王榮 董明智

摘 要 板翅式換熱器是各類氣體分離設備的熱交換器，而翅片是板翅式換熱器的關鍵部件，占整個換熱器體積的80%以上。復雜型面高精度翅片成形技術是制造中高壓高效板翅式換熱器，實現大型、特大型空分設備國產化的關鍵技術。多年來，高精度翅片以其成形工藝復雜、制造精度要求高、生產效率低成為全球行業(yè)性技術難題。

關鍵詞 板翅式換熱器;翅片;成形;模具

引言

本論文就板翅式換熱器高精度翅片成形關鍵技術進行了闡述，涉及的關鍵技術為：①復雜型面高精度翅片有限元建模;②翅片復合成形高精度數值模擬算法;③翅片回彈預測與控制技術;④翅片成形設備動力學分析及優(yōu)化設計。內容包括：翅片的三維建模;3003、 3004 鋁合金帶材沖壓性能試驗;N 型、M 型、W 型復合彎曲回彈試驗;典型翅片成形及回彈過程數值模擬;翅片回彈數值分析及回彈抑制;翅片成形設備和模具的結構參數和工藝參數優(yōu)化;回彈預測及模具刀齒型面補償;翅片高速成形設備的結構設計及動力學分析等。

1背景

大型、特大型空分設備作為關鍵工業(yè)領域的重大技術裝備，其設計制造水平反映一個國家的綜合工業(yè)實力。板翅式換熱器是各類氣體分離設備的核心機，采用鋁合金錯列鋸齒翅片制成的板翅式換熱器由于結構緊湊、換熱效率高、輕巧牢固，廣泛用于冶金、石油化工、煤化工、原子能等領域，目前已成為空分行業(yè)最主要的換熱器。目前鋁制錯列鋸齒型翅片生產中存在的主要問題[1]：①對錯列鋸齒翅片復合成形機理和工藝的系統研究甚少，缺乏成熟的翅片成形理論支持，翅片成形回彈問題的解決停留在經驗層面;②影響錯列鋸齒翅片成形質量的因素很多，主要問題是回彈，目前缺乏對錯列鋸齒翅片彎曲成形回彈規(guī)律的認識和對回彈量的準確預測。③在專用機床和模具的設計中缺乏可靠的工藝參數和實驗數據支持。

我國是世界上對錯列鋸齒翅片復合成形技術探索較早的國家，1975 年開封空分設備廠技術員設計了一種翅片沖床，此前只有利用該設備可以制造錯列鋸齒翅片。由于該技術設備存在生產效率低（低于 60 次/分鐘）、精度差且不穩(wěn)定（高度偏差>±0.03mm，節(jié)距誤差≥ 3%、翅側垂直度α >5°，長度方向還常存在扇形彎曲）、幅寬小（最大只能生產 450mm）、柔性低（只能生產少數幾種翅型）。刀具壽命低、成本高。調模要求高、難度大，往往要經過數周反復多次的試模，才能沖出符合基本要求的翅片。通常要花費大量的人力、物力和財力反復修模、試模來修正和補償回彈。在使用中經常出現斷刀、翅片斷裂或構連等現象。由于翅片成形整體精度差，因此在翅片與隔板的釬焊中焊接虛點多，隔板和翅片的焊接結合強度低，制成的板翅式換熱器成品率低，不能用于中高壓使用場合，目前已很難適應現代換熱器企業(yè)對高壓、高效、節(jié)能的復雜翅片生產要求。因此找到一種可靠的方法和手段揭示錯列鋸齒翅片的復合成形原理，分析影響成形質量的主要因素，準確確定成形工藝參數，預測并控制回彈，以此指導刀模具及專用翅片成形設備的設計制造，已成為目前行業(yè)中十分緊迫的任務。

2關鍵技術

復雜型面翅片的有限元建模及翅片復合成形高精度數值模擬算法;翅片回彈預測與控制技術;翅片成形設備及模具的優(yōu)化設計方法。

本項研究中，翅片制造材料采用3003、3004鋁錳合金，由于鋁合金的斷裂延伸率高，均勻塑性延伸率低，彈性模量?。ㄖ挥袖摪宓?/3），與傳統的鋼鐵材料比，其成形過程和回彈存在很大差異，目前尚未見對鋁合金薄板成形過程和回彈數值模擬的系統性研究報道。現有對成形機理和回彈問題的研究對象主要集中在比較簡單的二維沖壓件或U型、V型彎曲方面，研究結果對鋁合金錯列翅片的成形模擬不適用，因此需要利用有限元數值模擬方法系統研究鋁制錯列鋸齒翅片等復雜型面翅片的成形機理及回彈規(guī)律[2]。本項研究中為了實現錯列鋸齒翅片的整形和抑制回彈，首次采用了上下單刀的N型、上三下二的M型、上二下三的W型復合折彎工藝，在纖維方向彎曲受限成形的同時伴隨著寬度方向的錯列剪裁，因此屬于邊界約束和受限的三維復合彎曲成形問題。本項研究首先以兩種行業(yè)最難制造的典型翅面—鋁制97JC1602（高薄齒）和40JC1505（矮厚齒）錯列鋸齒翅片為研究對象，借助有限元件軟件模擬其復合成形過程與卸載回彈過程，研究翅片成形過程中沖壓速度、刀具齒形組合、刀具圓角半徑、彎曲加載曲線、壓邊力等對回彈的影響。在此基礎上通過數值模擬進一步預測翅片各部分的回彈變形量，利用回彈規(guī)律進行模具補償設計，以此優(yōu)化專用翅片成形機及模具的結構參數和工藝參數。從根本上提高了鋁制錯列鋸齒翅片的制造精度，使我們開發(fā)的數控折彎沖壓機生產出的翅片完全能夠滿足中高壓板翅式換熱器的技術要求。

我國空分行業(yè)發(fā)展前景廣闊，我國氣體產業(yè)的增長率是GDP增速的1.5～2倍。有報告指出“預計未來10年，氣體分離行業(yè)全國總銷售量將超過1000億元，年均增速將保持在15%左右”。近年來，隨著我國冶金、化工、煤制油、甲醇、乙烯等行業(yè)的快速發(fā)展和一大批國家重大建設項目的陸續(xù)實施，國內空分設備訂單激增，供需兩旺。龐大的市場需求，使國內對大型空分設備的需求迎來新一輪高峰，行業(yè)企業(yè)迫切需要用于中高壓使用場合的更高效、高精度的翅片成形技術和設備。

3結束語

通過板翅式換熱器高精度翅片成形關鍵技術研究及其裝備開發(fā)，預計未來十年僅國內翅片折彎沖壓機及配套模具和輔機的市場規(guī)模約在2000臺（套）以上，市場規(guī)模約15億元人民幣。利用本項目技術開發(fā)的翅片高速折彎沖壓機，可大幅降低我國空分企業(yè)的生產成本，獲得較大的經濟效益，開發(fā)的成套制造設備還可出口創(chuàng)匯，由此產生的直接和間接經濟效益十分巨大。

參考文獻

[1] 王榮，董明智.高精度錯列翅片復合成形工藝及模具技術[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（4）：53-54，52.

[2] 王松漢.板翅式換熱器[M].北京：化學工業(yè)出版社，1984：52-53.