散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機床的研發(fā)與應用

吉冬志 （中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司，天津 300380)

散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機床的研發(fā)與應用

吉冬志 （中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司，天津 300380)

散熱器翅片鑲嵌成型工件是為德國西門子公司配套的產(chǎn)品，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是手工砸制，生產(chǎn)效率低。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)了用于加工制造鋁合金散熱器的專用設備——散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機床。介紹了散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機床的研發(fā)背景、滾壓技術(shù)的基礎原理、系統(tǒng)設計的主體設備、工藝裝備及其優(yōu)勢。該設備的研發(fā)成功，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟效益。

散熱器翅片 滾壓成型 設備 結(jié)構(gòu) 研發(fā)

1 引言

中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)的鋁合金電子散熱器產(chǎn)品廣泛用于電力、通訊、鐵路等大型設備領域。其產(chǎn)品形式較多，加工技術(shù)工藝也不相同，其中散熱器翅片鑲嵌成型工件是專為德國西門子電子傳動公司配套生產(chǎn)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品技術(shù)要求高，生產(chǎn)工藝難度大。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝一直采用手工砸制，生產(chǎn)效率低，安全隱患大，質(zhì)量的穩(wěn)定性也很難控制，并且產(chǎn)品成品率較低。因此，研發(fā)加工散熱器翅片鑲嵌成型工件的專用機床設備是改變落后的手工操作，進而形成生產(chǎn)機械化，使產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得到有效提高的重要環(huán)節(jié)。

此專用設備是基于滾壓原理[1-2]，通過滾壓鑲嵌部位使鋁合金翅片在被滾壓處連續(xù)產(chǎn)生局部塑性變形，達到翅片鑲嵌成型這一設計思想而研制的滾壓機床。在研制過程中，通過對常用鋁合金材料的物理性能及塑變過程所進行的深入細致的研究，及對滾壓過程中材料形變所產(chǎn)生的各種影響因素的分析和總結(jié)，確定了滾壓機床的基本設計參數(shù)，并為翅片鑲嵌滾壓成型機床的研發(fā)成功積累了大量的理論基礎[3-7]。本文希望通過對該機床研發(fā)過程的闡述，能在工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中起到一定的指導作用，使鑲嵌滾壓工藝在生產(chǎn)實踐中能得到更廣泛的應用。

該機床的設計思想是機床上的工作臺裝夾工件，以直線運動方式遞進壓盤并進入工件壓合槽內(nèi)，通過專用滾壓機床上的兩條壓輥和壓盤，在第一條壓輥和壓盤處實現(xiàn)預壓并定位散熱器底板槽內(nèi)的翅片，跟進的第二條壓輥和壓盤完成翅片鑲嵌成型壓合。固定在床身臺架上的壓輥和壓盤以被動旋轉(zhuǎn)方式進行嚙合滾壓，用以加工各種平面直線槽型鑲片嚙合產(chǎn)品和各類有色金屬滾壓加工產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)設計

2.1 滾壓專用機床主體設備

專用機床主體設備由床身、工作臺、直線導軌副、驅(qū)動系統(tǒng)、兩側(cè)臺架、進給系統(tǒng)、電氣操作系統(tǒng)、機床導軌護罩、壓輥、壓盤和夾具組成。

2.1.1 床身

床身整體質(zhì)量是保證專用機床工作性能及使用壽命的重要基礎，因此床身整體采用20號優(yōu)質(zhì)中碳鋼焊接構(gòu)成。它主要由工作臺運行導軌基座、兩側(cè)臺架基座、驅(qū)動定位軸承座等組成。整體幾何設計尺寸為長度4 000 mm，寬度1 300 mm，高度600 mm。在圖1中可以看到，為了有效地穩(wěn)定材料焊接后產(chǎn)生的變形，充分消除內(nèi)應力，采用了整體回火時效處理并對導軌基座、兩側(cè)臺架基座、驅(qū)動定位軸承座進行精加工。

圖1 散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機床外形圖

2.1.2 直線導軌副

直線導軌副由直線導軌和滑塊組成，直線導軌安裝于床身導軌基座之上，滑塊安裝在工作臺底部，實現(xiàn)工作臺在床身中直線往復運動。由于散熱器翅片整體鑲嵌在每個翅片凹槽并使其發(fā)生塑性屈服變形，因此多組壓盤組合滾壓力需滿足于100～150 t。為達到工作臺承載，采用了CPC重型直線導軌副，CPC型具有高負荷、高扭矩功能，采用二列式滾珠循環(huán)設計，滾珠軌道設計采用歌德式結(jié)構(gòu)，其接觸角為45°，達到4 t負荷的效果，并在有限空間制下，使用較大尺寸鋼珠，以提高負荷能力，充分展現(xiàn)高負荷、高扭矩功能。

