強(qiáng)化傳熱內(nèi)置式翅片自動(dòng)化切斷裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

麥宙培 翟麗華

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣西 南寧 530226）

0 引言

隨著節(jié)能降耗要求的提高，對(duì)汽車中冷器的設(shè)計(jì)及技術(shù)也提出了更高的要求，需要高效、高強(qiáng)度以及壽命長(zhǎng)的中冷器。孫英嘉基于疲勞理論提出了汽車散熱器的新型設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用湍流模型進(jìn)行仿真模擬，仿真模擬結(jié)果表明，改進(jìn)的汽車散熱器可以很好地解決應(yīng)力集中問(wèn)題，提高散熱器的穩(wěn)定性和散熱性能，延長(zhǎng)其壽命。田騰飛等人[為增強(qiáng)汽車散熱器的散熱效果以及提高冷卻系統(tǒng)工作效率，設(shè)計(jì)了一種新型的散熱器清潔裝置，運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行流體力學(xué)分析，驗(yàn)證了該散熱器清潔裝置的有效性。

在散熱器中，內(nèi)置翅片式散熱器是常見(jiàn)的換熱設(shè)備，其通過(guò)在基管內(nèi)部上加裝翅片來(lái)達(dá)到強(qiáng)換傳熱的目的。翅片是核心的傳熱元件，一般是采用機(jī)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斷成最終產(chǎn)品。雖然目前翅片的成型、切斷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)的目標(biāo)，但是在企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于切斷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，因此會(huì)出現(xiàn)翅片切斷變形、無(wú)法切斷等問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。針對(duì)上述問(wèn)題，該文從翅片輸送平整機(jī)構(gòu)、翅片切斷刀體等方面對(duì)切斷裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用氣缸壓緊裝置、組合鑲件式刀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品合格率、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

1 內(nèi)置式散熱翅片產(chǎn)品

汽車中冷器可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度，能有效提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性，常用于大中型載重車輛、輕型車輛。為增強(qiáng)中冷器換熱管的換熱效率，采用內(nèi)置式散熱翅片是常見(jiàn)的強(qiáng)化傳熱方式，如圖1所示。內(nèi)置式散熱翅片不僅可以擴(kuò)大傳熱面積，而且還可以增強(qiáng)換熱管內(nèi)部流場(chǎng)的湍流，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

圖1 內(nèi)置翅片式中冷器換熱管

內(nèi)置式散熱翅片常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)主要有平直式翅片、百葉窗式翅片、鋸齒式翅片、多孔式翅片以及波紋式翅片，如圖2所示。

圖2 典型內(nèi)置式翅片結(jié)構(gòu)形式

2 內(nèi)置式散熱翅片的生產(chǎn)工藝及切斷裝置

目前，內(nèi)置式散熱翅片的機(jī)械加工通常采用自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、高效率的生產(chǎn)作業(yè)。這種自動(dòng)化生產(chǎn)線包括開(kāi)卷機(jī)構(gòu)、對(duì)散熱翅片進(jìn)行沖壓成型的沖壓機(jī)構(gòu)、用于驅(qū)動(dòng)散熱翅片前進(jìn)的導(dǎo)料機(jī)構(gòu)以及對(duì)散熱翅片進(jìn)行裁剪的切斷機(jī)構(gòu)。

某企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)內(nèi)置式散熱翅片的過(guò)程中，散熱翅片切斷時(shí)產(chǎn)生的廢品率較高，經(jīng)常出現(xiàn)翅片切斷變形、無(wú)法完全切斷等問(wèn)題，如圖3所示。因此，需要對(duì)散熱翅片切斷的生產(chǎn)工藝及裝置進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 內(nèi)置式散熱翅片切斷廢品

2.1 內(nèi)置式散熱翅片的結(jié)構(gòu)

