（机械制造及其自动化专业论文）换热器板片同机分体异步冲压成形技术的研究.pdf

摘要 摘要 设计了换热器板片自动成形生产线的总体方案，并对所选用的设备的类型 和相应的主要技术参数要求作了说明。设备组合方式为：丌卷机、分布在各个 设备之间的辅助引料装置、校平机、导向装置、纵剪机、送料机构、数控液压 机、曲柄压力机、剪板机、码垛机构等部分组成。整条生产线的技术难点是用 小设备做相对加大的工件。 本学位论文提出了一种新的板材冲压成形技术一一同机分体异步成形技 术。同机分体异步薄板冲压成形技术是指把成形件原有模具进行离散分体，并 安装在同一台压力机工作台上，然后模具先后工作的薄板冲压成形技术。根据 不同板料的成形特点给出了分体的五个原则：一是变形曲率半径相对大的部位， 二是分体截面形状尽量简单，三是变形最小的地方，四是分体的相对大小能够 达到所要降低压力机吨位，五是有利于提高加工的柔性化程度。根据h i l l 理论 假设对模具成形衔接区域应力进行了理论分析。 本论文研究了同机分体异步成形技术在换热器板片成形中的应用。介绍了 有限元数值模拟计算基础及本研究中所使用软件特点。介绍了异步成形仿真技 术中板料力学信息的传递。利用s o l i d w o r k s 进行了曲面设计，运用d y n a f o r m 有限元软件进行了薄板分体异步成形仿真分析，预测了衔接区域的应力应变和 成形过程中板材失稳状况以及翘曲状态。先后多次针对成形缺陷进行了模具衔 接过渡设计。 论文的最后介绍了同机分体异步成形试验。采用了0 3 m m 和i m m 的不锈钢 进行了分体异步成形试验，试验证明成形效果与板厚有关，板越厚越满足技术 要求。板厚i m m 的板材在给定的换热器板片拉深尺寸下，满足换热气板片垫槽 和波纹深度偏差均不超过0 2 m m 的技术要求。 关键词：换热器；冲压：同机分体异步成形：仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o nl i n eo fc o m p a c th e a te x c h a n g e rw a sd e s i g n e di n t h i st h e s i s ，a n d t h et y p eo fp r o d u c t i o nl i n ee q u i p m e n t sw a sd e s c r i p t i o n ，t o o t h ec o m p a c th e a t e x c h a n g e rp r o d u c t i o nl i n ei sm a d eu po fu n c o n e ll e v e l e r , c e n t e n a r yg u i d e s ，n i r e g s e r v or o l lf e e d ，c n ch y d r a u l i cp r e s s ，s t r a i g h t - s i d eo n ep o i n ts i n g l ea c t i o np r e s s ，s h e a r a n ds t a c k e l t h i sp a p e rd e v e l o p sam e t h o ds h e e tm e t a lf o r m i n gw h i c hi ss e p a r a t ed i e s d i f f e r e n t s t e ps h e e tm e t a lf o r m i n g ，d i v i d e dab i gd i ei n t os e v e r a lp a r t sa n dp u tt h e mi n t h es a m ep r e s sa n dd i f f e r e n t - s t e pw o r k t h e r ea r ef i v ep r i n c i p l e so fd i v i d i n gd i e ： it h er e g i o ni st h a tr a d i u so fap a r ti sb i g g e rt h a no t h e r ； 2t h ec o n n e c t i o ni st h es i m p l e s ts h a p eo f t h ep a r t ； 3t h er e g i o ns h a p ei sl e a s t ； 4t h em o s ti m p o r t a n tp r i n c i p l ei st h a td i v i d i n gd i e sm u s ta d a p tt ot h ep r e s s p o w e r ； 5t h em e t h o dc a l li m p r o v ef l e x i b i l i t yo f t h ep r o d u c t i o nl i n e t h eb a s i co fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd y n a f o r mc h a r