板式換熱器板片制造工藝仿真優(yōu)化研究

陳思

摘 要：在眾多換熱設(shè)備中，板式換熱器是換熱性能較好的一種，該設(shè)備主要是依靠結(jié)構(gòu)中的換熱板片實現(xiàn)換熱功能的，該板片在結(jié)構(gòu)上是由多組波紋形狀的凸起和凹槽組成，在比鄰的兩片板片之間的空隙可供換熱介質(zhì)通過，從而達(dá)到換熱目的。而板片的制造質(zhì)量對換熱器的交換能力起至關(guān)重要的作用，本文敘述了換熱器板片沖壓成形中常見的質(zhì)量缺陷，并對板片沖壓仿真模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析。

關(guān)鍵詞：板式換熱器板片 制造質(zhì)量 優(yōu)化設(shè)計

1 換熱器板片常見沖壓成形質(zhì)量缺陷及其原因

板式換熱器板片是決定換熱器換熱能力的重要組成部分。而制造工藝水平又決定著板片成形質(zhì)量，換熱器板片是由金屬薄板冷沖壓而成形，如果制造工藝流程不達(dá)標(biāo)很容易產(chǎn)生質(zhì)量問題。常見的沖壓成形主要缺陷有：起皺、破裂和回彈[1]。

1.1 起皺

引伸起皺是沖壓工藝中常見且難以完全規(guī)避的問題。在板料成形過程中，模具對板料產(chǎn)生外力作用，使其遵循固定形狀流動變形，由于板料內(nèi)部復(fù)雜應(yīng)力的存在，不同部位在受力過程中可能產(chǎn)生不均勻的變形，從而導(dǎo)致皺紋的產(chǎn)生，尤其是在坯料厚度方向上，當(dāng)受到外力作用時，板料容易在厚度方向上產(chǎn)生波動或皺褶，尤其是在變形程度較大或受力不均勻的區(qū)域。

成形時可采取一系列措施緩解起皺問題。首先，優(yōu)化模具設(shè)計，確保模具的幾何形狀和尺寸與板料的變形特性相匹配，以減少應(yīng)力集中和不均勻變形。其次，控制沖壓過程中的工藝參數(shù)，如沖壓速度、溫度和潤滑條件等，以改善板料的流動性和成形性能。此外，還可以采用預(yù)拉伸、加熱處理等輔助工藝來減少起皺現(xiàn)象。

但由于沖壓成形過程的復(fù)雜性和不確定性，引伸起皺問題可能無法完全消除。因此，在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體情況采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂坪蜏p少起皺現(xiàn)象的發(fā)生，以提高沖壓件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1. 2 破裂

在板料沖壓成形過程中，破裂作為拉伸失穩(wěn)的主要表現(xiàn)形式是較為常見的成形缺陷，主要原因是：在模具的推動下，壓邊圈對坯料施加壓力，引導(dǎo)其按照一定的規(guī)律流動。然而，隨著流動的進(jìn)行，坯料的承載面積會逐漸減小，同時其厚度也會變薄，應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)會逐漸增大，導(dǎo)致坯料的機(jī)械性能發(fā)生變化。在沖壓過程中，應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)可看作是材料對變形的一種抵抗，當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)增大到一定程度時，如果坯料無法繼續(xù)承受更大的變形，就會發(fā)生破裂。

為避免或減少破裂的發(fā)生，可從以下方面考慮：一是優(yōu)化模具設(shè)計，通過改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)和運動方式，減小對坯料的過度拉伸，從而降低破裂的風(fēng)險。二是合理選擇材料，根據(jù)沖壓件的需求，選擇具有較好塑性和延展性的材料，以提高其抵抗破裂的能力。三是控制沖壓速度，適當(dāng)?shù)臎_壓速度可以確保坯料在成形過程中有足夠的時間進(jìn)行塑性變形，避免過快的變形導(dǎo)致破裂。四是調(diào)整壓邊力，通過調(diào)整壓邊圈的壓力，可以控制坯料的流動速度和方向，避免在特定區(qū)域產(chǎn)生過大的應(yīng)變。

1.3 回彈

回彈同樣是板料沖壓成形過程中的常見缺陷。其產(chǎn)生的主要原因是在沖壓過程中，板料內(nèi)外邊緣的表面纖維受到的應(yīng)力較大，會首先進(jìn)入塑性狀態(tài)。而板料的中心部分由于受到的應(yīng)力相對較小，可能仍然保持在彈性狀態(tài)。這種差異導(dǎo)致了在板料成形結(jié)束外力載荷消失時，板料內(nèi)部釋放出已儲存的彈性形變能導(dǎo)致板料回彈。

