板翅式換熱器高精度翅片沖壓成型關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

董明智 毛國平

摘 要：板翅式換熱器是各類氣體分離設(shè)備的熱交換器，而翅片是板翅式換熱器的關(guān)鍵部件，占整個(gè)換熱器體積的80%以上。復(fù)雜型面高精度翅片成形技術(shù)是制造中高壓高效板翅式換熱器，實(shí)現(xiàn)大型、特大型空分設(shè)備國產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)。多年來，高精度翅片以其成形工藝復(fù)雜、制造精度要求高、生產(chǎn)效率低成為全球行業(yè)性技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：板翅式換熱器;翅片;成形;模具設(shè)計(jì)

中圖分類號：TG385 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

以97JC1602、40JC1505兩種典型的錯(cuò)列鋸齒翅片為研究對象，適當(dāng)增加工藝補(bǔ)充部分后，利用大型CAD軟件（如UG）構(gòu)建翅片的三維幾何模型。建立準(zhǔn)確的翅片三維幾何模型后，進(jìn)一步構(gòu)建有限元模型。建立有限元模型時(shí)，根據(jù)翅片成形的特點(diǎn)和材料特性，主要研究了翅片數(shù)值模擬中單元類型、單元?jiǎng)澐?、材料模型、積分點(diǎn)選取、接觸和摩擦法則、本構(gòu)方程、虛擬凸模沖壓速度等內(nèi)容。針對M型和W型多刀復(fù)合折彎的翅片加工工藝，借助有限元軟件實(shí)現(xiàn)成形過程和脫?；貜椷^程的數(shù)值模擬。利用動(dòng)-靜聯(lián)合算法求解回彈問題，計(jì)算翅片成形過程中各瞬間的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，預(yù)測翅片回彈和模具刀片受力情況，通過圖形的靜-動(dòng)態(tài)顯示或者重要參數(shù)的相關(guān)圖形圖表，描述翅片成形過程中各階段的變形和卸載回彈[1-2]。

2 板翅式換熱器高精度翅片沖壓成型關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)方案

由于錯(cuò)列鋸齒翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故成形工藝只能采用多刀折彎加校正的復(fù)合成形工藝，折彎的同時(shí)伴隨寬度方向周期性剪切錯(cuò)位，即一個(gè)成形周期中完成折彎、錯(cuò)列剪裁、沖壓齒形校正等多種工藝。模具采用開模雙刀、四刀、五刀（上三下二或下三上二）或多刀結(jié)構(gòu)。翅片連續(xù)折彎沖壓成形工藝如圖1所示，成形過程中，上模只有垂直運(yùn)動(dòng)，下模既有垂直運(yùn)動(dòng)又有水平運(yùn)動(dòng)，翅片制造只能在專門設(shè)計(jì)的翅片成形機(jī)上完成。

根據(jù)此工藝特點(diǎn)，專用翅片成形機(jī)的設(shè)計(jì)采用如下技術(shù)措施：翅片成形機(jī)設(shè)計(jì)采用上下分體結(jié)構(gòu)，上部一組凸輪，實(shí)現(xiàn)上模板的垂直運(yùn)動(dòng)，下部兩組凸輪，分別實(shí)現(xiàn)下模板的垂直運(yùn)動(dòng)與水平運(yùn)動(dòng)，上下兩個(gè)傳動(dòng)軸通過可伸縮聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。利用ADAMS軟件對由凸輪、滾輪、上下模板、導(dǎo)柱、復(fù)位彈簧、減振彈簧組成的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真分析與設(shè)計(jì)，針對翅片成形機(jī)高速的設(shè)計(jì)要求，對復(fù)雜彈性系統(tǒng)的響應(yīng)頻率進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)出能實(shí)現(xiàn)翅片高速折彎沖壓成形工藝的結(jié)構(gòu)形式。

整個(gè)沖壓系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)脹緊，以實(shí)現(xiàn)恒力沖壓，從而保證了翅片平面度的高精度;采用伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)整模具閉合高度，以便實(shí)現(xiàn)翅片高度的高精度調(diào)整;采用了一套節(jié)距調(diào)整伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)距調(diào)節(jié)的高精度;為實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的柔性可調(diào)，設(shè)備采用上下分體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)備總體設(shè)計(jì)采用了技術(shù)集成與創(chuàng)新的方法，通過對伺服技術(shù)、液壓技術(shù)、彈性技術(shù)、潤滑技術(shù)有效集成，對一套創(chuàng)新的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理有效的集成，最終形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的板翅式換熱器高精度翅片成形技術(shù)及裝備。

3 板翅式換熱器高精度翅片沖壓成型關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施方案

為使翅片成形設(shè)備能加工制造各種類型的翅片，要求成形設(shè)備柔性可調(diào)。根據(jù)不同翅片成形工藝，對翅片成形機(jī)提出沖壓力可調(diào)、閉合高度精確可調(diào)、送料節(jié)距精確可調(diào)的技術(shù)要求，具體方案如下。

3.1 沖壓力可調(diào)

如圖3所示，采用基座、四導(dǎo)柱、頂座、上模板、下模板的基本機(jī)架結(jié)構(gòu)，利用頂座液壓缸將機(jī)架脹緊為一體，利用液壓系統(tǒng)壓力可調(diào)的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備沖壓力可調(diào)和壓力保護(hù)功能。

3.2 閉合高度精確可調(diào)

