工藝參數對外翅片管成形過程影響的研究

張輔乾，吳炳權，黃俊初

（佛山神威熱交換器有限公司，廣東佛山528000）

工藝參數對外翅片管成形過程影響的研究

張輔乾，吳炳權，黃俊初

（佛山神威熱交換器有限公司，廣東佛山528000）

采用無屑滾壓—犁切復合成形工藝加工三維外翅片管。對翅片的成形過程和加工的特點進行了研究，并建立了翅片尺寸的預測模型；通過切削實驗，獲得了進給量、主偏角、切削深度等工藝參數對翅片高度和間距的影響規(guī)律。經理論預測和實驗研究，對切削用量參數和刀具幾何參數的合理選擇進行了分析。

外翅片管；工藝參數；翅高；應用

管殼式換熱器是工業(yè)生產裝置中的重要節(jié)能設備，并廣泛應用于在石油、化工、動力、核能、制冷、乃至國防工業(yè)等領域。外翅片管是換熱器的重要部件，其傳熱性能直接決定了換熱器的傳熱性能，高效傳熱管的研發(fā)受到工程界的廣泛關注[1-3]。

目前國內外很多學者提出了劈切-擠壓法、切削-擠壓法和刨削法等外翅片的制造工藝方法。吳斌、夏偉[4，5]等人提出了二維整體式外翅片的“劈切-擠壓”加工方法，經過了劈切、擠壓和成形二維外翅片。李言等[6，7]提出了切削-擠壓工藝加工翅片管。該復合工藝直接在光滑管胚外表面加工翅片，并對復合成形工藝機理進行了系統分析，同時研究加工工藝參數對翅片的影響規(guī)律。秦昌峰等[8]和丁銘等[9]采用專用的刀具和切削工藝制造了整體式針翅管。整體式針翅管具有優(yōu)異的傳熱性能，對水的冷卻總傳熱系統可增加。萬珍平等[10]提出用多刀刨削加工高翅片管，并對翅片刨削成形機理進行深入的研究。上述齒形結構屬于二維翅片結構，但翅片高度低、面積小，對流體邊界層進行擾動弱；其次，翅片管生產效率低，存在進給驅動力不足、細長薄壁通過彎曲變形、顫振等難題，翅片管成型面臨著高效可控加工問題。

在此基礎上，本文將切削加工與塑性擠壓成形有機地結合起來，提出了無屑滾壓-犁切復合成形工藝技術，開發(fā)了適用于大批量的自動化三維外翅片管的加工裝備。重點通過切削實驗和理論預測方法，研究工藝參數對外翅片高度、間距的影響規(guī)律，為優(yōu)選工藝參數以獲得最佳翅片結構參數提供依據，該技術突破了傳統切削原理束縛，使傳統的切屑變成三維的外翅片，是一種具有廣泛應用前景的綠色技術。

1 三維外翅片管的加工過程

三維外翅片管的加工過程可分為滾壓成形和犁切成形兩個過程。本次實驗材料為外徑14.0 mm，壁厚1.5 mm的紫銅。本次試驗轉速為410 r/min，深度為0.9mm及進給速度為1.41 mm/r.采用專用的硬質合金刀具，工具參數包含主偏角和副偏角分別為28.5°和80°.

1.1 滾壓成形過程

滾壓成形過程是在專用軋機上實現的，將紫銅光管放置于軋機導軌上，軋輥上安裝有設計的輥刀，圓管在軋輥軋制的擠壓作用下，金屬內部結構發(fā)生滑移，產生塑性變形而形成溝槽。滾壓成形加工屬無屑冷加工，是一個塑性成形過程。圖1為滾壓后生成的二維外翅片管。

1.2 犁切成形過程

針對三維外翅片管生產效率低，管坯的進給驅動力不足、細長薄壁通過彎曲變形、顫振等難題，開發(fā)了適于大批量生產的自動化加工裝備，如圖2所示。該裝備一次送料后自動連續(xù)加工，能實現管徑準9~63 mm、管長在200~2 500 mm之間的三維外翅片管的加工，翅片厚度0.30～3.0mm.該犁切加工過程中，基于二維的溝槽的圓管，在犁切/擠壓刀具的犁切和擠壓作用，金屬材料經過塑性流動和變形，從而形成三維翅片。圖3為利用加工裝備生產的三維外翅片管示意圖。