a c t e rw a si n t r o d u c e d t h e f i n i t ee l e m e n to ft h eb l a n kw h i c hi st h ef i r s td r a w i n gf o r ma n a l y s i st r a n s f e r sn e x t o p e r a t i o n t h ec o m p a c th e a te x c h a n g e rb l a n kw a sd e s i g n e db ys o l i d w o r ka n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yd y n a f o r m t h es i m u l a t i o no fb l a n kf o r m i n g ，i no r d e rt o k n o ws t r e s st r a n s f o r m a t i o no ft h eb a n k ，d o p e do u tt h es h a p eo fh ec o m p a c th e a t e x c h a n g e rb l a n k , a n do p t i m i z a t i o no f h ec o m p a c th e a te x c h a n g e rd e s i g n i no r d e rt op r o v et h et h e o r yo fs e p a r a t ed i e sd i f f e r e n t - s t e ps h e e tm e t a lf o r m i n g ， a ne x p e r i m e n tw h i c hu s e dm u l t i d r a w i n gh y d r a u l i cp r e s sw a sc a r r i e do u t t h eb l a n k s w h i c hd ot h i se x p e r i m e r i ti s0 3 m ma n dl m mt h i c k n e s s t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t p r o v e dt h a tl m mt h i c k n e s sb l a n ka c c o r d e dw i t l lt h ec o m p a c th e a te x c h a n g e r k e yw o r d s ：c o m p a c t h e a t e x c h a n g e r ；s h e e t m e t a l f o r m i n g ；s e p a r a t e d i e s d i f f e r e n t s t e ps h e e tm e t a lf o r m i n g ；s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：襄圳每 伊6 年；月z 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在张怀存导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发 表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责 任由本人承担。 签名：耍妇，事 沙“年 月。 日 第1 章引言 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第1 章引言 板式换热器( 见图1 1 ) 是由一组波纹金属板组成，板上有四个角孔，供热交 换的两种液( 气) 体通过。金属板片安装在一个有固定板和活动压紧板的框架内， 并用夹紧螺栓夹紧。板片上装有密封垫片，将流体通道密封，并且引导流体至各 自通道内。波纹板不仅提高了湍流程度，并且形成许多支撑点，足以承受介质间 的压力差。金属板和活动压紧板悬挂在上导杆，并由下导杆定位，而杆端则固 定在支撑柱上。 图1 1 板式换热器简图 换热器用途非常广泛如石油、化工、食品、制药、船舶、纺织、造纸等行 业，是加热、冷却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备，凡涉及液一液热交换、 可凝汽一液体热交换的工艺场合均可使用。因此随着我国经济的蓬勃发展，板 式热交换器在我国有着很大的发展前景。换热器新的需求和大量应用，对其生 产也有了越来越高的要求。生产过程控制系统的高度自动化要求、产品的质量 精度要求都越来越高。各种先进技术以群体综合应用方式谋求生产过程实现智 能化、高自动化、高效能化，这也反映了换热器生产的高科技水平和发展方向。 目前我国换热器生产方式较为落后，有些单位还没有实现自动化生产线， 第1 章引言 实行单机作业增加了人力投入：有些单位开始使用生产线，但生产线仍以机械 电器控制为主，相当于发达国家2 0 世纪7 0 年代水平，一部分采用微机控制的 生产线虽然实现了自动化，但是只能适应一种型号的换热器，缺乏生产的柔性， 不利于多样化的需求，同时换热器精度的控制难于提高。