圆顶翅片滚刀的设计开发及其装配.doc

圆顶翅片滚刀的设计开发及其装配田冬龙 武宝林 张牧 沈铭乾 (天津工业大学 机械工程学院 天津 300387）摘要：本文通过对圆顶翅片散热带成形特点的分析研究，利用滚切成型原理开发出一种效率高、精度高、快速设计的翅片滚刀设计方法，并对滚刀的设计理论及成型原理进行阐述，最后以一种类型翅片的刀具为例进行滚刀的设计建模，并经ANSYS仿真从而验证本设计的正确性。关键词：散热器；圆顶翅片；滚刀 ；设计理论；装配 The Design and Assembly of Dome-topped Fin HobTian Donglong Wu Baolin Shen Mingqian（College of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin, 300387）Abstract：By analyzing and researching the forming characteristics of the dome-topped fins radiating corrugated ribbon , also by combining with roll-type principle, the thesis develops a rapid design hob fin design method with high efficiency and high precision. After elaborating the hobs design philosophy and molding principle, the authors design and establish a three-dimensional modal and take one of which as a model of the hob . In the end, the thesis verifies the validity and serviceability of the design by the ANSYS simulation.Key words: radiator; dome-topped fins; hob ;design; assembly1 前言翅片是汽车水箱、中冷器以及汽车空调等的重要组成部分，其质量的优劣直接影响到散热效果。滚刀是加工翅片的主要部件，对翅片的形状及精度起到决定性的作用，因而滚刀的设计开发显得尤为重要，基于以上原因本文提出翅片滚刀的设计理论。2 翅片滚刀的设计（1）翅片滚刀的工作原理根据圆顶翅片形状，滚刀可以分为两类：圆顶直齿滚刀:用于滚压平直形、锯齿形圆顶翅片；圆顶斜齿滚刀:用于滚轧百叶窗、波纹带圆顶翅片。根据齿轮啮合的基本定律1可知， 渐开线齿廓不但能保证传动的平稳性，易于加工制造，同时其所独具的中心距可分性也给滚刀的安装调试，控制散热带高度带来很大的便利，因而选择渐开线作为滚刀的齿廓形状。滚刀组为一对精密啮合的刀片组，铝带从中间通过，初步形成所需的翅片形状，如图（1、2）所示：图1 加工简图 图2 三维模拟加工（2）滚刀的齿形参数设计翅片几何参数可以归结为如下的两个表征参数2：即翅片的斜边长和顶弧长，见图3。由于翅片的形状是关于C点对称的，所以令翅片与滚刀成形过程中翅片上C点与滚刀F点接触，并令滚刀F点为分度圆上的点，则在滚切过程中。此时滚刀的设计计算简化为段的设计计算，即计算G点的压力角，F点的压力角，顶弧对应的圆心角，分度圆半径，顶弧半径,滚刀齿数Z，并满足,的要求，取0.23-0.27，齿数大的取小点，齿数小的取大点。(见图4)。 图3 翅片展开长度图4 滚刀齿形结构图（3）求解过程（1）翅片各长度的计算（2）渐开线滚刀端面齿廓的计算 （2）其中为滚刀端面齿廓上任意一点的切线与X轴正方向的夹角。 （3） （4） （5） （6） （7）同一种翅片，不同的分度圆直径则对应不同的滚刀参数，结合翅片成型机刀具中心距的值,设定为中心距值的一半，取Z为不同的整数,借助MATLAB 3求解齿顶压力角，分度圆压力角，顶弧角，顶弧半径。（3）根弧齿廓的方程及的计算4 （9） （11） (12) 公式（12）为根部端面齿廓方程，其中、为滚刀相对运动转过的角度，为求角的中间变量，因为本滚刀设计的传动比为，所以，当时，求得渐开线齿根点坐标为，则齿根圆半径为: （13）由求出的滚刀齿根方程可知，其齿根曲线为一段延伸外摆线等距曲线且与齿侧渐开线齿形相切。