三維整體高翅片強化傳熱鋁管刨削成形機理

萬珍平, 徐燕小, 湯 勇, 徐 剛

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640；2. 深圳大學 機電與控制學院，深圳 518060)

三維整體高翅片強化傳熱鋁管刨削成形機理

萬珍平1, 徐燕小1, 湯 勇1, 徐 剛2

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640；2. 深圳大學 機電與控制學院，深圳 518060)

為了高效加工出三維整體高翅片強化傳熱管，提出采用多刀刨削加工三維整體高翅片強化傳熱管的制造方法——利用在基管上同時刨削出多片不脫離工件的、不發(fā)生卷曲的“切屑”作為三維整體高翅片強化傳熱管的翅片。研究刀具前角、切削厚度對切屑卷曲的影響，初步探討翅片刨削成形即切屑不卷曲的機理。結(jié)果表明，切屑不卷曲的條件是當?shù)毒咔敖菫?0°或55°時，切削厚度在0.15~0.25 mm之間，或者前角為50°，切削厚度在0.1~0.2 mm之間時，切屑不發(fā)生卷曲；切屑不卷曲的機理在于切屑根部沒有發(fā)生明顯的剪切變形。

三維整體高翅片；強化傳熱管；刨削；切屑卷曲

換熱器是在石油、化工、冶金、電力和食品等行業(yè)普遍應用的一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的工藝設備。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應性廣，占工業(yè)裝置中全部換熱器用量的 70%[1]。換熱管是管殼式換熱器的關鍵傳熱元件，按照 BERGLES[2]的觀點，換熱管可分為三代：第一代為光滑管或光滑通道；第二代為二維粗糙元或二維翅片；第三代為三維粗糙元或三維翅片。第二代傳熱管主要有各種異形強化管和二維翅片管。異形強化管主要有螺旋槽管、橫紋管和波紋管等，其加工方法主要為冷軋成形[3]和液壓成形[4]；二維外翅片管加工方式主要有套片、繞片[5]、軋制[6]及切削?擠壓[7]和劈切?擠壓加工[8]等。BERGLES[9]指出，第二代傳熱理論和技術已經(jīng)建立，在動力和過程工業(yè)中獲得了廣泛應用，現(xiàn)在需要的是更先進的強化技術或第三代傳熱技術。因此，研究和發(fā)展第三代傳熱管即三維翅片管成為強化傳熱領域的發(fā)展趨勢。

三維翅片管主要有焊接式[10?12]和整體式[13?14]兩種。整體式翅片管結(jié)構(gòu)緊湊、不存在接觸熱阻，符合換熱器緊湊、高效、節(jié)能、節(jié)材的發(fā)展要求。但是，目前對三維整體翅片管的研究主要集中在強化傳熱機理方面，對其加工制造方面的研究較少。TANG等[15]和萬珍平等[16]提出了花瓣式翅片管的制造方法?；ò晔匠崞苡糜诼菪龘醢鍝Q熱器以水為介質(zhì)對油品的冷卻，傳熱效率高、壓降小[13]，但由于屬低翅片管(翅高在 1.5mm以下)，如果油品的粘度較大，或用于空氣側(cè)，則強化效果不明顯。而對于性能更佳的三維整體高翅片強化傳熱管，目前尚缺乏有效的加工方法。

本文作者提出采用多刀刨削加工三維整體高翅片強化傳熱管的制造方法，將多把刨刀布置在基管周圍，利用在基管上同時刨削出多片不脫離工件的、不發(fā)生卷曲的“切屑”作為三維整體高翅片，研究刀具參數(shù)和切削用量對翅片成形的影響，初步探討翅片刨削成形機理。

1 三維整體高翅片強化傳熱鋁管外觀圖

鋁合金由于導熱性好、質(zhì)輕、價格低廉，在強化傳熱領域獲得廣泛應用。圖1所示為鋁質(zhì)三維整體高翅片強化傳熱管束外觀圖。從圖1可看出，在基管上具有三維非連續(xù)的翅片，翅片高度在3 mm以上。