为了解决这些问题， 在北京市的支持下，联合北京海淀永大机电设备有限公司对柔性化、智能化的 换热器片自动化生产线进行了研究。 板式换热器片的生产线一般包括以下几个工序：丌卷、校平、纠偏、冲孔、 剪断、冲压成形等，其中在这些工艺中冲压工艺是关键工序。冲压的质量影响 板片所承受压强的能力，影响着密封程度，影响着换热效果。目前生产单位生 产换热器型号多达2 0 多种，并且板片面积大小差异也非常大从o 0 5 m 2 1 9 3 m 2 ，生产为中小批量生产。为了能够提高设备的利用率、以及所生产的换 热器板片面积大小不受压力机吨位限制，课题组和合作单位对成形工艺提出了 分次冲压同一板片，从而来降低所用成形压力机的吨位，满足生产不同型号、 不同大小的板片。 l l2 课题研究的意义巾 随着社会生产力的发展，生产制造业的发展呈现出三种明显的趋势“1 。 1 自动化水平越来越高。生产设备从手a - 至, j 机械，直到自动化。生产率大 大提高，生产节奏加快。 2 柔性化水平也越来越高。单一品种大批量生产自动化的问题在5 0 年代就 较好地解决了。而多品种单件、小批量生产的自动化一直是一个难题，数控技术 和计算机技术的发展、信息技术进入制造领域，使柔性化有了解决的途径。 3 生产规模不断扩大，专业分工越来越细。 由于历史原因，我国现代化的换热器生产的发展起步较晚，基础比较薄弱， 通过引进、消化、吸收、国产化生产和自主开发，已经具有一定的生产能力与 规模。换热器生产线从半自动化、初级自动化到微机控制的现代自动化都已有 应用。我国换热器生产线虽已初具规模，但与世界先进水平还有较大的差距。 目前，一些应用在石油化工行业的大型或超大型并且要求高精度的换热器，我 国生产起来还有一定困难，一些高级自动化和多功能高精度的自动换热器生产 线还不能生产。目前的换热器生产线仍以机械电器控制为主，仅相当于发达国 第1 章引言 家上世纪7 0 年代水平。 鉴于此，研制出全自动化的换热器生产线对提高我国换热器行业的生产技 术水平，改变生产的落后局面具有重要的现实意义；同时，提高换热器片生产 的自动化程度，也可以提高生产能力，扩大生产规模，降低工人劳动强度，提 高产品质量，适应产品在国内外市场竞争的需要。 生产自动化生产线的控制环节在切削生产线中已经发展的比较完善，制约 着冲压成形生产线自动化和柔性化的关键环节在于冲压成形设备和冲压成形工 艺。制约数控发展的两大因素：一是成形模具的体积和质量与传统的车削刀具 相比都比较庞大，很难实现如车削刀具那样在微机的控制下灵活运动；二是压 力机的工作平台相对于加工用的模具都比较小，导致模具没有相对运动空间。 数控转塔冲床的模具更换方式和车床类似，并且其体积和质量很小，在快速换 模时不会产生很大的加速度。这就是成形设备所欠缺的地方，因此研究新型的 成形工艺和成形设备就成了突出的问题。当突破这两个制约的瓶颈后柔性化成 形技术将在冲压行业有广泛的应用前景。 本文通过对当前现有的成形技术进行了深入的研究，并开展了成形工艺和 成形设备的研究。本研究提出同机分体异步薄板冲压成形新技术，给出了技术 中关键的原则和相关技术策略；对现有的液压设备提出了改进，设计了移动模 架，提供模具移动的空间。根据仿真结果得出了可行性的结论，该技术在冲压 行业领域有着广泛的应用前景，特别是对于中小企业能够产生更好的经济效益， 有利于我国中小企业的发展，提高民族工业的竞争力。 1 2 国内外研究现状 1 二量j 冲压技术国内外研究现状”i - 2 ” 目前，冲压技术发展有两个方向：一个是传统冲压成形技术( 有模) 向智 能化发展：另一个方向是无模技术的发展，包括新能源的应用。前者在生产应 用中仍占据着重要的地位和广泛应用，后者是一种新的发展趋势大部分并不能 应用在生产或者是不能够推广。 传统工艺的冲压技术主要在借助计算机进行压力的智能控制、接触表面和 柔性化等方面的研究例如，变压边力、冲压智能化技术、粘介质成形技术、无 模分层技术等。 第l 章引言 压边力是一个非常重要的冲压辅助部分，可以有效地防止材料失稳而导致 的起皱拉裂等问题。些学者提出了变压边力控制方式，即在不同变形特点的成 形阶段设置不同的压边力。板材冲压成形的智能化是控制科学、计算机科学与 板材成形理论有机结合的综合性技术。典型的板材成形智能化控制系统主要由 四个基本要素构成：监测、识别、预测和控制。粘介质成形技术是为了改善冲 压过程中毛坯的受力状况采用了弹性体或者流体代替凸模或者凹模，并应用到 生产中的技术。 新的成形技术放弃了原有的压力机和模具，采用新能源等技术如：喷丸技 术、数字化渐进成形、无模多点成形、激光热应力成形、激光冲压成形等技术。 这些成形的共同点是均采用了数控系统控制，非常适合新产品的开发和小批量 生产。 喷丸成形技术是利用高速弹丸撞击金属板料的一个表面，使受撞击表面及 其下一层金属产生塑性变形，从而导致面内产生残余应力，在此应力作用下逐 步使板料达到要求外形的一种成形方法。数字化渐进成形是2 0 世纪9 0 年代日 本学者松原茂夫提出的薄板成形新方法，将零件在z 轴方向进行三维形状离散 化，从而得到一系列的二维图形，利用工具头在二维断面上局部进行等高线塑 性加工，达到所要求的形状，实现了板料设计制造一体化的柔性快速制造。