以企業(yè)生產(chǎn)的某一款類型的內(nèi)置式散熱翅片為例，該翅片采用3003 H14鋁合金板，結(jié)構(gòu)形式為矩形錯(cuò)齒，如圖4所示，散熱翅片的主體上按列形成了多組矩形且有錯(cuò)層的立體式凸框。矩形錯(cuò)齒式翅片是一種強(qiáng)化傳熱的翅片，其錯(cuò)層矩形結(jié)構(gòu)能有效增大換熱面積，能對(duì)通過(guò)的流體產(chǎn)生促進(jìn)繞流效果，從而提高換熱性能。

圖4 矩形錯(cuò)齒翅片結(jié)構(gòu)形式

2.2 內(nèi)置式翅片現(xiàn)有切斷生產(chǎn)工藝及切斷裝置

內(nèi)置式矩形錯(cuò)齒式翅片在切斷前由導(dǎo)料組件送至切斷裝置。翅片在切斷加工時(shí)，具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、柔軟且不易平整等特點(diǎn)。加工過(guò)程有以下4點(diǎn)工藝要求：1） 高效的切斷加工效率。2） 翅片在切斷前須有固定、平整裝置。3） 切斷須準(zhǔn)確且整齊，不能出現(xiàn)無(wú)法切斷的現(xiàn)象。4） 斷口須平齊，不能出現(xiàn)翅片變形的現(xiàn)象。

目前，企業(yè)矩形錯(cuò)齒式翅片的切斷工藝路線如下：經(jīng)過(guò)上工位模具沖壓成型后的矩形錯(cuò)齒式翅片由導(dǎo)料組件送至切斷裝置。導(dǎo)料組件主要由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸，從而帶動(dòng)2組齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將翅片往切斷刀口輸送。在切斷前，由送料檢測(cè)傳感器檢測(cè)翅片的輸送距離；同時(shí)，通過(guò)壓條裝置控制翅片的高度，達(dá)到平整的目的。當(dāng)翅片往前移動(dòng)到設(shè)定的距離時(shí)，送料傳感器發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)使切斷上刀體往下切斷，翅片成品落到出料托盤(pán)，進(jìn)入下個(gè)工序，完成一次工藝，如此往復(fù)循環(huán)。矩形錯(cuò)齒式翅片切斷工藝流程如圖5所示。

圖5 矩形錯(cuò)齒式翅片切斷工藝流程圖

現(xiàn)有翅片的切斷裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。翅片的導(dǎo)料機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)軸以及送料齒輪組成，翅片的平整由橫桿、內(nèi)置式散熱翅片壓條控制，翅片的切斷刀體主要由上刀體、下刀體組成。

2.3 內(nèi)置式翅片現(xiàn)有切斷加工過(guò)程中的問(wèn)題

在現(xiàn)有翅片的切斷加工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生翅片切斷變形、無(wú)法正常切斷的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生廢品，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整，就會(huì)一直產(chǎn)生切不斷的報(bào)廢內(nèi)置式散熱翅片，造成生產(chǎn)浪費(fèi)的現(xiàn)象。此外，切斷刀的維修成本較高，耗時(shí)較長(zhǎng)。

經(jīng)過(guò)分析內(nèi)置式翅片現(xiàn)有切斷生產(chǎn)工藝及切斷裝置，產(chǎn)生切斷問(wèn)題的主要原因如下：1） 導(dǎo)料組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到平整翅片的目的。內(nèi)置式翅片在輸送過(guò)程會(huì)產(chǎn)生向左或向右的偏移，在拉深沖裁之后又會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，現(xiàn)有的2條翅片壓條如圖6所示。沒(méi)有達(dá)到平整翅片的目的，翅片在輸送過(guò)程中歪扭不平，從而在切斷時(shí)翅片拱起不平或有細(xì)微變形，切斷刀切下時(shí)無(wú)法到達(dá)正確的位置，造成翅片變形，或雖然能切斷，但是尺寸不符合圖紙要求，從而產(chǎn)生不合格品或廢品。2） 翅片切斷刀體由上刀體、下刀體組成，整體刀體設(shè)計(jì)、維修成本高。切斷刀體的結(jié)構(gòu)如圖7所示，上、下刀體材料為T(mén)7/T8/T10，整體刀體設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題主要包括整體式刀具生產(chǎn)成本高；上刀體和下刀體沒(méi)有微調(diào)調(diào)節(jié)裝置，因此刀面磨損后，刀口之間的間隙加大，會(huì)造成翅片切斷不完全；當(dāng)上、下刀體在切斷時(shí)，上、下整個(gè)刀面全部接觸，摩擦力阻力大，需要經(jīng)常加潤(rùn)滑油，否則容易降低切斷力；在刀體磨損后，須對(duì)整體進(jìn)行維修，維修費(fèi)用高。

