全自動(dòng)精確掃描兩器管端加工機(jī)的開(kāi)發(fā)研究

熊立貴，李壯志，李飛龍

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436；2．中山市科力高自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東中山 528400；3.TCL空調(diào)器（中山）有限公司，廣東中山 528427）

全自動(dòng)精確掃描兩器管端加工機(jī)的開(kāi)發(fā)研究

熊立貴1，李壯志2，李飛龍3

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436；2．中山市科力高自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東中山 528400；3.TCL空調(diào)器（中山）有限公司，廣東中山 528427）

兩器是指空調(diào)換熱器即蒸發(fā)器和冷凝器。在空調(diào)制冷行業(yè)中，管片式換熱器(冷凝器、蒸發(fā)器)是空調(diào)機(jī)及制冷設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其換熱器換熱效率的高低是評(píng)價(jià)空調(diào)機(jī)及制冷設(shè)備質(zhì)量的重要指標(biāo)。全自動(dòng)精確掃描管端加工機(jī)是空調(diào)器生產(chǎn)專用設(shè)備，用于將高速?zèng)_床加工好的鋁翅片和銅U型管脹接在一起，實(shí)現(xiàn)了兩器的銅管擴(kuò)口后端板的固定，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。介紹了研制開(kāi)發(fā)的新一代成型機(jī)，智能全自動(dòng)掃描定位檢測(cè)，具有自動(dòng)化程度高、工作效率高、使用方便、沖口平穩(wěn)、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

空調(diào)；兩器；智能全自動(dòng)；掃描；脹管機(jī)

0 前言

在空調(diào)行業(yè)，隨著人民生活水平提高，空調(diào)已普及到農(nóng)村，相對(duì)來(lái)說(shuō)產(chǎn)量不斷的提升，車間的加工強(qiáng)度增大，現(xiàn)在又處于用人招工難的時(shí)期，產(chǎn)品加工精度要求高的情況下，生產(chǎn)制造商對(duì)于機(jī)械化的需求十分迫切，因此希望開(kāi)發(fā)全自動(dòng)化、高精度、智能設(shè)備。

換熱器中的冷凝器、蒸發(fā)器不論是中央空調(diào)、家用空調(diào)還是汽車上的空調(diào)等都是制冷主要零部件。蒸發(fā)器的用途是將經(jīng)過(guò)毛細(xì)管節(jié)流降壓后的液態(tài)冷媒由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，吸收蒸發(fā)器周邊附近空氣的熱量而降溫，周邊的低溫度再被風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將冷風(fēng)吹到制冷空間內(nèi)，達(dá)到使空間的溫度下降的目的[1-3]。

換熱器（兩器）的性能直接影響空調(diào)器的制冷性能，它的重量占整個(gè)空調(diào)器重量的50%～70%，它所占據(jù)的空間直接影響體積大小，因此研制生產(chǎn)高效換熱器是極為重要的，且具有現(xiàn)實(shí)意義。

全自動(dòng)精確掃描兩器管端加工機(jī)的組成：機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、伺服電機(jī)系統(tǒng)、掃描管端加工部分系統(tǒng)、絲桿上下運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、光柵安全保保護(hù)系統(tǒng)等部分[4]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由機(jī)架、兩器U形固定加工件機(jī)構(gòu)、銅管端部加成型機(jī)構(gòu)、掃描定位機(jī)構(gòu)裝置等組成（含壓緊、六邊形旋轉(zhuǎn)軸），見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 左視示意圖

圖2 主視示意圖

1.1 機(jī)架

機(jī)架是由槽鋼材料、鋼板材等焊接而形成的機(jī)架。背面裝有散熱的鍍鋅板，兩側(cè)裝有控制箱。機(jī)架上面有一個(gè)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，并在兩側(cè)裝有導(dǎo)軌，帶動(dòng)左、右絲桿上下運(yùn)動(dòng)。底座下端焊接槽鋼，脹管成機(jī)擺好放置后，可以用固定螺釘固定在地面上[5]。

1.2 兩器固定機(jī)構(gòu)

兩器固定裝置：是由固定在機(jī)身上的加工件后固定板、前壓緊固定板、加工件U型固定座等組成。根據(jù)工件的大小及長(zhǎng)度規(guī)格尺寸，調(diào)整后背板的固定高度，再通過(guò)前壓緊固定板固定兩器，如圖3所示。

圖3 兩器固定組件圖

1.3 脹管成型機(jī)構(gòu)