无 模多点成形是利用高度可调节的数控液压加载单元( 基本体群) 形成离散曲面， 来替代传统模具进行三维曲面成形的方法，是一种多点压延加工技术。激光热 应力成形是一种较新的金属板料成形方法，他利用激光扫描金属薄板时，在热 作用区域内产生强烈的温度梯度。引起超过材料屈服极限的热应力，使板料实 现热塑性变形。激光冲压成形是在激光冲击强化基础上发展起来一一种全新的板 料成形技术，其基本原理是利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金 属板料表面上的能量转换体，使其汽化电离形成等离子体，产生向金属内部传 播的强冲击波。 1 2 2 模架国内外研究现状m 冲压成形过程中工件成形的质量主要影响因素有两个，一个是模具本身的 形状；b n t - - 精度和表面粗糙度大小，另一个方面是上下模具对应状态。前者的影 响因素是在制作模具过程中所决定的，在模具出厂前已经定性了，这与冲压生 第l 章引言 产过程没有联系。后者这一影响因素在于模架的选取有关。因此模架的研究和 设计是影响冲压产品的一个重要环节。国内外模架研究和生产的分类可以分为 固定式和移动式两大类，下面将这两大类分别陈述。 传统的模具一般固定到压力机上，体积相对小的冲模则是将模具固定在模 架上，然后模架与压力机相连工作。体积相对较大的模具则通过t 形槽与压力 机的上下两个台面固定在一起。小型模架在结构上有导柱和导套两个部件主要 来保证冲压时上下模具对应，在精度要求高的模架上装有滚珠导套。大型模具 直接安装在压力机上，他们的定位精度决定于安装期间的调试状况，以及压力 机本身的精度。 快速换模系统大致分为半自动和全自动两种方式。 半自动换模是通过一个手携式换模器来完成换模功能。换模速度，一般只 需要6 1 2 s 。半自动换模系统只适用于模具体积小的冲模。全自动换模方式是 指换模装置上同时放有很多种类的模具，根据冲压工件的需要，进行取模，装 模。全自动换模的方式有：回转盘换模、卧式旋转模具库换模、双模座换模、 工业机器人换模以及多模具模架等换模系统。 回转盘换模和卧式旋转模具库换模都是在模具库内装有许多模具一般用在 数控冲床方面。这两种模式的模具存放方式不同，前者的存放的模具体积相对 于比较小，旋转模具库换模方式主要应用于模具体积相对较大的模具换模。双 模座换模是指压力机的滑块和工作台都有两套模座，一套模座上装有工作的模 具，另一套模座上装有一下步的备用模具。工业机器人换模是将模具存放于机 器旁边的旋转模具库或小型模具库内，也可以放在沿机器一侧移动的感应式移 动模具库内。这种换模方式主要应用于数控冲床方面。一般一个数控冲床配备 3 4 个旋转模具库。多模具模架主要是用于小模具的组合，因此只适用于薄板 加工。回转模具主要应用于数控冲床上。 1 3 主要研究的内容 经过对国内外板式换热器生产现状的分析、对国内外成形技术的调研以及 数控液压设备和现有的模架的研究，针对本课题组的要求以及柔性发展规律的 趋势，本文提出了同机分体异步成形新技术和设计了移动模架。主要研究内容 包括以下几个方面： 第l 章引言 1 首先提出了一种新类型的薄板冲压成形技术一一同机分体异步冲压技 术，根据目前薄板成形规律给出了模具离散分体的五个原则，分析了衔接区域 受力状况以及模具过渡形式。 2 具体研究了换热器同机分体异步成形技术，分析了换热器薄板片的具体 形状，给出了最佳分体的部位。并进行力学分析。 3 针对薄板成形工艺的设计，选取了成形衔接区域进行了仿真，并通过仿 真发现的问题进行修正 4 为了满足工艺要求研究了一种快速移动换模模架， 5 通过试验进行了验证分析 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 2 1 引言 换热器用途非常广泛如石油、化工、食品、制药、船舶、纺织、造纸等行 业，是加热、冷却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备，凡涉及液一液热交换、 可凝汽一液体热交换的工艺场合均可使用。因此随着我国经济的蓬勃发展，板 式热交换器在我国有着很大的发展前景。换热器新的需求和大量应用，对其生 产也有了越来越高的要求。如何提高板式换热器的换热效率和生产效率引起了 世界各国的普遍重视，成为目前扳式换热器研究的重点：从换热器的设计、制 造、结构改进到传热机理的试验研究也一直都在进行。 板式换热器片的生产线一般包括以下几个工艺：开卷、校平、纠偏、冲压 成形、冲孔、剪断、堆垛等，其中在这些工艺中冲压工艺是关键工序。冲压的 质量影响板片所承受压强的能力，影响着密封程度，影响着换热效果。目前生 产单位生产换热器型号多达2 0 多种，并且板片面积大小差异也非常大从 0 0 5 m 2 1 9 3 m 2 ，生产为中小批量生产。为了能够提高设备的利用率、以及 所生产的换热器板片面积大小不受压力机吨位限制，课题组和合作单位对成形 工艺提出了分次冲压同一板片，从而来降低所用成形压力机的吨位，满足生产 不同型号、不同大小的板片。 