板翅式换热器高精度翅片成形关键技术研究及其装备开发

王荣 董明智

摘 要 板翅式换热器是各类气体分离设备的热交换器，而翅片是板翅式换热器的关键部件，占整个换热器体积的80%以上。复杂型面高精度翅片成形技术是制造中高压高效板翅式换热器，实现大型、特大型空分设备国产化的关键技术。多年来，高精度翅片以其成形工艺复杂、制造精度要求高、生产效率低成为全球行业性技术难题。

关键词 板翅式换热器;翅片;成形;模具

引言

本论文就板翅式换热器高精度翅片成形关键技术进行了阐述，涉及的关键技术为：①复杂型面高精度翅片有限元建模;②翅片复合成形高精度数值模拟算法;③翅片回弹预测与控制技术;④翅片成形设备动力学分析及优化设计。内容包括：翅片的三维建模;3003、 3004 铝合金带材冲压性能试验;N 型、M 型、W 型复合弯曲回弹试验;典型翅片成形及回弹过程数值模拟;翅片回弹数值分析及回弹抑制;翅片成形设备和模具的结构参数和工艺参数优化;回弹预测及模具刀齿型面补偿;翅片高速成形设备的结构设计及动力学分析等。

1背景

大型、特大型空分设备作为关键工业领域的重大技术装备，其设计制造水平反映一个国家的综合工业实力。板翅式换热器是各类气体分离设备的核心机，采用铝合金错列锯齿翅片制成的板翅式换热器由于结构紧凑、换热效率高、轻巧牢固，广泛用于冶金、石油化工、煤化工、原子能等领域，目前已成为空分行业最主要的换热器。目前铝制错列锯齿型翅片生产中存在的主要问题[1]：①对错列锯齿翅片复合成形机理和工艺的系统研究甚少，缺乏成熟的翅片成形理论支持，翅片成形回弹问题的解決停留在经验层面;②影响错列锯齿翅片成形质量的因素很多，主要问题是回弹，目前缺乏对错列锯齿翅片弯曲成形回弹规律的认识和对回弹量的准确预测。③在专用机床和模具的设计中缺乏可靠的工艺参数和实验数据支持。

我国是世界上对错列锯齿翅片复合成形技术探索较早的国家，1975 年开封空分设备厂技术员设计了一种翅片冲床，此前只有利用该设备可以制造错列锯齿翅片。由于该技术设备存在生产效率低（低于 60 次/分钟）、精度差且不稳定（高度偏差>±0.03mm，节距误差≥ 3%、翅侧垂直度α >5°，长度方向还常存在扇形弯曲）、幅宽小（最大只能生产 450mm）、柔性低（只能生产少数几种翅型）。刀具寿命低、成本高。调模要求高、难度大，往往要经过数周反复多次的试模，才能冲出符合基本要求的翅片。通常要花费大量的人力、物力和财力反复修模、试模来修正和补偿回弹。在使用中经常出现断刀、翅片断裂或构连等现象。由于翅片成形整体精度差，因此在翅片与隔板的钎焊中焊接虚点多，隔板和翅片的焊接结合强度低，制成的板翅式换热器成品率低，不能用于中高压使用场合，目前已很难适应现代换热器企业对高压、高效、节能的复杂翅片生产要求。因此找到一种可靠的方法和手段揭示错列锯齿翅片的复合成形原理，分析影响成形质量的主要因素，准确确定成形工艺参数，预测并控制回弹，以此指导刀模具及专用翅片成形设备的设计制造，已成为目前行业中十分紧迫的任务。

2关键技术

复杂型面翅片的有限元建模及翅片复合成形高精度数值模拟算法;翅片回弹预测与控制技术;翅片成形设备及模具的优化设计方法。

本项研究中，翅片制造材料采用3003、3004铝锰合金，由于铝合金的断裂延伸率高，均匀塑性延伸率低，弹性模量小（只有钢板的1/3），与传统的钢铁材料比，其成形过程和回弹存在很大差异，目前尚未见对铝合金薄板成形过程和回弹数值模拟的系统性研究报道。现有对成形机理和回弹问题的研究对象主要集中在比较简单的二维冲压件或U型、V型弯曲方面，研究结果对铝合金错列翅片的成形模拟不适用，因此需要利用有限元数值模拟方法系统研究铝制错列锯齿翅片等复杂型面翅片的成形机理及回弹规律[2]。本项研究中为了实现错列锯齿翅片的整形和抑制回弹，首次采用了上下单刀的N型、上三下二的M型、上二下三的W型复合折弯工艺，在纤维方向弯曲受限成形的同时伴随着宽度方向的错列剪裁，因此属于边界约束和受限的三维复合弯曲成形问题。本项研究首先以两种行业最难制造的典型翅面—铝制97JC1602（高薄齿）和40JC1505（矮厚齿）错列锯齿翅片为研究对象，借助有限元件软件模拟其复合成形过程与卸载回弹过程，研究翅片成形过程中冲压速度、刀具齿形组合、刀具圆角半径、弯曲加载曲线、压边力等对回弹的影响。在此基础上通过数值模拟进一步预测翅片各部分的回弹变形量，利用回弹规律进行模具补偿设计，以此优化专用翅片成形机及模具的结构参数和工艺参数。从根本上提高了铝制错列锯齿翅片的制造精度，使我们开发的数控折弯冲压机生产出的翅片完全能够满足中高压板翅式换热器的技术要求。

我国空分行业发展前景广阔，我国气体产业的增长率是GDP增速的1.5～2倍。有报告指出“预计未来10年，气体分离行业全国总销售量将超过1000亿元，年均增速将保持在15%左右”。近年来，随着我国冶金、化工、煤制油、甲醇、乙烯等行业的快速发展和一大批国家重大建设项目的陆续实施，国内空分设备订单激增，供需两旺。庞大的市场需求，使国内对大型空分设备的需求迎来新一轮高峰，行业企业迫切需要用于中高压使用场合的更高效、高精度的翅片成形技术和设备。

3结束语

通过板翅式换热器高精度翅片成形关键技术研究及其装备开发，预计未来十年仅国内翅片折弯冲压机及配套模具和辅机的市场规模约在2000台（套）以上，市场规模约15亿元人民币。利用本项目技术开发的翅片高速折弯冲压机，可大幅降低我国空分企业的生产成本，获得较大的经济效益，开发的成套制造设备还可出口创汇，由此产生的直接和间接经济效益十分巨大。

参考文献

[1] 王荣，董明智.高精度错列翅片复合成形工艺及模具技术[J].机电产品开发与创新，2011，24（4）：53-54，52.

[2] 王松汉.板翅式换热器[M].北京：化学工业出版社，1984：52-53.