[0001] 本公开涉及机械设计与制造领域，具体涉及一种环件胀形与缩径一体成形装置及其工艺方法。

[0002] 此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景技术信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题。

[0003] 大型环件多用于航空航天、风力发电、核电工业等重要领域，环件一般通过环轧技术生产，由于直径较大而壁厚较薄，在成形过程中容易出现椭圆、大小口、壁厚不均匀等缺陷，使得实际生产时不得不增大环锻件设计余量，降低材料利用率，同时增大了机加余量和难度。因此，往往在成形后需要进行一道变形工序，比如胀形。

[0004] 胀形一般采用胀形机来实现。胀形机可针对环件的内径椭圆、高度方向、大小口等缺陷开展变形，得到圆度相对较佳、高度方向一致性较好的内径。但环件在胀形过程中仍存在以下问题：

[0005] (1)胀形工艺仅可针对环件内径变形，仅内径圆度较好；

[0006] (2)内径椭圆度较大时，胀形时模具与环件内径不能完全贴合，即胀形结束后内径仍为椭圆；

[0007] (3)环件外径为自由态，形状尺寸精度难以控制，若环轧后环件外径椭圆度，则内径胀形后外径椭圆度加剧；

[0008] (4)胀形后如果壁厚不均匀，会导致同一截面上的组织与力学性能存在差异，难以保证整体圆度及组织力学性能的均匀性，不满足技术要求。

[0009] (5)对于横截面或纵截面存在差异，以及内外径非同轴等异形环，目前采用计算辊缝、套辊轧制、压力机锻造等方法，存在工艺流程复杂、模具成本高、可替换性低等问题，且设计余量较大，材料利用率低。

[0010] 对于环件外径变形的问题，当前也有采用外径缩环方式来实现外径变形，但关于环件外径收缩相关的方法、设备、论文及专利等文献资料相对较少。迄今为止，仅有少量的技术能进行外径变形操作。如专利号CN214442314U专利名称为“一种用于Ti2AlNb基合金环件收缩装置”和CN218252611U专利名称为“一种外径仿形的环件缩径装置”，可通过刚性套环和收缩环、以及缩径桶和缩径模具等，在压力机上完成环件外径的收缩与变形工艺。但一来，上述方式也仅能进行外径收缩，不能对内径进行变形。二来，需要压力机挤压或是吊车吊装等操作，设备要求高，操作复杂，费时费力。

[0011] 且据申请人实验发现，单独的内径胀形或是外径收缩，均存在环件精度的不理想的问题。即使将环件先使用胀形机进行内径胀形，再通过缩径装置进行外径缩径，精度依然不理想。经过申请人深入研究发现，之所以存在上述问题，是胀形和缩径操作无法得到有效协同的缘故。

[0012] 另外，由于每个环件的内外尺寸都不尽相同，无论是胀形机还是缩径装置(如缩径筒或刚性环)均需要更换为与环件相匹配的尺寸，加之该类特制模具体型、重量大，无论是生产成本还是操作流程的复杂程度均大大增加，成形效率也比较低下。

[0047] 以下结合附图，对本发明作进一步说明，本发明的实施例只用于说明本发明而非限制本发明，在不脱离本发明技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

[0048] 本申请的目的在于提出一种环件胀形与缩径一体成形装置及其工艺方法，能解决现有胀形机由于仅可变形内径而外径不可控导致可能出现整体圆度和组织力学性能不均匀等问题，且可在一套装置上实现内径胀形、外径收缩以及胀形与缩径同时进行的主动变形模式，大幅提高了环件精度和成形效率。

[0049] 为实现上述技术目的，本申请采用如下技术方案予以实现。

[0050] 如图1或2所示，一种环件胀形与缩径一体成形装置，包括：

[0051] 驱动机构，包括带斜度的外冲头1、内冲头7和分别与之连接的驱动装置；所述外冲头1为内侧上大下小的多边锥形；所述外冲头1设有凹槽；所述驱动装置用于带动所述外冲头1和内冲头7上下运动；

