（机械制造及其自动化专业论文）铜翅片专用模具的设计与实验研究.pdf

摘要 为满足德州富达集团提出的加工铜翅片的要求，作者对铜、铝两种冲压材料 的加工性能进行了比较分析。在参考国内铝翅片加工级进模研究理论的基础上， 设计了铜翅片加工专用模具。 翅片加工级进模是一种复杂、精密的冲压模具，它具有高效率、高精度和高 寿命等特性。模具设计过程涉及到冲压成形理论、冲压工艺、模具设计与制造以 及模具材料中的许多关键技术。作者从冲压成形理论入手，对典型级进模中包含 的四种冲压工序拉深、冲裁、翻边和卷边弯曲变形特性进行了分析，给出了各种 冲压工序中材料冲压成形的力学特点及力学分析方法和冲压成形极限，并从模具 结构角度对各工序变形影响因素进行了讨论。这些工作为级进模的设计和参数计 算提供了理论依据。 本文在进行七述冲压成形理论探讨和各种冲压工序变形特性分析基础上，提 出了模具子模采用分立式结构的设计思想，通过对各予模具详细的结构设计和计 算，最终得出了模具的整体结构。设计部分有模具的总体设计( 包括排样图设计、 警体绢构设计) 、各子模结构设计和辅助机构送料传动设计，并附有凸、凹模主 娶结构参数计算和模具压力中心计算等。 同时用所设计的冲压模具对一定数量的紫铜箔料进行了加工实验，验证了所 i 殳汁模具结构的合理性和可行性。 关键词：热交换器，铜翅片，级进模，成形理论，模具设计与制造，波纹型 翅片，排样 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e z i i o uf u d ac o m m e r c i a lc o m p a n y p r o c e s s i n gc o p p e rf i n ，t h ea u t h o rh a sc o m p a r e dt h ep r o c e s s i n g c h a r a c t e r i s t i c st h em a t e r i a l so fa l u m i n u ma n dc o p p e r c o n s u l t i n gs o m e d o m e s t i cr e s e a r c ht h e o r i e sa b o u tt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so f p r o g r e s s i v ed i e ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dt h em o u l df o ras p e c i a lp u r p o s e ， t h ep r o g r e s s i v ef i nd i ei sak i n do fc o m p l i c a t e da n dp r e c i s ef o r m i n g d i e i tp o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y ，a c c u r a c ya n d 1 0 n g1 i f e t h ep r o g r e s s i v ed i er e l a t e st om a n yk e yt e c h n o t o g i e si n c l u d i n g m e t a lf o r m i n gt h e o r y ，s h e e ts t e e lf o r m i n gp r o c e s s ，d i ed e s i g na n d m a n u f a c t u r e ，d i em a t e r i a la n ds oo r ，b e g i n n i n gw i t hf o r m i n gt h e o r y ，t h e d e f o r m a t i o ns p e c i a l t i o so fd r a w l n g ，t u t t i n g , h o l e - f l a n g i n ga n db e n d i n g p r o c e s s e si np r o g r e s s i v ed i e ：m a n yt h e o r i e sa r ed i s e u s s e ds u c ha s d y n a m i c a lp r o p e r t i e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y s i sm e t h o d so fp l a s t i c d e f o r m a t i o na n df e r m i n g1 i m i t ，a n dt h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r sa r e d i s c u s s e df r o m t h ev i e wp o