圓柱螺旋板式換熱器雙螺旋板同步拉伸—旋壓成型工藝

盧洪勝

（武漢職業技術學院，武漢 430074）

1 圓柱螺旋板式換熱器結構

換熱器是石化、生物技術等產業的主要技術裝備。在大力推行節能環保的社會背景下，綜合換熱性能更高的圓柱螺旋板式換熱器應運而生，其結構如圖1 所示。兩條沿芯軸軸線展開的螺旋板的內側、圓柱螺旋圈之間，螺旋板的外側、殼體內圓柱面之間，分別形成兩條相互隔離的螺旋通道，冷熱流體可分別沿兩條螺旋通道作純逆流流動換熱。

與螺旋折流板換熱器相比，圓柱螺旋板式換熱器具有換熱高效、結構緊湊等優勢；與徑向螺旋板式換熱器相比，又具有徑向尺寸緊湊、結構穩定性好與承載能力高等優勢，其設計壓力與流量可與螺旋折流板換熱器相提并論。

為增大換熱面積，圓柱螺旋板式換熱器的螺旋板較輸送機的螺旋葉片，具有大寬徑比（葉片寬度a 與外徑D之比），其加工成型工藝是圓柱螺旋板式換熱器產業化的技術關鍵。目前采用的工藝有壓制法和拉伸成型法兩種。

圖1 圓柱螺旋板式換熱器

2 壓制法與拉伸成型法

最早采用的壓制法加工螺旋板，其技術比較成熟。其基本過程是：將扇形或帶有切口的環形坯料在胎具上逐一壓制成螺旋葉片,然后由人工逐片焊接成一條連續的螺旋板。其缺點是：無論是在成型還是后續加工環節，都需使用具有螺旋面的專用胎具［1］，加工成本高；為保證螺旋葉片的互換性和螺旋面的連續性，每個葉片的兩端均需切削加工，既費工又費料；焊接工作量大，且殘余應力大。

拉伸成型法目前主要用于螺旋輸送機螺旋葉片的成型，一次成型一條螺旋板，或單獨使用，或組合成雙螺旋板使用。其基本過程是：將已切口并預拉伸后的環形坯料首尾對接組焊成串之后，將一端固定，另一端與拉伸裝置連接，通過拉伸裝置將整串坯料一次性拉伸到預定長度，最后切除輔助結構、下料余量及前端由于變形過大而報廢的葉片。

一次性拉伸成型法主要存在如下問題：從拉伸端到固定端，因變形阻力逐漸增大而使葉片之間的螺距逐漸變小，形成螺距誤差；從葉片內緣到外緣，應力狀態不斷變化，容易產生翹曲變形。

3 雙螺旋板同步拉伸與旋壓成型工藝

鑒于壓制法和一次性拉伸成型法存在的諸多問題，筆者采用雙螺旋板同步拉伸與旋壓成型工藝，通過精確下料、校正初始螺距、三次拉伸與旋壓等措施，在普通車床上成功試制了寬徑比達0.89 的圓柱螺旋板式換熱器的雙螺旋板。

3.1 下料

螺旋板的拉伸成型采用環形坯料，按一個螺距下料。下料尺寸的計算通常采用《實用鈑金工展開手冊》中的展開法，以坯料的內外周長與螺旋板內外緣一個螺距的螺旋線長度相等為前提。為避免在冷拉過程中由于內外徑的變化而使螺距達不到設計值，往往將下料尺寸放大2%～6%［2］。一方面，成型后需切除多余部分，費工又費料；另一方面，下料尺寸越大，螺距誤差與翹曲變形越難控制。顯然，展開法與實際情況有明顯差距。

如果忽略拉伸過程中板厚的微小變化，可視坯料面積與成型后螺旋面的面積相等。設螺旋板的設計內徑、外徑與螺距分別為d、D、h，理論下料內外徑分別為d1、D1，實際下料內外徑分別為d2、D2，葉片寬度為a，這里a＝（Dd）/2，則一個螺距螺旋面的面積為［5］：

考慮到拉伸過程中板厚的變化等因素，對理論下料尺寸進行修正，得到實際下料內徑與外徑為：

式中：k為修正系數，k＝0.04～0.05，d 越小，k 越大。

3.2 預加工

1）切口與預拉伸。為便于后續組焊成串，對坯料切口并將斷面沿螺旋方向拉伸，形成如圖2（a）所示的形狀。為提高形狀與尺寸的一致性和加工效率，采用復合模具一次性完成切口與預拉伸。預拉伸后兩斷面的垂直距離e≥3t，t為板料厚度。