如圖4～6所示，脹管成型機(jī)構(gòu)是由從動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪、脹管頭、六角旋轉(zhuǎn)軸、絲桿等構(gòu)成。其特征是六角旋轉(zhuǎn)軸在動(dòng)力的作用下，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪在主動(dòng)輪的作用下也轉(zhuǎn)動(dòng)，最后脹管頭上、下運(yùn)動(dòng)。脹管頭可以根據(jù)兩器的銅管規(guī)格來(lái)更換，這樣就可以加工不同規(guī)格的兩器。沖頭安裝在脹管成型加工頭上，把沖頭從下面往上將它推入模板孔內(nèi)，模型孔內(nèi)有裝置將它鎖住，并旋轉(zhuǎn)180°就可以將其取出。擴(kuò)口沖頭是用特殊合金工具模具鋼加工制造而成的，高頻淬火處理后其硬度可以達(dá)到HRC=60～68，具有較高的韌性和硬度[1，3，5]。

2 銅管端口脹管機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

無(wú)論是冷凝器還是蒸發(fā)器，關(guān)鍵的計(jì)算就是如何確定長(zhǎng)U型管的長(zhǎng)度，而長(zhǎng)U型管的長(zhǎng)度主要由脹管的收縮率確定。在脹管時(shí)，銅管會(huì)有一個(gè)縮短的過(guò)程，此過(guò)程涉及的因素很多，如材質(zhì)、脹管速度、潤(rùn)滑情況等。

圖4 加工管端機(jī)構(gòu)

圖5 正處加工兩器管端的沖頭

圖6 成型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前空調(diào)器內(nèi)的換熱器所采用的銅管(合金牌號(hào))大部分是TP2，其狀態(tài)是中軟態(tài)(M)，此種薄壁銅管材質(zhì)多是經(jīng)過(guò)多次拉伸，并在650℃回火處理后的中軟狀態(tài)，它的屈服極限σ0.2在88～120 MPa。

銅管規(guī)格是：?9.52±0.05 mm，壁厚t 0.35± 0.03 mm。

（1）每根空調(diào)銅管計(jì)算屈服塑性變形所需的最大力F1，取空調(diào)兩器用薄壁銅管的最大屈服極限為：σ0.2=120 MPa，求空調(diào)換熱器用薄壁銅管的截面面積：

S=π 4(d2外-d2內(nèi))，

S1=π4(9.522-8.822)=10.1 mm2=10.1×10-6m2，根據(jù)：σ0.2=F1·S1，

F1=σ0.2×S1=120×106×10.1×10-6=1 212 N= 123.7 kg。

（2）計(jì)算112根銅管屈服塑性變形所需要的最大力F2

F2=112×F1=112×123.7=13 854.4 kg（3）脹管機(jī)脹制所需的壓下力F3

從理論說(shuō)用13 854.4 kg的力就可以滿足脹管工作所需的力，并且還需要考慮脹管機(jī)的摩擦力等損失，以及沖頭在擴(kuò)口時(shí)的面接觸，選取了一個(gè)安全系數(shù)n，取n=1.5：

F3=n×F2=1.5×13 854.4 kg=20 781.6 kg。

3 電控系統(tǒng)控制

3.1 脹管成型機(jī)的工作原理

脹頭插入熱交換器的銅管中，使銅管進(jìn)行塑性變形，從而使銅管和翅片緊密接觸的目的。國(guó)內(nèi)一般的鋁翅片孔徑是?9.95 mm，銅U型管是?9.52× 0.35 mm，通過(guò)沖頭用管后銅U型管的外徑是?10.05 mm，這樣兩器用的銅U型管和鋁翅片就獲得了0.1 mm的過(guò)盈配合，形成了管片式換熱器的一體化，從而獲得了較高的換熱效率。工作原理如圖7和圖8所示。

圖7 半成品（未脹管管前）

圖8 端口脹管后成品

掃描式脹管機(jī)最大的特點(diǎn)就是根據(jù)兩器的規(guī)格進(jìn)行一次加工，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存它的加工信息，第二次加工時(shí)就可以調(diào)出來(lái)，無(wú)需再作批產(chǎn)前的調(diào)試，能夠精確保證和第一次加工調(diào)好一樣的準(zhǔn)確性。也可以手動(dòng)調(diào)試，讓它記錄加工過(guò)的信息。這樣第二次加工調(diào)試設(shè)備就會(huì)節(jié)省很多調(diào)試時(shí)間。如果在加過(guò)程中沒(méi)有掃描到兩器加工件，設(shè)備就會(huì)報(bào)警停止運(yùn)行工作[6-7]。

掃描兩器管端加工機(jī)的特點(diǎn)：節(jié)省材料，工件脹大部分無(wú)材料長(zhǎng)度收縮；效率高，每分鐘脹管速度大于4米；模具更換方便快捷；擴(kuò)口，打杯，一次成型，加工速度快；采用伺服電機(jī)調(diào)整加工件的高度，可以實(shí)現(xiàn)（1～4層之間）自動(dòng)調(diào)整，精度高；采用三菱觸摸屏，功能強(qiáng)大，畫(huà)面清晰，操作方便。