圖7 翅片切斷上、下刀體結(jié)構(gòu)

3 內(nèi)置式散熱翅片切斷裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)內(nèi)置式翅片現(xiàn)有切斷加工過(guò)程產(chǎn)生的問(wèn)題，從翅片輸送平整機(jī)構(gòu)、翅片切斷刀體等方面對(duì)翅片切斷裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要改進(jìn)措施如下。

3.1 改進(jìn)措施

采用氣缸壓緊裝置，同時(shí)增加送料齒輪，保證翅片平穩(wěn)輸送。

采用氣缸壓緊裝置替代原有翅片壓條結(jié)構(gòu)。如圖6所示，原有2條翅片壓條在翅片往前送料過(guò)程一直壓著翅片，翅片的材質(zhì)輕薄，上有2條壓條的摩擦力，下有送料臺(tái)面的摩擦力，這樣的翅片輸送方式會(huì)產(chǎn)生送料不順暢，影響送料的精度，對(duì)壓緊翅片的效果欠佳，因此改為氣缸壓緊裝置，如圖8所示。一方面，氣缸壓緊裝置主要由氣缸、導(dǎo)柱及壓條組成，可根據(jù)翅片寬度對(duì)壓條寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與翅片寬度一致，翅片在送料過(guò)程中，壓條沒(méi)有與翅片接觸，也就沒(méi)有產(chǎn)生摩擦力，不影響送料，當(dāng)翅片送料步距達(dá)到設(shè)計(jì)要求且氣缸壓緊機(jī)構(gòu)得到指令時(shí)再下壓，使翅片在平直狀態(tài)下切斷。另一方面，原結(jié)構(gòu)的2條壓條與工作臺(tái)之間的高度過(guò)大，翅片在前一道工序沖壓后，在彈性作用下產(chǎn)生翹曲，當(dāng)切斷翅片時(shí)就不能使翅片在平直狀態(tài)下切斷，從而影響切斷的質(zhì)量。

圖6 翅片的切斷裝置結(jié)構(gòu)

氣缸壓緊裝置的工作狀態(tài)描述如下：在送料過(guò)程中，氣缸壓緊機(jī)構(gòu)處于抬升狀態(tài)，當(dāng)送料傳感器感應(yīng)到翅片到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)，發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)氣缸壓緊機(jī)構(gòu)向下壓緊翅片，使壓條與翅片上表面貼緊，保證翅片在切斷前處于平直狀態(tài)，再通過(guò)上刀體向下的切斷動(dòng)作將翅片切斷。

增加送料齒輪，保證翅片的平穩(wěn)輸送。如圖8所示，原有送料齒輪為2組，通過(guò)增加1組送料齒輪（圖8（b）），緩解翅片在輸送過(guò)程產(chǎn)生彎曲的程度，提高翅片在輸送過(guò)程中的精準(zhǔn)度，增加翅片切口的平直度。

圖8 翅片輸送平整機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在翅片的切斷工藝上，當(dāng)翅片往前移動(dòng)到設(shè)定的距離時(shí)，送料檢測(cè)傳感器發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)氣缸壓緊裝置對(duì)翅片預(yù)先進(jìn)行壓緊動(dòng)作，再驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)使切斷上刀體往下切斷翅片。

