基于單刃－圓錐面刀具的三維整體外翅片成形機(jī)理*

萬珍平 卿劍波 方曉明 湯勇

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

換熱器是能量傳遞的基礎(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等行業(yè).管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、具有高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性、能承受高溫和高壓等優(yōu)點(diǎn)，占全部換熱器用量的64%［1］.換熱管是管殼式換熱器的關(guān)鍵傳熱元件，按翅片形式可分為光管、二維翅片管和三維翅片管［2］.三維翅片管能獲得更大的二次傳熱面，具有較高的傳熱系數(shù)［3-4］，被Bergles［5］稱為第三代傳熱技術(shù).按翅片與基管的結(jié)合方式可分為焊接式和整體式，整體式翅片管結(jié)構(gòu)緊湊，無接觸熱阻，傳熱效率高，符合換熱器緊湊、高效、節(jié)能、節(jié)材的發(fā)展要求.切削法是加工整體式翅片管的一種有效方法.袁啟龍等［6-7］提出切削－擠壓成形法，利用大前角刀具切削/擠壓工件表層材料形成翅片; Xia等［8］提出劈切擠壓法加工整體式翅片管.但是上述兩種方法僅能加工出二維整體式翅片管.Tang等［9］提出了犁削法加工三維整體外翅片，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.鄭健燕等［10］研究了犁削法加工三維整體外翅片時(shí)的飛邊形成機(jī)理;萬珍平等［11］研究了利用該方法順利成翅的條件，推導(dǎo)了臨界進(jìn)給量的計(jì)算公式.向建化等［12］研究了銅管外壁整體式三維翅片滾壓－犁切－擠壓復(fù)合成形時(shí)滾壓參數(shù)對(duì)翅片成形的影響.Wan等［13］提出了基于變進(jìn)給量的三維整體高翅片犁切－擠壓成形，該方法加工出的翅片的平均高度(翅頂與基管表面的高度差)達(dá)1.58 mm.三維外翅片的犁削或犁切－擠壓成形是，犁切－擠壓刀具的擠壓面將工件表層金屬擠起形成鼓包，隨著進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，刀具頂刃將鼓包犁切開而形成翅片;翅片成形過程中擠壓力越大，翅高越低.

單刃－圓錐面刀具是一種新型刀具［14］，該刀具僅有一條圓弧切削刃，副切削刃被異化為圓錐面.切削時(shí)，圓弧切削刃將工件表層金屬與基體分離但并不去除，被切開的表層金屬在圓錐面上滑動(dòng)，并在圓錐面的擠壓作用下形成三維整體式翅片.文中研究了基于單刃－圓錐面刀具的翅片成形過程及圓錐面對(duì)翅片成形的影響，分析了翅片表面形貌成形機(jī)理及工藝參數(shù)對(duì)翅片形貌的影響.

1 基于單刃－圓錐面刀具的三維整體式外翅片成形過程

實(shí)驗(yàn)在CM6140車床上進(jìn)行，原材料為紫銅管，外徑12.6 mm，內(nèi)徑10 mm;刀具材料為高速鋼(W18Cr4V);切削速度v=4.2m/min.

1.1 單刃－圓錐面刀具

傳統(tǒng)的切削加工是靠刀具主、副切削刃的包絡(luò)作用將工件表面多余的金屬去除.然而，在三維整體式外翅片的加工過程中，工件表層金屬需要被切開，但不能被去除，否則在工件表面無法形成所需的翅片.因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的切削刀具進(jìn)行改進(jìn)和重新設(shè)計(jì).圖1所示正是在這一要求下設(shè)計(jì)出的單刃－圓錐面刀具.由圖1可見，刀具只有一條切削刃即圓弧形切削刃，副切削刃被異化成為圓錐面，所以稱之為單刃－圓錐面刀具.

圖1 單刃－圓錐面刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic drawing of tool with single edge and cone extruding face

1.2 翅片成形過程

圖2示出了單刃－圓錐面刀具加工三維整體外翅片時(shí)的翅片成形過程.在利用單刃－圓錐面刀具切削加工翅片前，先用滾花輪在工件表面滾壓出橫截面為三角形的連續(xù)的螺旋肋片.由圖2(a)可見，翅片成形過程可分為表層金屬被犁切、與基體分離，分離的表層金屬在圓錐面上滑動(dòng)、被擠壓和翅片成形3個(gè)階段.在犁切分離階段，刀具切削刃切入工件，將工件表層金屬與工件基體分開，但并不去除;在滑動(dòng)擠壓階段，被犁切開的金屬在圓錐面上滑動(dòng)，被擠壓;在成形階段，被犁切開的金屬在圓錐面上被擠壓最終形成所需的翅片.圖2(b)是翅片成形過程的掃描電鏡圖，犁切方向如圖中箭頭所示，虛線所示為切削刃與工件的接觸線.圖2(b)清楚地示出了翅片成形過程的3個(gè)階段.