为了加工的方便，可以在不发生干涉的情况下用一段圆弧代替齿根齿形，具体方法为取延伸外摆线俩个端点（即与齿侧曲线的切点）和中间点求得替代圆弧齿形的圆心坐标(a,b)和半径，如图（5）所示：图（5）代替误差 （14）替代最大误差为： （15）实际的齿根代替圆弧半径应等于加上半个翅片厚度即： （16）(4) 实际滚刀齿廓因为翅片有一定的厚度t，实际的滚刀齿廓应为求的渐开线的等距线（也是渐开线）（如图6），方程如公式（17）5所示：其中t为翅片的厚度，内等距线时为上面的符号，外等距线时为下面的符号。 （17）图6渐开线等距线（5）滚刀齿侧替代圆弧齿形参数考虑刀具制造简便，经实验证明用圆弧曲线完全能满足翅片加工的要求。在计算滚刀的圆弧齿形参数时，应在渐开线上取三点坐标，以取齿顶圆上的G点、分度圆上的F点和齿根圆上的E点为宜，计算侧面齿廓圆心坐标（a1，b1）和圆弧半径,减去t/2 即为实际滚刀的圆弧半径（如图7），计算方法同公式（14）。图7 替代齿形3不同圆顶翅片滚刀及其组合装配6（1）圆顶直齿翅片滚刀组：图8圆顶平直型翅片 图9 圆顶平直形滚刀（2）圆顶百叶窗翅片滚刀组：图10圆顶百叶窗翅片 图11圆顶百叶窗滚刀组根据该翅片的形状，如图（10），生产该翅片的一整套滚刀（图11所示）应由斜齿刀片组合而成，滚刀分为上下两组，每组滚刀都是由数十片滚刀片互相叠加、紧密排列而成，斜滚刀的厚度等于散热带百叶窗的宽度，如公式（18）所示。各斜齿滚刀啮合副相错并对滚时剪切铝带并初步形成百叶窗翅片。斜齿滚刀的刃面由渐开线斜边齿廓沿分度圆上的螺旋线扫描而成，如图（13），其螺旋角度由公式（19）求得：图12百叶窗结构图图13斜齿滚刀各齿廓扫描轨迹 (18) （19）式中为翅片的开窗角度，为对应滚刀的螺旋角，为考虑到百叶窗成形过程中由于材料的回弹等增加的一个修正值一般取，材质不同，修正值略有差异。（3）锯齿形翅片滚刀组：图14 锯齿形翅片 图15 锯齿形滚刀组锯齿形滚刀是由若干单片滚刀如图（15）相错角组合而成，上下滚刀组对滚时，初步形成锯齿形翅片，如图（14）。错口节距k和错口角之间的关系如公式（20）所示： （20）图16 错口角（4）圆顶波纹带翅片滚刀组：图17波纹带翅片 图18波纹带滚刀波纹带滚刀是由数对斜齿刀片如图（18）组合而成，上下滚刀对滚时由剪切变形原理轧制出如图（17）所示形状翅片，经过翅片滚带机后续的收拢，密集等最终加工出标准翅片。4 实例计算设计要求：翅片高度H=8.1mm ，顶圆弧半径r=0.455mm，波距P=2.3mm，滚刀中心距=109.4mm，开窗角=24，料厚t=0.09mm。根据本文所述设计方法，设计的单片刀具及滚刀组如图（19、20）所示（附表1）： 图19 单片滚刀结构示意图 图20 滚刀装配结构示意图表1 百叶窗翅片滚刀参数齿数分度圆半径齿顶圆半径齿根圆半径分度圆压力角螺旋角端面模数齿侧替代圆半径2854.757.22236952.2996420.7621340.6599943.90714337.796647齿侧替代圆心纵坐标齿侧替代圆心横坐标顶弧半径顶弧圆心横坐标顶弧圆心纵坐标根弧半径根弧心横坐标根弧心纵坐标32.34896022.8783610.90291554.83592413.9135961.04877052.4811077.197108替代误差如图（21、22、23、24）所示：图21滚刀齿廓图22圆弧替代侧边最大误差为0.001936mm图23滚刀根部放大齿形图24根部替代最大误差为0.002613mm根据式（15）求得的替代圆弧其拟合精度已远远超出齿形公差值，并利用ANSYS/LS-DYNA对翅片的滚轧成型过程进行了仿真分析，如图（25）所示，事实证明仿真分析的结果与实验的结果能较好的吻合，加工出的翅片符合设计要求，故本文提出的用圆弧齿形代替渐开线齿廓和外摆线齿根的方法是可行的。图25 圆顶直齿滚刀Ansys分析仿真图5 结束语本文的设计思想对圆顶直齿滚刀和圆顶斜齿滚刀都适用，但计算过程都是以端面形状为标准来计算的。本文提出的方法可以精确设计多种类型的圆顶翅片滚刀，并可用圆弧代替渐开线齿廓和外摆线齿根弧。由于本文的设计计算完全是在理想状态下进行的，实际滚出的翅片质量还与材质、进给铝箔的拉力等有关，可以通过微调铝箔进给拉力、滚刀中心距等来达到理想翅片要求。6 参考文献：1 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.北京:高等教育出版社,2006.5:176-1792 王智华,马幼周.滚压散热翅片用滚刀的最优