發(fā)生回彈缺陷會直接影響成品零件的尺寸精度，甚至導(dǎo)致零件無法使用，可采取以下措施消除或減少回彈現(xiàn)象。在模具設(shè)計方面，可以通過合理設(shè)計凸凹模間隙、刃口半徑和工件彎曲半徑等參數(shù)，以減小回彈現(xiàn)象的發(fā)生。同時還可以采用一些特殊的模具結(jié)構(gòu)，如負(fù)回彈模具，來主動抵消回彈的影響。在工藝參數(shù)調(diào)整方面，可以通過改變沖壓速度、溫度、壓力等條件，來影響材料的流動和變形行為，從而減少回彈。此外，選擇合適的材料也是關(guān)鍵，因為材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度等性能參數(shù)會直接影響回彈的大小。還可以采用一些先進(jìn)的成形技術(shù)來減少回彈，如拉彎工藝、局部壓縮工藝等。這些工藝方法可以通過改變材料的應(yīng)力狀態(tài)和分布情況，來減小回彈現(xiàn)象的發(fā)生。

1.4 棱線不清晰

棱線清晰度是衡量沖壓件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在對沖壓成形成品件進(jìn)行檢驗時，棱線清晰度必須要滿足要求。產(chǎn)生棱線不清晰的主要原因有：一是外加載荷不夠，導(dǎo)致材料在模具內(nèi)無法移動到位。二是凹凸模的定位不準(zhǔn)確，或者導(dǎo)向機(jī)構(gòu)存在偏差，在沖壓過程中，材料在模具中的流動和變形就會受到影響，從而導(dǎo)致棱線模糊。三是間隙不均勻，模具的間隙設(shè)置不當(dāng)，或者由于磨損等原因?qū)е麻g隙變化，材料在通過模具時會因為受到不均勻的擠壓和拉伸使棱線變得模糊?？赏ㄟ^以下措施解決以上問題：一是優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)，確保外加載荷足夠，使材料能夠完全變形到位。二是提高模具的設(shè)計和制造精度，確保凹凸模的定位準(zhǔn)確、導(dǎo)向可靠。三是定期檢查和維護(hù)模具，保持其間隙的均勻性和穩(wěn)定性。

2 成形極限圖理論

成形極限圖作為板料成形質(zhì)量測試的重要依據(jù)，通過網(wǎng)格技術(shù)深入分析復(fù)雜零件每個變形局部的特性，為板料成形提供了有力的分析工具，其在實際應(yīng)用中的價值得到了廣泛認(rèn)可，在進(jìn)行板料沖壓成形CAE分析時應(yīng)考慮以下因素：一是必須采用有限元理論來有效地處理板料沖壓成形涉及到的大撓度和大變形，以保證準(zhǔn)確的計算結(jié)果。二是在選用材料模型時必須重視彈性變形和回彈現(xiàn)象。三是必須選用能夠明確表達(dá)出板料各向異性特性的屈服條件，如圖1所示。

成形極限圖在預(yù)測和評估板料沖壓成形過程中可能出現(xiàn)的破裂風(fēng)險方面是一種直觀且有效的工具，其核心在于通過在毛坯表面預(yù)設(shè)密集網(wǎng)格，計算并衡量網(wǎng)格的變形量，在成形極限圖上將變形量作為坐標(biāo)數(shù)據(jù)與材料的成形曲線進(jìn)行對比。如果變形數(shù)據(jù)點位于成形曲線的臨界區(qū)下方，則沖壓成形產(chǎn)生破裂的風(fēng)險較低，能夠順利進(jìn)行沖壓過程。相反，如果數(shù)據(jù)點位于臨界區(qū)上方，則預(yù)示著可能會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。每種材料通過一系列試驗都有其獨特的成形曲線，受模具設(shè)計、沖壓工藝參數(shù)等眾多因素的影響，材料成形曲線數(shù)據(jù)呈不穩(wěn)定性，形成了具有特定寬度的區(qū)域，這個區(qū)域稱為臨界區(qū)。當(dāng)沖壓件的變形數(shù)據(jù)點落在這個臨界區(qū)內(nèi)時，就意味著零件存在出現(xiàn)破裂缺陷的風(fēng)險。

