换热器翅片全自动成形机整体结构设计

1、AbstractAs Chinas demand for the radiator of automobile air conditioner is increasing in recent years, the research on automatic production line of the radiators has also become more and more popular in the equipment manufacturing industry. In view of the present situation that the production effici

2、ency of heat exchanger equipment manufacturing is low and the level of automation is not high, this paper has designed the overall structure of the fin forming machine on the research of principle and technology of louvered fins.First, this paper has studied the forming principle of louver fins and

3、the required process of fin machining. Then the process of fin forming and the action to achieve of each procedure has been determined.Based on the research of fin forming technology, the overall scheme of fin machine has been chosen. Then the overall structure is decomposed to 8 functional modules,

4、 of which the actions and technical indicators are emphasized. Finally the key points are put out, which has laid the foundation of the specific structure design of each functional modules.After dividing the functional modules, the key technology, such as the unreeling strain control and the feeding

5、 speed control, has been studied. And the corresponding mechanism has been designed to achieve the required functions. Based on the results, the structure design of each functional module is finished, the three-dimensional models have also been established.Finally, the key components which affect th

6、e precision larger are checked by ANSYS, including the cutter shaft, fin fenestration device cutter and eccentric shaft breaking device etc. The main work includes static analysis and dynamic characteristics analysis.Key words：heat exchanger,fin machine,forming technology,structure design,check目录摘要.

7、IAbstract. II1 绪论1.1 课题来源 . (1)1.2 课题的研究背景 . (1)1.3 国内外研究现状 . (3)1.4 主要研究内容和章节安排 . (5)2 百叶窗翅片成形工艺2.1 散热器翅片概述 . (7)2.2 翅片的主要结构参数 . (8)2.3 翅片的成形原理 . (9)2.4 翅片成形工艺流程 . (10)2.5 本章小结 . (12)3 翅片机总体方案设计3.1 翅片机设计流程 . (13)3.2 翅片机设计要求 . (14)3.3 翅片机总体方案确定 . (14)3.4 本章小结 . (18)4 各功能模块的结构设计4.1 放卷装置设计 . (19)4.2 送

8、料装置设计 . (21)4.3 背部张紧装置设计 . (23)4.4 铝箔分切装置设计 . (25)4.5 开窗装置设计 . (26)4.6 波峰成形装置设计 . (27)4.7 收、疏波装置设计 . (29)4.8 定波峰切断装置设计 . (31)4.9 本章小结 . (35)5 关键零部件的校核与仿真分析5.1 翅片开窗装置的刀轴静态、动态特性分析 . (37)5.2 翅片定波峰切断装置刀架的模态分析 . (42)5.3 翅片切断装置偏心轮轴的模态分析 . (44)5.4 本章小结 . (47)6 总结和展望6.1 总结 . (48)6.2 展望 . (48)致谢 . (50)参考文献 .

9、 (51)1 绪论1.1 课题来源本课题来源于粤港关键领域重点突破项目“高效微通道换热器关键技术及其全自 动生产线研发”，项目编号：2011A091200006。1.2 课题的研究背景近年来，随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车空调换热器的需求日益增加。根据 中国汽车工业协会今年 1 月 11 日公布的数据显示，2012 年我国汽车产销量双双突破1900 万辆，再次突破纪录；产、销量增速都超过 4%，蝉联世界第一。另外，在空调 行业，我国已经成为世界第一大制冷设备生产国和第二大消费国。相关数据显示，中 国制冷工业总产值超过 2900 亿元,其中 2010 年仅商用空调终端零售总量已经达到 2995

10、 万台，其中多项产品产量居世界第一。换热器作为各类空调产品的基础部件，其质量直接影响空调设备的工作效率、使 用寿命及安全环保等性能。由于汽车空调和商用空调的迅速普及，换热器作为耗能大 户，其在节能减排方面日益受到关注，与之相关的性能要求也不断提高。目前国内特别是商用空调行业普遍使用的是铜材换热器，由于工艺成熟，装备要 求低，因此长期以来一直占领着商用空调换热器的大部分市场份额1。然而传统铜材换 热器的散热效果差，加工能耗大，产品质量重，生产成本较高，且对环境污染较为严 重。基于传统铜材换热器的这些弊端，采用新工艺加工制造的微通道平行流铝材换热 器应运而生。微通道平行流换热器是采用水力直径 0.