i n to fd i es t r u c t u r e t h e s ee f f o t t sp r o v i d e t h e o r yb a s i sf o rt h ed e s i g na n dp a r a m e t e rc a l c u l a t i o no fp r o g r e s s i r ed i e 0 nt h eb a s i so fd i s c u s s i n gm e t a f e r m i n gt h e o r ya n dt h ea n a l y s i so f d e f o r m a t i o ns p e c i a l t i e sf o rf o u rf o r m i n gp r o c e s s e s ，t h ep r o j e c ti d e at h a t a d o p t ss u b d i es c h i s ms t r u c t u r et od e s i g nd i ei sp r o p o s e d b yp a r t i c u l a r d e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，t h ew h o l es t r u c t u r eo fp r o g r e s s i r ed i e f o rf i n i se s t a b l i s h e d t h ed e s i g np a r ti n c l u d e st h ec o l l e c t i v i t yd e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g n a n dt h ed e s i g no fa s s i s t a n tf r a m e w o r kf o rd e l i v e r i n gs h e e tm e t a l t h e c a l c u l a t i o np a r ti n c l u d e sm a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r so fd i ea n dp u n c h ，a n d 筘e s s i n gc e n t e rc a l c u l a t i o n a tt h es a m et i m e , e x p e r i m e n t so fp r o c e s s i n gc e r t a i na m o u n t so fc o p p e r s h e e t sh a v eb e e nm a d ew i t ht h ed i ed e s i g n e d ，a n dt h er e s u l t sp r o v et h a t t h ed i ed e s i g n e disr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e y w o r d s ：h e a te x c t l g n g e r ，c o p i ) e lf i n ，p r o g r e s s iv ed i e ，m e t a lf o r m i n g t h e o r y ，d i ed e s j g na n dm a n u f a c t u r e ，v - w a f f l ef i n ，l a y o u t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢王7 j 私签字胁加噼川夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼兰些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师虢尹伊方 签字日期：埘年月o w j 彩 为 巧 耻 立 ， 名 t。 馘 艚 者 狈 例 咖 支 期 融 丌_ 位 字 靴 辩 学位论文的主要创新点 一通过对热交换器工作环境的分析和性价比的研究，提出了以铜翅片替代 铝翅片以提高空调器制冷效率、增加防腐蚀能力的观点。 二根据翅片加工模具的设计理论，提出了铜翅片加工模具的工艺设计理论 和加工工艺方法。 三整套模具设计采用子模分立式的设计方案，各凸、凹模采用分开加工方 法，使相同结构尺寸的模具具有结构互换性，既降低了加工成本，又便于维护。 拉深凸模、翻边子模及翻横边子模均采用楔块结构进行调整，其中拉深凸模调整 高度可达1 5 m m ，即增加了模具的耐磨性，又扩大了模具的翻边工艺范围。 四在模具设计过程中，充分考虑铜材与铝材的加工极限，并采用较大的安 全系数，按铜的拉深、翻边极限选取结构参数进行设计。由于铝的主要成形性能 高于铜，这样，铜翅片专用冲压模具除了能对铜翅片进行加工外，还能加工同样 结构的铝翅片，具有“一模两用”的特性。 