3.2 管口脹管成型機(jī)的兩器成型工藝的原理

操作方式的選擇：掃描式管端加工成型機(jī)在接通電源時(shí)，所有控制操作均為點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)，可選擇自動(dòng)、手動(dòng)方式。按下手動(dòng)按鈕方式，可根據(jù)控制操作面板所示，每個(gè)步驟程序都可以單獨(dú)完成。按下自動(dòng)按鈕方式，只須操作面板上的觸摸屏按鍵或操作面板上的按鈕，則本機(jī)由PLC控制自動(dòng)完成：放入工件——兩器放入U(xiǎn)型定位——前固定板夾緊兩器——操作面板啟動(dòng)按鈕——沖頭從左向右的工作——加工完成——取出加工的工件一系列動(dòng)作。如上所述的加工步驟反復(fù)循環(huán)，到兩器的管件脹管加工成型，然后成型的動(dòng)作回到原始設(shè)定位置，以便進(jìn)入后續(xù)的脹管成型。

3.3 脹管成型機(jī)電控電源及主要參數(shù)

（1）使用電源：三相交流電源，380 V，50 Hz。

（2）主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

（3）電控部分：用伺服電機(jī)、可編程序多點(diǎn)位控制（PLC）集中控制，傳感器、觸摸屏操作面板、光柵、電控箱等組成。

表1 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 電路圖

掃描伺服電機(jī)在操作控制面板上可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制。采用的是三菱可編程控制器進(jìn)行集中控制，并具有絕對(duì)位置控制功能。

4 小結(jié)

本論文主要研究?jī)?nèi)容：對(duì)空調(diào)器用兩器全自動(dòng)精確掃描兩器管端加工機(jī)詳細(xì)的闡述，包括安裝、壓緊、沖頭管端加工、自動(dòng)掃描等；及對(duì)兩器端口加工成型機(jī)的工作原理研究。此臺(tái)脹管成型機(jī)已投入大批量加工生產(chǎn)，設(shè)備加工產(chǎn)品時(shí)運(yùn)行可靠、加工產(chǎn)品深受用戶的好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面易操作等特點(diǎn)。具有使用維護(hù)簡(jiǎn)便、性能可靠、自動(dòng)化智能操作效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、技術(shù)工藝先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。并且脹管加工成型的成品率高、銅管不容易開(kāi)裂。

該機(jī)解決了原脹管機(jī)脹管時(shí)工件銅管收縮（3%～5%）的問(wèn)題，節(jié)約了銅材，簡(jiǎn)化了工藝，是未來(lái)脹管機(jī)的方向性產(chǎn)品。

［1］畢耀德.空調(diào)制冷換熱器超大型脹管機(jī) ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2000（4）：71-74.

［2］閻紅慶.全自動(dòng)立式脹管機(jī)研制［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1999（10）：53-55.

［3］熊立貴.空調(diào)換熱器成型機(jī)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用［J］.家電科技，2013（10）：74-76.

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［5］湯習(xí)成.冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2006.

［6］吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［7］李玉春.制冷裝置制造工藝［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

Development of the Heat Exchanger Tube Ends Accurate Automatic Scanning and Processing Machines

XIONG Li-gui1，LI Zhuang-zhi2，LI Fei-long3
（1.Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan528436，China；2.Zhongshan Colego Automation Equipment Co.，Ltd.，Zhongshan528400，China；3.TCL Air Conditioner(zhongshan)Co.，Ltd.，Zhongshan528427，China）

Air conditioning heat exchanger refers to the evaporator and condenser.In air conditioning and refrigeration industry，heat exchanger tube sheet(condenser，evaporator)is air conditioners and refrigeration equipment key components，the heat transfer efficiency is an important indicator of the level of evaluation of air conditioners and refrigeration equipment quality.Automatic scanning precision air conditioner pipe end processing machine is the production of special equipment for high-speed presses processed aluminum fins and copper U-tube expansion together to achieve a fixed two flared rear end of the brass plate to meet the needs of the production process.This machine is developed by a new generation of machine，it scans the intelligent automatic location detection，with a high degree of automation，high efficiency，easy to use，blurted smooth，reliable performance.

air conditioner；heat-exchanger；intelligent automatic；scanning；expanding machine

TP23

A

1009－9492(2015)10－0084－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.021

熊立貴，男，1975年生，江西南昌人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：非標(biāo)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，機(jī)械制造及裝配。已發(fā)表論文20篇。

(編輯：向 飛)

2015－04－02