11、01mm0.02mm 的微通道作为换热元件的 新型换热器，与传统的管翅式换热器相比具有换热效率高、体积重量小、制冷剂充注 量少、节能环保等优点（见表 1-1），现已得到快速发展，广泛应用在汽车、家用及商 用空调领域和工业领域2。表 1-1相同换热量下管翅式换热器与微通道换热器的参数对比换热器体积换热器重量系统冲注量空气侧压降热交换系数管翅式换热器100%100%100%100%100%微通道换热器45%65%65%80%300%实验表明，相对于传统铜材换热器，采用铝材制作的微通道平行流换热器的装备质量要高 30%以上，并且在使用过程中不管是使用的换热工质还是所需要的工作功率 都较微通道平行流换

12、热器要高 2 到 3 倍，由此可见采用新工艺新技术的微通道平行流 换热器从生产制作一直到投入使用全方位的降低了能耗，节省了能源，减小了排放， 是我国空调换热器行业的大势所趋3。在空调换热器中，翅片是蒸发器和冷凝器芯体的重要组成部分，其质量的优劣直 接影响到空调换热器的工作性能。对于本项目研究的高效微通道换热器生产线而言， 翅片的加工成形设备是其不可或缺的一部分（如图 1.1 所示）。翅片成形设备铝箔扁管来料滚轧整平、收口冲压散热单元（翅片）多孔扁管（口琴管）连微续通芯氮道体气平 行装保流配护换钎热焊集流管来料集流管器图 1.1微通道平行流换热器加工流程翅片成形机是生产微通道换热器翅片的重要设备

13、，其性能对翅片的规格参数起着 决定性作用。由于对换热器制造装备的研究起步晚，我国翅片成形设备的整体水平相 对较差。目前国内市场上翅片成形的全自动化设备极其缺乏，大多数的翅片成型机为 手动或半自动设备，需要多人监控并且手工辅助才能加工出成型的翅片，所加工出的翅片种类少，波数不可调，产品一致性差，且生产成本高，生产效率低下4。随着我国 装备制造业不断向高效高精的目标发展，现有的翅片成形设备已经跟不上我国换热器 行业发展需要。因此，研发新一代的全自动翅片成型机极为必要。本课题研究的高效微通道换热器翅片自动成形机，将以其生产效率高，生产成本 低，产品性能好以及生产能耗小等优势，满足我国空调装备制造业对

14、于低成本高效高 精翅片成形设备的急切需求，促进我国换热器制造行业的进一步完善和发展，并以其 产品换热效率高、能耗小等特点，为我国节能减排事业做出一份贡献5。1.3 国内外研究现状国内研究现状 近年来，随着人民生活水平的不断提高，以及汽车工业的飞速发展，我国商用空调和汽车空调的需求量每年持续递增，从而极大地促进了我国换热器生产制造业的发 展。尽管我国换热器行业的产品结构和产品性能都有很大提高，行业整体水平也得到 了较大的发展，然而，由于我国空调制造业起步较晚，与换热器产品和制造装备相关 的研究经验不足，现在国内生产的换热器产品仍是以传统的铜材换热器居多，高端产 品的关键设备大都是从国外引进，产品

15、的结构尺寸由国外公司提供，极大地限制了我 国换热器生产水平的进一步提高。另一方面，由于国内自主研发的数控系统水平相对 较差，限制了我国数控装备的发展，从而导致我国散热器制造装备的自动化水平和加 工精度普遍不高 6。目前包括广东省在内，我国的散热器制造企业所使用的各类专用机械多为低端、 低价位产品，更有甚者复杂工艺如芯体装配还有手工操作者，高性能的数控装备所占 比重很小。这些方式效率低精度低，很容易陷入低价、低质的恶性竞争循环。在翅片加工成形设备的研究方面，国内现有的翅片成形机主要有冲压式成形机和 滚轧式成形机，多数为手动或是半自动的生产设备，需要多人监控并手工辅助才能加 工出成形的翅片，生产效

16、率普遍不高；而且加工出来的翅片规格单一，波数一经设定 不易改变，或改动较为困难。现今国内生产翅片成形机的厂家主要有辽宁省机械研究院、上海海域翅片成形机制造有限公司、豫新汽车空调股份有限公司等等，但是利用滚轧方式生产百叶窗式翅 片的厂家还很少7。国外研究现状 国外对空调换热器产品及其制造装备的研究比较早，掌握着丰富的技术资料和经验，开发的换热器产品及生产设备在质量和精度上均能达到很高的标准，牢牢占据着 中国市场。在换热器制造装备的关键技术，如张力控制技术、自动组装技术、柔性制 造技术等方面，国外的相关研究已取得了较大的进展，领先于国内水平。在数控系统方面，国外的微通道换热器控制系统的研究相当成熟

