板式換熱器板片制造工藝仿真優化研究

陳思

摘 要：在眾多換熱設備中，板式換熱器是換熱性能較好的一種，該設備主要是依靠結構中的換熱板片實現換熱功能的，該板片在結構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通過，從而達到換熱目的。而板片的制造質量對換熱器的交換能力起至關重要的作用，本文敘述了換熱器板片沖壓成形中常見的質量缺陷，并對板片沖壓仿真模擬結果進行優化分析。

關鍵詞：板式換熱器板片 制造質量 優化設計

1 換熱器板片常見沖壓成形質量缺陷及其原因

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標很容易產生質量問題。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避的問題。在板料成形過程中，模具對板料產生外力作用，使其遵循固定形狀流動變形，由于板料內部復雜應力的存在，不同部位在受力過程中可能產生不均勻的變形，從而導致皺紋的產生，尤其是在坯料厚度方向上，當受到外力作用時，板料容易在厚度方向上產生波動或皺褶，尤其是在變形程度較大或受力不均勻的區域。

成形時可采取一系列措施緩解起皺問題。首先，優化模具設計，確保模具的幾何形狀和尺寸與板料的變形特性相匹配，以減少應力集中和不均勻變形。其次，控制沖壓過程中的工藝參數，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，還可以采用預拉伸、加熱處理等輔助工藝來減少起皺現象。

但由于沖壓成形過程的復雜性和不確定性，引伸起皺問題可能無法完全消除。因此，在實際生產中，需要根據具體情況采取適當的措施來控制和減少起皺現象的發生，以提高沖壓件的質量和生產效率。

1. 2 破裂

在板料沖壓成形過程中，破裂作為拉伸失穩的主要表現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，引導其按照一定的規律流動。然而，隨著流動的進行，坯料的承載面積會逐漸減小，同時其厚度也會變薄，應變強化效應會逐漸增大，導致坯料的機械性能發生變化。在沖壓過程中，應變強化效應可看作是材料對變形的一種抵抗，當應變強化效應增大到一定程度時，如果坯料無法繼續承受更大的變形，就會發生破裂。

為避免或減少破裂的發生，可從以下方面考慮：一是優化模具設計，通過改進模具的結構和運動方式，減小對坯料的過度拉伸，從而降低破裂的風險。二是合理選擇材料，根據沖壓件的需求，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，適當的沖壓速度可以確保坯料在成形過程中有足夠的時間進行塑性變形，避免過快的變形導致破裂。四是調整壓邊力，通過調整壓邊圈的壓力，可以控制坯料的流動速度和方向，避免在特定區域產生過大的應變。

1.3 回彈

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

發生回彈缺陷會直接影響成品零件的尺寸精度，甚至導致零件無法使用，可采取以下措施消除或減少回彈現象。在模具設計方面，可以通過合理設計凸凹模間隙、刃口半徑和工件彎曲半徑等參數，以減小回彈現象的發生。同時還可以采用一些特殊的模具結構，如負回彈模具，來主動抵消回彈的影響。在工藝參數調整方面，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鍵，因為材料的彈性模量、屈服強度等性能參數會直接影響回彈的大小。還可以采用一些先進的成形技術來減少回彈，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力狀態和分布情況，來減小回彈現象的發生。

1.4 棱線不清晰

棱線清晰度是衡量沖壓件質量的重要指標之一。在對沖壓成形成品件進行檢驗時，棱線清晰度必須要滿足要求。產生棱線不清晰的主要原因有：一是外加載荷不夠，導致材料在模具內無法移動到位。二是凹凸模的定位不準確，或者導向機構存在偏差，在沖壓過程中，材料在模具中的流動和變形就會受到影響，從而導致棱線模糊。三是間隙不均勻，模具的間隙設置不當，或者由于磨損等原因導致間隙變化，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。可通過以下措施解決以上問題：一是優化沖壓工藝參數，確保外加載荷足夠，使材料能夠完全變形到位。二是提高模具的設計和制造精度，確保凹凸模的定位準確、導向可靠。三是定期檢查和維護模具，保持其間隙的均勻性和穩定性。

2 成形極限圖理論

成形極限圖作為板料成形質量測試的重要依據，通過網格技術深入分析復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，其在實際應用中的價值得到了廣泛認可，在進行板料沖壓成形CAE分析時應考慮以下因素：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，以保證準確的計算結果。二是在選用材料模型時必須重視彈性變形和回彈現象。三是必須選用能夠明確表達出板料各向異性特性的屈服條件，如圖1所示。

