板式翅片滾壓成形過程

【摘 要】板式翅片作為強化傳熱的核心元件已廣泛應用于各領域，其加工質量和結構的優劣直接影響著強化傳熱的性能，因此，研究和探索翅片加工的新工藝則具有很重要的意義。

【關鍵詞】板式翅片 工藝參數 滾壓成形

板式翅片滾壓成形技術是將數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，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生連續局部塑性變形，最終形成高于基體表面的板式翅片。

熱能是普遍使用、易于轉換、在工業企業生產中廣為使用、必不可少的動力能源。在實際生產、生活中，對熱能最直接的利用就是通過換熱器進行熱量交換。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，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，長期以來在工業生產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域。從翅片滾壓成形的加工過程是一個不斷變化過程，翅片是逐漸長大而形成的，其過程可分為三個階段：（1）切入階段當刀具調整好滾壓深度后開始繞自身的中心軸作旋轉運動，傳動棍上的金屬工件被刀具咬入后作直線運動，隨著工件的不斷咬入，刀具切刃逐步切入金屬基體內，表面金屬被切開。（2）變形階段當表層金屬切開后，滾壓成形刀具兩側的擠壓面開始對金屬進行擠壓，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，導致金屬受到橫向、縱向擠壓后流動漸增，并處于復雜的應力、應變狀態之下，產生劇烈而復雜的變形。在刀具的不斷進給過程中，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行修正，隨著修整刀具的滾入，翅片根部的金屬在刀具兩側滾壓面側向擠壓下迅速向上流動，翅片在刀具預留空間的約束下，達到預定的要求，最終形成完整的規格翅片。

翅片作為強化傳熱的核心元件已廣泛應用于各工業領域，其質量的優劣直接影響強化傳熱的性能。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，因而傳熱效率比較高。根據翅片滾壓成形的原理，設計實驗的方案，分別在普通車床和牛頭刨床上進行了管式翅片和板式翅片的滾壓成形實驗，獲得了與數值仿真結果相一致的翅片結構，表明板式翅片滾壓成形工藝是可以用于實踐的合格工藝。論文在金屬塑性變形和有限元分析理論的基礎上，討論了板式翅片滾壓成形過程中的特點、變形區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行了仿真模擬，獲得了比較理想的翅片形狀；對不同規格翅片的成形過程進行了研究，采用正交試驗和多元回歸的方法，分析了板式翅片滾壓成形過程中各控制參數之間的關系，回歸出了經驗方程；根據研究數據和成果，開發并設計了板式翅片滾壓成形設備。

滾壓加工是一種無屑冷加工方式，是連續局部塑性成形技術在表面加工方面的應用，也是傳統表面加工方式的一種變革，具有高效、環保、工藝簡單、節能、節材等諸多優點。滾壓后工件的表面粗糙度和工具的表面粗糙度相當，加工過程沒有切屑，也不需要對工具反復進行修整，它除了能夠獲得較低的表面粗糙度，而且還能使表面層產生應變硬化效果。滾壓最初用于表面強化，但近年來越來越多地被用來代替磨削進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，并且多集中應用在軸類和孔類零件，在平面滾壓加工方面的研究和應用實例極為少見。

滾壓加工理論是以工藝實驗為基礎，同時對實踐應用具有指導作用。在滾壓加工理論研究方面至今未發現相關報道，目前研究金屬冷壓加工（冷軋和平整軋制等）壓力的計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，塑性變形區中各個質點的應力狀態都不相同。在整個變形過程中，各個質點都要產生位移或轉動，每個質點的應力狀態都可能隨時變化，這樣就使確定金屬成形中應力分布規律復雜化。然而在實際中要了解的是整個變形區中金屬的流動規律，并對變形區中每個質點都進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，證明這個新工藝可以實現綠色制造的目標，說明這個新工藝的推廣和應用將會對板式翅片制造業的發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，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，金屬發生塑性變形時產生熱量的影響。為了更深更精確的研究這一過程，需要對金屬變形時的發熱及熱傳導過程進行研究。回歸出來的翅片高度和板料被拉長的長度經驗方程，需要在所設計的板式翅片滾壓成形設備上進行加工實驗驗證。

【參考文獻】

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

[2]程通模編. 滾壓和擠壓光整加工 [M]. 北京：機械工業出版社，1989.

[3]錢頌文. 換熱器設計手冊 [M]. 北京：化學工業出版社，2002.