板式換熱器換熱片精密沖裁模具設計

劉偉國，樊曉萍

(甘肅長風電子科技有限責任公司,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的不銹鋼金屬換熱片疊裝而成的一種新型高效換熱器。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊、占地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點，熱回收率可高達90%以上。廣泛應用在石油、化工、冶金、電力、造紙、制藥、食品等工業(yè)領域[4]。

在板式換熱器中不銹鋼金屬換熱片是最重要的組件。換熱片制造尺寸精度直接決定了實際產品換熱性能與產品設計的偏差值，換熱片精度越高，越接近圖紙要求，產品換熱性能參數越準確。一般換熱片尺寸精度控制在±0.05 mm。這就對生產換熱片所使用的模具提出了很高要求。筆者通過介紹板式換熱器換熱片精密沖裁模具設計的實踐，最終驗證了此精密換熱片沖裁模具可以很好地滿足零件的沖裁要求，并且可以擴展應用到類似零件當中。

1 零件工藝分析

圖1所示的零件為某型號板式換熱器的換熱片，材料為254SMO不銹鋼，厚度0.6 mm。由于254SMO不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，其奧氏體平衡系數小，在沖裁過程中容易產生馬氏體從而冷作硬化程度劇烈[2]，導致沖裁力大，易產生毛刺，而且毛刺硬度高，不易去除，同時零件易變形。而零件使用要求為沖裁后無毛刺。因此對沖裁間隙要求高，通常取0.02 mm的小間隙制造，又由于254SMO冷作硬化劇烈，刃口容易磨損，加之零件外形需全部沖裁，刃口尺寸長，要保證批量生產中全部沖裁間隙的穩(wěn)定，在模具設計、制造兩方面都提出了很高要求。

圖1 零件簡圖

2 模具結構設計

換熱片精密沖裁模具結構如圖2所示。此精密沖裁模具包括上模部分和下模部分組成，上模部分主要包括上模座、上模刀塊組合、導套、角孔凸模、壓料板等零件。下模部分主要包括下模座、下模刀塊組合、角孔凹模、滾珠導柱、支撐條、卸料板等零件。

圖2 模具結構圖1.下模座 2.滾珠導柱 3.上模座 4.卸料板 5.背板 6.壓料板 7.下刀組合 8.角孔凹模套 9.聚氨酯棒 10.角孔凸模 11.上刀組合 12.靖頭凹凸模

2.1 模座的特點

模具上下模座，使用灰口鑄鐵H250材料，由于灰口鑄鐵的抗壓強度與硬度接近碳素鋼,可以滿足模座在強度,硬度上的要求,同時在尺寸上可以做到比較厚大,采購非常方便。尤其是鑄鐵具有很好地減震性能，可以吸收在沖壓過程中產生的震動，有效保護沖床及模具，避免損壞。

模具的導向部分使用零間隙的滾珠導柱、導套，傳統(tǒng)的導柱、導套有一定的間隙，運動摩擦系數較大，而滾珠導柱、導套間有微量過盈的鋼球，因此運動精度高，滾動摩擦代替滑動摩擦，摩擦系數小，使用壽命長，安裝方便[1]。可以有效控制上下模座裝配精度，保證了沖裁間隙在沖裁過程中的恒定性，不會因為模座定位精度低破壞沖裁間隙造成刀口損傷。

2.2 上模結構及特點

上模裝配結構圖如圖3所示。上模的刀塊采用鑲拼結構，可以降低制造難度，并且可以做到刀塊單獨維修更換，延長模具使用壽命。特別是上刀塊使用側向與模座用螺釘拉緊的固定方式，特別方便鉗工裝配時調整與下刀的沖裁間隙，并且可以在沖裁間隙發(fā)生變化時，例如更換材料厚度，刀口磨損等情況時，通過調整側向拉力，使上下刀達到合適間隙值，保證了沖裁精度。上刀塊采用如圖4所示的傾斜刃口，使刃口與零件沖裁接觸是漸進的，使得載荷均勻且平穩(wěn)，有效降低沖裁力，減小震動，同時降低沖壓設備的噸位，節(jié)約成本，提高經濟性[3]。上模壓料板加工成與零件波紋形狀一致，在沖裁時可以很好的將零件隨型狀壓緊，有效減小零件沖裁變形，實際生產發(fā)現對減小毛刺也有一定效果，提高了零件質量。

圖3 上模裝配結構圖

圖4 斜刃口刀塊

2.3 下模結構及特點

下模裝配結構如圖5所示。下模端頭的凸凹模中由于中間角孔刃口與凸凹模周邊刃口存在高度差，造成磨刃口困難，同時角孔凹模的圓刃口也很難加工，設計時將角孔凹模制作成角孔凹模套單獨加工，然后再裝配到凸凹模中，這樣即解決了刃口不同高度的問題，同時角孔凹模的圓刃口就可采用內外圓磨削加工，容易保證尺寸精度。下模刀塊在沖裁時受到較大側向推力，由于下刀塊采用銷釘定位、螺釘連接的固定方式所有側向推力都主要由銷釘承受剪切力。會出現刀塊微小側傾，造成沖裁間隙變大，產生毛刺，影響零件沖裁質量。設計時在刀塊刃口背面增加一塊背板，作用在于加強抗剪切力，消除刀塊側傾，同時對零件也有支撐作用。用聚氨酯棒代替通常使用的彈簧作為卸料彈性元件，使得彈壓、卸料力量均勻，不會短時間彈性失效，使裝置工作更加穩(wěn)定可靠。

圖5 下模裝配結構圖

3 模具工作過程

圖6、7為優(yōu)化后加工制造的模具上下模實物。實際生產中模具的工作過程為首先，將模具上下模呈閉合狀態(tài)安全放置在沖床工作臺面上，將上模座與沖床滑塊連接固定牢固，將下模座與工作臺連接固定牢固，開啟沖床，將上下模分離300 mm距離，將零件放置到下模下刀組合上，利用角孔凹模的凸起對零件進行定位。閉合沖床，滾珠導柱進入導套中，沖床滑塊繼續(xù)下行，壓料板將零件在聚氨酯棒的作用下緊緊壓在下刀上，沖床滑塊繼續(xù)下行，上刀與下刀對零件進行剪切沖裁。沖床滑塊上行，卸料板在聚氨酯棒的作用下將沖裁后的零件推出，上下模重新開啟至300 mm，將零件取出，完成一個完整沖壓過程。

圖6 上模實物現場照

圖7 下模實物現場照

按照文中介紹的模具結構，我公司為蘭州蘭石換熱設備公司提供制造了BR062、BR072、BR1.02、BR1.32系列換熱片精密沖裁模，并且這些型號的換熱器通過了國家核電產品生產資質，已經在核電站當中開始應用。

4 結 語

此換熱片精密沖裁模具在總結原有模具在實際生產當中存在的問題在結構上對原有模具進行了重新設計，使其結構更加巧妙，靈活。從模具材料的選擇，零部件的設計，加工方法的調整，模具的規(guī)范使用等方面都與原有模具有很大區(qū)別，特別是采用多鑲塊結構，滾珠精密導向，斜刃口沖裁，上模側刀塊可調間隙這些優(yōu)化后，徹底解決了原有模具長期存在制造難度大、沖裁精度低，模具壽命短、維修不方便，模具資金投入大，沖壓產品種類單一，沖壓設備損耗大等實際問題。事實證明此模具結構是一種換熱片精密沖裁模優(yōu)選結構。具有很好的經濟性、實用性、推廣性。為類似零件的工藝和模具結構設計提供了非常有益的經驗。