成形極限圖的優(yōu)點在于其簡單易用和直觀性，通過坐標(biāo)標(biāo)注和對比可判斷零件成形后的質(zhì)量優(yōu)劣，從而及時調(diào)整沖壓工藝參數(shù)或優(yōu)化模具設(shè)計，以避免或降低破裂風(fēng)險。這種方法在板料沖壓成形領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。

3 沖壓模擬仿真

運用沖壓模擬仿真軟件按照劃分網(wǎng)格、確定沖壓方向、創(chuàng)建壓料面、創(chuàng)建工藝補(bǔ)充面等步驟對換熱器板片進(jìn)行分析，設(shè)置板片厚度為0.7mm，材料性能設(shè)置為SS11CrCb，經(jīng)過提交軟件計算后得出結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示板片的波紋交匯處呈現(xiàn)出即將破裂的風(fēng)險，在板片波峰和波谷的人字形交匯處已經(jīng)出現(xiàn)破損現(xiàn)象。引發(fā)上述問題的原因可能為徑向拉應(yīng)力過大以及模具壓料引起過大的阻力等，在實際生產(chǎn)中若出現(xiàn)上述問題的板片將視為不合格品。

4 工藝優(yōu)化及結(jié)果分析

上述模擬分析出現(xiàn)的問題可從工藝設(shè)計和參數(shù)設(shè)置方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終符合板片成形質(zhì)量要求。

4.1 對工藝補(bǔ)充面的優(yōu)化

在沖壓成形制造中，工藝補(bǔ)充面的設(shè)計與產(chǎn)品的質(zhì)量密不可分，是實現(xiàn)零件拉深成形的必要條件，同時也是提高板料變形程度和剛性的基礎(chǔ)，其設(shè)計的合理性將直接影響到修邊、整形、翻邊等后續(xù)工序。因此，必須慎重設(shè)計工藝補(bǔ)充面，以達(dá)到合格產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計工藝補(bǔ)充面主要有以下原則：

（1）板料與壓料面距離的控制。減小板料與壓料面之間的距離有助于減少所需坯料的數(shù)量，從而降低材料成本。較小的距離也有助于提高拉深成形的穩(wěn)定性，減少成形過程中的波動，降低開裂等缺陷的發(fā)生概率。在保證有足夠的變形情況下，如果拉深深度比較小，那么零件成形就比較容易，產(chǎn)品合格率也較高。

（2）修邊線形狀合理設(shè)計。垂直或近似垂直的修邊線不僅可減少工藝補(bǔ)充部分的材料用量，達(dá)到控制成本的目的，還可使模具結(jié)構(gòu)更為緊湊。在后續(xù)工序中也有利于廢料的回收和處理。

（3）工藝補(bǔ)充部分面積優(yōu)化。最小化工藝補(bǔ)充部分面積是降低成本和提高材料利用率的關(guān)鍵，但同時也要考慮過小的面積同樣也會影響板料的成形質(zhì)量。

（4）定位的準(zhǔn)確性?？煽康亩ㄎ恍允谴_保后續(xù)工序順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。在設(shè)計工藝補(bǔ)充面時，需要充分考慮定位孔的位置、大小和形狀，以確保定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，避免影響后續(xù)工藝。

（5）保證拉深變形條件。在成形過程中，足夠的塑性變形量是確保零件形狀精度和剛度的關(guān)鍵，對于深度較淺、曲率較小的零件，可能需要通過調(diào)整工藝參數(shù)或增加輔助成形措施來增加變形量。

（6）優(yōu)化沖壓件結(jié)構(gòu)形狀。適當(dāng)簡化沖壓件結(jié)構(gòu)形狀有助于控制材料流動和塑性變形，提高成形穩(wěn)定性。

（7）應(yīng)用對稱布置零件。在對形狀較復(fù)雜、難以確定沖壓方向的坯料設(shè)計工藝補(bǔ)充面設(shè)計時，可以采用對稱布置的方式，不僅有利于零件成形過程的穩(wěn)定性，還可以提高生產(chǎn)效率。在本文中設(shè)計換熱器板片時就采用了對稱布置零件的方法。優(yōu)化后的工藝補(bǔ)充面如圖3所示。