2 2 总体方案 板式换热器片的生产线的设备组合方式为：开卷机、分布在各个设备之间 的辅助引料装置、校平机、导向装置、纵剪机、储料仓送料机构、冲压成形、 曲柄压力机、剪板机、码垛机构、液压泵站及电气控制系统等部分组成。 图2 1 换热器板片自动化生产线总体方案图 画 习一 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 2 3 开卷机 开卷机设备按照结构大体可分为：悬臂式开卷机，双圆柱式丌卷机和双锥 头开卷机。悬臂式开卷机具有刚性好，开卷张力较大等优点，故适用于较薄带 材的开卷。双圆柱头开卷机上料操作方便，工作更平稳可靠，气结构也比悬臂 式开卷机简单。其缺点是，由于采用两套传动装置，双圆柱头开卷机设备重量 比悬臂式开卷机要大。由于双锥头开卷机，锥头部分和带卷接触面积太小，带 张力操作时，容易损坏带材头部。 该厂最大板料规格参数如下： 不锈钢卷：质量m 6 0 0 0 k g 带宽b 1 0 0 0 m m 厚度h = 0 5 m 1 2 m m 密度p = 7 8 x 1 g 3 k g m 3 机组速度2 0 4 0 m m i n m = p ( r 2 一r 2 ) b ( r 2 一r 2 ) = m p b = 6 0 0 0 ( 7 8 1 0 0 0 3 1 4 1 ) = o 2 4 5k g ( 2 1 ) 查卷料规格，估算卷料内外径：r = 2 5 4 m m ，r = 5 5 6 m m 则卷料内径5 0 8 衄，外径5 5 6 锄。 极限情况下，卷材转动惯量为： 正：詈职2 + r 2 ) ：半( o 5 5 6 2 + o 2 5 4 2 ) ：1 1 2 1 k g + 肌2 ( 2 2 ) 上二 本课题所研究设计的生产线为柔性生产线，所要生产的产品型号不同因而 板料的卷材也不同。根据三种结构选择了带有辅助支撑的悬臂开卷机，一般情 况下用悬臂式，当卷材过重时就启动辅助支撑，增加稳定性。 根据整条生产线的协调性，本悬臂开卷机采用无动力源开卷机。 2 4 校平机 板材在加热、轧制、热处理及各种精整等工序加工过程中，由于塑性变形 不均、加热和冷却不均，剪切及运输和堆放等原因，必然产生不同程度的弯曲、 瓢曲浪形、镰弯和歪扭的塑性变形，或内部产生残余应力。为此，直接用于 冲压加工前，采用校平机进行校平加工，校平板材形状和消除内力。 目前，通常辊式板料校平机是按照工作辊的排列方式来划分的：有上辊单调 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 式板料校平机、辊列平形式和辊列不平行式辊式板料校平机。 上辊单调式板料校平机的每根上排工作辊均可单独升降调整，工作辊直径 和距离较大。这种机型主要用于中厚板的校平，由于工作辊径和辊距较大，因 而其校平精度较差，一般用作粗校机或在线使用。 辊列平行式辊式校平机上、下排工作辊排成互相平行的两列，上排工作辊 ( 含两边导辊) 可上下升降移动，同时两边导棍还可以单独升降，主要用于中 厚板校平。 辊列不平行式辊式校平机上、辊排工作辊成一定角度，上排工作辊可上、 下升降移动，同时相对下排工作辊可实现角度倾斜，主要用于薄中板校平，但 最近几年有用于中厚板的趋势。 根据本课题提出的技术要求，综合上面三种校平机的优缺点该生产线采用 结构相对简单，且经济适用的成对导辊且上辊可调的平行式辊式校平机。 2 5 送料机 在开发的整条生产线当中送料机占有极其重要的作用，作为同机分体异步 成形技术，送料精度是否能够达到成形要求，能否将衔接区域固定好是该生产 线的关键之一。目前，送料机主要有两大类辊式送料装置和夹持送料装置，后 机械式夹持送料和气动式夹持送料。 辊式送料装置是各种送料装置中使用最广泛的一种，小型的通常是由压力 机来带动( 小型工件的冲压也可以用模具带动) ，独立的送料机有伺服电机驱动。 该装置通过周期转动的一对或两对辊子与坯料产生摩擦力，用以克服送料阻力， 实现坯料的周期性自动送进。辊式送料装置的特点是结构简单、便于调整、容 易制造，尤其是通用性强，适用范围广，对于宽度为l o m m 1 3 0 0 m m 、厚度为 o 1 m m - 8 m m 、进距为l o m m 2 5 0 0 m m ( 一般小于辊径) 的条料、带料、卷料都 适用，送料进距误差为0 0 5 m m - 0 2 0 m m 。 驱动夹持送料装置的方法各有不同，其中机械式夹持送料和气动式夹持送 料是有代表性的两种，在大型、强力和高精度的夹持送料中，也有用油压来驱 动的。夹持送料和辊式送料主要的不同点有：在送料长度短的范围内，夹持送 料比单向离合器式的辊式送料的送进精度高。一般来说，夹持送料的送料长度 的调整范围小。由于冲床的滑块作往复运动，所以夹持送料不能进行高速作业。 夹持送料的送料长度的精确调整往往比普通的辊式送料容易。 第2 章换热器扳片自动化生产线总体设计 根据各自得特点结合，本生产线采用柔性生产送料的长度变化范围是5 0 0 1 2 0 0 0 m m ，并且要求高的精度，所以采用单辊子伺服电机驱动。 2 6 成型设备 成型设备是这条生产线的关键设备，目前应用于陔类型板片生产的设备为 液压机。