板式换热器板片制造工艺仿真优化研究

陈思

摘 要：在众多换热设备中，板式换热器是换热性能较好的一种，该设备主要是依靠结构中的换热板片实现换热功能的，该板片在结构上是由多组波纹形状的凸起和凹槽组成，在比邻的两片板片之间的空隙可供换热介质通过，从而达到换热目的。而板片的制造质量对换热器的交换能力起至关重要的作用，本文叙述了换热器板片冲压成形中常见的质量缺陷，并对板片冲压仿真模拟结果进行优化分析。

关键词：板式换热器板片 制造质量 优化设计

1 换热器板片常见冲压成形质量缺陷及其原因

板式换热器板片是决定换热器换热能力的重要组成部分。而制造工艺水平又决定着板片成形质量，换热器板片是由金属薄板冷冲压而成形，如果制造工艺流程不达标很容易产生质量问题。常见的冲压成形主要缺陷有：起皱、破裂和回弹[1]。

1.1 起皱

引伸起皱是冲压工艺中常见且难以完全规避的问题。在板料成形过程中，模具对板料产生外力作用，使其遵循固定形状流动变形，由于板料内部复杂应力的存在，不同部位在受力过程中可能产生不均匀的变形，从而导致皱纹的产生，尤其是在坯料厚度方向上，当受到外力作用时，板料容易在厚度方向上产生波动或皱褶，尤其是在变形程度较大或受力不均匀的区域。

成形时可采取一系列措施缓解起皱问题。首先，优化模具设计，确保模具的几何形状和尺寸与板料的变形特性相匹配，以减少应力集中和不均匀变形。其次，控制冲压过程中的工艺参数，如冲压速度、温度和润滑条件等，以改善板料的流动性和成形性能。此外，还可以采用预拉伸、加热处理等辅助工艺来减少起皱现象。

但由于冲压成形过程的复杂性和不确定性，引伸起皱问题可能无法完全消除。因此，在实际生产中，需要根据具体情况采取适当的措施来控制和减少起皱现象的发生，以提高冲压件的质量和生产效率。

1. 2 破裂

在板料冲压成形过程中，破裂作为拉伸失稳的主要表现形式是较为常见的成形缺陷，主要原因是：在模具的推动下，压边圈对坯料施加压力，引导其按照一定的规律流动。然而，随着流动的进行，坯料的承载面积会逐渐减小，同时其厚度也会变薄，应变强化效应会逐渐增大，导致坯料的机械性能发生变化。在冲压过程中，应变强化效应可看作是材料对变形的一种抵抗，当应变强化效应增大到一定程度时，如果坯料无法继续承受更大的变形，就会发生破裂。

为避免或减少破裂的发生，可从以下方面考虑：一是优化模具设计，通过改进模具的结构和运动方式，减小对坯料的过度拉伸，从而降低破裂的风险。二是合理选择材料，根据冲压件的需求，选择具有较好塑性和延展性的材料，以提高其抵抗破裂的能力。三是控制冲压速度，适当的冲压速度可以确保坯料在成形过程中有足够的时间进行塑性变形，避免过快的变形导致破裂。四是调整压边力，通过调整压边圈的压力，可以控制坯料的流动速度和方向，避免在特定区域产生过大的应变。

1.3 回弹

回弹同样是板料冲压成形过程中的常见缺陷。其产生的主要原因是在冲压过程中，板料内外边缘的表面纤维受到的应力较大，会首先进入塑性状态。而板料的中心部分由于受到的应力相对较小，可能仍然保持在弹性状态。这种差异导致了在板料成形结束外力载荷消失时，板料内部释放出已储存的弹性形变能导致板料回弹。

发生回弹缺陷会直接影响成品零件的尺寸精度，甚至导致零件无法使用，可采取以下措施消除或减少回弹现象。在模具设计方面，可以通过合理设计凸凹模间隙、刃口半径和工件弯曲半径等参数，以减小回弹现象的发生。同时还可以采用一些特殊的模具结构，如负回弹模具，来主动抵消回弹的影响。在工艺参数调整方面，可以通过改变冲压速度、温度、压力等条件，来影响材料的流动和变形行为，从而减少回弹。此外，选择合适的材料也是关键，因为材料的弹性模量、屈服强度等性能参数会直接影响回弹的大小。还可以采用一些先进的成形技术来减少回弹，如拉弯工艺、局部压缩工艺等。这些工艺方法可以通过改变材料的应力状态和分布情况，来减小回弹现象的发生。