17、，目前已经形成 了完善的体系。在自动控制、高速伺服技术、精密液压技术、计算机技术、精密机床 设计及制造等技术基础上，将高性能的控制系统引入到散热器加工领域。同时全自动 流水线具备友好的人机操作、可提升设备使用的方便性、可通过 CAD/CAM 集成实现 加工效率的提升、图形化组态功能和加工设备工艺的管理和在线监控，同时避免了采 用桌面系统带来的成本高、稳定性差等问题，使得设备的操作更加便捷，形成一个高 性能控制系统产品。从国外的翅片成形机械的发展来看，目前高档的翅片折弯、翅片开窗等成形设备 的国内市场基本被德、英、美、日等国所垄断。高速高效翅片机是比较先进、优点比 较突出、发展较快的一种高档数控

18、装备，它是在自动控制、高速伺服技术、精密液压 技术、计算机技术、精密机床设计及制造等技术基础上逐步发展起来的，并随着微电 子、计算机技术的迅速发展以及工艺水平的提高，不断向高速、高精、复合、柔性和 无公害的方向发展8。目前市场上最具代表性的翅片机生产公司是英国的 FMC 公司和德国的肖拉公司。 其中英国 FMC 公司生产的翅片机，其滚轮模具互换性高，可生产全尺寸各类翅片，通 过 PLC 控制系统及其触摸屏可实现可视化控制，以其加工精度和自动化程度高而受到 众多厂商的青睐。其自主研发的四种不同类型的翅片机如图 1.21.5 所示。图 1.2紧凑型翅片机（速度达 180m/min）图 1.3中速翅

19、片机（速度达 250m/min）过程中对加工精度影响较大的重要零部件，如开窗刀轴、定波峰切断装置的刀架和偏心轮轴等，通过建立有限元模型来进行静态和动态特性分析，确保设计的合理性。以 上就是本文的主要研究内容。各章节安排如下： 第一章绪论，简述课题来源，课题的研究背景、目的和意义，并通过对比国内外研究现状，总结出国外的铝翅片成形机的发展趋势，以及国内同类产品的不足，从而 理清了自己的研究思路，概括出了本项目的主要研究内容。第二章首先介绍了散热器翅片的分类以及本项目涉及的百叶窗铝翅片的主要结构 参数，接着对铝箔翅片的成形原理进行了研究，并据此分析其成形工艺流程，最终确 定了完成翅片加工成形的各道工

20、序。第三章则是对翅片机的总体方案进行选定，将翅片机的整体结构分解为 8 个功能 模块，进而根据翅片的工艺流程和技术要求来对每个功能模块进行分析，并提出设计 重点，为各功能模块的具体结构设计打下基础。第四章对翅片成形过程中的放卷张力控制、送料速度控制、定波峰切断等关键技 术进行研究，并设计出相应的机构来达到需要实现的功能。在此基础上完成翅片机各 功能模块的结构设计，完成三维建模工作。第五章对于翅片加工过程中对加工精度影响较大的重要零部件，如翅片开窗装置 的刀轴、翅片切断装置的刀架和偏心轮轴等，通过有限元模型对其进行静态和动态特 性分析，以确保设计的合理性。第六章是对本项目的研究过程进行总结，提出

21、设计的创新点与不足之处；并对设 计结果提出进一步的展望，提出后续的研究方向。2 百叶窗翅片成形工艺在对本项目研究的全自动翅片成形机进行设计之前，需要先对加工对象百叶 窗铝翅片进行了解。通过分析百叶窗铝翅片的成形原理和工艺流程，明确本项目 所要达到的技术指标，然后才能开始翅片机的总体方案设计。因此，本章的主要任务 是通过研究百叶窗铝翅片的成形原理，分析并确定翅片的成形工艺流程，在此基础上 明确本项目研究的铝翅片全自动成形机的技术要求。2.1 散热器翅片概述本项目研究的高效微通道换热器，其主要组成部分为铝箔翅片、微孔扁管和集流 管三个部分。作为微通道换热器的基本组成元件之一，翅片的应用范围非常地广