滑塊具有高鋼性鋼珠保持器，以確保滑塊容易裝配與安全使用。

2.1.3 工作臺

工作臺采用HT300鑄鐵鑄造成型工藝，并在鑄造后進行熱處理消除內(nèi)應力?；诣T鐵中的碳大部分或全部以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存在，其斷口呈暗灰色，有優(yōu)良的力學性能和良好的被切削性能，普遍應用于工業(yè)中。工作臺成型后進行精加工，直線導軌副中的滑塊在工作臺底部兩邊分別各安裝4套，兩邊共裝8套，中部安裝絲杠母，以便與絲杠結(jié)合，形成傳動。這樣不僅把整個負荷有效分解，而且增加了運行穩(wěn)定性，延長了設備使用壽命。

2.1.4 驅(qū)動系統(tǒng)

工作臺運行方式采用了T型絲杠，選用40Cr材質(zhì)進行調(diào)質(zhì)處理HB240，按照國標GB/T17587.3—1998標準進行設計制造。當絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲杠的轉(zhuǎn)動角度按照對應規(guī)格的導程轉(zhuǎn)化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現(xiàn)對應的直線運動。絲杠與電機連接時中間加裝了聯(lián)軸器以達到柔性連接。絲杠與4 kW（6級)三相異步電動機輸出軸連接，使驅(qū)動工作臺運行。

2.1.5 兩側(cè)臺架

臺架是壓輥進給系統(tǒng)支撐基座，采用20號優(yōu)質(zhì)中碳鋼焊接成型并進行了回火熱處理，消除了內(nèi)應力，臺架經(jīng)過平面精加工后與床身臺架基座進行緊固連接，定位準確，安全可靠。

2.1.6 進給系統(tǒng)

進給系統(tǒng)是實現(xiàn)技術(shù)工藝的關(guān)鍵機構(gòu)，主要由壓輥軸承、軸承座、壓力彈簧、進給導軌、橫梁和進給絲杠組成，其功能是在鑲嵌滾壓成型過程中，有效地控制壓盤滾壓進給量。

（1)壓輥軸承采用?110滑動軸承，與滾動軸承相比，滑動軸承具有承載力高、抗震性好、工作平穩(wěn)可靠、噪音小、壽命長等特點，特別適用于滾軋機械。

（2)軸承座采用45號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，制造孔徑與?110 mm軸承套配作，軸承側(cè)部與進給導軌配作、緊固并具有潤滑功能。

（3)壓力彈簧采用65Mn?4.5 mm鋼絲制作，主要布置在軸承座底部，每個軸承座分布5個彈簧，實現(xiàn)軸承座自動上浮調(diào)節(jié)功能。

（4)進給導軌采用45號優(yōu)質(zhì)中碳鋼加工制造，分別與兩側(cè)臺架緊固連接，起到軸承座上下運行調(diào)節(jié)及定位支撐作用。

（5)橫梁采用45號優(yōu)質(zhì)中碳鋼加工制造，經(jīng)熱處理硬度HRC50，絲杠母分別安裝在橫梁兩邊，橫梁總成與進給導軌支架頂部緊固連接，絲杠采用40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達到HB240，單線T型螺紋與絲杠母配作，實現(xiàn)進給調(diào)節(jié)執(zhí)行功能。

2.1.7 電氣操作系統(tǒng)

由380 V三相交流電源引入機床電器箱（箱內(nèi)設有電氣執(zhí)行和相應的保護控制系統(tǒng))，其操作控制系統(tǒng)設有：操作臺、電源總開關(guān)按鈕、工作臺前進按鈕、工作臺后退按鈕、工作臺點進按鈕、工作臺點退按鈕、工作臺急停按鈕、主令開關(guān)（控制快、慢速轉(zhuǎn)換)。另外設有24 V 40 W機床照明燈，床身兩端設有行程開關(guān)（CSA-012)，以便有效控制工作臺運行極限;對于驅(qū)動系統(tǒng)動力電機設置了變頻器控制并具有調(diào)節(jié)和顯示功能，整個電器系統(tǒng)不僅具備相應的保護功能，而且可使設備運行實現(xiàn)無極變速。

2.1.8 機床導軌護罩

機床導軌護罩形式為拉伸式，收縮自如，采用Q235冷板加工制造，底部裝有滑輪，具有良好的耐磨性，有效保護機床導軌不受侵蝕，延長使用壽命。

2.1.9 壓輥

壓輥是滾壓成型機床的關(guān)鍵部件，是鑲嵌壓合成型生產(chǎn)和確保壓合質(zhì)量的核心。壓輥材質(zhì)采用40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理硬度達到HB240，輥體?110 mm，兩端軸承部位?90 mm，與進給系統(tǒng)滑動軸承安裝配合在一起，起到旋轉(zhuǎn)滾動并承載壓盤執(zhí)行滾壓的作用。為了有效保證壓合過程中產(chǎn)品質(zhì)量，設置了雙壓輥遞進滾壓工藝，見圖2。