圖3 三維外翅傳熱管

2 外翅片的幾何參數預測

三維外翅片管的主要結構參數：翅片高度h和翅片節(jié)距p，其中翅片節(jié)距是同一肋片上相鄰翅片間的螺旋跨度。翅片的形成過程是切削刃切開的那層金屬，在刀具的擠壓作用下發(fā)生塑性彎曲而形成的，因此切削層的形狀和尺寸決定翅片最終形成的幾何結構和尺寸。從圖4可以看出，在主切削速度（v），進給速度（vf）的情況下加工翅片時，犁切/擠壓工具理論切削層忽略了肋片的簡化模型，如圖4所示。從該圖可以推出，公稱犁切/擠壓寬度和厚度可表示為：

圖4 外翅片成形過程示意圖

其中，aw為切削層寬度，ac為切削層厚度，Kr為刀具主偏角為刀具的副偏角。如果不考慮切削變形，翅片的長度和寬度分別等同于aw和ac.然而，相連的切削片在周長方向翅片傾斜角θ和副偏角組合下擠壓成斜翅片，因此，翅片高度h可以進一步表示為：

其中：c是一個由實驗決定附加的常數并介于0.25~0.3 mm，其值的存在主要是因為翅片管的直徑要大于光管的直徑。同一肋片上相鄰翅片的軸向跨度是進給之后剩余的量減去翅片厚度的軸向長度，從而翅片節(jié)距p可總結為：

式中，β是翅片管的螺旋角。

實驗表明周長方向翅片傾斜角θ在翅片成型加工中保持不變。在實際生產中，翅片管螺旋角β是預先選定好的。副偏角通過改變翅片軸線傾斜度來影響翅片高度和間距。

3 工藝參數對翅片結構的影響

外翅片管的翅片主要特征參數包括：翅片高度h和翅片節(jié)距p.三維翅片管實現了管內流體的接觸面積大幅提高，從而大大增強了換熱性能，本文采用理論預測分析和實驗手段揭示翅片管結構參數和工藝參數之間關系。

3.1 工藝參數對翅片高度的影響

圖5~7為工藝參數ap、f和Kr對翅片高度的影響。圖5為切削深度對翅片高度關系圖，研究表明翅片高度隨著切削深度ap的增加而線性增加。

圖5切削深度對翅片高度影響

圖6 為進給速度對翅片高度關系圖，研究發(fā)現表面翅片高度幾乎不隨進給速度f增大而變化。

圖6進給速度對翅片高度影響

圖7 為刀具主偏角對翅片高度的影響。圖7表明當刀具主偏角低于28.5°時，翅片高度隨著主偏角增大而減?。划數毒咧髌谴笥?8.5°，翅片高度基本保持不變。

圖7 主編角對翅片高度影響

由圖5~7預測和實驗結果所示，當翅片沿周長方向翅片傾斜角θ約為38.5°，雖然預測值與實驗值有一定的偏差，但當主偏角低于28.5°時公式（3）能夠比較好地預測翅片高度。從預測公式（3）可以得出結論，翅片高度不會受到f的影響，可從圖6看出。根據公式（3），隨著主偏角的增加翅片高度按照正弦曲線倒數減小。但是，翅片高度不會無限降低，是相連的切削片仍保留在工件上的緣故，這就是當主偏角低于28.5°翅片高度保持不變的原因。

3.2 工藝參數對翅片間距的影響

工藝參數對翅片間距的影響如圖8~10所示。圖8為進給速度對翅片間距的影響，研究表明翅片間距隨進給速度增大而線性增大。

圖8切削深度對翅片間距影響

圖9 為切削深度對翅片間距的影響規(guī)律，研究發(fā)現翅片間距幾乎不隨切削深度的增加而增大。

圖9切削深度對翅片間距影響

圖10 表明翅片間距隨刀具主偏角的增大而減小。從圖8和10可以看出，翅片間距隨進給速度和主偏角的變化趨勢符合實驗結果。從公式（4）可以得出結論，翅片間距不隨切削深度變化，這與圖9中的實驗數據一致。

圖10 切削深度對翅片間距影響

綜合實驗手段和理論預測方法，研究表明：為了獲取高翅片及大間距三維翅片管，在實際生產中應該選擇小的刀具主偏角Kr，采用大的切削深度ap和進給速度f.