22、泛， 且不同类型的翅片对换热器的散热性能有着不同的影响。翅片的种类很多，常见的翅 片包括普通平直翅片、多孔型翅片、波纹翅片以及本项目涉及的百叶窗翅片等9，如图 2.1 所示。平直翅片多孔型翅片波纹翅片百叶窗翅片图 2.1常见的几种翅片对于一个换热器来说，其热阻一般主要是集中在换热器芯体的空气一侧，而翅片作为空气流通的通道，因此不同类型的翅片对换热器性能的影响差别很大。国内外的 相关研究表明，百叶窗翅片表面的开窗部分具有破坏气流在换热器表面的附着层的效 果，可使得换热过程进行得更加充分，从而能大大提高散热效率10。因此，在相同条 件下，百叶窗翅片在换热性能方面较其他类型翅片具备优势一些。同时由于

23、百叶窗翅 片的结构紧凑，质量轻，体积小（厚度可小于 0.1mm），且可通过直接滚压成形的方式 进行加工，非常适于大批量生产，因此具有极为广阔的市场前景。本项目研究的全自动翅片成形机，即是要求用于生产这种百叶窗式的翅片。翅片 的加工尺寸可根据规格要求进行调整，满足多种形状规格的翅片的加工。2.2 翅片的主要结构参数本课题所研究的百叶窗铝翅片，其主要的结构参数如图 2.2 所示。图 2.2百叶窗翅片的结构参数图由图 2.2 可知，百叶窗铝翅片的主要结构参数包括：翅片高度 H、波峰间距 S、开 窗角度q 、窗口长度 、波峰宽度 、峰顶圆弧半径 r 等11，其加工精度对换热器的换 热系数、空气侧压降等

24、参数有着重要的影响，是判断换热器性能是否合格的基本指标； 另外，在对翅片条、扁管和集流管进行组装时，若翅片加工误差过大，还会影响整个 组装过程的加工精度，降低产品质量。本项目研究的全自动翅片成形机，所要求达到的最终目标，就是使所加工出的百 叶窗翅片的波高、波距、窗口长度等结构参数符合精度要求。2.3 翅片的成形原理百叶窗铝翅片的加工成形是一个弯曲成形过程，其变形过程符合弯曲变形的一般 规律。所谓弯曲成形是指将坯料弯成具有一定曲率、一定角度和形状的工艺方法。弯 曲成形可以在压力机上使用弯曲模进行，也可以使用折弯机、弯管机、滚弯机和拉弯 机进行12。使被弯曲后的角度增大。此现象称为回弹，一般回弹角

25、为 0 10 。通常在设计弯曲模时，必须使模具的角度比成品件角度小一个回弹角进行补偿，以便在弯曲回弹后得到准确 的弯曲角度。但是对于本项目而言，百叶窗翅片的成型刀具的齿距与翅片的波距本来 就不相等，因此回弹现象对翅片波距精度的影响很小。同时，需要在成形刀具后面设 计一个收、疏波装置，使成形后的翅片经收波、疏波工序后达到波距的精度要求。此外，坯料在弯曲过程中会发生板厚变小的现象。零件在弯曲时，弯曲圆角部分 内侧受压缩而缩短，外侧受拉伸而伸长。从缩短过渡到拉长，应该有一层纤维既未缩 短也未拉长，即它的长度在弯前与弯后并不改变，这一层纤维称为中性层。当材料弯 曲时，中性层位置会向板料内侧移动，造成板

26、料厚度的减薄。减薄量与相对弯曲圆角 半径 r/t 有关，r/t 越小，板厚减薄量越大。对于百叶窗铝翅片而言，由于峰顶圆弧半径r 远大于铝箔厚度 t，即 r ®¥ ，故铝箔厚度的变化可忽略不计。t2.4 翅片成形工艺流程由翅片的成形原理可知，其主要加工过程为弯曲成形过程。为了将一定厚度的铝 箔加工成符合翅片结构参数要求的百叶窗翅片，需要经过开窗、波峰成形、收疏波等 动作才能实现13。开窗是指使用一对相互啮合的波纹状刀具对铝箔进行滚轧加工。开窗刀具表面有 百叶窗形状的刃口，可以直接加工出符和窗口长度 和开窗角度q 等参数要求的百叶 窗，如图 2.4 所示。由于开窗刀具刀刃的形状