4.2 對壓料面的優(yōu)化

在沖壓成形中，壓料面的設(shè)計與優(yōu)化至關(guān)重要。壓料面作為與工藝補(bǔ)充面緊密相連的部分，其設(shè)計形狀直接影響到整個成形過程的效率和質(zhì)量。根據(jù)工藝補(bǔ)充面的不同，壓料面可選擇平面、圓柱面、雙曲面等不同形態(tài)，以適應(yīng)不同工件的成形需求，但優(yōu)先選取平面，既利于坯料成形，又減少了實際加工難度。在數(shù)字化設(shè)計流程中，壓料面的形狀設(shè)計可以根據(jù)實際需求采取不同的方式。一種方式是將壓料面與工藝補(bǔ)充面一同構(gòu)建，這種方法首先需要根據(jù)工件的特征構(gòu)建出特征曲線，然后基于這些曲線來構(gòu)建壓料面和工藝補(bǔ)充面。這種方式可以確保壓料面與工藝補(bǔ)充面之間的銜接更為自然和順暢。

另一種方式是先創(chuàng)建壓料面，再創(chuàng)建工藝補(bǔ)充面。在創(chuàng)建壓料面時，應(yīng)著重考慮工件的拉延深度，確保壓料面與工件之間的高度適當(dāng)，避免過高造成不必要的高成本以及模擬計算的復(fù)雜性。確定壓料面后，就可以進(jìn)一步構(gòu)建工藝補(bǔ)充面，以完善整個成形過程。

對于人字形板式換熱器板片這類具有復(fù)雜曲面特征的工件，壓料面的選擇和設(shè)計尤為關(guān)鍵。在板片波紋部分，特別是波紋人字形交匯處，曲面特征尤為復(fù)雜，這就要求壓料面設(shè)計要更加精準(zhǔn)和貼合。同時，由于板片四周結(jié)構(gòu)平滑且相對簡單，可以考慮采用平面作為壓料面，這樣既易于實現(xiàn)，又能確保坯料成形的穩(wěn)定性。在工藝補(bǔ)充面的選擇上，由于板片波紋與板片邊緣距離較近，為了避免成形過程中的干涉和缺陷，需要適當(dāng)加大工藝補(bǔ)充面與板片邊緣之間的圓角。這樣不僅可以改善坯料的流動性，還能有效減少成形過程中的應(yīng)力集中，從而提高板片的成形質(zhì)量和效率。

4.3 調(diào)整凹模圓角

由于板式換熱器板片屬于準(zhǔn)精密部件，其成形質(zhì)量對換熱器的整體性能和工作穩(wěn)定性具有重要影響。因此調(diào)整凹模圓角是工藝補(bǔ)充面優(yōu)化過程中的重要環(huán)節(jié)，特別是在處理例如板式換熱器人字形板片這類具有復(fù)雜曲面特征的工件時，因其破裂危險區(qū)和開裂區(qū)將集中在波紋人字形交匯處和波紋圓角處，因此在生成凹模時，適當(dāng)加大該區(qū)域的圓角半徑至關(guān)重要的。

4.4 優(yōu)化后計算結(jié)果分析

經(jīng)過以上分析及工藝優(yōu)化后，對板片進(jìn)行沖壓仿真。圖4為優(yōu)化后板片成形極限圖。

5 結(jié)論

從計算結(jié)果可以看出，經(jīng)過工藝優(yōu)化后，換熱器板片的質(zhì)量有了明顯的提高。板片沖壓后無開裂缺陷，達(dá)到設(shè)計需求。說明通過改善工藝補(bǔ)充面、壓料面和網(wǎng)格的劃分程度，可以改善板式換熱器板片的沖壓質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李治國，王閆龍.板式熱交換器板片成形數(shù)值分析及優(yōu)化[J].化工機(jī)械，2021（01）：51-58.

[2] 邱波.核島板式換熱器缺陷原因分析及改進(jìn)建議[J].揚州大學(xué)，產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2022（04）：36-38.

[3] 孟楠，王志超.板式換熱機(jī)組的設(shè)計優(yōu)化[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022（11）：36-37.

[4] 楊玉，郭子崗.大型印刷電路板換熱器傳熱性能數(shù)值模擬研究[J].電力科技與環(huán)保，2023（03）：249-255.

[5] 李豐華.板式換熱器在船舶輪機(jī)中的應(yīng)用[J].船舶物資與市場，2022（05）：53-55.