第一章前言 1 1引言 第一章前言 随着科技的发展和人民生活水平的不断提高，空调器逐步取代电风扇成为调温、 制冷的主要设施，在家庭及宾馆、饭店等公共场所的普及率日益提高，促进了我国空 调器行业的迅速发展，成为制造业的一个新增长点。由于空调器产业具有相对较高的 利润和较低的进入壁垒，致使大量国外企业进入。截止到2 0 0 0 年底，我国具有家用 空调器认证资格的企业有1 7 7 家，具有一定生产规模、产品已经投放市场的企业有上 百家，另外还有一大批规模较小的新增民营企业，到2 0 0 2 年初全国生产空调的企业 已接近4 0 0 家。 随着空调器行业竞争的加剧，为了提高产品的竞争性，降低生产成本，不同的生 产厂家各出奇招，产品型号不断翻新，散热翅片的用料也由厚变薄、由素铝箔到涂层 铝、由进口到国产，产品的结构也更趋合理，产销量不断增加。有关统计资料表明， 从1 9 9 4 年到2 0 0 3 年，空调器的年总产量增加了十多倍，仅2 0 0 4 年上半年，我国空 调器的总产量就达到3 8 9 5 8 4 万台。据此预测，全年的产量可望达到6 5 0 0 万台，占 世界总产量的三分之一。今年全国空调器铝箔的产量可望突破2 5 万吨，消费量可达 2 6 万吨。其中，亲水箔与素箔用量大致各占5 0 。1 9 9 4 年至2 0 0 4 年上半年我国空调 器的产量见表l 一1 。 表i - 1 ： 1 年份1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 i2 0 0 22 0 0 3 2 0 0 4 半年 i 产量( 万台)3 9 35 5 07 2 07 5 08 5 09 3 51 5 0 01 8 0 22 4 5 04 8 1 23 8 9 5 虽然目前我国家用空调器的产量已跃居世界首位，但我国幅员辽阔，市场环境和 条件差异很大，需求特点各不相同，特别是广大农村空调器的拥有率水平很低，还处 在起步阶段，空调器行业仍具有较大的发展空间：只不过已从高速增长期转入平稳发 展阶段。在前几年，空调器行业处在快速发展期，绝大部分企业都能从中获得收益， 随着空调器行业逐渐转入平稳发展期，行业的利润水平也随之下降，行业的重组已成 为必然，企业应浚通过技术开发开拓新的领域，用技术成本降低产品成本。在未来几 年，空凋器发展的趋势是小型、节能、高效、环保。 因此，科研人员应针对具体的客户群体，根据我国的现状，开发适宜的空调生产 设备。 1 2 课题背景 空调器质量的优劣由制冷量、能效比、噪音等技术指标决定，而空调器中换热器 第一章前言 ( 蒸发器和冷凝器) 的热交换效果直接影响到空调器整体性能的好坏。为了提高热交 换率，许多科研工作者都对换热器在选材、结构等方面进行了长期深入细致的研究， 并取得了较好效果。目前应用较多的散热器为铜铝结构散热器【2 1 ( 内部为紫铜散热管、 外为复合铝合金型材翅片，利用安装在盘旋的铜管上的翅片来增加散热面积) 。由于 铝的导热性能良好、重量轻、化学性质稳定、具有一定的耐腐蚀性、价格比铜便宜， 并且铝的可塑性好，可以加工成各种复杂的形状，能满足散热器的诸多要求，因此在 制冷业中，铝一直被作为散热器的首选材料，铜管铝翅片空调器占具主导市场。 然而采用铝翅片也存在一些缺陷。首先是空调器的制冷效率问题，由于管外侧的 换热热阻是约束换热器换热能力的瓶颈问题，应设法增加管外翅片的导热系数、减小 管外侧的换热热阻。从散热材料的导热性能来看，银的散热性能最好、铜、余次之、 然后才是铝，可是金、银的价格相对昂贵，不适宜大量使用，铜的导热系数是铝的 1 7 倍，因此若采用铜翅片作为传热介质，换热器的性能会明显提高，只是价格稍微 比铝翅片结构高一点1 3 j 。其次是抗腐蚀问题，在一些特殊的场所( 如某些实验室、化 工车间、以及沿海地区等，由于散热器周围的空气中可能含有大量硫离子、氯离子等 腐蚀成分，就要求散热器构件有较强的耐腐蚀性) ，铝制品很容易受到腐蚀。在这些 特殊的环境中，如果采用铜管串铝翅片结构，用于冲压翅片的铝箔必须要进行特殊处 理| 4 j ( 如进行涂层防腐处理) ，这样就会增加成本，而且目前国内涂层技术还不是太 完善，尤其对一些供应空调器用铝的中、小型企业，很难在短期内掌握涂层技术。而 铜的抗腐蚀能力高于铝，可以满足使用要求。此外还有噪音问题，由于锕、铝冷热收 缩系数不同，翅片与散热管之间易产生松动，引起噪音，使用铜管铜翅片散热器则不 存在这样的问题。 为了提高空调器的档次，进一步开拓市场，德州富达集团依据自身企业技术现状 及空调器的性价比等因素，根据客户的需求，提出了面向沿海地区及化工企业销售的 产品能否采用普通铜箔代替铝箔的设想，这样既可提高空调器的散热效率，又可满足 防腐的要求。但是由于不同材料的力学性质( 如强度、硬度、塑性、延展性 等) 不同，在设计模具时所采用的加工方法、参数亦应不同，所以当采用新 的加工材料时，对应模具也应进行新的设计研究，由于现行使用的模具都是针 对铝箔产品设计的，铜与铝相比，铜的塑性低于铝，圆孔翻边时易产生裂纹，而铜的 抗拉强度比铝高，同样尺寸的零件拉深时所需的力i r l d i ：! 