本生产线既要照顾小面积零件生产又要考虑大面积的工件和特大型公 件，根据目前压力机生产商和客户的要求，节约能源，提高经济效益，成形设 备采用4 0 0 0 t 的液压机，在所需成形力在4 0 0 0 0 k n 的情况下采用数控设定所需 的相应压力，在相对较小零件采用一次组合多次成形技术。对于超过4 0 0 0 0 k n 的将启动设计移动模架进行同机分体一步成形技术( 在第四章详细说明) 。 2 7 冲床 该生产线成型前有一道工序，是冲压工艺孔根据生产的需要本次所选用的 通用单点机械压力机。根据冲裁扳料的计算，选用的压力机吨位为2 5 0 吨。 2 8 剪板机 剪板机是属于直线剪切机类，主要用于剪裁各种尺寸金属板材的直线边缘。 利用后挡料或前挡料装置，可以对板材进行定尺剪切。当后挡料板翘起时，可 进行任意长度的剪切。机身大部分都设有喉口，在喉口深度范围内可连续剪切 宽度大的板条。设置在工作台上的角度剪切装置，可以对板材进行角度剪切， 剪板机的种类较多，按其工艺用途和结构类型可以分为：平刃剪板机、斜刃剪 板机、多用途剪板机板料折弯剪切机和专用剪板机等。 平刃剪板机剪切质量较好，扭曲变形小。机械传动的较多，大多用于小型 剪板机。斜刃剪板机分闸式剪板机和摆式剪板机，剪切质量较前者差，有扭曲 变形，但力、能消耗较前者小，适用于中大型剪板机，主传动系统有采用液压 传动和机械传动，导轨形式有采用滑动导轨和滚动导轨，这种结构形式生产的 最多，使用也较普遍，摆式剪板机，分直剪式和直、斜剪两用式。多用途剪板 机是指板料折弯剪切机在同一台机器上可完成两种工艺，机器下部进行板料剪 切，上部进行折弯，也有的机器前部进行剪切，后部进行板料折弯。板材型材 剪切机在剪板机刀架上，一边装有剪切板材的刀片，另一边装有剪切型材的刀 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 片。专用剪板机是针对某一功能而设计的剪板机。 根据上述特点，本生产线所剪切的板料厚度薄在0 8 l m m ，板宽在9 0 0 r a m 以内，并且对剪切的质量要求较高，所以采用平刃剪板机，机械传动。 2 9 其他生产线设备 换热器板片自动生产线所构成的设备当中除了上述一些设备，还有导向装 置、纵剪机、堆垛机液压泵站及电气控制系统。导向装置的前后导向面各由两 排立辊组成，可根据卷料料宽的偏差情况调节手轮，使两导向面向开卷线中心 移动，使其正确导向。纵剪机偏心手轮调整将滚剪刀升落，其宽度可以通过滚 剪刀上面的紧定螺钉或隔套调整，尺寸调整f 确后，将固定挡圈紧牢，防止滚 剪刀在纵剪过程中移位而影响精度。码垛机，经过剪切后的板料由输送带将其 送到码垛机构的集料台车上，并码垛整齐，集料台车随着板料的增加而可以自 动下降。 2 1 0 本章小结 文章分析了换热器板片成形所需要的工艺，设计了整条生产线的布局并对 相应的设备提出技术了要求。 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 3 1 引言 通过第一章对目前成形工艺的分析和研究发现，本课题研究的目的是提高 整条生产线的柔性，能够使成形设备即能够完成大工件的成形又能够保证不浪 费资源出现“大马拉小车”的现象。传统的成形工艺在智能化方面有了较大的 提高，提高了零件的成形质量和降低了废品率，但在如何降低压力机吨位如何 解决“小马拉大车”方面存在欠缺，并没有做出改进。新型成形技术有些还是 应用压力机做动力源例如无模多点成形技术，该技术可以分段成形工件，但其 成形形状受i ! i ：i i 载单元体大小的限制对于换热器这种复杂的成形件是望尘莫 及。喷丸技术、激光成形技术和激光热力学成形技术不受成形件大小的限制也 就没有什么压力机吨位的限制能够根据成形件的形状需要用数控技术进行调整 程序，但这些技术本身非常复杂，尤其是边界条件的选取，目前这些技术尚不 能推广。 基于以上原因和本课题研究是用来工厂应用的生产线，根据公司技术人员 技术水平状况和公司的状况，本课题研究采用传统和新型相结合提出了一种新 的成形技术同机分体异步成形技术。该技术采用动力源仍为压力机，采用 模具成形，不同点在于该技术将模具离散为几个部分，先后分几次冲压成形。 这样既可以能够完成中亚成形换热器板片这种复杂的工件，又能使用一台压力 机完成多种型号的冲压板片：同时该技术要求使用条件跟普通成形条件基本相 同，无需对员工进更多的培训。 3 2 同机分体异步薄板冲压成形技术 同机分体异步薄板冲压成形技术是指把成形件模具进行分体，安装在同一 台压力机工作台上，依次模具先后工作的薄板冲压成形技术。 薄板冲压成形时所需的成形力与其成形的面积成同步增长。在大型覆盖件 冲压时，压力机也就相应的需要大吨位，同时工作台面积也随之增大。传统的 加工方法采用整个模具覆盖所要成形的整个零件，这样在零件加工时，所需要 的压力机公称吨位与所需最大加工力相对应。同机分体异步薄板冲压技术是利 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 用一台压力机将模具进行离散成多个模具对大型零件进行异步冲压最终加工成 所需要的零件形状。该技术不仅实现了“小马拉大车”的功能，而且增加了生 产设备的柔性，进而提高了设备的利用率，降低企业成本，增加经济效益。 因冲压件所需的成形力与变形程度和变形面积有着直接的关系，并且同机 分体异步薄板冲压成形技术所成形的零件一般比较大，传统的工作台面积比较 小，因此在设计结构方面需要一个合理的模架。