成形極限圖在預測和評估板料沖壓成形過程中可能出現的破裂風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設密集網格，計算并衡量網格的變形量，在成形極限圖上將變形量作為坐標數據與材料的成形曲線進行對比。如果變形數據點位于成形曲線的臨界區下方，則沖壓成形產生破裂的風險較低，能夠順利進行沖壓過程。相反，如果數據點位于臨界區上方，則預示著可能會出現破裂現象。每種材料通過一系列試驗都有其獨特的成形曲線，受模具設計、沖壓工藝參數等眾多因素的影響，材料成形曲線數據呈不穩定性，形成了具有特定寬度的區域，這個區域稱為臨界區。當沖壓件的變形數據點落在這個臨界區內時，就意味著零件存在出現破裂缺陷的風險。

成形極限圖的優點在于其簡單易用和直觀性，通過坐標標注和對比可判斷零件成形后的質量優劣，從而及時調整沖壓工藝參數或優化模具設計，以避免或降低破裂風險。這種方法在板料沖壓成形領域具有廣泛的應用前景，對于提高產品質量和生產效率具有重要意義。

3 沖壓模擬仿真

運用沖壓模擬仿真軟件按照劃分網格、確定沖壓方向、創建壓料面、創建工藝補充面等步驟對換熱器板片進行分析，設置板片厚度為0.7mm，材料性能設置為SS11CrCb，經過提交軟件計算后得出結果如圖2所示。結果顯示板片的波紋交匯處呈現出即將破裂的風險，在板片波峰和波谷的人字形交匯處已經出現破損現象。引發上述問題的原因可能為徑向拉應力過大以及模具壓料引起過大的阻力等，在實際生產中若出現上述問題的板片將視為不合格品。

4 工藝優化及結果分析

上述模擬分析出現的問題可從工藝設計和參數設置方面進行調整優化，最終符合板片成形質量要求。

4.1 對工藝補充面的優化

在沖壓成形制造中，工藝補充面的設計與產品的質量密不可分，是實現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，其設計的合理性將直接影響到修邊、整形、翻邊等后續工序。因此，必須慎重設計工藝補充面，以達到合格產品的標準。設計工藝補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定性，減少成形過程中的波動，降低開裂等缺陷的發生概率。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，產品合格率也較高。

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

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

（4）定位的準確性。可靠的定位性是確保后續工序順利進行的基礎。在設計工藝補充面時，需要充分考慮定位孔的位置、大小和形狀，以確保定位的準確性和穩定性，避免影響后續工藝。

（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鍵，對于深度較淺、曲率較小的零件，可能需要通過調整工藝參數或增加輔助成形措施來增加變形量。

（6）優化沖壓件結構形狀。適當簡化沖壓件結構形狀有助于控制材料流動和塑性變形，提高成形穩定性。

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

4.2 對壓料面的優化

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

另一種方式是先創建壓料面，再創建工藝補充面。在創建壓料面時，應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，避免過高造成不必要的高成本以及模擬計算的復雜性。確定壓料面后，就可以進一步構建工藝補充面，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雜曲面特征的工件，壓料面的選擇和設計尤為關鍵。在板片波紋部分，特別是波紋人字形交匯處，曲面特征尤為復雜，這就要求壓料面設計要更加精準和貼合。同時，由于板片四周結構平滑且相對簡單，可以考慮采用平面作為壓料面，這樣既易于實現，又能確保坯料成形的穩定性。在工藝補充面的選擇上，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，需要適當加大工藝補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力集中，從而提高板片的成形質量和效率。

4.3 調整凹模圓角

由于板式換熱器板片屬于準精密部件，其成形質量對換熱器的整體性能和工作穩定性具有重要影響。因此調整凹模圓角是工藝補充面優化過程中的重要環節，特別是在處理例如板式換熱器人字形板片這類具有復雜曲面特征的工件時，因其破裂危險區和開裂區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，適當加大該區域的圓角半徑至關重要的。

4.4 優化后計算結果分析

經過以上分析及工藝優化后，對板片進行沖壓仿真。圖4為優化后板片成形極限圖。

5 結論

從計算結果可以看出，經過工藝優化后，換熱器板片的質量有了明顯的提高。板片沖壓后無開裂缺陷，達到設計需求。說明通過改善工藝補充面、壓料面和網格的劃分程度，可以改善板式換熱器板片的沖壓質量。

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