工铝结构时要大，因此现有的 模具已不能满足生产的需求，必须根据铜的特性设计专用模具进行加工，这f 是本 课题的来源。 为了降低加工成本，富达集团提出在不增加冲压设备、不改变翅片零件结构参数 的前提下，通过设计更换新模具来生产材利不同、结构相同的翅片，这正是本课题要 解决的主要内容。 第一章前言 1 3 新型翅片冲压材料比较 1 3 1 翅片发展的新趋势 早期空调器都采用普通铝散热片，但是普通铝片不耐腐蚀，散热翅片在空调器工 作过程中由于冷凝作用而始终处于干湿交替的环境，由此加速了空调翅片被腐蚀的进 程，因此研制开发新的空调翅片材料一直是科研人员所从事的课题，从上世纪9 0 年 代起，陆续出现了很多新型铝涂层巧】技术，普通铝的使用比例逐步减少。铝涂层的研 究重点是亲水性f 6 】和疏水性( 疏水铝箔还处于研究阶段) ，由于国外的铝涂层技术发 展较早，目前已有技术成熟、质量稳定的各类铝箔产品不断出现。如同本轻余属公司、 日本住友公司和m i t u b i s h i 公司等生产的预涂膜铝箔在我国进口用铝中占有较大的份 额。我国铝涂层技术虽起步较晚，但也日趋成熟，并已逐步满足一般空调器生产的需 求，只是性能有时还不太稳定，且铝箔亲水涂料主要依赖进口。 为了进一步降低原材料成本，提高空调器品质，近来有科研人员提出以铜代铝的 观点，研究证明：翅片越薄、翻边越高，管子外径越小，风速越大时，换铜后翅片管 的换热能力增加越大，成本增加越小。 13 - 2 新型涂层料存在的问题 由于涂层铝的应用，解决防腐问题的同时带来一些新的问题： 1 ) 首先是冲压模具的使用寿命急剧下降：在空调换热器中用到的铝箔一般有两 种，一种是普通铝箔，一种是亲水涂层铝箔( 简称亲水铝箔) 。采用进口涂层铝进行加 工翅片时，由于无机预涂铝箔表面涂层中含有二氧化硅或水玻璃等物质。使铝箔的硬 度提高，加工模具产生剧烈磨损，使模具的寿命降低【7 】。 2 ) 再者是价格成本问题：涂层铝的价格要比普通铝高出许多，在冲压时还必须 采用专用的冲压油。这样一来，一方面增加了原材料的成本，另一方面，由于亲水铝 箔硬度增加使模具寿命降低，加工成本随之提高，因此不能直接采用加工普通箔料的 模具加工涂层箔料。 1 3 3 铜翅片空调器的优缺点 若采用铜箔加工翅片，具有显著的优点： 1 ) 铜具有优良的导电和导热性，居所有工程金属材料之冠( 研究i 8 j 表明，采用 铜管铜片换热器比采用铜管铝片换热器的翅片效率约提高o 9 3 8 2 9 8 6 5 、总传热 系数约提高9 8 8 2 3 2 7 6 ) ，铜还对大气、海水、土壤以及许名化学介质有很强的 耐蚀性。 2 ) 在和散热铜管进行组装后位用时，不会因扭收缩系数不一致而形成旧f 隙相 对来说噪音低。 第一章前言 3 ) 铜的强度较高，若能用稍薄一点的普通铜箔代替涂层铝箔使用料减少，则无 论是价格方面，还是美观方面都具有显著的优越性。 当然，铜材料也存在一定的不足：铜的比重、价格都铝高( 对典型1 1 k w 蒸发 器，材料成本约增加8 1 2 元) ，另外由于铜的可塑性不如铝，一般只能加工成一些 相对简单的翅片形状。 所有以上发展趋势，都要求对冲压模具结构尺寸和工艺参数进行改进。而高强度、 高塑性和高深冲性能的空调箔料【9 】的出现，近一步促进了冲压模具的不断更新。 1 4 翅片冲压级进模的研究现状 1 4 1 国外研究现状 国外冲压成型理论已经较为完备，早在8 0 年代，美国、意大利、f 1 本就开始系 统的研究空调翅片级进模，到了9 0 年代，随着家用空调数量的增大，高效率、超大 型、精密、复杂、大型多工位空调翅片级进模由美国、意大利、日本的企业设计制造 出来【1 0 】。美国o a k 公司是最早研制出大型多工位级进模的企业【l ，闩本h i d a k a 公司是这类级进模设计制造的后起之秀，他们借助日本模具技术和机械加工能力，很 快研制出世界上功能最齐全的翅片类级进模，近年来模具技术水平超过美国o a k 公 司，目前，该公司生产的模具几乎占据了中国所有大的家用空调生产厂家旧。 进口模具的先进性主要表现在两个显著的方面：一是模其标准化程度高，它包括 设计的标准化，模具零件和模具结构的标准化；二是模具易损件( 如凸、凹模零件) 制造公差一致性好，均控制在o 0 0 3 m m 内。此外，国外还专门研制了加工专用冲床 及设备与模具配套使用，实现了冲制翅片的自动化。美国o a k 还研制了专用拉深润 滑油。 出于企业间的相互竞争斗分激烈，基于商业利益的原因，国外文献资料对空调翅 片级进模方面的研究报导极少。 1 4 2 国内的研究现状 我国是进入8 0 年代后才开始研制翅片级进模，从无到有，模具技术有了较大的 发展。9 0 年代中期，湖南钻石硬质合金工具有限公司、天水长城精密模具厂、北京 市机电研究院精密模具公司，青岛海尔等单位在消化吸收国外先进级进模技术的基础 上，自行研制出的些中小型级迸模，在生产中获得了较好的使用效果，但我国的多 工位级进模技术水平与国外仍然存在一定的差距。主要表现在： 1 ) 冲压工序比较单一，模具结构比较简单、功能性不强。 