[0052] 变形模具，包括外径收缩模具、内径胀形模具和支撑导轨10；所述外径收缩模具的外侧与所述外冲头1的内侧相适配，所述外径收缩模具的内侧构成用于校正环件4外径的形状；所述内径胀形模具的内侧与所述内冲头7的外侧相适配，所述内径胀形模具的外侧构成用于校正环件4内径的形状；所述支撑导轨10位于所述外径收缩模具和内径胀形模具的下方，一端位于所述外冲头1的凹槽内；所述支撑导轨10分别设有与外径收缩模具和内径胀形模具连接或接触的弹性件16，用于复位所述外径收缩模具和内径胀形模具；

[0053] 旋转机构，包括旋转装置和螺杆9；所述旋转装置与所述螺杆9连接，用于通过所述螺杆9带动环件4旋转。

[0054] 环件4被放置于外径收缩模具和内径胀形模具之间，仅需通过驱动机构带动外冲头1和内冲头7向下运动以分别径向挤压外径收缩模具和内径胀形模具，即可完成对环件4内外径的变形。在配合旋转机构重复变形，从而大大提高了环件4的精度。

[0055] 弹性件16可为复位弹簧等结构。

[0056] 驱动装置用以控制外冲头1和内冲头7向下或向上运动。可先后运动，但优选为同时运动，以保证运动的一致性，由此进入环件4的内径扩大和外径减少共存的协同变形模式。

[0057] 如图3所示，所述外冲头1的斜度为α，范围在5°～30°之间。内冲头7的斜度可以在合理范围内选择。也可如图2所示，所述内冲头7的外侧斜度与所述外冲头1的内侧斜度一致。再配合上，所述内冲头7的中心轴与外冲头1的中心轴重合，如图1或2所示，从而使得外冲头1和内冲头7同时向下运动时，外径收缩模具和内径胀形模具在径向上的受力能保持一致。所述外冲头1也可为内侧上大下小的正多边锥形，以便于与中心轴重合的内冲头7配合，作用在一般环件上时能使径向上受力保持一致。

[0058] 当然，原则上，外冲头1的斜度只要不是0°或90°，按理都能实现，仅难易程度不同而已。

[0059] 另外，内冲头7的中心轴与外冲头1的中心轴不一定重合。如图6所示，在处理一些异形环件时，需更改内外冲头同轴度，或冲头形状来进行配合。

[0060] 如图2所示，所述驱动装置为液压装置，包括第一液压装置14和第二液压装置12；所述第一液压装置14通过伸缩杆11与所述内冲头7的下端连接；所述第二液压装置12通过伸缩杆11与所述外冲头1的下端连接。由此可通过第一液压装置14控制内冲头7的上下运动，通过第二液压装置12控制外冲头1的上下运动。

[0061] 所述第一液压装置14与第二液压装置12位于同一基准面，如图2所示，可保证外冲头1和内冲头7运动的一致性。当然也可通过控制机构来使内外冲头保持运动的一致性。

[0062] 如图2或4所示，所述外径收缩模具包括外径收缩模具驱动块2和外径收缩模具离散块3，所述内径胀形模具包括内径胀形模具驱动块6和内径胀形模具离散块5；所述外径收缩模具驱动块2和内径胀形模具驱动块6的截面呈类L形，下端均设有支撑离散块的凸台，并构成斜锲机构分别与外冲头1和内冲头7贴合，能够通过冲头的下压分别往内侧、外侧做径向运动；所述外径收缩模具离散块3为若干由圆弧块组成的整圆等分的环形块，其内侧构成圆内径，外侧与所述外径收缩模具驱动块2接触或连接；所述内径胀形模具离散块5为若干由圆弧块组成的整圆等分的环形块，其外侧构成圆内径，内侧与所述内径胀形模具驱动块6接触或连接。

[0063] 上述针对的是一般环件，外径收缩模具离散块3和内径胀形模具离散块5均由整圆等分的环形块构成，从而在变形时使得其内侧、外侧分别构成圆内径以对环件进行处理。在针对异形环件进行变形时，则采用与之相适应的形状，如椭圆形等，以完成变形操作。

[0064] 外径收缩模具驱动块2的外侧，和内径胀形模具驱动块6的内侧，分别构成与外冲头1和内冲头7接触的斜锲机构(即斜面)，并与之贴合，如图2所示，从而使得内外冲头向下运动时能带动其分别往内侧和外侧做径向运动。