圖2 翅片成形過程Fig.2 Forming process of fins

1.3 圓錐面對(duì)翅片成形的影響

刀具圓錐面對(duì)翅片的成形起著關(guān)鍵性作用.圓錐面半徑(在后刀面內(nèi)度量)過小，則類似于切削刃的鈍圓半徑，不但起不到擠壓作用，而且會(huì)將被犁切開的金屬去除.圖3示出了單刃－圓錐面刀具加工的三維整體式外翅片外觀及其參數(shù)定義，其中，θ表示翅傾角，h表示翅高.

表1示出了圓錐面半徑(R)對(duì)翅高和翅傾角的影響.實(shí)驗(yàn)時(shí)，刀具主偏角kr=25°，進(jìn)給量f=1.38mm/r，犁切深度ap=1.25mm.由表1看出，隨著圓錐面半徑增大，翅高增加.這是由于圓錐面半徑增大，有利于被切開的金屬在圓錐面上滑動(dòng)，從而有利于翅片成形.同時(shí)，隨著圓錐面半徑增大，擠壓作用增強(qiáng)，翅傾角略有增加.圖4(a)－(c)分別是圓錐面半徑為1.0、1.5和2.5mm的刀具加工出的翅片橫截面圖.從圖4中可以看出，較大的圓錐面半徑有利于翅片的成形.

圖3 單刃－圓錐面刀具加工的三維外翅片及其參數(shù)定義Fig.3 Serrated integral outside fins manufactured by tool with single edge and cone extruding face and the definition of fin parameters

表1 圓錐面半徑對(duì)翅高和翅傾角的影響Table 1 Influence of the radii of cone extruding face on fin height and inclination angle

圖4 不同的圓錐面半徑加工出的翅片橫截面圖Fig.4 Cross-section of fins formed at different radii of cone extruding face

2 翅片表面形貌

2.1 翅片表面形貌及其形成機(jī)理

翅片表面形貌極大地影響強(qiáng)化傳熱的效果.通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在不同工藝參數(shù)下加工出的翅片的頂部都易出現(xiàn)如圖5所示的裂縫.裂縫寬度在10～30μm之間，屬于表面亞結(jié)構(gòu);但長(zhǎng)度貫穿整個(gè)翅身，形成微觀上的雙翅片.根據(jù)氣化成核理論，微溝槽結(jié)構(gòu)可以增加核態(tài)沸騰的氣化核心，有利于沸騰氣泡的產(chǎn)生和脫離，強(qiáng)化傳熱.

圖5 翅片頂部裂縫掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of microcracks at the top of fins

圖6 橫截面為三角形的螺旋肋片滾壓成形過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of rolling forming process of spiral ribs with triangular cross-section

翅片頂部裂縫的形成是滾壓和犁切/擠壓綜合作用的結(jié)果.圖6示出了滾花輪在基管上滾壓出橫截面為三角形的螺旋肋片的成形過程.在滾壓初始階段，銅管表層金屬在滾花輪刀齒的擠壓作用下逐漸隆起，形成U形凹槽，如圖6(a)所示;隨著擠壓的深入，U型凹槽向V型槽轉(zhuǎn)變，如圖6(b)所示;直至V型槽兩邊合攏，堆積在一起，在擠壓力的作用下，兩側(cè)隆起的金屬緊密地接合在一起，最終形成橫截面為三角形的螺旋肋片，如圖6(c)所示.圖7是當(dāng)進(jìn)給量較大(f=2.75 mm/r)，犁切深度ap=0.75 mm時(shí)，加工出的外翅片的表面形貌.由于進(jìn)給量較大，在相鄰兩排翅片之間存在未被犁切的被滾花輪滾壓形成的肋片.由圖7看出，未被犁切的肋片橫截面存在裂縫，該裂縫與翅片頂部裂縫貫通，如圖7中虛線所示.這進(jìn)一步證實(shí)，滾壓形成的螺旋肋片是由兩邊金屬擠壓堆積結(jié)合在一起形成的，在翅片成形過程中，肋片先是被刀具犁切開，與基體分離，然后被圓錐面擠壓，在犁切和擠壓雙重作用下，肋片被擠壓開裂形成圖5所示的微觀上的雙翅片.