2 ) 模具模板幅面尺寸比较小，一般在1 2 0 0 6 0 0 r a m 内，属中小型级进模，很少 有大型级进模的研究。 第一章前言 3 ) 模具精度不高，冲裁间隙误差在o ，0 1 5 r a m 以上，制件产品易产生毛刺。 4 ) 模具使用寿命相对较短，模具材料主要以普通模具钢为主或采用硬质合金。 长期以来，对于各种高品质的多工位级进模，仍然是以从国外进口为主。我国具 有一定规模的家用空调生产线都是在9 3 年以后。从美国、意大利、日本引进的，而 用于冲制翅片的级进模也主要是从美国0 a k 、意大利g b s 和日本h i d a k a 公司购 买的。 为了降低制造成本，大力发展民族工业，通过参照进口模具，设计加工适合我国 具体企业的中小型翅片加工模具，具有较大的现实意义。 1 。5翅片冲压模具设计的主要内容 空调翅片是翅片串管式冷凝器、蒸发器上的一种主要零件，每台空调器都需上百 个翅片，其形状虽多种多样，但一般都包括拉深、冲孔、翻边、弯曲、剪切等几道典 型工艺，都是利用级进模在冲床上冲压成型得到。由于需求数量较多，如人工冲压， 效率很低。目前国内已有专用空调翅片冲压自动生产线，它的主要工艺过程为： 卷料丌卷过油一一进入压力机冲压成形定长剪断通过收料装置集 料码垛。 对于不同形状的翅片虽然需要配备不同的模具，但是翅片长度一般都是采用pl c 控制，且通过计数器及控制器进行预置切片的计数、集料计数、及单、双跳功能控 制，所以模具设计部分只需考虑冲压成形的方式及工艺顺序即可。通过更换不同模 具，同生产线可对不同规格形：淡的翅片进行生产加工【1 4 。 1 5 1 模具设计的要点 1 ) 排样图的确定：根据冲压成形理论，确定合理的排样和正确的工序尺寸，对 各冲压工序的变形特性进行分析和详细计算，它不仅关系到被加工材料的利用率，而 且进一步影响到制件的精度及能否顺利地冲压生产。 2 ) 送料方案的确定：从冲压过程来看，级进模是采取工序分散，分步冲压的方 式进行工作的，因此必须保证每次送料的位置正确。而制件带料的送进是靠自动送料 装置来完成的，送料误差往往是影响制件的质量和造成模具损坏的主要原因。如何确 定送制方式和消除送料误差是一个非常重要的问题。 3 ) 精度的确定：级进模主要有三项精度要求，一是模具上、下合模的模架运动 精度；二是模具各工位之间的位簧精度( 即步距精度) ，三是为降低制造成本，凸、凹 模都应达到较高的互换性精度。 1 5 2 模具的工作场所 富达公司现有的冲床为扬州产儿4 5 b 型丌式固定台式压力机，压力机传动系统 第一章前言 由一级皮带传动，离合器结合后飞轮带动曲轴旋转，曲轴带动连杆使滑块作上下往复运 动。主要技术参数为： 公称力4 5 0 k n 公称力行程2 m m 滑块行程4 0 m m 行程次数1 0 0 1 8 0 次m i n 最大装模高度2 7 0 m m 装模高度调节量7 0 m m 工作台板尺寸8 0 0 r a m 5 7 0 r a m 滑块底面尺寸5 0 0 m m 3 0 0 m m 1 6 本论文研究的主要内容及创新点 1 6 1 研究内容 为满足德州富达集团提出的加工铜翅片的要求，根据零件图纸，拟订合理的紫铜 翅片加工工艺路线，设计排样图，并对各种加工变形进行受力分析，校验模具的压力 中，i i , ，设计出各分模结构参数，并进行专用冲压模具的整体结构设计与冲压实验。 1 6 2 主要创新点 1 ) 通过对热交换器工作环境的分析和性价比的研究，提出了以铜翅片替代铝翅 片来提高空调器制冷效率、增加防腐蚀能力的观点。 2 ) 参考铝翅片加工模具的设计理论，提出了铜翅片加工模具的工艺设计理论和 加工成型方法。 3 ) 整套模具设计采用子模分立式的设计方案，各凸、凹模采用分开加工方法， 使相同结构尺寸的模具具有结构互换性，既降低了加工成本，又便于维护。 4 ) 在模具设计过程中，充分考虑铜材与铝材的加工极限，采用较大的安全系数， 按铜的拉深、翻边极限选用结构参数。由于铝的主要成形性能高于铜，这样设计的铜 翅片专用冲压模具除了能加工铜翅片外，还能加工同样结构的铝翅片，具有“一模多 用”的特性。 第二章翅片冲压的i ：艺分析与冲压l ：艺路线的确定 第二章翅片冲压的工艺分析与冲压工艺路线的确定 2 1 翅片的结构分析 随着科技的不断发展，为了节约能源，保护环境，空调机热交换器正在向高性能 化、小型化、轻量化、美观化方向发展，这就要求散热片的结构要更加合理、材料表 面要具有更多的使用性能。 目前常用的片型主要有平片、波纹片、窗式、麻点式等几种。从散热效率的角度 考虑，平片虽然结构简单，冲压工艺性能较好，但散热性能不如波纹翅片、桥式翅片、 窗式、麻点式等结构理想( 据资料统计【1 s j 表明，将平片改为波纹片后，散热效率提高 2 0 左右) ，但后者冲压工艺复杂，对模具结构的要求高。 为迸一步减小散热器结构尺寸，翅片厚度、问距也有减小的趋势，翅片密度增加， 使散热结构更加合理。由于制冷时，冷凝酶( 或冷却介质) 要借助铜管壁、翅片冷却 周围空气，空气中的水分会在翅片表面形成水滴，被风枫欧出的空气蒸发，所以翅片 处于反复干湿的环境下。目前常采用的片间距在1 , 5 3 2 m m 左右，即穿管孔的翻边 高度在l ，5 3 2 m m 之间。