强化传热内置式翅片自动化切断装置的优化设计

2022-11-08麦宙培翟丽华

中国新技术新产品 2022年15期

麦宙培翟丽华

（广西职业技术学院智能制造学院，广西南宁 530226）

0 引言

随着节能降耗要求的提高，对汽车中冷器的设计及技术也提出了更高的要求，需要高效、高强度以及寿命长的中冷器。孙英嘉基于疲劳理论提出了汽车散热器的新型设计方法，运用湍流模型进行仿真模拟，仿真模拟结果表明，改进的汽车散热器可以很好地解决应力集中问题，提高散热器的稳定性和散热性能，延长其寿命。田腾飞等人[为增强汽车散热器的散热效果以及提高冷却系统工作效率，设计了一种新型的散热器清洁装置，运用FLUENT软件进行流体力学分析，验证了该散热器清洁装置的有效性。

在散热器中，内置翅片式散热器是常见的换热设备，其通过在基管内部上加装翅片来达到强换传热的目的。翅片是核心的传热元件，一般是采用机械加工方式形成一定的高度、片距和厚度，并按尺寸要求裁剪切断成最终产品。虽然目前翅片的成型、切断已经实现了自动化连续生产的目标，但是在企业实际的生产过程中，由于切断机构的设计问题，因此会出现翅片切断变形、无法切断等问题，对生产效率及产品质量造成影响。针对上述问题，该文从翅片输送平整机构、翅片切断刀体等方面对切断装置进行优化设计，采用气缸压紧装置、组合镶件式刀体的结构设计，以实现提高产品合格率、降低生产成本的目标。

1 内置式散热翅片产品

汽车中冷器可降低发动机的进气温度，能有效提高汽车的燃油经济性及排放性，常用于大中型载重车辆、轻型车辆。为增强中冷器换热管的换热效率，采用内置式散热翅片是常见的强化传热方式，如图1所示。内置式散热翅片不仅可以扩大传热面积，而且还可以增强换热管内部流场的湍流，从而达到强化传热的目的。

图1 内置翅片式中冷器换热管

内置式散热翅片常见的结构主要有平直式翅片、百叶窗式翅片、锯齿式翅片、多孔式翅片以及波纹式翅片，如图2所示。

图2 典型内置式翅片结构形式

2 内置式散热翅片的生产工艺及切断装置

目前，内置式散热翅片的机械加工通常采用自动化生产线进行标准化、高效率的生产作业。这种自动化生产线包括开卷机构、对散热翅片进行冲压成型的冲压机构、用于驱动散热翅片前进的导料机构以及对散热翅片进行裁剪的切断机构。

某企业在实际生产内置式散热翅片的过程中，散热翅片切断时产生的废品率较高，经常出现翅片切断变形、无法完全切断等问题，如图3所示。因此，需要对散热翅片切断的生产工艺及装置进行研究，并对其进行优化设计。

图3 内置式散热翅片切断废品

2.1 内置式散热翅片的结构

以企业生产的某一款类型的内置式散热翅片为例，该翅片采用3003 H14铝合金板，结构形式为矩形错齿，如图4所示，散热翅片的主体上按列形成了多组矩形且有错层的立体式凸框。矩形错齿式翅片是一种强化传热的翅片，其错层矩形结构能有效增大换热面积，能对通过的流体产生促进绕流效果，从而提高换热性能。

图4 矩形错齿翅片结构形式

2.2 内置式翅片现有切断生产工艺及切断装置

内置式矩形错齿式翅片在切断前由导料组件送至切断装置。翅片在切断加工时，具有长度长、柔软且不易平整等特点。加工过程有以下4点工艺要求：1）高效的切断加工效率。2）翅片在切断前须有固定、平整装置。3）切断须准确且整齐，不能出现无法切断的现象。4）断口须平齐，不能出现翅片变形的现象。

目前，企业矩形错齿式翅片的切断工艺路线如下：经过上工位模具冲压成型后的矩形错齿式翅片由导料组件送至切断装置。导料组件主要由步进电机带动转轴，从而带动2组齿轮转动，将翅片往切断刀口输送。在切断前，由送料检测传感器检测翅片的输送距离；同时，通过压条装置控制翅片的高度，达到平整的目的。当翅片往前移动到设定的距离时，送料传感器发出信号，启动驱动气缸驱使切断上刀体往下切断，翅片成品落到出料托盘，进入下个工序，完成一次工艺，如此往复循环。矩形错齿式翅片切断工艺流程如图5所示。

图5 矩形错齿式翅片切断工艺流程图

现有翅片的切断装置结构如图6所示。翅片的导料机构主要由步进电机、转轴以及送料齿轮组成，翅片的平整由横杆、内置式散热翅片压条控制，翅片的切断刀体主要由上刀体、下刀体组成。