27、是波纹状的，因此翅片的开窗工序不仅能 在铝箔上加工出百叶形窗口，同时还能够对铝箔进行弯曲，初步形成翅片波形。图 2.4开窗刀具10波峰成形是指使用波峰成形刀具完成波峰的进一步成形，确定翅片的最终形状14。 波峰宽度 、峰顶圆弧半径 r 等与翅片波峰形状有关的参数都是在这道工序中确定的。 波峰成形的刀具与开窗刀具类似，但没有百叶窗形刀刃，加工时刀具与铝箔完全贴合， 使加工出来的翅片波峰形状与刀具形状相同。翅片的收疏波是指将弯曲成形后的翅片经由收波、疏波处理后，变成符合翅片高 度 H、波峰间距 S 等参数要求的标准翅片，至此，翅片的形状参数才完全确定下来。 由于确定了波峰间距 S 同时也就确定了翅

28、片高度 H，因此在此道工序中只需要对波距 S 进行精度控制即可。在翅片开始弯曲成形之前，还需要进行铝箔的放卷送料动作，即是将铝箔卷材从 料架上放卷并进行传送15。同时，由于对翅片的成形速度有要求，要达到 300m/min， 因此还需要对送料速度进行控制，既不能太快也不能太慢，与成形速度相匹配。为了提高翅片机的生产效率，本项目研究的翅片成形机将设计成双通道形式，两 个通道同时进行加工，成形效率可提高一倍。因此，在送料工序之后，开窗工序之前， 需要增加一道铝箔分切工序，将铝箔分切成两条宽度相等且符合翅片宽度规格的铝带， 然后再进行弯曲成形。分切时铝箔需要有一定的预张紧力，以保证分切精度16。在翅片

29、经收、疏波工序后，还需要将加工好的翅片切断成符合长度规格的翅片条。 这一动作主要包括两个部分，一是计距，计算翅片通过的位移；一是切断，在翅片位 移达到长度要求时在波峰处将其切断，这个动作称为定波峰切断。为提高生产效率， 翅片在切断过程中不能停顿，因此要求翅片机在执行切断动作时平稳而迅速，在节省 时间的同时要保证加工精度。根据上面的分析，可以确定百叶窗翅片的成形工艺流程主要包括放卷、送料、分 切、开窗、波峰成形、收疏波和定波峰切断等工序，如图 2.5 所示。铝箔放卷送料分切开窗百叶窗翅片定波峰切断收、疏波波峰成形图 2.5翅片成形工艺流程2.5 本章小结本章对百叶窗翅片的成形工艺进行了研究。首先

30、介绍了散热器翅片的种类，对本 文所涉及的百叶窗翅片与其他种类翅片的特点进行了比较，并介绍了其主要的结构参 数。再通过研究百叶窗翅片的成形原理，得出翅片加工所需要完成的各项工序，最终 确定了翅片成形的整个工艺流程，为随后的翅片机的总体方案设计做好了准备。3 翅片机总体方案设计在确定了百叶窗翅片的成形工艺流程之后，需要对翅片机进行总体方案设计。即 是根据每道工序需要实现的动作，结合翅片机的技术要求，对翅片机整体进行功能模 块的划分，然后分析各功能模块所要解决的主要问题，提出相应的设计重点。3.1 翅片机设计流程本项目研究的翅片成形机的设计流程如图 3.1 所示。在第 2 章研究了翅片成形工艺 的基

31、础上，进一步明确翅片机的设计要求。然后结合工艺流程和设计要求来划分翅片 机的各功能模块，以确定翅片机的总体方案。接着进行各功能模块的具体结构设计， 并对影响翅片成形精度的关键零部件进行校核，最后使整机功能得以实现17。设计的原始 资料和数据研究翅片成 形工艺设计要求总体方案确 定各功能模块 的结构设计关键零部件 的校核整机功能的 实现图 3.1翅片机设计流程3.2 翅片机设计要求对于翅片机的总体设计而言，首先要明确本项目对翅片机的设计要求，然后才能 根据要求来确定设计方案。本项目所要设计的换热器翅片全自动成形机，其具体设计 要求如下：1）翅片机要求达到的技术指标如表 3-1 所示。表 3-1翅