当片间距过小时，空气中的水分在冷凝器的表面会形成水 桥，阻碍空气在片间流通，严重时会影响散热效果，此种情况下要进行亲水l i6 j 或疏水 处理，当铝箔采用亲水处理后翅片间距可以选小值。出于本课题要选用普通铜材，没 有经过亲水涂层处理，因此翅片的高度应适当取大值，避免形成水桥，这里晟终确定 的翅片翻边高度为3 2 m m 。 根据设计产品所穿铜管直径的不同，所需翅片孔的大小规格也有所不同。德州 富达集团生产的空调设备主要需要两种翅片：一种是孔间距为2 5 。4 r a m ，孔径为由 9 5 2 m m 的开窗式翅片；另一种是孔间距为3 8 1 m m ，孔径为巾1 6 ，4 m m 的波纹翅片， 用于组装中央空调。这里主要对孔径为中1 6 4 m m 的波纹翅片进行模具设计研究。由 于中央空调散热片组件由近2 0 0 0 片散热片叠装而成，零件上每个翻边孔都要穿散热 管，所以散热片的翻边孔位置精度要求高，一致性要好，这对模具精度提出了较高的 要求。 当翅片的片型及翅片上孔的大小及孔间距确定后，随着孔的排数、每排穿管孔的 多少不同，会形成了多种规格的产品。为了与原有产品形成系列，这堡仍取波形翅片 结构。 该类翅片的翻边孔高度一般取3 2 m m 左右，要求模具的翻边高度能在一定范围 内调整，同一排的孔间距为3 8 1 m m ，排间距为3 3 r a m ，翅片边缘设有1 5 r a m 宽的波 纹状压边，这样既增加了翅片的强度，又有利于空气流通。零件的长度和宽度根据组 装空调型号的不同而不同。零件上孔排数在1 8 之间变化，空调器上要求最宽的翅 片设有8 排孔，宽为3 3 8 = 2 6 4 m m ，零件的长度根据每排所需孔数不同而变化。具 第二章翅片冲压的工艺分析与冲压i ：艺路线的确定 体零件的结构见图2 - 1 。 毒 卫一量 e 壬竺r _ ；1 _ - ；l - t 岳 幽2 一l 由于空调功率不同时要求的翅片穿管孔排数、列数不同，为了增加模具的工艺范 围，增强通用性，要求模具具有一定的柔性，即加工孔的数量和孔的排数均可根据需 要进行调整。 在翅片孔翻直边后，为了防止装配时直边边缘划伤管壁、便于穿管，增强翅片之 问的装配强度，还应进行相应的翻横边加工。横边大小并无严格要求，但翻横边后要 求边缘光滑、无裂纹，这是因为翅片零件厚度太薄，1 3 部如有裂1 3 ，在装配散热管时 散热片会从裂1 3 处撕开。另外，高为3 2 m m 的翻边去除两侧的圆弧部分后，直接与 散热铜管紧密接触的直边长度有限，为了提高传热效率。对翻边质量要求较高。 再来看一下零件厚度，原产品铝箔为o 1 8 m m ，计划新产品用铜箔厚为0 11 5 r a m ， 由于零件长度和料厚之比太大，材料相对太软，无法采用后送料、侧压紧等结构，只 能采用前方拉料送进结构进行冲压设计。 由于该散热片不但形状要多个工步完成，而且长度也需要多个工步才能完成，要 设计成多工位级进模，在整个加工过程中，坯料的定位精度十分关键。 2 2 翅片成型方法的确定 热交换器翅片冲压方法按翅片凸缘的成型方式柬划分，主要有简易、高凸缘、深 冲、变薄拉深、兼用法和e c o 法等几种( 见图2 - 2 ) 。 由于可用于冲压翅片的空调箔料品种较多，成形性能、成形方式差别很大。要求 的凸缘高度不同时，选择的成形方式也不同。总的来说，翅片成形主要是拉深和减薄 南 第二章翅片冲压的t 艺分析与冲压1 ：艺路线的确定 拉深两种方式，以及在此基础上的兼用或改良方式 】。 工艺镡冲洼蜜冉拉忡链赣用槎c o 挂蔼曩戚警醚 蠢器臻壤 ，”气 一，、一 。、。 割仲 冲箍 国引静 。剞粹 。砷于l秭| 伸 厂、 j l _ 一 ，_ 、 ，_ - 、 jl 、 铱糟 。赛球蜒静 漳冲 固灏冲圆一垃国鞭挣 孔 ，_ 、 j 乏_ 一 一一_ 、jc l，、 韶 辔嚼冲 寅膏控捧 辔睁孔 固摄狰 避 瀑冲 了c jln ，、 虑 固毋冲g 嘲 锻霉 固掾冲园摊冲 jl 一 控伸 j l 一 ，、 措 3c l 挣扎 据神 固冲礼 垃 。3 e 。棚垴 - _ jc -一j l 一 棚泣 囝日进 辔种五 毽 j l 一 嘲 羟 jc 二 固篝埔 倒2 - 2 1 ) 深冲拉深成形是应用较早的一种翅片成形方式，其成形速度较慢( 2 0 6 饮m i n ) ， 翅片凸缘高度一般不低于1 8 r a m ，高的可达3 2 m m ，适用于l 系、8 系 合金。它要求箔料拉深性能、成形性能好、深冲能力大，箔料厚般在o 1 i m m 以上。 2 ) 减薄拉深方式是1 9 8 0 年左右开发的翅片成形方式，目前已成为散热翅片的主 要成形方式。它以高速化、薄壁化为目的，其成形速度可达3 5 0 次m i n 以上，翅片的 凸缘高度一般在2 0 r a m 以下，使用的空调箔厚度通常不大于0 1 l m m 。它要求箔料在 具有较高的塑性的前提下，保持高的强度( 以弥补拉深变薄引起的强度减弱) 。 3 ) 兼用法由于拉深次数少，要求箔料强度高、延伸性好、厚度均匀，采用纯铝 时，翻边环的高度可在1 2 2 1 m m 之间。 