模架同时装有离散后的模具， 通过控制模架的移动来完成冲压时所需要工作的模具。 同机分体异步薄板冲压成形工艺的最困难的因素是模具衔接区域的变形机 理复杂，因此如何离散模具以及模具衔接区域的过渡处理是本技术的关键所在。 3 2 1 模具分体的部位 同机分体异步薄板冲压成形技术的原则是将所成形件的形状进行离散成几 个部分，然后根据冲压工艺的先后顺次进行组装的移动模架上。模具的分体部 位是由多种因素所决定并没有严格的意义上分体决定因素。分体的基本原则如 下：一是变形曲率半径相对大的部位，二是分体截面形状尽量简单，三是变形 最小的地方，四是分体的相对大小能够达到所要降低压力机吨位，五是有利于 提高加工的柔性化程度。以上五点是根据研究的情况进行分类和总结，但并没 有明显的先后和优先原则，具体操作根据零件的工作状、加工精度要求和实际 的情况而定。 冲压件的形状尽管千变万化，但其中还是有些规律可寻，其中有些共性存 在，本次研究总结了共四种类型形状简单的零件、形状复杂变形密集但存 在大变形曲率的零件、大型拉深简单覆盖件和典型的既有连续变形件又有些规 律。形状简单的浅拉深件( 如图3 1 左上) 可以在中间部位a a 面直接进行分 体，这样明显可以降低压力机的吨位而且中间的区域形状变换简单容易处理模 具衔接区域。形状复杂变形密集但存在大变形曲率的零件( 如图3 1 右上) ，这 种形状复杂变形密集可选择在曲率半径大的a a 处进行分体，这样的分体选择 也是考虑模具衔接区域较为容易过渡。大型拉深简单覆盖件( 如图3 1 左下) 是一个加工大型且形状简单的壳体零件，这种模具的分体主要取决于冲压设备 的工程压力大小，其分割面比较灵活可在a - a 截面进行分体，但过渡区域比较 难设计。连续变形件( 如图3 1 右下) 是一个典型的冲压件：零件形状复杂： 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 零件的变形为连续变形，不存在变形明显断面；零件的变形程度并不均匀，一 部分变形大，一部分变形小：零件的变形又有一定规律循，例如两端是对称的 形状。该类型的零件在制作模具的时候由多种分体方法，一种方式是在中间拦 腰截断即断面a - a 处，这样平分整个零件，但在这个截面经过众多的沟槽，结 果导致截面形状变化比较复杂。因零件两端对称并且在两端附近出现了变形程 度最小的部位，这样在b b 截面和c c 截面分开，并将两端并为一体中间部位 为一体。当中间部位相对比较长时，例如可达数米，则进行中间部位的模具可 多次工作，便可达到目的。 图3 1 典型成形建 3 2 2 模具衔接区域板料变形分析卜p 5 分体模具之间的衔接处是变形机理最复杂的区域，这个区域不仅包含普通 的模具冲压成形还包括着二次成形、加工硬化、模具和板料的干涉。在板 料加工变形时，板材可分为两个区域即固定端和自由端。模具覆盖成形区域为 固定端，与模具相接的非覆盖区域为自由端。固定端的板料变形是因模具强力 压制而成，其形状是所要达到的目标形状：自由端变形是因板料受迫而变形， 其形状由模具边界的形状和材料的属性所决定，是不期望成形的部分，而且成 形的自由变形度很大，在下一次成形时容易与模具发生干涉。异步冲压的第二 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 步成形过程中固定端与自由端发生了交替变换，已经成形的部分成为自由端， 而尚未成形的部分则是固定端。经过先后异步成形后，零件的衔接区域存在了 两次变形，其应力变化发生两次，成为过渡区域。对于过渡区域的加工硬化进 行力学分析如下。 根据h i l l 理论假设般的宽度与厚度的比值大于1 0 看作为平面应力条件下 的弯曲，同时假设塑性应变很大直至略去弹性应变。 。0 j 、。? ，j j 、j ji j 、h 一 、 j 、0 、1 lh 、j 圭 图3 2 板条弯曲的微元体 图3 2 中r l 板条内曲率半径，r 2 板条外曲率半径，r 卜板条的中型 层曲率半径，r 板条内任一点的曲率半径，o - 。a 方向的应力 开始模具与板条接触，板条处于全弹性阶段 ( t r = - 4 m n ( 马r 。l n 导+ h 考一 h 鱼r j ， o - = 4 m n c 一詈；h 孚一l n i r 一羔r l nr _ r _ z 2 。+ ；一l ， n = r - 2 【( 乌一1 ) 2 4 乌( h 旦) ：】- 1 r lr l r l 随着模具的运动，板条进入弹塑性状态 塑性区域的应力 r ，r k ，区域内 o - ，= 盯。l n r i o - = o - s l n r i ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 r 。p 。 r r 2 区域内 仃。= o - 。( 1 + l n 上) r l 仃。= o - s i n r2 r 仃。= 仃。( 1 一i nr 2 ) r 式中r 。州和r 。时分别表示弹塑性交界线的曲率半径 弹性区域内即 r e p ，i r r e p ，2 ( 3 6 ) ( 3 8 ) 万，：仃。