板翅式換熱器高精度翅片沖壓成型關鍵技術的創新設計

董明智 毛國平

摘 要：板翅式換熱器是各類氣體分離設備的熱交換器，而翅片是板翅式換熱器的關鍵部件，占整個換熱器體積的80%以上。復雜型面高精度翅片成形技術是制造中高壓高效板翅式換熱器，實現大型、特大型空分設備國產化的關鍵技術。多年來，高精度翅片以其成形工藝復雜、制造精度要求高、生產效率低成為全球行業性技術難題。

關鍵詞：板翅式換熱器;翅片;成形;模具設計

中圖分類號：TG385 文獻標識碼：A

1 引言

以97JC1602、40JC1505兩種典型的錯列鋸齒翅片為研究對象，適當增加工藝補充部分后，利用大型CAD軟件（如UG）構建翅片的三維幾何模型。建立準確的翅片三維幾何模型后，進一步構建有限元模型。建立有限元模型時，根據翅片成形的特點和材料特性，主要研究了翅片數值模擬中單元類型、單元劃分、材料模型、積分點選取、接觸和摩擦法則、本構方程、虛擬凸模沖壓速度等內容。針對M型和W型多刀復合折彎的翅片加工工藝，借助有限元軟件實現成形過程和脫模回彈過程的數值模擬。利用動-靜聯合算法求解回彈問題，計算翅片成形過程中各瞬間的位移、應變和應力分布，預測翅片回彈和模具刀片受力情況，通過圖形的靜-動態顯示或者重要參數的相關圖形圖表，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鍵技術設計方案

由于錯列鋸齒翅片結構復雜，故成形工藝只能采用多刀折彎加校正的復合成形工藝，折彎的同時伴隨寬度方向周期性剪切錯位，即一個成形周期中完成折彎、錯列剪裁、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）或多刀結構。翅片連續折彎沖壓成形工藝如圖1所示，成形過程中，上模只有垂直運動，下模既有垂直運動又有水平運動，翅片制造只能在專門設計的翅片成形機上完成。

根據此工藝特點，專用翅片成形機的設計采用如下技術措施：翅片成形機設計采用上下分體結構，上部一組凸輪，實現上模板的垂直運動，下部兩組凸輪，分別實現下模板的垂直運動與水平運動，上下兩個傳動軸通過可伸縮聯軸器實現同步轉動。利用ADAMS軟件對由凸輪、滾輪、上下模板、導柱、復位彈簧、減振彈簧組成的復雜系統進行動力學及運動學的仿真分析與設計，針對翅片成形機高速的設計要求，對復雜彈性系統的響應頻率進行仿真分析與優化設計，開發出能實現翅片高速折彎沖壓成形工藝的結構形式。

整個沖壓系統采用液壓系統脹緊，以實現恒力沖壓，從而保證了翅片平面度的高精度;采用伺服調節系統來調整模具閉合高度，以便實現翅片高度的高精度調整;采用了一套節距調整伺服系統來實現節距調節的高精度;為實現整個設備的柔性可調，設備采用上下分體的結構設計。設備總體設計采用了技術集成與創新的方法，通過對伺服技術、液壓技術、彈性技術、潤滑技術有效集成，對一套創新的傳動結構進行合理有效的集成，最終形成具有自主知識產權的板翅式換熱器高精度翅片成形技術及裝備。

3 板翅式換熱器高精度翅片沖壓成型關鍵技術實施方案

為使翅片成形設備能加工制造各種類型的翅片，要求成形設備柔性可調。根據不同翅片成形工藝，對翅片成形機提出沖壓力可調、閉合高度精確可調、送料節距精確可調的技術要求，具體方案如下。

3.1 沖壓力可調

如圖3所示，采用基座、四導柱、頂座、上模板、下模板的基本機架結構，利用頂座液壓缸將機架脹緊為一體，利用液壓系統壓力可調的特點來實現設備沖壓力可調和壓力保護功能。

3.2 閉合高度精確可調

如圖2所示，閉合高度調整系統集液壓技術與伺服技術于一體，整個頂座設計為可提升的結構形式，通過液壓系統可實現頂座的提起與脹緊。在頂座提起的同時，利用伺服系統帶動傳動鏈條從而帶動四個限位螺母座旋轉，實現限位螺母座相對導柱的上下移動，之后頂座落下、脹緊，完成閉合高度的精確調整。

3.3 送料節距精確可調

如圖3所示，設計了一種新穎的間歇式高頻往復送料機構，且送料節距可調。根據翅片成形工藝要求，設計出送料節距凸輪的輪廓曲線。翅片成形過程中，主電機通過傳動機構帶動節距凸輪驅動關節軸承和支點關節軸承實現了擺桿的轉動及滑動，由此驅動下模板做往復送料運動，利用與下模板相連的回復彈簧驅動送料機構復位。節距調整是利用伺服系統帶動蝸輪蝸桿，從而帶動螺旋副，使得支點關節軸承上下運動，導致擺桿支點兩端的長度變化，實現送料節距的改變，并通過PLC精確控制伺服電機轉動角度，實現送料行程的精確調整。

針對翅片成形機的精度和剛度要求，利用有限元軟件對翅片成形機關鍵零部件的受力變形、振動及熱變形進行研究，獲得相應受力變形、振動及熱變形對翅片成形機精度的影響參數，在設備結構設計中加以補償。并通過在系統中安裝減振彈簧、減振支架及在關鍵部位采用氣霧潤滑等措施消除振動及升溫對成形機整體精度的影響。

4 翅片成形模具技術創新優勢

傳統翅片成形模具結構難以滿足生產高精度翅片的要求。本項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行數值模擬與分析，利用有限元軟件對模具刀片的熱變形、磨損與壽命進行分析，設計出一種新型模具結構，該模具結構有效地解決了傳統模具存在的諸多弊端，從而解決了高精度翅片的成形技術難題。翅片成形模具技術創新如下文。

4.1 采用整體刀片技術

采用先進的加工技術制造出高精度整體式刀片。整體式刀片相比傳統單齒刀片，其優勢在于齒間配合精度高， 刀片強度增強，安裝方便，使用壽命增長。

4.2 采用多刀成形技術

傳統模具由于結構限制無法實現多刀成形，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，從而造成翅片節距一致性差的缺陷。在新型模具設計中采用了多刀成形技術，使傳統的翅片單齒單次成形變為單齒多次成形，無須二次擠壓整形工藝就解決翅片節距一致性問題，成形翅片的垂直度高且穩定。

4.3 采用復合成形技術

傳統的模具翅片成形只是折彎成形，其生產出來的翅片齒頂均為圓弧形，這種翅片在釬焊時由于釬焊面積小，釬焊強度差，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附加了塑性整形技術，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度要求。

4.4 采用固定脫模技術

傳統翅片成形模具脫模形式采用彈性浮動脫模方式，這種脫模方式會破壞翅片的成形精度。此外，這種脫模方式對翅高4mm以下的翅片無法實現脫模。本文設計的新型模具將浮動脫模改為固定脫模，主要優點：固定脫模板強度好、精度高，不會對于翅片產生二次變形，有效地保護了翅片的精度;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以下高壓翅片生產的需要。

參考文獻

[1] 王榮，董明智.高精度錯列翅片復合成形工藝及模具技術[J].機電產品開發與創新，2011，24（04）：52-54.

[2] 王松漢等編著.板翅式換熱器[M].北京：化學工業出版社，1984.