圖2 遞進滾壓示意圖

2.2 工藝裝備

工藝裝備主要由壓盤、壓盤套、壓盤隔離墊、鎖母、夾具等組成，通過與壓輥有效組合實現(xiàn)多盤、多輥整體遞進鑲嵌成型滾壓工藝。

2.2.1 壓盤

壓盤是散熱器翅片鑲嵌成型的關(guān)鍵工藝裝備，與壓盤套、壓盤隔離墊組合裝入壓輥。壓盤采用65Mn鋼板經(jīng)熱處理后進行加工制造，外徑?400 mm，內(nèi)孔徑?136 mm與壓盤套組合配裝。壓盤厚度根據(jù)不同產(chǎn)品槽型，選用不同厚度。采用多片多排一次壓合完成，加工較大產(chǎn)品件時可采用雙軸遞進壓合，用以解決由于單軸且輪片薄、壓強載荷受到限制等因素，而難以達到預期壓合質(zhì)量的問題。壓盤圓周上的V型角度為82°，工件V型槽的角度60°，通過壓盤間隔錐角張壓產(chǎn)品工件上的V形槽，形成側(cè)向分力P，達到每個間隔翅片均勻張緊的工藝效果。采用多排組合滾動式壓合不僅受力均衡，有利于材料加工應力對稱，同時也提高生產(chǎn)效率。見圖3。

圖3 V型槽張緊示意圖

2.2.2 壓盤套

壓盤套是組合壓盤并保證整體壓合成型的重要部件，壓盤套采用45號優(yōu)質(zhì)中碳鋼材加工制造，內(nèi)孔徑?110 mm與壓輥配合安裝，外徑?136 mm與壓盤配合安裝。

2.2.3 壓盤隔離墊

壓盤隔離墊是保證壓盤組合定位的關(guān)鍵部件，采用45號優(yōu)質(zhì)中碳鋼材加工制造，外徑?300 mm，內(nèi)孔徑?136 mm與壓盤套配合安裝。壓盤隔離墊厚度可根據(jù)實際產(chǎn)品V型槽間距設計制造。

2.2.4 鎖母

鎖母是固定整組壓盤和隔離墊的關(guān)鍵零件，按GB/T812—1988標準選用，規(guī)格 M130×2，與壓盤套配合安裝。

2.2.5 夾具

夾具是固定產(chǎn)品工件的定位裝置，采用45號優(yōu)質(zhì)中碳鋼材加工制造并與工作臺固定連接。

3 經(jīng)濟效益

3.1 設備運行費用

電費：電耗 4 kW/h，3.2 元/kW/h。

年運行費用：按每天5 h運行計算，5×3.2=16元，每年運行300天，年耗電量為300×16=4 800元。

3.2 人工節(jié)約費用

原來手工操作生產(chǎn)，完成相同產(chǎn)量需用5人?，F(xiàn)在專用設備操作只需1人，平均每人每月工資按2 000元計算，每年12×2 000=24 000元。節(jié)省了4人工資，計算結(jié)果為4×24 000=96 000元。

每年實際節(jié)約費用96 000-4 800=91 200元。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量效益

原來手工操作生產(chǎn)時，產(chǎn)品平均報廢率達到5%，每件材料費平均300元，按每年平均生產(chǎn)8 000件計算，300×400=120 000 元。

現(xiàn)在專用設備操作生產(chǎn)，產(chǎn)品平均報廢率達到0.5%，300×40=12 000 元。

質(zhì)量效益：120 000-12 000=108 000元。

通過新技術(shù)、新工藝的研發(fā)和應用，全年直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益達：91 200+108 000=199 200元。

3.4 投資回報

全部設備、工藝裝備費用22萬;投資回報期為1.3年。

4 結(jié)束語

散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機床的成功研發(fā)與應用，完全可以滿足生產(chǎn)的需要，減輕了操作者的勞動強度，節(jié)省了人力資源，保證了安全生產(chǎn)。特別是通過設備和工藝裝備生產(chǎn)，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，大幅度提高了生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟效率;并申請了專利，擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)，對企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造起到了積極的促進作用，也為企業(yè)的技術(shù)發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗。

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Developmentand Application ofRadiatorFin Inlay Rolling Formation Machine Tool

Ji Dongzhi

The workpiece of inlay rolled radiator fin,an auxiliary product for German Siemens Company,is forged manually in traditional process with low productivity.Dedicated equipment-inlay rolling formation machine tool for machining and manufacturing aluminum alloy radiator was developed.The paper introduces its developing background,the basic principle of rolling technique,main equipment in system design,technological equipment and advantages.The success of its development improved product quality and production efficiency and yielded good economic effect.

radiator fin,rolling formation,equipment,structure,development

（收稿 2011-09-02 編輯 趙實鳴)

吉冬志，男，現(xiàn)在中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司技術(shù)動力部工作，在電子散熱器翅片鑲嵌工藝和加工設備開發(fā)設計中取得了成功，并獲得了國家專利。