士【障+ 1 ) l n 垃一粤+ ( 单一1 ) l n 且+ 1 】( 39 ) r e p 2 1 r e p 1 r r r e p ，j r e p ，2 r c p ，1 仃。：仃。士【( 毕+ 1 ) ( 1 - l n 与一埤一( 毕一1 ) 1 nr 2 1 】( 31 0 ) ! 婴一1 r e p l i 。 r i 。叫 r 。i 模具进一步工作，板条进入全塑性状态 m - 知( r 2 2 r ；+ 2 r ：2 l n 而r 2 r o ) 1 1 ) 乌( 1 一i n 毕) ：l + l n r 2 ( 3 1 2 ) 3 2 3 分体异步成形工艺解决方案 模具衔接区域的设计就是要解决因急剧塑性变形而发生的板料失稳导致起 皱、拉裂等现象，这也是分体异步成形的关键技术。在设计模具衔接过渡时应 考虑如下问题：( 1 ) 模具是否需要过渡衔接。根据变形程度的大小来决定是否 第3 章同机分体异步薄板冲压成形技术 需要过渡，当选择的分体区域无变形时则不需要过渡；当变形程度较大时，则 考虑过渡，包括零件的形状过渡。( 2 ) 过渡区域，要保证边界线的平滑过渡， 不能出现断裂和折起的情况。( 3 ) 是否需要压边圈，在过渡区域中的形状变化 很大时，要考虑采用压边圈来辅助成形，尽可能将变形量均匀的分布到过渡区 域。 3 3 连续变形零件 连续变形的零件是最普通最典型的零件，这种零件在模具分体是既有规律 可循，又是最复杂的分体。当零件形状简单时( 图3 1 左上) ，可以在根据降低 压力机公称吨位的情况下，进行分体模具连接处可以采用较小的曲线过度。当 零件形状复杂但有局部变形曲率半径大时( 图3 1 左下) ，可以在大曲率半径处 分体，这样可以使过渡区域的边界更加平滑。当零件图形复杂且连续变化，可 以仔细分析一下零件的形状看是否有规律可循。图3 1 右下就有规律可循，其 两端是对称图形且在两端有形状变化相对较小的部位，可以考虑传统的中间分 体，但模具分体部位的形状比较复杂。可以考虑将两端组合到一起进行重新组 合达到无需模具衔接过渡即可实现分体，在成型后再进行零件的剪切。 3 4 大型简单壳体零件 大型简单零件的同机分体异步成形有着很重要的意义。这类零件的形变程 度大，所以在模具衔接过渡时不仅仅靠边界的平滑过渡，还要考虑辅助的压边 设计这样可以避免出现的拉裂和起皱现象，使得过渡区域尽可能小的同时，又 要均匀过渡逐步分散变形的应变和应力。衔接区域的模具形状在必要时还要进 行优化过渡设计。 3 5 小结 本文给出了同机分体异步薄板冲压成形工艺的概念，对其关键技术做了说 明与归纳。该技术在换热器半片成型的研究中得到运用，证明是一种行之有效 的加工方式，尤其是针对小批量生产的中小型公司更为适用。 第4 章换热器同机分体异步薄板冲压技术 第4 章换热器同机分体异步薄板冲压技术 4 1 引言p 叫 换热器用途非常广泛如石油、化工、食品、制药、船舶、纺织、造纸等行 业，是加热、冷却、热回收、快速灭菌等用途的优良设备。随着换热器应用的不 断扩展，换热器的规格要求也在变化，换热器的单片面积也在相应地增加。换 热器板片的成形加工，是生产换热器的一个关键工序。传统的加工方法是用液 压机整体冲压成形。冲压成形的面积与所需的成形压力的之间有一定的关系， 把板厚在0 6 o 8 咖的板片，每o 1m 1 需要5 0 0 6 5 0 t 。传统的换热器冲压加 工方法采用整个模具覆盖所要成形的整个零件，这样在零件加工时，所需要的 压力机公称吨位与所需最大加工力相对应。当板片的面积增大到一定程度时， 压力机的压力不能满足所成形的压力，并且压力及所提供的工作台面积也限制 了板料的加工。因此需要研究一种新的成形技术来解决上述矛盾。 4 2 换热器同机分体异步薄板冲压技术 根据上面所提到的矛盾：一是现有的用来进行板片成形的压力机公称压力 不够，二是即使压力能够达到，工作台的有效面积成了制约成形工件的最大面 积，当板片几米长时，就要突破这个传统的瓶颈。基于此提出了同机分体异步 薄板冲压成形工艺。 换热器同机分体异步薄板冲压工艺是指根据换热器板片自身形状的特点把 模具离散成两个或两个以上的模具组合，然后把模具安装在同一台压力机上， 根据模具的组合方法和送料的方式先后异步使各模具分别工作。该加工特点在 于模具工作的时候没有将换热器板片毛坯全部覆盖，而是将该板料在长度方向 上分成几部分先后成形。同机分体异步成形的关键技术是模具的分体。分体的 基本原则如下：一是变形曲率半径相对大的部位，二是分体截面形状尽量简单， 三是变形最小的地方，四是分体的相对大小能够达到所要降低压力机吨位，五 是有利于提高加工的柔性化程度。 4 3 换热器板片分体异步成形工艺解决方案 第4 章换热器同机分体异步薄板冲压技术 4 3 1 模具分体 换热器板片是一个典型的冲压件：零件形状复杂：零件的变形为连续变形， 不存在变形明显断面：零件的变形程度并不均匀，一部分变形大，一部分变形 小：零件的变形又有一定规律循，例如两端是对称的形状( 图4 1 ) 。该类型的 零件在制作模具的时候由多种分体方法，一种方式是在中间拦腰截断即断面a a 处，这样平分整个零件但在这个截面经过众多的沟槽，结果导致截面形状变化 比较复杂。因零件两端对称并且在两端附近出现了变形程度最小的部位，这样 在b - b 截面和c -