4 應用

基于切削加工與塑性擠壓成形原理，提出了無屑滾壓-犁切復合擠壓成形工藝技術，并開發(fā)了適用于大批量的自動化三維外翅片管的加工裝備，最終利用該技術已開發(fā)的新一代三維翅片管換熱器。第三代翅片管換熱器具有換面積大，翅片高度大等優(yōu)點，并且提高管程的換熱效率。目前第三代高效換熱器已在市場上推廣并廣泛應用。三維翅片管換熱器裝配示意圖如圖11所示。

圖11 三維翅片管換熱器裝配示意圖

5 結論

本文經過滾壓成形和犁切成形兩個階段技術加工三維外翅片管，利用自主研發(fā)的適用于大批量的自動化三維外翅片管的加工裝備，通過對刀具幾何參數和切削用量的精確匹配，獲得了所需的翅片結構。分析了三維外翅片的成形機理，并通過切削實驗，獲得了刀具的進給量、主偏角和切削深度對三維外翅片的高度和間距的影響規(guī)律。研究表明：三維翅片高度隨著擠壓深度增加而增加；當主偏角低于28.5°時，翅片高度隨著主偏角增大而增加；翅片間距隨著進給速度增大而線性增加，且隨著主偏角增大而線性減小。為了得到高翅片及大間距，在實際生產中應該選擇小的刀具主偏角，采用大的切削深度和進給速度。

[1]Bergles A E.Enhanced heat transfer：endless frontier，or mature and routine[M].Applied Optical Measurements. Springer Berlin Heidelberg，1999：3-17.

[2]Zhang Z，Yu Z，Fang X.An experimental heat transfer study for helically flowing outside petal-shaped finned tubes with different geometrical parameters[J].Applied thermal engine ering，2007，27（1）：268-272.

[3]荊鋒，馬有福，袁益超.整體型和鋸齒型螺旋翅片管研究綜述[J].能源研究與信息，2010，26（3）：133-138.

[4]吳斌，夏偉，湯勇，等.新型3維整體翅片銅管的研制[J].中國機械工程，2002，13（13）：1134-1136.

[5]Xia W，Wu B，Tang Y，et al.On chopping–extrusion of integral-fin copper tubes[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，138（1）：385-389.

[6]袁啟龍，李言，鄭建明，等.工藝參數對切削-擠壓過程影響規(guī)律的研究[J].西安理工大學學報，2006，22（4）：342 -345.[7]Yan L，Qilong Y，Mingshun Y，et al.Tool design of fin-tube cutting-press shaping[C].Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010 International Confer ence on.IEEE，2010：3109-3112.

[8]秦昌峰，廖東波，周一丹.三維針刺式散熱管加工工藝研究[J].機械制造與自動化，2009，38（5）：69-70.

[9]丁銘，閻昌琪，繆紅建，等.整體針翅管強化傳熱實驗研究[J].核動力工程，2005，26（5）：452-455.

[10]萬珍平，徐燕小，湯勇，等.三維整體高翅片強化傳熱鋁管刨削成形機理[J].中國有色金屬學報，2011，21（3）：92-97.

Research on the Effectof Process Parameters on the Form ing Process ofOutside Finned Tube

ZHANG Fu-qian，WU Bing-quan，HUANG Jun-chu
（Foshan for Storing Heat Exchanger Co.，Ltd.，Foshan Guangdong 528000，China）

The rolling and ploughing method was applied to the outside three-dimensional finned tube in current study.The forming process of the outside finned tube and characteristics were investigated in detail.The prediction model of fin structural sizes had been established.Based on cutting experiment，the law of the fin height and fin pitch influenced by machiningprocess parameters such as feed，tool cutting edge angles，depth of cut，was obtained.In additional，how to choose the reasonable cutting parameters and tool geometry parameters was analyzed by theoretical prediction and experimental.

outside finned tube；process parameters；fin height；application

TG506

A

1672-545X（2017）04-0066-04

2017-01-08

2015廣東省應用型科技研發(fā)專項資金項目（2015B020238004）

張輔乾（1968-），男，湖南永州人，本科，工程師，主要從事高效換熱器研究及開發(fā)。