板翅式换热器高精度翅片冲压成型关键技术的创新设计

董明智 毛国平

摘 要：板翅式换热器是各类气体分离设备的热交换器，而翅片是板翅式换热器的关键部件，占整个换热器体积的80%以上。复杂型面高精度翅片成形技术是制造中高压高效板翅式换热器，实现大型、特大型空分设备国产化的关键技术。多年来，高精度翅片以其成形工艺复杂、制造精度要求高、生产效率低成为全球行业性技术难题。

关键词：板翅式换热器;翅片;成形;模具设计

中图分类号：TG385 文献标识码：A

1 引言

以97JC1602、40JC1505两种典型的错列锯齿翅片为研究对象，适当增加工艺补充部分后，利用大型CAD软件（如UG）构建翅片的三维几何模型。建立准确的翅片三维几何模型后，进一步构建有限元模型。建立有限元模型时，根据翅片成形的特点和材料特性，主要研究了翅片数值模拟中单元类型、单元划分、材料模型、积分点选取、接触和摩擦法则、本构方程、虚拟凸模冲压速度等内容。针对M型和W型多刀复合折弯的翅片加工工艺，借助有限元软件实现成形过程和脱模回弹过程的数值模拟。利用动-静联合算法求解回弹问题，计算翅片成形过程中各瞬间的位移、应变和应力分布，预测翅片回弹和模具刀片受力情况，通过图形的静-动态显示或者重要参数的相关图形图表，描述翅片成形过程中各阶段的变形和卸载回弹[1-2]。

2 板翅式换热器高精度翅片冲压成型关键技术设计方案

由于错列锯齿翅片结构复杂，故成形工艺只能采用多刀折弯加校正的复合成形工艺，折弯的同时伴随宽度方向周期性剪切错位，即一个成形周期中完成折弯、错列剪裁、冲压齿形校正等多种工艺。模具采用开模双刀、四刀、五刀（上三下二或下三上二）或多刀结构。翅片连续折弯冲压成形工艺如图1所示，成形过程中，上模只有垂直运动，下模既有垂直运动又有水平运动，翅片制造只能在专门设计的翅片成形机上完成。

根据此工艺特点，专用翅片成形机的设计采用如下技术措施：翅片成形机设计采用上下分体结构，上部一组凸轮，实现上模板的垂直运动，下部两组凸轮，分别实现下模板的垂直运动与水平运动，上下两个传动轴通过可伸缩联轴器实现同步转动。利用ADAMS软件对由凸轮、滚轮、上下模板、导柱、复位弹簧、减振弹簧组成的复杂系统进行动力学及运动学的仿真分析与设计，针对翅片成形机高速的设计要求，对复杂弹性系统的响应频率进行仿真分析与优化设计，开发出能实现翅片高速折弯冲压成形工艺的结构形式。

整个冲压系统采用液壓系统胀紧，以实现恒力冲压，从而保证了翅片平面度的高精度;采用伺服调节系统来调整模具闭合高度，以便实现翅片高度的高精度调整;采用了一套节距调整伺服系统来实现节距调节的高精度;为实现整个设备的柔性可调，设备采用上下分体的结构设计。设备总体设计采用了技术集成与创新的方法，通过对伺服技术、液压技术、弹性技术、润滑技术有效集成，对一套创新的传动结构进行合理有效的集成，最终形成具有自主知识产权的板翅式换热器高精度翅片成形技术及装备。

3 板翅式换热器高精度翅片冲压成型关键技术实施方案

为使翅片成形设备能加工制造各种类型的翅片，要求成形设备柔性可调。根据不同翅片成形工艺，对翅片成形机提出冲压力可调、闭合高度精确可调、送料节距精确可调的技术要求，具体方案如下。