1.4 棱线不清晰

棱线清晰度是衡量冲压件质量的重要指标之一。在对冲压成形成品件进行检验时，棱线清晰度必须要满足要求。产生棱线不清晰的主要原因有：一是外加载荷不够，导致材料在模具内无法移动到位。二是凹凸模的定位不准确，或者导向机构存在偏差，在冲压过程中，材料在模具中的流动和变形就会受到影响，从而导致棱线模糊。三是间隙不均匀，模具的间隙设置不当，或者由于磨损等原因导致间隙变化，材料在通过模具时会因为受到不均匀的挤压和拉伸使棱线变得模糊。可通过以下措施解决以上问题：一是优化冲压工艺参数，确保外加载荷足够，使材料能够完全变形到位。二是提高模具的设计和制造精度，确保凹凸模的定位准确、导向可靠。三是定期检查和维护模具，保持其间隙的均匀性和稳定性。

2 成形极限图理论

成形极限图作为板料成形质量测试的重要依据，通过网格技术深入分析复杂零件每个变形局部的特性，为板料成形提供了有力的分析工具，其在实际应用中的价值得到了广泛认可，在进行板料冲压成形CAE分析时应考虑以下因素：一是必须采用有限元理论来有效地处理板料冲压成形涉及到的大挠度和大变形，以保证准确的计算结果。二是在选用材料模型时必须重视弹性变形和回弹现象。三是必须选用能够明确表达出板料各向异性特性的屈服条件，如图1所示。

成形极限图在预测和评估板料冲压成形过程中可能出现的破裂风险方面是一种直观且有效的工具，其核心在于通过在毛坯表面预设密集网格，计算并衡量网格的变形量，在成形极限图上将变形量作为坐标数据与材料的成形曲线进行对比。如果变形数据点位于成形曲线的临界区下方，则冲压成形产生破裂的风险较低，能够顺利进行冲压过程。相反，如果数据点位于临界区上方，则预示着可能会出现破裂现象。每种材料通过一系列试验都有其独特的成形曲线，受模具设计、冲压工艺参数等众多因素的影响，材料成形曲线数据呈不稳定性，形成了具有特定宽度的区域，这个区域称为临界区。当冲压件的变形数据点落在这个临界区内时，就意味着零件存在出现破裂缺陷的风险。

成形极限图的优点在于其简单易用和直观性，通过坐标标注和对比可判断零件成形后的质量优劣，从而及时调整冲压工艺参数或优化模具设计，以避免或降低破裂风险。这种方法在板料冲压成形领域具有广泛的应用前景，对于提高产品质量和生产效率具有重要意义。

3 冲压模拟仿真

运用冲压模拟仿真软件按照划分网格、确定冲压方向、创建压料面、创建工艺补充面等步骤对换热器板片进行分析，设置板片厚度为0.7mm，材料性能设置为SS11CrCb，经过提交软件计算后得出结果如图2所示。结果显示板片的波纹交汇处呈现出即将破裂的风险，在板片波峰和波谷的人字形交汇处已经出现破损现象。引发上述问题的原因可能为径向拉应力过大以及模具压料引起过大的阻力等，在实际生产中若出现上述问题的板片将视为不合格品。

4 工艺优化及结果分析

上述模拟分析出现的问题可从工艺设计和参数设置方面进行调整优化，最终符合板片成形质量要求。

4.1 对工艺补充面的优化

在冲压成形制造中，工艺补充面的设计与产品的质量密不可分，是实现零件拉深成形的必要条件，同时也是提高板料变形程度和刚性的基础，其设计的合理性将直接影响到修边、整形、翻边等后续工序。因此，必须慎重设计工艺补充面，以达到合格产品的标准。设计工艺补充面主要有以下原则：

（1）板料与压料面距离的控制。减小板料与压料面之间的距离有助于减少所需坯料的数量，从而降低材料成本。较小的距离也有助于提高拉深成形的稳定性，减少成形过程中的波动，降低开裂等缺陷的发生概率。在保证有足够的变形情况下，如果拉深深度比较小，那么零件成形就比较容易，产品合格率也较高。

（2）修边线形状合理设计。垂直或近似垂直的修边线不仅可减少工艺补充部分的材料用量，达到控制成本的目的，还可使模具结构更为紧凑。在后续工序中也有利于废料的回收和处理。