4 ) e c o 方式( e l e c t r o n i cc o l l e c t i o n so n l i n e ，e c o 的每一步都要考虑对环境的保 护) 始见于美国开发的新型深冲模具，主要针对于薄材料，可以使用0 1 m m 厚的铝 箔( 厚度可以降到n 0 8 m m ) ，翅片翻边高度为1 3 1 9 r a m ，是种新的深冲方式。 5 ) 高凸缘方式工序较多，通过材料的冲凸引伸和减薄逐步达到较高的凸缘。 2 3 翅片材料选择对冲压性的影响 在冲压翅片成形过程中，箔料的力学性能对冲压过程、冲压质量都有较大的影响。 翅片冲压时对箔料的要求主要是硬度、强度和延展性等方面，如果箔料的硬度不够、 强度低，则在冲孔过程中容易粘模，冲孔后翅片下落叠片时易弯瞌，给生产的连续性 带来困难，严重时可使生产中断，但过高的硬度又会降低模具的使用寿命；而延展性 决定了翅片拉深所能达到的变形程度和拉深次数f 1 8 。由于同一型号的材料生产厂家不 第二二章翅片冲压的1 艺分析与冲乐 ：艺路线的确定 同、批次不同，力学性能会有差异，所以选择翅片材料时要充分考虑这些因素。 此外，选材时还应考虑到：在冲压后装配胀管成形过程中，对箔料的力学性能要 求是抗压弯或抗折弯，防止翅片倒片：在其运输和使用过程中，翅片还应有一定的抗 磕碰性能。对铝箔而言，可按标准y s f f 9 5 1 执行，但用铜箔冲翅片目前还无相关标 准，只能参照铝箔的标准来确定铜箔的力学性能要求。 在实际生产中我们发现，片料的硬度和强度是直接影响冲压翅片质量的主要因 素。因此，根据相当的原则，选取与空调用铝箔性能接近的中等硬度紫铜箔t 2 作为 冲压材料。 2 4 力n - r i 艺路线的确定 2 4 1 方案的初步拟订 翅片冲压时主要用到拉深、冲孔、翻边、压形、切边、切断等几种工艺，由于每 台空调就需几百个翅片，生产批量较大，若用简单模依次进行冲压，效率太低。因此 只能考虑采用级进模连续冲压结构i l 。 翅片通常是由箔料通过安装在冲床中的级进模，连续经过各道子模冲压而成的。 根据最终产品的形状要求，主要可以拟订类似出以下几种加工工艺方案： 1 ) 冲孔翻真边翻横边压波形分条、压边切断 2 ) 多次拉深冲孔翻直边、横边压波形分条、压边切断 3 ) 冲孔翻边减薄拉深翻横边压波形分条、压边切断 4 ) 多次拉深压波形冲孔翻直边、横边分条、压边切断 5 ) 鼓凸一深冲压波形一翻边一减薄拉深一压横边一分条、压边一切断 以上方案，依据翅片圈部分的成型方法划分，主要是三类工艺方式： ( 1 ) 拉深加工高凸缘方式 方案2 、4 首先经过多道拉深，翅片圈的高度可在1 4 3 2 m m ，由于拉深时材料 厚度降低，鼓凸性会明显下降，所以此种方式用料厚度只能降到o 1 1 5 m m 左右。若 采用方案2 ，已加工的翻边孔在压波形时会产生变形，加工质量不如方案4 。 ( 2 ) 减薄方式 对于方案3 ，国外在上世纪8 0 年代就开始研制减薄冲模，用料厚度可以小于 o 1 1 5 m m ，翅片圈的高度在1 0 0 1 8 0 m m 左右。国内使用设备大都是拉深模，只有 很少几家单位使用减薄模。由于本课题翻边高度要求达到3 2 r a m ，超出了减薄方式的 加工范围，不能采用方案3 。当然方案1 采用直接冲孔翻边就更不可取。 ( 3 ) 兼用方式 方案5 兼用拉深、深冲、减薄技术，此方式技术要求较高，国内生产模具还未见 此类方式使用。 第二章翅片冲压的工艺分析与冲压1 ：艺路线的确定 2 4 2 加工方案的确定 目前，国内设计的模具多为拉深模。铝箔的拉深一般采用引伸后三次拉深成形法 2 0 1 。考虑到铝的伸长率较大，一般为1 0 2 0 ，杯突值在5 6 左右；而中等硬度的 铜箔伸长率仅为3 8 ，杯突值在3 4 左右。所以产生同样的拉深变形时，铜料的 拉深次数应高于铝料，拉深变形系数应大一点，使每次拉深的变形小一些，否则片料 会在拉深过程中出现拉破现象。这也是为什么不能利用原有模具直接进行铜翅片冲压 加工的原因。 我们再来比较一下铜箔与铝箔的抗拉强度，空调用铝箔的抗拉强度为巩= 1 0 0 1 6 5m p a 左右，而纯铜( 半硬) 的抗拉强度为以= 2 4 5 3 4 3 m p a ，大约为铝的2 倍， 而铜的密度是铝的2 倍以上，为了既节省材料又保证强度，可采用厚度比铝翅片薄的 铜箔进行加工。 经过上述分析，初步确定拉深材料取t 2 ( 中软) ，厚度定为0 1 1 5 r a m ，加工工艺 路线为： 多次拉深一压波纹一整形拉深一冲孔一翻边一翻横边一切边、分条一切断 弟三蕈翅片冲比的工艺尺寸及受力分析 第三章翅片冲压的工艺尺寸及受力分析 典型的翅片冲压级进模一般都包含拉深、冲裁、翻边和弯曲四种冲压工序【2 l 】。模 具中这几种冲压工序的排列顺序和各工序工步尺寸的大小不仅决定了产品的质量，同 时还决定了产品能否被连续冲压成形。对冲压成形理论进行探讨和对模具各冲压工序 变形特性进行分析，其目的就是为解决这一! 问题提供理论依据。 对于空调翅片制件，翻边孔既是翅片产 品的主要组成部分，直接影响送料精度和翅 片热交换的效果，又是级进模工作时带料传 递的定位孔。