3.1 冲压力可调

如图3所示，采用基座、四导柱、顶座、上模板、下模板的基本机架结构，利用顶座液压缸将机架胀紧为一体，利用液压系统压力可调的特点来实现设备冲压力可调和压力保护功能。

3.2 闭合高度精确可调

如图2所示，闭合高度调整系统集液压技术与伺服技术于一体，整个顶座设计为可提升的结构形式，通过液压系统可实现顶座的提起与胀紧。在顶座提起的同时，利用伺服系统带动传动链条从而带动四个限位螺母座旋转，实现限位螺母座相对导柱的上下移动，之后顶座落下、胀紧，完成闭合高度的精确调整。

3.3 送料节距精确可调

如图3所示，设计了一种新颖的间歇式高频往复送料机构，且送料节距可调。根据翅片成形工艺要求，设计出送料节距凸轮的轮廓曲线。翅片成形过程中，主电机通过传动机构带动节距凸轮驱动关节轴承和支点关节轴承实现了摆杆的转动及滑动，由此驱动下模板做往复送料运动，利用与下模板相连的回复弹簧驱动送料机构复位。节距调整是利用伺服系统带动蜗轮蜗杆，从而带动螺旋副，使得支点关节轴承上下运动，导致摆杆支点两端的长度变化，实现送料节距的改变，并通过PLC精确控制伺服电机转动角度，实现送料行程的精确调整。

针对翅片成形机的精度和刚度要求，利用有限元软件对翅片成形机关键零部件的受力变形、振动及热变形进行研究，获得相应受力变形、振动及热变形对翅片成形机精度的影响参数，在设备结构设计中加以补偿。并通过在系统中安装减振弹簧、减振支架及在关键部位采用气雾润滑等措施消除振动及升温对成形机整体精度的影响。

4 翅片成形模具技术创新优势

传统翅片成形模具结构难以满足生产高精度翅片的要求。本项研究利用有限元及弹塑性理论，对翅片成形过程中的回弹进行数值模拟与分析，利用有限元软件对模具刀片的热变形、磨损与寿命进行分析，设计出一种新型模具结构，该模具结构有效地解决了传统模具存在的诸多弊端，从而解决了高精度翅片的成形技术难题。翅片成形模具技术创新如下文。

4.1 采用整体刀片技术

采用先进的加工技术制造出高精度整体式刀片。整体式刀片相比传统单齿刀片，其优势在于齿间配合精度高， 刀片强度增强，安装方便，使用寿命增长。

4.2 采用多刀成形技术

传统模具由于结构限制无法实现多刀成形，且翅片成形的垂直度差，只能通过二次挤压整形的方式解决。由于二次挤压整形难于控制，从而造成翅片节距一致性差的缺陷。在新型模具设计中采用了多刀成形技术，使传统的翅片单齿单次成形变为单齿多次成形，无须二次挤压整形工艺就解决翅片节距一致性问题，成形翅片的垂直度高且稳定。

4.3 采用复合成形技术

传统的模具翅片成形只是折弯成形，其生产出来的翅片齿顶均为圆弧形，这种翅片在钎焊时由于钎焊面积小，钎焊强度差，不能满足中高压换热器翅片的要求。在翅片折弯成形的同时附加了塑性整形技术，使之在成形过程中既有折弯过程又有塑性整形过程，通过塑性整形在翅片的顶部形成一定面积的平面，大大增加了翅片的钎焊面积，满足了高压翅片的钎焊强度要求。

4.4 采用固定脱模技术

传统翅片成形模具脱模形式采用弹性浮动脱模方式，这种脱模方式会破坏翅片的成形精度。此外，这种脱模方式对翅高4mm以下的翅片无法实现脱模。本文设计的新型模具将浮动脱模改为固定脱模，主要优点：固定脱模板强度好、精度高，不会对于翅片产生二次变形，有效地保护了翅片的精度;由于脱模板固定安装在上料支架上，对翅片高度没有任何限制，满足了翅高4mm以下高压翅片生产的需要。

参考文献

[1] 王荣，董明智.高精度错列翅片复合成形工艺及模具技术[J].机电产品开发与创新，2011，24（04）：52-54.

[2] 王松汉等编著.板翅式换热器[M].北京：化学工业出版社，1984.