32、片机的技术指标序号项目技术指标1成形速度（双路）每路 300m/min2翅片波高公差<0.02mm3翅片波距公差<0.05mm 4开窗角度公差< 2 2）翅片成形时，要求实现双通道同时加工，以提高生产效率。3）刀具可装卸，且上下刀轴的相对位置可调，以适应不同规格翅片的加工。3.3 翅片机总体方案确定 翅片机功能模块划分由翅片的成形工艺流程，可将翅片机划分为如图 3.2 所示的几个功能模块。背部张紧 铝箔放卷装置送料装置装置铝箔分切装置翅 片 机百叶窗翅片定波峰切断装置收、疏波装置波峰成形装置开窗装置图 3.2翅片机整体结构图由图 3.2 可看出，翅片机的整体结构可划分为放卷装

33、置、送料装置、背部张紧装置、铝箔分切装置、开窗装置、波峰成形装置、收疏波装置和定波峰切断装置共 8 个功能模块。铝箔依次经过这 8 个功能模块的加工，最终成为符合规格的百叶窗翅片。因此，对翅片机的整体结构设计可以分解成对这 8 个功能模块的结构设计。各功能模块的设计思路 将翅片机的整体结构进行分解后，需要进一步明确每个功能模块应该实现的动作或功能，进而结合翅片成形过程中的设计要求以及待解决的问题，来确定每个功能模 块的设计思路。1）放卷装置放卷装置的主要功能为：在送料装置的牵引下实现铝箔的自动放卷，即是将铝箔 以一定的速度提供给后面的送料装置，确保铝箔卷材的连续供应。在设计放卷装置时，首先需要

34、确定铝箔的放卷方案。一般卷材的放卷方案分为被 动放卷和主动放卷两种，适用于不同材料和加工条件的卷材。在放卷装置设计初期， 需要先进行放卷方案的选定，再依此进行相应的结构设计。当一卷铝箔用完时，需要停机更换料卷。料卷的更换一般是手动进行，其装卸过 程会耗费较多时间。此时由于停机等待而使得翅片的加工过程中断，降低了翅片机的 生产效率。为了节省铝箔料卷的换料时间，提高生产效率，本文设计的放卷装置将采 用旋转机头的双头放卷结构18，即装置有两个装夹机头，一头与整个设备连接，进行 铝箔的放卷工序；而另一头也已装夹好铝箔料卷，处于待机状态。当翅片机因为料卷 用尽而停机时，可通过直接旋转机头进行快速换料，然

35、后继续翅片的加工。另外，可 通过光电开关来检测放卷机头上的铝箔是否用完，用完时会命令整个设备自动停机， 方便可靠。综上，放卷装置结构设计的重点内容包括放卷方案的确定和双头放卷机构的设计。2）送料装置送料装置的主要功能为：配合放卷装置实现铝箔的匀速平稳传送。 为实现送料功能，装置的传动方案选择摩擦轮传动，如图 3.3 所示。主动轮与电机以带传动相连，位于下方的从动轮在压紧力的作用下随上面的主动轮一起转动，铝箔自两轮中间平稳传送19。主动轮从动轮图 3.3摩擦轮传动在设计摩擦轮传动时，需要解决的问题是摩擦轮材料的选择和压紧力的计算。选 择适合铝箔传送的摩擦轮材料非常必要。同时，为了保证传送的匀速和

36、平稳性，需要 对从动轮施加一个合适大小的压紧力，以保证有足够的摩擦力来传送铝箔。送料过程中，对送料速度的控制是非常重要的。由设计要求知，翅片的成形速度 达到 300m/min，而铝箔的送料速度应在配合成形速度的基础上再留有适当的余量，以 防止机器因突发状况急停时铝箔被拉断。因此，在设计送料速度控制机构时，其主要 目标是使铝箔的传送速度保持在大于 300m/min 的某一合适的值。3）背部张紧装置 背部张紧装置的主要功能为：为后面的铝箔分切工序提供一个恒定的预张紧力，保证分切过程的精度和稳定性20。 由于铝箔经过送料装置传送时，为了保留一定的余量，铝箔的送料速度大于成形速度，因此铝箔的放卷张力在