在程序控制上，氣缸壓緊裝置與上刀體切斷翅片的設(shè)置須有1 s的時(shí)間差，保證能達(dá)到先下壓后切斷的效果。

3.2 整體刀體優(yōu)化設(shè)計(jì)為組合鑲件式刀體

原有整體式刀體結(jié)構(gòu)不僅制造成本高，而且刀口磨損后需要整體拆卸、磨削加工，再安裝調(diào)試，維修過(guò)程復(fù)雜、維修成本高且會(huì)降低生產(chǎn)效率；上、下刀體由整體式改進(jìn)為成組合鑲件式，整體刀體材料由原來(lái)的T10A工具鋼改成刀體（45#鋼）和刀口鑲件（T10A），刀口鑲件與翅片直接接觸并最終完成切斷工作。上、下刀體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖9、圖10所示。組合鑲件式刀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了刀體制造的材料成本，而且維修方便，從而降低了生產(chǎn)成本。

圖9 上刀體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖10 下刀體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在原有整體式刀體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)上、下刀體在切斷時(shí)，上、下整個(gè)刀面均須接觸，不僅增大了摩擦阻力，而且刀體磨損后沒(méi)有微調(diào)空間。

因此，通過(guò)增加鑲條來(lái)改進(jìn)上刀體的結(jié)構(gòu)，將整體式刀體不可微調(diào)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)為間隙可微調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖11所示。在上刀體在兩側(cè)增加鑲條（圖11中的序號(hào)16），通過(guò)調(diào)整螺釘可保持合理的上下刀間隙。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可切斷不同厚度的翅片材料。此外，上刀體結(jié)構(gòu)改進(jìn)為只有兩端接觸（圖11中的序號(hào)A）。

圖11 刀體的可微調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)刀體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大幅度減少上刀體與下刀體的接觸面，從而降低上、下刀體之間接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力。優(yōu)化前的上刀體與下刀體的接觸面積為（56 071.0 mm），摩擦阻力為（100 N），優(yōu)化后，上刀體與下刀體的摩擦面積是優(yōu)化前的1/4，摩擦阻力為25 N。

4 內(nèi)置式散熱翅片切斷裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)后的生產(chǎn)驗(yàn)證

內(nèi)置式散熱翅片切斷裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)比

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的翅片切斷裝置進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，在生產(chǎn)速度為10 片/min、每天連續(xù)生產(chǎn)10 h的情況下，原有翅片切斷裝置產(chǎn)生的廢品率約為5%，而優(yōu)化后的切斷工序產(chǎn)生的翅片切斷廢品率約為0.5%。在翅片切斷裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)后，生產(chǎn)質(zhì)量明顯提高。切斷裝置在試運(yùn)行階段性能可靠，可在規(guī)模批量生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

該文提出的內(nèi)置式翅片自動(dòng)化切斷裝置在企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐的情況表明，該裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)推廣應(yīng)用，相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品惠及國(guó)內(nèi)7 個(gè)生產(chǎn)廠家及國(guó)外3 個(gè)國(guó)家，該設(shè)備所生產(chǎn)的散熱器為15 個(gè)汽車品牌配套。同時(shí)，為相關(guān)企業(yè)提供了優(yōu)化改進(jìn)后的裝置及相關(guān)零部件，使企業(yè)生產(chǎn)銷售收入呈大幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)內(nèi)置式散熱翅片在實(shí)際切斷生產(chǎn)中存在翅片切斷變形、無(wú)法切斷等問(wèn)題，該文從翅片輸送平整機(jī)構(gòu)、翅片切斷刀體等方面對(duì)翅片切斷裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要采用氣缸壓緊裝置、組合鑲件式刀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了提高產(chǎn)品合格率、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證可知，該內(nèi)置式翅片自動(dòng)化切斷裝置降低了翅片在輸送過(guò)程產(chǎn)生彎曲的程度，提高了翅片在輸送過(guò)程中的精準(zhǔn)度，增加了翅片切口的平直度，質(zhì)量穩(wěn)定，大大降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本，能夠達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果，可廣泛推廣使用。