圖1 鋁質(zhì)三維整體高翅片強化傳熱管束Fig.1 Integral serrated high finned tubes made of aluminum alloy

2 三維整體高翅片刨削加工工藝

針對三維整體高翅片強化傳熱管缺乏有效的制造方法，在此提出采用多刀刨削加工三維整體高翅片。

2.1 三維整體高翅片刨削加工原理

三維整體高翅片刨削加工原理如圖2 所示，即將多把刨刀布置在基管周圍，同時刨削出多片與基管相連的翅片。刀具為平前刀面，具有較大的名義前角；刀具傾斜安裝，與工件軸線夾角為 θ。加工時，刀具作往復運動，工件向前作進給運動，刀具每一往復運動刨削出一翅片。與傳統(tǒng)切削加工將切屑作為廢棄物處理不同，翅片刨削加工是使“切屑”不脫離工件基體、且不發(fā)生卷曲，從而形成三維整體高翅片。該方法能同時加工出多片翅片，效率高、成本低。

圖2 刨削加工三維整體高翅片示意圖Fig.2 Schematic drawing of planing forming of integrated serrated high fins

刨削加工三維整體高翅片的關鍵在于控制切屑的卷曲，只有不卷曲而平直的切屑才能在基管上形成密集的翅片。然而，切削加工時，切屑都有發(fā)生卷曲的趨勢，且一般認為切屑卷曲主要有兩種基本形式，即上向卷曲和側(cè)向卷曲。但在實際進行刨削加工翅片時發(fā)現(xiàn)，當前角較大而切削厚度較小時，切屑呈現(xiàn)一種新的切屑卷曲形態(tài)——下向卷曲，且隨著前角的減少或切削厚度的增加，切屑逐漸呈現(xiàn)上向卷曲。在下向卷曲和上向卷曲之間，存在一個切屑不卷曲的過渡區(qū)域。這就為刨削加工三維整體高翅片提供了可能。但已有的文獻對于切屑卷曲的研究，大都是從斷屑的角度研究切屑卷曲機理及其卷曲半徑，其理論難以用來指導翅片刨削加工。

2.2 實驗條件與方法

2.2.1 實驗裝置

為了研究刀具參數(shù)和切削用量對切屑卷曲的影響，找出切屑不發(fā)生卷曲的過渡區(qū)域，即切屑不發(fā)生卷曲的條件，設計了如圖3所示的實驗裝置。實驗在普通刨床B6050B上進行，干切削。工件材料為鋁合金LY11，刀具材料為高速鋼W18Cr4V。由圖3可見，刀具后角α=3°，工件傾斜安裝，安裝傾角為θ。刨床行程預先設定，初始時，使刀具工作行程末端接近但不超出工件端面，以使切屑不切離工件；每一往復運動刨削一翅片，運動結(jié)束時工作臺上升進給一次。上升進給量?y決定了翅片厚度，同時工件往x反方向移動?x。?x由?y和θ共同決定，三者的關系為

工件安裝傾斜角θ決定了片間距大小，θ越大，片間距越小，翅片越密集，加工時應根據(jù)翅片厚度和片間距要求計算出出合理的工件安裝傾斜角 θ。片間距Δp為

圖3 實驗裝置及刀具形狀示意圖Fig.3 Illustration of experimental device and tool geometry

2.2.2 切屑卷曲半徑測量方法

翅片刨削成形屬正交刨削，切屑不存在側(cè)向卷曲現(xiàn)象，因此，可將卷曲的切屑形狀近似為圓弧，從而測量切屑卷曲半徑，并以曲率ρ來衡量切屑卷曲程度。當切屑向下卷曲時，將其曲率定義為負；平直不發(fā)生卷曲時，曲率為零；切屑向上卷曲時，曲率為正。

2.3 切屑卷曲形態(tài)