如圖2所示，閉合高度調(diào)整系統(tǒng)集液壓技術(shù)與伺服技術(shù)于一體，整個(gè)頂座設(shè)計(jì)為可提升的結(jié)構(gòu)形式，通過液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)頂座的提起與脹緊。在頂座提起的同時(shí)，利用伺服系統(tǒng)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈條從而帶動(dòng)四個(gè)限位螺母座旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)限位螺母座相對導(dǎo)柱的上下移動(dòng)，之后頂座落下、脹緊，完成閉合高度的精確調(diào)整。

3.3 送料節(jié)距精確可調(diào)

如圖3所示，設(shè)計(jì)了一種新穎的間歇式高頻往復(fù)送料機(jī)構(gòu)，且送料節(jié)距可調(diào)。根據(jù)翅片成形工藝要求，設(shè)計(jì)出送料節(jié)距凸輪的輪廓曲線。翅片成形過程中，主電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)節(jié)距凸輪驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承和支點(diǎn)關(guān)節(jié)軸承實(shí)現(xiàn)了擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)及滑動(dòng)，由此驅(qū)動(dòng)下模板做往復(fù)送料運(yùn)動(dòng)，利用與下模板相連的回復(fù)彈簧驅(qū)動(dòng)送料機(jī)構(gòu)復(fù)位。節(jié)距調(diào)整是利用伺服系統(tǒng)帶動(dòng)蝸輪蝸桿，從而帶動(dòng)螺旋副，使得支點(diǎn)關(guān)節(jié)軸承上下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致擺桿支點(diǎn)兩端的長度變化，實(shí)現(xiàn)送料節(jié)距的改變，并通過PLC精確控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)送料行程的精確調(diào)整。

針對翅片成形機(jī)的精度和剛度要求，利用有限元軟件對翅片成形機(jī)關(guān)鍵零部件的受力變形、振動(dòng)及熱變形進(jìn)行研究，獲得相應(yīng)受力變形、振動(dòng)及熱變形對翅片成形機(jī)精度的影響參數(shù)，在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以補(bǔ)償。并通過在系統(tǒng)中安裝減振彈簧、減振支架及在關(guān)鍵部位采用氣霧潤滑等措施消除振動(dòng)及升溫對成形機(jī)整體精度的影響。

4 翅片成形模具技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢

傳統(tǒng)翅片成形模具結(jié)構(gòu)難以滿足生產(chǎn)高精度翅片的要求。本項(xiàng)研究利用有限元及彈塑性理論，對翅片成形過程中的回彈進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，利用有限元軟件對模具刀片的熱變形、磨損與壽命進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一種新型模具結(jié)構(gòu)，該模具結(jié)構(gòu)有效地解決了傳統(tǒng)模具存在的諸多弊端，從而解決了高精度翅片的成形技術(shù)難題。翅片成形模具技術(shù)創(chuàng)新如下文。

4.1 采用整體刀片技術(shù)

采用先進(jìn)的加工技術(shù)制造出高精度整體式刀片。整體式刀片相比傳統(tǒng)單齒刀片，其優(yōu)勢在于齒間配合精度高， 刀片強(qiáng)度增強(qiáng)，安裝方便，使用壽命增長。

4.2 采用多刀成形技術(shù)

傳統(tǒng)模具由于結(jié)構(gòu)限制無法實(shí)現(xiàn)多刀成形，且翅片成形的垂直度差，只能通過二次擠壓整形的方式解決。由于二次擠壓整形難于控制，從而造成翅片節(jié)距一致性差的缺陷。在新型模具設(shè)計(jì)中采用了多刀成形技術(shù)，使傳統(tǒng)的翅片單齒單次成形變?yōu)閱锡X多次成形，無須二次擠壓整形工藝就解決翅片節(jié)距一致性問題，成形翅片的垂直度高且穩(wěn)定。

4.3 采用復(fù)合成形技術(shù)

傳統(tǒng)的模具翅片成形只是折彎成形，其生產(chǎn)出來的翅片齒頂均為圓弧形，這種翅片在釬焊時(shí)由于釬焊面積小，釬焊強(qiáng)度差，不能滿足中高壓換熱器翅片的要求。在翅片折彎成形的同時(shí)附加了塑性整形技術(shù)，使之在成形過程中既有折彎過程又有塑性整形過程，通過塑性整形在翅片的頂部形成一定面積的平面，大大增加了翅片的釬焊面積，滿足了高壓翅片的釬焊強(qiáng)度要求。

4.4 采用固定脫模技術(shù)

傳統(tǒng)翅片成形模具脫模形式采用彈性浮動(dòng)脫模方式，這種脫模方式會(huì)破壞翅片的成形精度。此外，這種脫模方式對翅高4mm以下的翅片無法實(shí)現(xiàn)脫模。本文設(shè)計(jì)的新型模具將浮動(dòng)脫模改為固定脫模，主要優(yōu)點(diǎn)：固定脫模板強(qiáng)度好、精度高，不會(huì)對于翅片產(chǎn)生二次變形，有效地保護(hù)了翅片的精度;由于脫模板固定安裝在上料支架上，對翅片高度沒有任何限制，滿足了翅高4mm以下高壓翅片生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 王榮，董明智.高精度錯(cuò)列翅片復(fù)合成形工藝及模具技術(shù)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（04）：52-54.

[2] 王松漢等編著.板翅式換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.