37、这时已不存在。为了给后面的铝箔分切装置提供一个预 张紧力，保证分切精度，有必要设计一个背部张紧装置。在对铝箔施加背部张紧力之前，还需要设计一个导向机构，否则从送料装置出来 的铝箔处于松垂状态，容易产生偏移。4）铝箔分切装置铝箔分切装置的主要功能为：将铝箔剪切成宽度相同的两部分（正好符合翅片的 宽度规格），然后送入后面的成形刀具，实现双通道同时加工。铝箔分切装置的设计重点主要是剪刀结构的设计。另外，为了保证铝箔的分切精 度，剪刀的整体位置应设计成可调节的，以方便针对不同宽度的铝箔进行调整。由于铝箔经分切后，变成两条通道同时加工，因此后面的开窗、波峰成形、定波 峰切断等装置都要考虑双通道同时加工，

38、后文不再赘述。5）开窗装置开窗装置的主要功能为：通过开窗刀具在铝带上加工出符合参数要求的百叶窗， 并初步形成翅片波形。开窗装置中最重要的部分是开窗刀具。由翅片成形工艺分析知，开窗过程是由一 对相互啮合的齿形开窗刀具完成的21。本次设计中开窗刀具选用外购的标准刀具，且 刀具可拆卸，针对不同规格的翅片选用不同型号的刀具。另外，为保证加工精度，刀 具的相对位置应设计成可调节的，这一点主要体现在刀架的结构设计中。开窗装置的 传动方案比较简单，由减速电机带动刀具主轴转动，即可实现开窗动作。翅片机的技术指标中，成形速度 300m/min 和开窗角度公差<2°，这两项指标是在 开窗装置中实现

39、的，也是衡量开窗装置设计是否合理的最终指标。6）波峰成形装置 波峰成形装置的主要功能为：将开窗后的翅片进行进一步的波峰成形，确定翅片的最终形状。设计波峰成形装置时，可参考开窗装置的结构。由于主要是对翅片的波峰形状进 行成形，对刀具的啮合度要求高，因此波峰成形装置对刀具相对距离可调节精度方面 的要求比开窗装置更高一些，在设计该装置的刀架时要注意这点。由于翅片的成形速度与开窗装置和波峰成形装置的刀具转速都有关系，因此在设 计时要考虑开窗与波峰成形的同步性，可考虑将这两个装置连到同一个电机上，以保 证两装置刀轴的同步性22。7）收、疏波装置收、疏波装置的主要功能为：将成形后的翅片经收波和疏波处理，加

40、工出符合翅 片高度 H、波峰间距 S 等参数要求的标准翅片。收、疏波装置的设计重点是收波和疏波功能的实现。此外，由于翅片经收、疏波 后还要送到后面的定波峰切断装置进行切断，而切断过程与成形过程的速度并不完全 相同，因此在收、疏波装置中还需要设计一个送料盘，起到一个过渡作用。翅片机的技术指标中，翅片的高度公差要求（<0.02mm）和波距公差要求（<0.05mm） 是在收、疏波装置中实现的。由于在收波和疏波过程中，翅高和波距是相关的，波距 确定则波高也随之确定，因此设计该装置时只需要对翅片的波距进行控制即可。8）定波峰切断装置 定波峰切断装置的功能为：将加工好的翅片切断成符合长度规格的

41、翅片条。 由翅片的工艺流程分析可知，定波峰切断装置的功能主要包括计距和切断两部分。 计距功能是计算翅片通过的位移。由于在加工过程中直接测量翅片通过的位移比较困难，且精度较低，因此需要将翅片通过的位移转换成其他变量以方便测量。可考 虑参考螺纹传动方式，将翅片通过的位移分解成螺纹导程，然后转化成螺纹机构转动 的圈数，通过传感器和计数器来计算转过的圈数，完成计距功能23。切断功能的主要难点是如何在翅片保持高速移动时快速准确地在波峰处进行切断 动作。为了保证切断动作的精准性，需要设计一个快速平稳的间歇传动机构，来带动 切刀完成切断动作。3.4 本章小结本章主要进行了翅片机的总体方案设计。首先对翅片机的

42、设计流程进行了梳理， 对翅片机的整体结构设计有一个大致的思路，并进一步明确了翅片机的设计要求。接 着将翅片机的整体结构分解为 8 个功能模块，根据翅片的工艺流程和技术要求来对每 个功能模块进行了分析，强调了每部分装置需要完成的动作或技术指标，提出了设计 重点，为后面各功能模块的具体结构设计打下了基础。4 各功能模块的结构设计上一章对翅片机各功能模块进行了初步分析，提出了大致的设计思路。本章着力 于解决上文指出的关键技术及设计重点，进而完成各功能模块的具体结构设计。4.1 放卷装置设计由第 3 章可知，放卷装置结构设计的重点内容包括放卷方案的确定、放卷张力的 控制及双头放卷机构的设计。铝箔放卷方