[0065] 支撑导轨10位于外径收缩模具和内径胀形模具下方，主要用于对其进行支持。所述支撑导轨10能够同时支撑所述外径收缩模具和内径胀形模具，或所述支撑导轨10包括用于支撑外径收缩模具的外径收缩模具支撑导轨10‑2和用于支撑内径胀形模具的内径胀形模具支撑导轨10‑1，如图5所示；所述外径收缩模具驱动块2设有螺杆孔19，其凸台的对应位置设有螺杆槽，所述螺杆9的一端穿过螺杆孔19及螺杆槽与上方的环件4接触，另一端穿过所述螺杆孔19与旋转装置连接。

[0066] 由此，本申请的支撑导轨10可分为如下两种方案：

[0067] 方案一，由同一支撑导轨10同时支撑外径收缩模具和内径胀形模具的驱动块。支撑导轨10的凸起可通过弹性件16与外径收缩模具驱动块2连接，从而通过弹性件16确保外径收缩模具驱动块2在不受径向力时能复位；可将螺杆槽和螺杆孔19加深，除供螺杆9穿过外，在螺杆9下方设置与支撑导轨10的凸起连接的弹性件16。该弹性件16与深入螺杆9的下方的内径胀形模具驱动块6的凸台连接或接触，从而通过该弹性件16确保内径胀形模具驱动块6在不受径向力时能复位。

[0068] 方案二，分别由外径收缩模具支撑导轨10‑2支撑外径收缩模具，由内径胀形模具支撑导轨10‑1支撑内径胀形模具。外径收缩模具支撑导轨10‑2和内径胀形模具支撑导轨10‑1可采用间隔排列的方式排列，如图5所示的均匀间隔排布方式，以确保互相不干涉。此时仅需在各导轨的凸台上设置与驱动块连接或接触的弹性件16即可。螺杆9可单独或同时设于内径胀形模具和外径收缩模具下方。若设于外径收缩模具下方，则可参照方案一的方式设置供其穿过的螺杆孔19和螺杆槽；若设于内径胀形模具下方，可直接设于其下方即可，也可在外径收缩模具驱动块2的相应位置设置供其穿过的螺杆孔19。

[0069] 本申请包括但不限于上述两种方案。

[0070] 外冲头1在内、外支撑导轨的对应位置开凹槽，能保证无论是采取方案1的支撑导轨10还是采取方案2的外径收缩模具支撑导轨10‑2和内径胀形模具支撑导轨10‑1，外冲头1在上下运动时均不会受起影响，从而避免外冲头1垂直运动过程与其干涉。

[0071] 螺杆9也可穿过支撑导轨10的凸起，与旋转装置连接，通过螺杆9带动环件4绕中线轴向旋转，并重复变形操作，以使环件4活动充分且均匀的变形。

[0072] 所述支撑导轨10的上方可设有滑槽，外径收缩模具驱动块2和内径胀形模具驱动块6的凸台位于所述支撑导轨10的滑槽内，以便内径胀形模具和外径收缩模具沿滑槽径向移动。

[0073] 旋转装置可带动螺杆9自转，由于螺杆9的圆周表面与环件4下端接触，从而通过摩擦力驱动环件4绕中心轴线旋转一定角度；然后重复上述变形和旋转步骤，以保障环件4均匀及充分的变形。

[0074] 外径收缩模型的内侧和内径胀形模具的外侧分别构成与环件4外径、内径变形的形状，以实现对环件4的内外径的变形，即使一些异性环件，也仅需将与环件圆周面接触的离散模具替换为相同轮廓的离散模具即可，生产成本低。

[0075] 当然大多数环件还是以圆形为主，故外径收缩模具离散块3的初始状态为整圆等分的发散状圆弧，缩径过程及缩径结束后不互相干涉，往内侧极限位置为(近)圆形；内径胀形模具离散块5，初始状态为(近)圆形，胀形过程及胀形结束后呈发散状态。离散块为若干整圆等分的环形块组成，环形块数量为3～15个。采用上述结构，在针对不同内、外径尺寸的环件4时，本申请无需更换特制模具(如近似专利中的缩径筒或刚性环等)，仅通过调整离散块的数量，或仅改变与环件4圆周面接触的模具形状等即可满足不同尺寸与各类截面形状环件的内径胀形与外径收缩，柔性较高且生产成本低。再配合上，所述外径收缩模具离散块3和内径胀形模具离散块5的环形块数量和角度一致，如图1或2所示，在内外冲头运动一致的情况下，能保证环件4的内外径受力的一致性，以确保同步变形的精度。