圖2 葉片坯料與串接坯料

2）串接與初始校正。將預拉伸葉片繞芯軸首尾焊接并打磨焊縫，形成如圖2（b）所示的兩串拉伸坯料。由于焊接精度難以控制，極有可能導致葉片之間產生初始螺距誤差，如不及時校正，這種誤差不僅妨礙兩串坯料的組合，還會在后續的拉伸中被逐漸放大。初始螺距誤差校正通過校正齒實現，如圖3 所示。校正時在坯料中間安裝導向芯軸2，校正齒8 沿徑向插入葉片。坯料繞芯軸旋轉、校正齒沿軸向移動并擠壓葉片，使其間距與校正齒間距保持一致。

3）組合。如圖3 所示，將兩串坯料6、7 相互組合后，兩端與底板5、9 焊接，形成一個雙料組合的拉伸坯料。為避免在拉伸過程中因底板發生翻轉而導致芯軸兩側的葉片受力與變形不均衡，應采用水平儀對兩端底板進行校平。

3.3 拉伸與旋壓

雙坯料組合體左側底板9 采用三爪卡盤10 夾緊,右側底板5 通過錐形鎖緊裝置3 及套筒4 與芯軸2 壓緊；芯軸在拉伸時起拉動及導向作用，而在旋壓時則起傳動作用，其左端與底板9 滑動配合，右端由機床尾座1 支承并與拉伸機構連接；拉伸機構通過芯軸帶動底板5 及尾座軸向移動，從而拉伸坯料。

圖3 雙螺旋板同步拉伸—旋壓裝置示意圖

拉伸過程中，往往會產生螺距誤差、翹曲變形及兩串坯料變形的差異。螺距誤差及兩串坯料變形差異的逐漸積累，必然造成兩串坯料相互干涉而使拉伸失敗；翹曲變形積累到一定程度，將導致內緣抱緊芯軸而使拉伸阻力增加，持續強制拉伸，必然引起內緣起褶甚至開裂，尤其是在寬徑比較大的情況下。為避免上述不利因素的累計放大，采取三次拉伸與旋壓措施，每拉伸一段距離即通過旋壓的方式予以及時校正。

首次拉伸至葉片間距為3t（螺距為6t）時，進行首次旋壓。具體操作為：1）斷開拉伸機構，鎖緊尾座，擰緊螺桿12 使其與套筒11 及芯軸壓緊；2）調整機床縱向自動走刀螺距及校正齒8 的間距T，T＝L/n，n、L 分別為坯料圈數和當次總長度；3）校正齒橫向進刀；4）啟動機床，機床主軸通過卡爪帶動螺桿12、芯軸及坯料低速旋轉，機床刀架帶動校正齒自動走刀，從而逐一對葉片進行擠壓，在校正螺距的同時，消除翹曲變形、改善表面質量。

首次旋壓完成之后，松開尾座及螺桿12，連接并啟動拉伸機構，即可進行二次拉伸。二次拉伸至1/2 設計螺距（h/2）時，進行第二次旋壓校正；再次拉伸至設計螺距 時，進行第三次旋壓。

為了避免校正齒與坯料發生干涉，坯料兩端各有0.5～1圈沒有被旋壓的葉片，采取手工作業的方式進行修和校正。

4 結語

雙螺旋板同步拉伸-旋壓成型工藝解決了圓柱螺旋板式換熱器制造中的關鍵技術問題。筆者采用該工藝在CA6161車床上試制的外徑為400 mm、內徑為45 mm、螺旋角為20°、板料厚度為3 mm、長度為1 000 mm 的雙螺旋板，螺距均勻，螺旋面光滑，完全符合設計要求。該工藝還可用于寬徑比較小的雙螺旋輸送機雙螺旋葉片的加工成型。

［1］盧洪勝.連續型無管束螺旋折流板加工技術［J］.科學技術與工程，2007，7（4）：606-607.

［2］馮錫蘭，陳小霞，蔣志強.冷拉螺旋葉片精確展開計算與工藝方法的研究［J］.機床與液壓，2006（3）：24-28.

［3］趙學斌.螺旋葉片成型工藝新探索［J］.新技術新工藝，2007（1）：47-49.

［4］凌志浩.螺旋葉片拉伸成型的工藝分析［J］.紡織機械，2009（2）：23-24.

［5］左宗仰.正螺旋面近似展開圖面積的相對誤差的分析［J］.工程圖學學報，1984（增刊1）：98-104.