43、案的确定 卷材的自动放卷广泛应用于包装、造纸、电池以及很薄的带状材料的加工过程中。根据放卷动力源的不同，常用的卷材放卷方式主要分为被动放卷和主动放卷24。（1）被动放卷方式 被动放卷方式是指放卷机构不提供动力，而由收卷机构或者后一道工序的电机作为动力源，把卷材从放卷轴上拉到后面的加工装置上，其结构如图 4.1 所示25。同时 为了确保原料在放卷的过程中始终保持一定的张力，需要在放卷轴上面加一定制动力 矩，且力矩方向与放卷轴转向相反。制动力矩一般通过安装在放卷轴上的磁粉制动器 来提供。放卷轴原料卷磁粉制动器图 4.1被动放卷被动放卷方式主要适用于中等厚度的卷材。在放卷过程中，随着原料卷的卷径逐

44、渐变小，放卷轴转动的阻力随之变小，从而会使得料带张力逐渐增大。如果料带的厚度太小，则逐渐增大的料带张力容易造成材料的过度拉伸，甚至拉断。这一问题可通过实时调整磁粉制动器输出扭矩的大小来解决。（2）主动放卷方式 与被动放卷相反，主动放卷方式则是由专门的放卷马达驱动器作为动力源，带动放卷主轴以一定转速旋转，从而实现放卷速度与后段加工速度的同步，其结构如图 4.2 所示。由于放卷速度一般不会太快，因此在这种放卷结构中通常要设计减速装置，可 以用电机加减速器，也可以直接使用减速电机。原料卷放卷轴减速电机图 4.2主动放卷与被动放卷相比，主动放卷的优势是可以通过控制放卷电机的转速来控制料带的 放卷张力，

45、简单有效。因此主动放卷适用于厚度较小的带材，一般在 2mm 以下。由于本项目要求加工的百叶窗铝翅片的厚度非常小，仅为 0.08mm，因此其放卷张 力允许的变化范围也比较小。若放卷过程中铝箔料带的张力过大，则很容易使铝带变 形或拉断。根据上文对两种放卷方式特点及适用范围的分析，本项目设计的翅片成形 机采用主动放卷的方式。双头放卷机构的设计 双头放卷机构的主要结构应包括放卷机头（即装卸夹具）、电机和机架三个部分。其中机头有两个，且每个机头配一个电机。停机换料时，直接将装好料卷的机头旋转180°即可更换料卷，方便快捷。由于机头设计成可旋转式的，因此还需要设计一个卡销装置，在放卷时将机头固定

46、住，在换料时将机头松开27。 所设计的双头放卷机构的三维模型如图 4.3 所示。电机放卷机头踏板机头卡销送料辊图 4.3双头放卷机构在图 4.3 中，两个放卷机头分别与一个电机相连，且都固连在同一个旋转底座上。 放卷时位于机头下方的卡销将旋转底座卡紧，使机头保持固定；换料时踩下踏板，带 动机头卡销下移，使旋转底座可以自由转动，完成换料。4.2 送料装置设计由第 3 章的分析可知，送料装置的主要设计内容就是摩擦轮传动机构的设计。 所谓摩擦轮传动，即是两个相向压紧的圆柱摩擦轮正常工作时，主动轮可以借助摩擦力的作用带动从动轮回转，并使传动基本上保持固定的传动比。由于摩擦轮工作 时不会发生类似齿轮节距误差所引起的周期性冲击，因而运转平稳，容易保证铝箔的 平稳传送；另外，两轮在过载时会发生打滑，能够避免过载导致的重要零件损坏等情 况；而且摩擦轮制造简单，成本较低。在进行该装置的结构设计时，主要考虑以下两 点：摩擦轮材料的选择 根据翅片成型机铝箔传送过程对匀速性和平稳性的要求，该装置所选用的摩擦轮材料应具备以下特点：1、弹性模量要大，以减小弹性滑动和滚动摩擦损失；2、摩擦系数要高，以便在传递同样大圆周力的情况下减小两轮间的法相压紧力；3、表面接触 强度和耐磨性要好，以保证传动所需的寿命；4、在干摩擦条件下，吸湿性要小。结合上述各项要求，本项目中的主、从摩擦轮采用的