为了提高翅片的加工质量，保 证管外侧散热效率，确保翻边孔直边部分有 效长度( 如图3 1 所示) l e 的尺寸和形状精 度是十分重要。 图3 一 下面按设计思路逐一分析各冲压工序的工艺特点，并确定出相关的工艺参数，进 行相应的受力分析，这是模具设计的基础。 3 1 翻边工艺 翻边是使平面或曲面的板坯料沿一定的曲线翻 成竖立边缘的成型方法。根据翻转曲线封闭与否可 分为内孑l 翻边( 翻孑l ) 和外缘翻边两类。翅片上用 的翻边是内孔翻边。内孔翻边是在预先加工了孔的 半成品上或未预先制孔的板料上冲制出竖立孔边缘 的成形过程。 3 1 1 变形分析： 图3 2 所示为圆孔翻边，设坯料预冲孔直径为 或。翻边时，坯料在凸模作用下，孔径巩不断扩大， ir ，j 图3 - 2 最后变为直径为d 的竖边。翻边变形区为外径匾，内径哦的环行部分，变形区为双向 拉应力状态，且切向拉应力一般为最大主应力。孔边缘仅受切向拉应力的作用，为单 向应力状态。坯料变形区切向发生伸长变形，属伸长翻边。变形坯料厚度变薄，孔边 缘切向伸长变形最大，厚度变薄最严重。翻边后，孔边缘厚度t 近似按公式( 3 1 ) 确 定。 第三章翅片冲压的j ：艺尺寸及受力分析 t q 蹶1 ( 3 - 1 ) 式中岛为坯料的原始厚度。 当变形程度过大时，孔的边缘首先产生裂纹。翻边过程中，变形区在径向略有收 缩，因此翻边后零件的翻边高度较原变形区的环形部分宽度略有减小。 3 1 2 翻边系数k 的确定 圆孔翻边变形程度的大小可用翻边系数k 判断， k ：亟 ( 3 2 ) 匾 式中巩毛坯预制孔直径； d l 翻边直径( 根据中线，对薄壁件可直接取外轮廓尺寸) 。 k 值越大，翻边变形程度越小：反之，k 越小，变形程度越大。翻孔时边缘不破 裂所能达到的最大变形程度时的k 值，称为极限翻边系数k 护若翻边系数过小，低 于极限翻边系数k ，。时，不能直接翻孑l ，而应采取其它措施( 如引伸后翻边、减薄翻 边等) 。 影响翻孔系数的因素【22 j 有： 1 ) 材料种类和力学性能。塑性好的材料，。可以小。另外，材料的厚向异性 指数r 值与材料的硬化指数1 3 值越大，则k 。越小，即翻边的极限变形程度越大。紫 铜的厚向异性指数r 较小，为o 8 5 ，所以翻孔变形程度不直过大。 2 ) 孔边缘情况。孔边缘情况对k 。也有影响。翻孔前，孔表面质量高( 无撕裂、 无毛刺) 并且无加工硬化层时有利于翻边成型，k 。可小些。冲裁时采用锋利刃口和 大于料厚的问隙，可使剪切面近似拉深断裂，因加工硬化与损伤都较小，也有利于翻 边，但由于采用大问隙，孔的直壁部分将有所减少。 3 ) 材料相对厚度。材料相对厚度大时，允许的极限翻边系数k 可以小一些， 本课题中翅片翻孔直径为1 6 4 m m ，材料厚度仅为0 1 1 5 m m ，故翻边系数不能太小。 4 ) 翻孔凸模工作部分的形状。虽然弧面凸模的加工行程较大，但弧面( 球型、 抛物线以及锥形) 比平底凸模对翻边更有利。由于本课题最终采用冲i l 翻边复合的方 案，冲孔翻边在一个同工位，只能采用平底( 带圆角) 凹、凸模进行翻直边，所以翻 边系数尽可能取大一点。 在翅片冲压时，由于零件相对厚度太小，削扎边缘要求质量义而( 看冲孔翻边时 孔口部产生开裂，在装配散热管时翅片会从裂口处撕开) ，因此一定要保证翻边质量。 综合前面的分析，翅片翻孔时，翻孔系数k 只能取大一点的值，在本课题中，翻边系 数取极限系数的1 2 0 ( 0 6 9 x 1 2 = 0 8 3 ) 。 第三章翅片冲压的工艺尺寸及受力分析 3 1 3 翻边预制孔尺寸的确定 翻边高度较小时，可先在坯料上预制孔，然后直接翻边。由前面的分析可知，翻 边过程中，材料主要在切向发生伸长变形和厚度变薄，而径向变形不大，因而若要达 到要求的翻边高度h ( 见图3 3 ) ，可以用简单弯曲的方法，按中性层长度不变的原则， 利用公式( 3 3 ) 2 3 1 近似确定预制孔直径( 单位m m ) ： 玩= 吐一2 ( 日一0 4 3 r o 2 2 t ) ( 3 - 3 ) 式中矗预制孔直径； 矗翻边后竖边直径 h 翻边后零件高度； r 零件圆角半径； i t 材料厚度。 对于本课题而言，片料厚度为o 1 1 5 r a m ，翅片 在翻横边后高度为3 2 r a m ，则二次翻边前直边的高 度应为4 r a m 左右，翻边后竖边直径为1 6 4 r a m ，取 零件圆角半径为o 5 r a m ，若想采用直接翻边成型方 幽3 - 3 案，为得到相应翻边高度，根据公式( 3 - 3 ) ，可计算出预制孔直径以应为8 8 8 r a m ， 翻边系数k - 粤= 等= 0 5 4 - - - l 鬻m e t 锸t 谚，相对高度较大， ，可以 目 li 硎 ! 盯 按无凸缘筒形件进行工艺计算和拉深，即：瞄i i 险互南醐 i 首次拉深时不留凸缘，再次拉深时，利用锥i l 皇二土翻l ： 第三章翅片冲压的。l ：艺尺寸及受力分析 根据实际生产经验，在宽凸缘各次拉 深中，常采用以下几种方法( 见图3 一l o ) ： a 凸、凹模圆角半径基本不变或逐次 减小，同时缩小筒形直径来达到增加高度 的方