（3）工艺补充部分面积优化。最小化工艺补充部分面积是降低成本和提高材料利用率的关键，但同时也要考虑过小的面积同样也会影响板料的成形质量。

（4）定位的准确性。可靠的定位性是确保后续工序顺利进行的基础。在设计工艺补充面时，需要充分考虑定位孔的位置、大小和形状，以确保定位的准确性和稳定性，避免影响后续工艺。

（5）保证拉深变形条件。在成形过程中，足够的塑性变形量是确保零件形状精度和刚度的关键，对于深度较浅、曲率较小的零件，可能需要通过调整工艺参数或增加辅助成形措施来增加变形量。

（6）优化冲压件结构形状。适当简化冲压件结构形状有助于控制材料流动和塑性变形，提高成形稳定性。

（7）应用对称布置零件。在对形状较复杂、难以确定冲压方向的坯料设计工艺补充面设计时，可以采用对称布置的方式，不仅有利于零件成形过程的稳定性，还可以提高生产效率。在本文中设计换热器板片时就采用了对称布置零件的方法。优化后的工艺补充面如图3所示。

4.2 对压料面的优化

在冲压成形中，压料面的设计与优化至关重要。压料面作为与工艺补充面紧密相连的部分，其设计形状直接影响到整个成形过程的效率和质量。根据工艺补充面的不同，压料面可选择平面、圆柱面、双曲面等不同形态，以适应不同工件的成形需求，但优先选取平面，既利于坯料成形，又减少了实际加工难度。在数字化设计流程中，压料面的形状设计可以根据实际需求采取不同的方式。一种方式是将压料面与工艺补充面一同构建，这种方法首先需要根据工件的特征构建出特征曲线，然后基于这些曲线来构建压料面和工艺补充面。这种方式可以确保压料面与工艺补充面之间的衔接更为自然和顺畅。

另一种方式是先创建压料面，再创建工艺补充面。在创建压料面时，应着重考虑工件的拉延深度，确保压料面与工件之间的高度适当，避免过高造成不必要的高成本以及模拟计算的复杂性。确定压料面后，就可以进一步构建工艺补充面，以完善整个成形过程。

对于人字形板式换热器板片这类具有复杂曲面特征的工件，压料面的选择和设计尤为关键。在板片波纹部分，特别是波纹人字形交汇处，曲面特征尤为复杂，这就要求压料面设计要更加精准和贴合。同时，由于板片四周结构平滑且相对简单，可以考虑采用平面作为压料面，这样既易于实现，又能确保坯料成形的稳定性。在工艺补充面的选择上，由于板片波纹与板片边缘距离较近，为了避免成形过程中的干涉和缺陷，需要适当加大工艺补充面与板片边缘之间的圆角。这样不仅可以改善坯料的流动性，还能有效减少成形过程中的应力集中，从而提高板片的成形质量和效率。

4.3 调整凹模圆角

由于板式换热器板片属于准精密部件，其成形质量对换热器的整体性能和工作稳定性具有重要影响。因此调整凹模圆角是工艺补充面优化过程中的重要环节，特别是在处理例如板式换热器人字形板片这类具有复杂曲面特征的工件时，因其破裂危险区和开裂区将集中在波纹人字形交汇处和波纹圆角处，因此在生成凹模时，适当加大该区域的圆角半径至关重要的。

4.4 优化后计算结果分析

经过以上分析及工艺优化后，对板片进行冲压仿真。图4为优化后板片成形极限图。

5 结论

从计算结果可以看出，经过工艺优化后，换热器板片的质量有了明显的提高。板片冲压后无开裂缺陷，达到设计需求。说明通过改善工艺补充面、压料面和网格的划分程度，可以改善板式换热器板片的冲压质量。

参考文献：

[1] 李治国，王闫龙.板式热交换器板片成形数值分析及优化[J].化工机械，2021（01）：51-58.

[2] 邱波.核岛板式换热器缺陷原因分析及改进建议[J].扬州大学，产业与科技论坛，2022（04）：36-38.

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[4] 杨玉，郭子岗.大型印刷电路板换热器传热性能数值模拟研究[J].电力科技与环保，2023（03）：249-255.

[5] 李丰华.板式换热器在船舶轮机中的应用[J].船舶物资与市场，2022（05）：53-55.