫矽質絕緣及防氧化層，然後用耐高溫的金屬殼體包裹在碳化矽棒和矽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，以保護碳化矽棒和矽化鉬棒外表面的矽質絕緣層，延長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。高溫爐的升溫、恆溫、降溫由溫度控制設備(9)來控制。模具外殼組件(2)是由厚鋼板製成，緊套在模具外面，起緊固模具的作用，可承受金屬容器毛坯熱膨脹時的衝擊力。
7.如權利要求4中所述的金屬容器毛坯密封及行動裝置，包括金屬容器毛坯(7)、容器毛坯託架(3)、密封塞頭(4)、金屬套圈(6)、工作水(8)。各組件特徵如下金屬容器毛坯託架(3)。其特徵是由不鏽鋼材料加工而成的放置和固定金屬容器毛坯的託架，可採用單列式設計，也可採用陣列式或轉盤式(3)設計，並與模具(1)相對應和配合，一批次可裝卸、加工多個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(4)。其特徵為由高強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，與容器毛坯開口端採用以彈性形變為基礎的錐面-錐面、錐面-球面密封。容器狀金屬毛坯(7)。容器毛坯是由金屬坯料預加工而成的壁厚均勻的容器狀毛坯，它可以是不同金屬材料、不同壁厚、不同內外徑的金屬容器毛坯，包括高強度的鈦合金、碳素鋼、不鏽鋼，以及低強度的銅、鋁合金等金屬材料。容器中的工作水(8)，為普通水，工作時並加入少量的乙二醇，以降低高溫高壓水(超臨界水)對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(強度、屈服溫度、膨脹係數、延展性等)、膨脹程度、容器的壁厚不同而不同。金屬套圈(6)。其特徵是一種由耐高溫、高強度合金材料(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。
8.如權利要求4中所述的控制設備，包括溫度控制設備組件(9)、模具開合控制設備組件(10)、以及金屬容器毛坯託架移動控制設備組件(11)。其特徵如下溫度控制設備組件(9)用以控制電熱高溫爐的升溫、降溫和恆溫。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℃。該溫度控制設備是一種可編程的程序升溫控制儀。模具開合控制設備組件(10)，採用液壓機械控制的方式，用以控制左模或右模的開合。並在金屬容器加工過程中，對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，左右模具間不會發生相對位移。金屬容器毛坯託架移動控制設備組件(11)，採用機械控制，通過上下、前後、左右移動的方式，在加工之前將金屬容器毛坯放入凹形模腔中(1)，加工完成之後，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生的巨大內高壓，一次成形縮口容器狀金屬部件的技術、方法和設備。設備由三部分組成，1.加熱及成形設備凹形金屬模具(1)、電熱高溫爐(5)；2.毛坯託架及密封設備容器毛坯(7)、密封塞頭(4)、工作水(8)、毛坯託架(3)；3.控制設備。成形方法及步驟①將容器毛坯中充滿水，並用焊有高溫電熱元件的塞頭將其開口端加以密封；②將加滿水且密封的容器毛坯置於凹形模腔中；③開啟密封塞頭上的電熱高溫爐，採用內加熱的方式加熱容器中的工作水至高溫；④當此高溫水壓超過容器毛坯壁所能承受的張力時，膨脹容器的壁，直至其外表面與內模表面基本一致；⑤停止加熱，取出所加工的金屬部件。本發明可成形各種高強度、厚壁縮口容器狀金屬部件。
文檔編號B21D26/02GK1824416SQ200510093648
公開日2006年8月30日 申請日期2005年9月1日 優先權日2005年9月1日
發明者孫旭光 申請人:孫旭光