[0076] 如图1或2所示，环件胀形与缩径一体成形装置，还包括底座15；所述液压装置位于内外冲头和底座15之间；所述外冲头1设有导柱孔17，所述底座15设有穿过所述导柱孔17的导柱8；所述底座15与所述支撑导轨10之间设有安装台13。导柱8能使得外冲头1的垂直运动，以保证形位公差。

[0077] 外冲头1还设有可方便取放的吊装孔18。

[0078] 旋转装置、液压装置均为现有技术。可通过控制系统对旋转装置和液压装置统一操控，以便实现环件胀形与缩径的同步变形。

[0079] 一种使用环件胀形与缩径一体成形装置的工艺方法，包括如下步骤：

[0080] 将环件4放置于内径胀形模具和外径收缩模具之间；

[0081] 启动液压装置，使内冲头7和外冲头1向下运动；内外冲头通过斜楔机构，使内径胀形模具及外径收缩模具的驱动块分别往外侧和内侧做径向运动，带动离散块分别接触环件4的内侧和外侧的圆周面，以通过模具挤压环件4的内、外径的圆周面，保压；

[0082] 通过液压装置卸载，使内冲头7和外冲头1向上运动，所述内径胀形模具及外径收缩模具在弹簧的作用下复位；

[0083] 通过旋转装置使与之连接的螺杆9旋转，使螺杆9的圆周面和与之接触的环件4的下表面产生摩擦力，从而带动环件4绕其中心轴旋转β角度；其中，β角度在3°～45°之间；

[0084] 将除环件放置步骤以外的其余步骤重复3～10次，变形结束；

[0085] 将内径胀形模具及外径收缩模具复位，取出环件4。

[0086] 通过模具挤压环件4的内、外径的圆周面，可实现环件4内径扩大、外径减小、以及内径扩大与外径减小共存的协同变形模式。通过旋转装置及螺杆9带动环件4绕其中心轴旋转β角度并重复变形操作，可保障环件4能均匀变形，大幅提高环件的精度。

[0087] 同时控制与内冲头7和外冲头1连接的液压装置，使内外冲头以相同速度同时向下或向上运动，以使环件4的内径扩大和外径减小处于共存的协同变形模式。采用内外冲头同时上下运动的方法，可以使其运动保持一致，配合该装置的诸多特性，可在一套装置上实现环件内径胀形、外径收缩以及二者同时进行的变形模型，精度较高，应用范围广。

[0088] β角度一般可在5°～12°或15°～22.5°或30°～45°等范围进行选择，具体值可选5°、12°、15°、22.5°、30°、45°之一。

[0089] 在将环件4放置于内径胀形模具和外径收缩模具之间之前，还包括将环件4加热到指定温度。在变形之前对环件4进行加热，能使之后的变形操作更有效率。当然，不同材质的环件4，指定温度均有所不同。

[0090] 针对环件4的三种具体操作方式如下：

[0091] 实施例一：

[0092] 内径胀形

[0093] 下面以TC4钛合金(目标尺寸φ1200mm×φ1090mm×150mm)为例说明本申请的具体实施方式。

[0094] (1)步骤1：将环轧得到的TC4钛合金环锻件加热到850℃，尺寸为φ1205～1210mm×φ1080～1085mm×150mm，放置于内胀形模具和外径收缩模具之间。

[0095] (2)步骤2：启动第一液压装置14，使内冲头7向下运动，速度10mm/s，内冲头7通过斜楔机构带动内径胀形模具往中心外侧径向移动，使环件4的内径逐渐产生塑性变形。当内径胀形模具的外径尺寸达到φ1090mm时停止运动，保压5s。

