換熱器管板孔溝槽刀的簡易設計

摘要：在換熱器管束制造過程中，管板與換熱管的連接方式主要有脹接、焊接、脹焊并用等方式。為了保證換熱管與管板連接的密封性及抗拉脫強度，提高換熱管與管板的脹接質量，通常采用在管孔上開槽的形式。原有管板挖槽依靠鏜床利用手工擺動裝有挖刀的芯軸來控制挖刀挖槽的深度，準確性差，造成槽的深度不一樣，且挖槽后圓孔內壁出現很多毛剌難以消除，使管子脹接在管板的圓孔內后連接牢度低，密封性差。這種方式已不能完全滿足批量管板溝槽的加工所以根據生產的實際需要我們設計了結構簡單、經濟耐用的溝槽刀具。

關鍵詞：換熱管 管板 開槽 溝槽刀 簡易設計

目前，管殼式熱交換器（冷卻器、加熱器）廣泛應用于石油、化工、輕工、制藥能源等工業生產中。為了提高換熱器的密封性能和增加拉脫力，越來越多的換熱器采用了脹接（貼脹或強度脹）的密封形式，即在兩端的管板孔內增加密封槽。其中對于薄管板（厚度小于25mm）一般開單槽，對于厚度大于25mm的一般設置兩個溝槽，在一些有特殊要求的情況下有些設置三個溝槽。如圖一。

其中δ為管板的厚度；K為槽的深度。

1 目前存在的問題

隨著換熱器的發展，換熱器的換熱面積及直徑越來越大，一臺管殼式換熱器可能有幾百根乃至上千根換熱管，相應管板上就有成百上千個管孔。在每個管孔上加工兩個溝槽，對機械加工帶來很大的挑戰。

1.1 用鏜床加工 如果采用在鏜床上加工的方法，加工費用、加工精度以及進度都無法保證。

1.2 使用成型刀具加工 如果采用外購的成型刀具，購買刀具的費用大巨大、且這種成型刀具不耐用，對中小型企業是一筆不小的開支。隨著生產的換熱器數量的增加，這種矛盾則更為突出。我們經過反復研究、試驗、實踐，設計了一款管板孔開溝槽刀具。該款刀具結構簡單，并能保證溝槽的加工質量；操作過程簡單，且價格低廉，適用于各種企業。目前我公司已成功用于批量生產。

2 設計原理

使用普通鉆床，利用定位裝置安裝一活動刀頭，運用鉆床的上、下移動及轉動來完成開槽工序。

該溝槽刀如圖二所示，其組成分為刀頭、刀桿、定心套、定位軸、調整螺栓、錐柄、刀體、限位螺栓、連接套等20個組件。其特點是，首先將刀桿與襯套及刀體三者利用定位軸固定為一體，工作時三者可同時轉動；接著穿入定心套、軸承及連接套，連接套的螺紋可調節深入管孔槽內刀頭的深度，然后裝入車床上的刀柄，旋入壓蓋固定于鉆床上；最后裝入刀頭進行溝槽加工。工作時，將刀頭還原到原位，深入管孔內，定心套緊貼與換熱管內壁。下移鉆床錐柄，利用調整螺栓及限位螺栓及彈簧裝置保證刀桿隨錐柄下移能自動定動及回位。調試好后即可開始工作。

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1——管板；2——定心套；3——軸承；4——連接套；5——限位螺栓；6——壓蓋；7——錐柄；8——刀桿；9——調整螺栓；10——定位銷；11——襯套。

圖二 溝槽刀示意圖

3 溝槽刀的特點

3.1 刀桿的制作 刀桿是該溝槽刀中重要的部分，需要根據不同的管孔大小來分別制作。每種規格的管孔，需要用不同的刀桿。由于管板孔的大小不同，其溝槽的深度不同，因此刀桿前端部分要根據管孔大小再制作，其余不做改變。

刀桿的選材是經過調質處理HRC25-HRC30的45#鋼。在加工過程中考慮到錐柄與刀桿的同心度，所以刀桿尾部與錐柄的連接采用球面接觸，錐柄頭部切出45°斜面凹槽，刀桿部分則加工為球面。在錐柄凹槽內能隨錐柄的上下移動傾斜一定角度移動，從而保證刀頭在管孔內能穩定的切削。

為了保證溝槽與工件的垂直，槽深淺一致的情況下刀桿前部（即裝入刀頭的部分），我們采用了偏心結構。偏心度數根據管板厚度、管孔大小以及開槽位置計算出來。經實踐證明，這種偏心設計完全可以保證開槽質量。

3.2 限位螺栓的改進 限位螺釘的作用就是保證刀桿在到適當的位置后阻止刀桿繼續移動，但為了保證進入管板孔的刀桿能自如的進出，且不能傷害到刀頭及管板孔表面，我們還引入了彈簧設計，如圖三。當刀桿傾斜一定角度進入管板孔內，調節好限位螺栓，再隨著鉆床的下移，彈簧壓縮，刀桿被限位螺栓限定在垂直位置后即開始工作。工作完畢后利用內置的彈性機構，能在退刀過程中即時的使刀頭順利離開工件，避免刀頭損壞。

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圖三 刀桿中的彈簧應用

3.3 鐵屑的排出

在加工過程中若鐵屑不能及時排出，不僅會加快刀頭的磨損，同時對管孔質量也危害極大。特別是在管板孔直徑比較小時，鐵屑更不易排出。我們經過不斷的試驗，最后在裝入刀頭的刀桿處增加了一個2.5mm×1mm的導向槽則順利了解決了這個問題，鐵屑順著導向槽將鐵屑排出管孔外，減少了對刀頭及管孔的傷害。見圖四。

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圖四

4 溝槽刀的特點

4.1 溝槽刀的優點

由于管板孔的規格尺寸比較多，不可能每種規格都制造一套，所以本設計絕大部分采用了通用設計，減少浪費。針對不同的管板孔規格，只需要更換定心套及刀桿這兩個部件即可。這樣不僅減少了成本，減少了刀具更換的頻次，大大的提高了生產效率。在加工過程中，該款挖槽刀操作方便，簡單、易學，不需要專門指導，且挖槽質量穩定，完全可以達到GB151-1999《管殼式換熱器》中開槽的要求。

4.2 存在的問題該款溝槽刀在加工精度上稍微差一些，不適用于高精度場所。

5 總結

目前該款管板孔溝槽刀已在我公司正式投產使用，不僅提高工作效率、而且切槽位置準確、質量可靠，試驗合格率100%，完全能適應生產的要求。

參考文獻：

[1]GB151-1999，管殼式換熱器[S].

[2]《換熱器設計手冊》.

[3]李紅燕.換熱器管板孔腐蝕失效分析[J].全面腐蝕控制，2013（12）.

作者簡介：王倩，2012年畢業于西北工業大學網絡教育機械設計及其自動化專業本科，學士學位，現在西安航新石化設備有限責任公司從事設計工作。