2.3 内置式翅片现有切断加工过程中的问题

在现有翅片的切断加工过程中，经常会发生翅片切断变形、无法正常切断的现象，从而产生废品，如果不能及时发现并调整，就会一直产生切不断的报废内置式散热翅片，造成生产浪费的现象。此外，切断刀的维修成本较高，耗时较长。

经过分析内置式翅片现有切断生产工艺及切断装置，产生切断问题的主要原因如下：1）导料组件的结构设计没有达到平整翅片的目的。内置式翅片在输送过程会产生向左或向右的偏移，在拉深冲裁之后又会产生一定的弹性变形，现有的2条翅片压条如图6所示。没有达到平整翅片的目的，翅片在输送过程中歪扭不平，从而在切断时翅片拱起不平或有细微变形，切断刀切下时无法到达正确的位置，造成翅片变形，或虽然能切断，但是尺寸不符合图纸要求，从而产生不合格品或废品。2）翅片切断刀体由上刀体、下刀体组成，整体刀体设计、维修成本高。切断刀体的结构如图7所示，上、下刀体材料为T7/T8/T10，整体刀体设计存在的问题主要包括整体式刀具生产成本高；上刀体和下刀体没有微调调节装置，因此刀面磨损后，刀口之间的间隙加大，会造成翅片切断不完全；当上、下刀体在切断时，上、下整个刀面全部接触，摩擦力阻力大，需要经常加润滑油，否则容易降低切断力；在刀体磨损后，须对整体进行维修，维修费用高。

图7 翅片切断上、下刀体结构

3 内置式散热翅片切断装置的优化设计

针对内置式翅片现有切断加工过程产生的问题，从翅片输送平整机构、翅片切断刀体等方面对翅片切断装置进行优化设计，主要改进措施如下。

3.1 改进措施

采用气缸压紧装置，同时增加送料齿轮，保证翅片平稳输送。

采用气缸压紧装置替代原有翅片压条结构。如图6所示，原有2条翅片压条在翅片往前送料过程一直压着翅片，翅片的材质轻薄，上有2条压条的摩擦力，下有送料台面的摩擦力，这样的翅片输送方式会产生送料不顺畅，影响送料的精度，对压紧翅片的效果欠佳，因此改为气缸压紧装置，如图8所示。一方面，气缸压紧装置主要由气缸、导柱及压条组成，可根据翅片宽度对压条宽度进行调节，使其与翅片宽度一致，翅片在送料过程中，压条没有与翅片接触，也就没有产生摩擦力，不影响送料，当翅片送料步距达到设计要求且气缸压紧机构得到指令时再下压，使翅片在平直状态下切断。另一方面，原结构的2条压条与工作台之间的高度过大，翅片在前一道工序冲压后，在弹性作用下产生翘曲，当切断翅片时就不能使翅片在平直状态下切断，从而影响切断的质量。

图6 翅片的切断装置结构

气缸压紧装置的工作状态描述如下：在送料过程中，气缸压紧机构处于抬升状态，当送料传感器感应到翅片到达相应位置时，发出指令，驱动气缸压紧机构向下压紧翅片，使压条与翅片上表面贴紧，保证翅片在切断前处于平直状态，再通过上刀体向下的切断动作将翅片切断。

增加送料齿轮，保证翅片的平稳输送。如图8所示，原有送料齿轮为2组，通过增加1组送料齿轮（图8（b）），缓解翅片在输送过程产生弯曲的程度，提高翅片在输送过程中的精准度，增加翅片切口的平直度。

图8 翅片输送平整机构的优化设计

在翅片的切断工艺上，当翅片往前移动到设定的距离时，送料检测传感器发出信号，启动气缸压紧装置对翅片预先进行压紧动作，再驱动气缸驱使切断上刀体往下切断翅片。

在程序控制上，气缸压紧装置与上刀体切断翅片的设置须有1 s的时间差，保证能达到先下压后切断的效果。

3.2 整体刀体优化设计为组合镶件式刀体

原有整体式刀体结构不仅制造成本高，而且刀口磨损后需要整体拆卸、磨削加工，再安装调试，维修过程复杂、维修成本高且会降低生产效率；上、下刀体由整体式改进为成组合镶件式，整体刀体材料由原来的T10A工具钢改成刀体（45#钢）和刀口镶件（T10A），刀口镶件与翅片直接接触并最终完成切断工作。上、下刀体的结构优化如图9、图10所示。组合镶件式刀体的结构设计降低了刀体制造的材料成本，而且维修方便，从而降低了生产成本。