[0096] (3)步骤3：通过第一液压装置14，使内、外冲头向上运动，速度10mm/s。卸载后内径胀形模具和外径收缩模具在弹簧的作用下逐渐复位后，通过螺杆9带动环件绕中线轴线旋转，旋转角度15°。

[0097] (4)步骤4：将步骤2、3重复4次，保障环件4均匀变形。

[0098] (5)步骤5：变形结束后，模具复位，取出环件4。

[0099] 图7为单独内径胀形实验前后的环件轮廓对比图。

[0100] 实施例二：

[0101] 外径收缩

[0102] 下面以TC4钛合金(目标尺寸φ1200mm×φ1090mm×150mm)为例说明本发明的具体实施方式。

[0103] (1)步骤1：将环轧得到的TC4钛合金环锻件加热到845℃，尺寸为φ1205～1210mm×φ1080～1085mm×150mm，放置于内胀形模具和外径收缩模具之间。

[0104] (2)步骤2：启动第二液压装置12，使外冲头1向下运动，速度12mm/s，外冲头1通过斜楔机构带动外径收缩模具往中心内侧径向移动，使环件4的外径逐渐产生塑性变形。当外径收缩模具的内径尺寸达到φ1200mm时停止运动，保压6s。

[0105] (3)步骤3：通过第一液压装置14和第二液压装置12，使内、外冲头向上运动，速度12mm/s，卸载后外径收缩模具在弹簧的作用下逐渐复位后，通过螺杆9使环件4旋转，旋转角度10°。

[0106] (4)步骤4：将步骤2、3重复6次，保障环件4均匀变形。

[0107] (5)步骤5：变形结束后，模具复位，取出环件4。

[0108] 实施例三：

[0109] 内径胀形+外径收缩

[0110] 下面以TC4钛合金(目标尺寸φ1200mm×φ1090mm×150mm)为例说明本发明的具体实施方式。

[0111] (1)步骤1：将环轧得到的TC4钛合金环锻件加热到840℃，尺寸为φ1205～1210mm×φ1080～1085mm×150mm，放置于内径胀形模具和外径收缩模具之间。

[0112] (2)步骤2：启动第一液压装置14和第二液压装置12，使内、外冲头同时向下运动，速度15mm/s。

[0113] (3)步骤3：内、外冲头通过斜楔机构分别带动内径胀形模具和外径收缩模具径向移动，使环件4的内、外径同时产生塑性变形，当内径胀形模具的外径尺寸达到φ1090mm、外径收缩模具的内径尺寸达到φ1200mm时停止运动，保压8s。

[0114] (4)步骤4：通过第一液压装置14和第二液压装置12，使内、外冲头向上运动，速度15mm/s。卸载后内径胀形模具和外径收缩模具在弹簧的作用下逐渐复位后，通过螺杆9使环件4旋转，旋转角度10°。

[0115] (5)步骤5：将步骤2、3、4重复5次，保障环件4均匀变形。

[0116] (6)步骤6：变形结束后，模具复位，取出环件4。

[0117] 图8为胀形+外缩同时变形得到的环件应变图，图9为模拟得到的环件前后轮廓对比图，与实施例一中外径为自由态，内径胀形后其外径扩大了7mm～16mm相比较，胀形+缩径同时变形得到的环件，其内外径均为目标尺寸，精度较现有技术有较大的提高。

[0118] 以上实施例并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，例如更改冲头运动方向、改变冲头及模具形状、调整冲头为整体或分块等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0119] 综上所述，采用本申请的方案，无需压力机，仅需通过调整液压机构和旋转机构来控制模具运动，即可实现环件的仅内径胀形、仅外径收缩、以及内径胀形与外径收缩同时进行的三种变形模式，且实施例一仅内径胀形或实施例二仅外径收缩时，外径收缩模具和内径胀形模具可使环件的外径、内径分别预变形至目标尺寸后保持不动，在后续变形过程中起限制作用，以保障尺寸精度，其效果与实施例三一致，设备要求低，高效节能。且通过运动和受力一致性的设计，使得本申请方案得到的最终环件，其壁厚均匀、内外径圆度较好、尺寸精度高，可应用于航空航天领域。

[0120] 上述没有特指的固定连接，可以是铆接、焊接、螺栓联接等连接方式，活动连接，可以是铰接等连接方式。