圖4所示為在不同切削條件下刨削出的切屑卷曲形態(tài)。由圖4(a)可見，當?shù)毒咔敖铅?較大、切削厚度ac較小時，切屑呈現(xiàn)新的切屑卷曲形態(tài)——下向卷曲，其卷曲方向與正常的卷曲方向相反。由圖4(b)可見，隨著切削厚度的增大，切屑變得平直而不卷曲。由圖4(c)可見，隨著切削厚度進一步增大，切屑呈現(xiàn)上向卷曲。由此可見，隨著刀具前角和切削厚度的不同，存在切屑不發(fā)生卷曲的過渡區(qū)域。

不脫離工件的、具有一致卷曲半徑的切屑都可以用來作為三維整體高翅片。但由于隨機因素的影響，發(fā)生卷曲的切屑，無論是下向卷曲還是上向卷曲，其卷曲半徑難以精確控制，隨機性、分散性較大，因而不能用來作為整體式翅片。實驗發(fā)現(xiàn)，在切屑不發(fā)生卷曲的過渡區(qū)域內(nèi)，切屑基本是平直的，這樣就能在基管上形成密集的翅片。因此，刨削加工三維整體高翅片的關鍵是控制“切屑”不發(fā)生卷曲。

圖4 刨削加工的切屑卷曲形態(tài)Fig.4 Shape of chip curl during planning: (a) New pattern of chip curl, namely down-curl (γ0＝ 55°, ac=0.1 mm); (b)Uncurled chip (γ0＝55°, ac=0.15 mm); (c) Up-curl chip (γ0＝55°, ac=0.15 mm)

2.4 切屑不卷曲的條件

翅片刨削成形過程中，影響切屑卷曲的主要因素是切削厚度和刀具前角。圖5所示為刀具前角和切削厚度對切屑卷曲的影響曲線。

由圖5可見，當前角一定時，隨著切削厚度的增大，切屑由下向卷曲、不卷曲過渡到上向卷曲，并且前角愈大，不卷曲的過渡區(qū)域越大。如前角為60°時，切削厚度在0.15~0.25 mm之間，切屑不發(fā)生卷曲；前角為55°時，切削厚度在0.15~0.20之間，切屑亦不發(fā)生卷曲；前角為 50°時，切屑不發(fā)生卷曲的過渡區(qū)域比較窄，如當切削厚度為0.2 mm時，切屑已發(fā)生上向卷曲。

圖5 刀具前角和切削厚度對切屑卷曲的影響Fig.5 Effects of rake angle and cutting thickness on chip curl

圖6 切屑上向卷曲時切屑根部的顯微組織Fig.6 Microstructure of partially formed chip up-curl (γ0 =60o,ac =0.4 mm)

圖7 切屑下向卷曲時切屑根部的顯微組織Fig.7 Microstructures of partially formed chip down-curl: (a)γ0 =50o, ac =0.05 mm; (b) γ0 =60o, ac =0.1 mm

3 翅片刨削成形機理

切屑下向卷曲是一種新的切屑卷曲形式，切屑不卷曲的現(xiàn)象以前亦未曾發(fā)現(xiàn) (限制接觸刀具除外)。原因在于以前的研究中，很少用到本實驗這么大的前角進行切削。下面對翅片刨削成形時切屑不卷曲的機理作一初步探討。

3.1 切屑根部金相組織分析

圖6所示為切屑上向卷曲時的切屑根部金相組織。由圖6可看出，切屑與基體分離時發(fā)生了強烈的剪切變形，存在第一、第二、第三等3個切削變形區(qū)，這與傳統(tǒng)的切削理論是一致的。

圖7所示為切屑下向卷曲時的切屑根部金相組織。由圖7可看出，切屑與基體分離時亦發(fā)生了強烈的剪切變形。比較圖6和圖7可知，切屑上向卷曲時的剪切角大于切屑下向卷曲時的剪切角，這表明切屑下向卷曲時發(fā)生了比上向卷曲更為嚴重的剪切變形。

