板式翅片滾壓成形過程

【摘 要】板式翅片作為強(qiáng)化傳熱的核心元件已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，其加工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響著強(qiáng)化傳熱的性能，因此，研究和探索翅片加工的新工藝則具有很重要的意義。

【關(guān)鍵詞】板式翅片 工藝參數(shù) 滾壓成形

板式翅片滾壓成形技術(shù)是將數(shù)排不同翅形的滾壓成形刀具在空間并列布置，滾壓成形刀具繞其固定軸線旋轉(zhuǎn)，工件送入滾壓成形刀具后，依靠滾壓成形刀具與工件之間的摩擦力拖動工件向前運(yùn)動，利用滾壓成形刀具提供的成形空間控制金屬材料的變形與流動，使塑性良好的金屬發(fā)生連續(xù)局部塑性變形，最終形成高于基體表面的板式翅片。

熱能是普遍使用、易于轉(zhuǎn)換、在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中廣為使用、必不可少的動力能源。在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，對熱能最直接的利用就是通過換熱器進(jìn)行熱量交換。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。

滾壓加工是一種塑性成型的加工方法，其原理涉及金屬塑性加工領(lǐng)域。從翅片滾壓成形的加工過程是一個(gè)不斷變化過程，翅片是逐漸長大而形成的，其過程可分為三個(gè)階段：（1）切入階段當(dāng)?shù)毒哒{(diào)整好滾壓深度后開始繞自身的中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，傳動棍上的金屬工件被刀具咬入后作直線運(yùn)動，隨著工件的不斷咬入，刀具切刃逐步切入金屬基體內(nèi)，表面金屬被切開。（2）變形階段當(dāng)表層金屬切開后，滾壓成形刀具兩側(cè)的擠壓面開始對金屬進(jìn)行擠壓，隨著擠壓量的增加，刀具作用于工件的橫向、縱向擠壓力漸增，導(dǎo)致金屬受到橫向、縱向擠壓后流動漸增，并處于復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)之下，產(chǎn)生劇烈而復(fù)雜的變形。在刀具的不斷進(jìn)給過程中，已擠起金屬因加工硬化作用，對新擠起金屬來說相當(dāng)于一封閉邊界，使得新擠起的金屬沿阻力小的豎直方向流動，最后二者互相擠壓疊合形成翅片的雛形。（3）修整階段對翅片雛形進(jìn)行修正，隨著修整刀具的滾入，翅片根部的金屬在刀具兩側(cè)滾壓面?zhèn)认驍D壓下迅速向上流動，翅片在刀具預(yù)留空間的約束下，達(dá)到預(yù)定的要求，最終形成完整的規(guī)格翅片。

翅片作為強(qiáng)化傳熱的核心元件已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響強(qiáng)化傳熱的性能。翅片通常有板式翅片和管式翅片兩種，板式翅片大多采用機(jī)械的方法在板料上形成一定片距、一定高度、一定厚度的翅片，可以改善流體的流動狀態(tài)，因而傳熱效率比較高。根據(jù)翅片滾壓成形的原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方案，分別在普通車床和牛頭刨床上進(jìn)行了管式翅片和板式翅片的滾壓成形實(shí)驗(yàn)，獲得了與數(shù)值仿真結(jié)果相一致的翅片結(jié)構(gòu)，表明板式翅片滾壓成形工藝是可以用于實(shí)踐的合格工藝。論文在金屬塑性變形和有限元分析理論的基礎(chǔ)上，討論了板式翅片滾壓成形過程中的特點(diǎn)、變形區(qū)金屬流動情況及成形刀具上的受力情況，針對翅片滾壓成形過程的實(shí)際情況，建立了有限元仿真模型，對板式翅片滾壓成形過程進(jìn)行了仿真模擬，獲得了比較理想的翅片形狀；對不同規(guī)格翅片的成形過程進(jìn)行了研究，采用正交試驗(yàn)和多元回歸的方法，分析了板式翅片滾壓成形過程中各控制參數(shù)之間的關(guān)系，回歸出了經(jīng)驗(yàn)方程；根據(jù)研究數(shù)據(jù)和成果，開發(fā)并設(shè)計(jì)了板式翅片滾壓成形設(shè)備。

滾壓加工是一種無屑冷加工方式，是連續(xù)局部塑性成形技術(shù)在表面加工方面的應(yīng)用，也是傳統(tǒng)表面加工方式的一種變革，具有高效、環(huán)保、工藝簡單、節(jié)能、節(jié)材等諸多優(yōu)點(diǎn)。滾壓后工件的表面粗糙度和工具的表面粗糙度相當(dāng)，加工過程沒有切屑，也不需要對工具反復(fù)進(jìn)行修整，它除了能夠獲得較低的表面粗糙度，而且還能使表面層產(chǎn)生應(yīng)變硬化效果。滾壓最初用于表面強(qiáng)化，但近年來越來越多地被用來代替磨削進(jìn)行表面的精密處理和一些成形工藝。以往對滾壓加工的研究大多集中在工藝方面[3]，理論研究的少，并且多集中應(yīng)用在軸類和孔類零件，在平面滾壓加工方面的研究和應(yīng)用實(shí)例極為少見。

滾壓加工理論是以工藝實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，同時(shí)對實(shí)踐應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。在滾壓加工理論研究方面至今未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道，目前研究金屬冷壓加工（冷軋和平整軋制等）壓力的計(jì)算方法歸納起來主要有以下幾種類型：工程法、滑移線法、變分法、上限法以及有限元法等。

翅片滾壓成形工藝屬于金屬塑性加工的范疇，是一種不均勻的大塑性變形。一般來說，塑性變形區(qū)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)都不相同。在整個(gè)變形過程中，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)都要產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)動，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)都可能隨時(shí)變化，這樣就使確定金屬成形中應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜化。然而在實(shí)際中要了解的是整個(gè)變形區(qū)中金屬的流動規(guī)律，并對變形區(qū)中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都進(jìn)行分析顯然是不可能的。

通過對板式翅片滾壓成形過程的研究，證明這個(gè)新工藝可以實(shí)現(xiàn)綠色制造的目標(biāo)，說明這個(gè)新工藝的推廣和應(yīng)用將會對板式翅片制造業(yè)的發(fā)展具有重要的理論意義。研究翅片滾壓成形過程和滾壓成形刀具時(shí)，考慮到滾壓速度比較慢而且有潤滑和冷卻措施，所以沒有考慮翅片滾壓成形過程中，金屬發(fā)生塑性變形時(shí)產(chǎn)生熱量的影響。為了更深更精確的研究這一過程，需要對金屬變形時(shí)的發(fā)熱及熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行研究?；貧w出來的翅片高度和板料被拉長的長度經(jīng)驗(yàn)方程，需要在所設(shè)計(jì)的板式翅片滾壓成形設(shè)備上進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張清. 提高工件質(zhì)量、降低加工費(fèi)用的最佳途徑——滾壓加工 [J]. 航空制造技術(shù)，2005（4）：129.

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[3]錢頌文. 換熱器設(shè)計(jì)手冊 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.