圖7 翅片頂部裂縫形成過程Fig.7 Forming process of microcracks generated at the top of fins

2.2 進(jìn)給量對(duì)翅片形貌的影響

不同進(jìn)給速度下加工出的翅片形貌如圖8所示.從圖8中可以看出，隨著進(jìn)給量的增加，翅片間距不斷增大.圖9是單刃－圓錐面刀具切削幾何模型，圖中aw為切削寬度，ac為切削厚度，kr、k'r分別為刀具主、副偏角.由圖9看出，進(jìn)給量的大小決定了翅片軸向間距的大小，進(jìn)給量過小，形成的翅片過于密集，大進(jìn)給量犁切則能形成較大間距的翅片，但進(jìn)給量過大，滾壓形成的肋片不能被全部犁切，如圖8(c)所示.間距的增大減少了單位長(zhǎng)度上翅片的數(shù)量，從而減小了有效傳熱面積，但合適的軸向間距可以有效地增加翅片產(chǎn)生的漩渦，最大限度地破壞層流，形成有利于傳熱的湍流效果，顯著增加對(duì)流傳熱系數(shù)［15］.此外，軸向間距的大小在很大程度上影響流體經(jīng)過殼程時(shí)的壓力降.若軸向間距較小，翅片排列較密，流體流動(dòng)阻力顯著增加，殼程壓力降增大.因此，必須選取恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，以獲得合適的軸向間距.

圖8 進(jìn)給量對(duì)翅片形貌的影響Fig.8 Influence of feed rate on fin morphologies

圖9 單刃－圓錐面刀具切削幾何模型Fig.9 Geometric cutting model of tool with single edge and cone extruding face

2.3 犁切深度對(duì)翅片形貌的影響

圖10是在3種不同犁切深度下加工出的外翅片的掃描電鏡照片，比較圖10(a)－(c)可以發(fā)現(xiàn)，翅片形貌存在以下特點(diǎn):(1)當(dāng)ap=0.75 mm時(shí)，由于犁切深度較小，滾花輪滾壓形成的肋片未被全部犁切開，如圖10(a)中方框所示，存在明顯的滾花輪滾壓形成的溝槽;當(dāng)犁切深度ap=0.90mm時(shí)，滾壓形成的肋片剩余部分進(jìn)一步減少，如圖10(b)中方框所示;當(dāng)犁切深度ap=1.05mm時(shí)，滾壓形成的肋片已經(jīng)全部被犁切/擠壓，兩排翅片之間形成光滑的切削表面，如圖10(c)所示.(2)隨著犁切深度的增加，翅片厚度不斷增加，這是由于隨著犁切深度的增加，被犁切的肋片厚度不斷增大.(3)隨著犁切深度的增加，刀具進(jìn)一步切入銅管管壁，因此翅片根部與基管相連部分的高度不斷增大，見圖10中圓圈標(biāo)示位置.

圖10 犁切深度對(duì)翅片形貌的影響Fig.10 Influence of ploughing depth on fin morphologies

3 結(jié)論

(1)基于單刃－圓錐面刀具切削加工是加工三維整體式外翅片的一種有效方法，翅片成形過程分為工件表層金屬被犁切，與基體分離;分離的表層金屬在圓錐面上滑動(dòng)，被擠壓;被擠壓的表層金屬最終形成所需的翅片.刀具的圓錐面半徑對(duì)翅片成形有較大影響，隨著圓錐面半徑的增大，翅高增加，翅傾角略有增加.

(2)翅片頂部有一條貫穿整個(gè)翅片的微裂縫，使翅片在微觀上形成雙翅片;該裂縫是滾花輪滾壓和刀具犁切/擠壓綜合作用的結(jié)果.

(3)犁切深度和進(jìn)給量對(duì)翅片表面形貌有重要影響.隨著犁切深度的增加，翅片厚度增加;隨著進(jìn)給量增大，翅片間距增加;進(jìn)給量過大或犁切深度較小時(shí)，殘留有滾花輪滾壓形成的肋片.

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