圖8所示為切屑不發(fā)生卷曲時的切屑根部金相組織照片。由圖8 (a)~(c)可看出，切屑與基體分離時均不存在明顯的剪切變形，即不存在明顯的第一變形區(qū)，切屑上亦看不到明顯的剪切變形痕跡。這類似于木材被劈開時的情形。正是由于切屑與基體分離時沒有發(fā)生明顯的剪切變形，因而切屑不會發(fā)生卷曲。

3.2 切削變形系數(shù)

圖9所示為切削厚度和刀具前角對長度變形系數(shù)Λhl的影響。由圖9可見，隨著切削厚度或刀具前角的增大，變形系數(shù)減少。進一步分析可知，當切削厚度較小、切屑呈現(xiàn)下向卷曲時，變形系數(shù)較大，這也表明切屑下向卷曲時發(fā)生了比上向卷曲更為嚴重的剪切變形。切屑不卷曲時，雖然從切屑根部金相組織看不到明顯的剪切變形，但從變形系數(shù)看出，切屑仍然發(fā)生了變形，盡管變形系數(shù)較小。因此，切屑不發(fā)生卷曲時，其切削變形程度不能用剪切角的大小來衡量，這是與傳統(tǒng)切削理論不一致的地方。

圖8 切屑不卷曲時切屑根部的顯微組織Fig.8 Microstructures of partially formed chip uncurl: (a) γ0 =60o, ac =0.2 mm; (b) γ0 =60o, ac =0.24 mm; (c) γ0 =55o, ac =0.15 mm

圖9 切削厚度和前角對長度變形系數(shù)的影響Fig.9 Effects of cutting thickness and rake angle on length shortening coefficients

4 結(jié)論

1) 正交刨削，當?shù)毒咔敖禽^大，切削厚度較小時，切屑會出現(xiàn)一種新的卷曲現(xiàn)象—下向卷曲；隨著切削厚度的增大或刀具前角的減小，切屑又會呈現(xiàn)正常的上向卷曲；在下向卷曲和上向卷曲之間，存在一個切屑不發(fā)卷曲的過渡區(qū)域。不脫離工件的、不發(fā)生卷曲的“切屑”可用作三維整體高翅片強化傳熱管的翅片。

2) 多刀刨削是加工三維整體高翅片強化傳熱管的有效方法，其切削條件如下：當?shù)毒咔敖菫?60°或55°時，切削厚度在0.15~0.25 mm之間；當前角為50°時，切削厚度應在0.1~0.2 mm之間。

3) 切屑不發(fā)生卷曲的原因是切屑與基體分離時不存在明顯的剪切變形，但從變形系數(shù)可看出，切屑仍然發(fā)生了變形，其原因尚需進一步深入研究。

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Planing forming mechanism of integral serrated high finned tube made of aluminum alloy

WAN Zhen-ping1, XU Yan-xiao1, TANG Yong1, XU Gang2
(1. School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

The planing forming using several tools at the same time was proposed to produce the integral serrated high finned tube. By this method, the uncurled chips that are inseparated with base tube are served as integral serrated high fins. The effects of rake angle and cutting thickness on chip curl were investigated and the planing forming mechanism of fins namely chip uncurling was discussed. The experimental results show that the conditions of keeping chip uncurling are that the cutting thickness is 0.15?0.25 mm when the rake angle is 60o or 55o, or the cutting thickness is 0.1?0.2 mm when the rake angle is 50o. The reason of chip uncurling is that no obvious shear deformation occurs in primary shear zone.

integral serrated high fins; heat transfer enhancement tube; planing; chip curl

TG506.2

A

1004-0609(2011)03-0554-06

國家自然科學基金資助項目(50605023, U0934005)；華南理工大學中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2009ZM0168)；深圳市科技計劃資助項目(SY200806300289A)

2010-03-12；

2010-07-22

萬珍平，副教授，博士；電話：020-87114634；E-mail: zhpwan@scut.edu.cn

(編輯 何學鋒)