強化傳熱內置式翅片自動化切斷裝置的優化設計

麥宙培 翟麗華

（廣西職業技術學院智能制造學院，廣西 南寧 530226）

0 引言

隨著節能降耗要求的提高，對汽車中冷器的設計及技術也提出了更高的要求，需要高效、高強度以及壽命長的中冷器。孫英嘉基于疲勞理論提出了汽車散熱器的新型設計方法，運用湍流模型進行仿真模擬，仿真模擬結果表明，改進的汽車散熱器可以很好地解決應力集中問題，提高散熱器的穩定性和散熱性能，延長其壽命。田騰飛等人[為增強汽車散熱器的散熱效果以及提高冷卻系統工作效率，設計了一種新型的散熱器清潔裝置，運用FLUENT軟件進行流體力學分析，驗證了該散熱器清潔裝置的有效性。

在散熱器中，內置翅片式散熱器是常見的換熱設備，其通過在基管內部上加裝翅片來達到強換傳熱的目的。翅片是核心的傳熱元件，一般是采用機械加工方式形成一定的高度、片距和厚度，并按尺寸要求裁剪切斷成最終產品。雖然目前翅片的成型、切斷已經實現了自動化連續生產的目標，但是在企業實際的生產過程中，由于切斷機構的設計問題，因此會出現翅片切斷變形、無法切斷等問題，對生產效率及產品質量造成影響。針對上述問題，該文從翅片輸送平整機構、翅片切斷刀體等方面對切斷裝置進行優化設計，采用氣缸壓緊裝置、組合鑲件式刀體的結構設計，以實現提高產品合格率、降低生產成本的目標。

1 內置式散熱翅片產品

汽車中冷器可降低發動機的進氣溫度，能有效提高汽車的燃油經濟性及排放性，常用于大中型載重車輛、輕型車輛。為增強中冷器換熱管的換熱效率，采用內置式散熱翅片是常見的強化傳熱方式，如圖1所示。內置式散熱翅片不僅可以擴大傳熱面積，而且還可以增強換熱管內部流場的湍流，從而達到強化傳熱的目的。

圖1 內置翅片式中冷器換熱管

內置式散熱翅片常見的結構主要有平直式翅片、百葉窗式翅片、鋸齒式翅片、多孔式翅片以及波紋式翅片，如圖2所示。

圖2 典型內置式翅片結構形式

2 內置式散熱翅片的生產工藝及切斷裝置

目前，內置式散熱翅片的機械加工通常采用自動化生產線進行標準化、高效率的生產作業。這種自動化生產線包括開卷機構、對散熱翅片進行沖壓成型的沖壓機構、用于驅動散熱翅片前進的導料機構以及對散熱翅片進行裁剪的切斷機構。

某企業在實際生產內置式散熱翅片的過程中，散熱翅片切斷時產生的廢品率較高，經常出現翅片切斷變形、無法完全切斷等問題，如圖3所示。因此，需要對散熱翅片切斷的生產工藝及裝置進行研究，并對其進行優化設計。

圖3 內置式散熱翅片切斷廢品

2.1 內置式散熱翅片的結構

以企業生產的某一款類型的內置式散熱翅片為例，該翅片采用3003 H14鋁合金板，結構形式為矩形錯齒，如圖4所示，散熱翅片的主體上按列形成了多組矩形且有錯層的立體式凸框。矩形錯齒式翅片是一種強化傳熱的翅片，其錯層矩形結構能有效增大換熱面積，能對通過的流體產生促進繞流效果，從而提高換熱性能。

圖4 矩形錯齒翅片結構形式

2.2 內置式翅片現有切斷生產工藝及切斷裝置

內置式矩形錯齒式翅片在切斷前由導料組件送至切斷裝置。翅片在切斷加工時，具有長度長、柔軟且不易平整等特點。加工過程有以下4點工藝要求：1） 高效的切斷加工效率。2） 翅片在切斷前須有固定、平整裝置。3） 切斷須準確且整齊，不能出現無法切斷的現象。4） 斷口須平齊，不能出現翅片變形的現象。

目前，企業矩形錯齒式翅片的切斷工藝路線如下：經過上工位模具沖壓成型后的矩形錯齒式翅片由導料組件送至切斷裝置。導料組件主要由步進電機帶動轉軸，從而帶動2組齒輪轉動，將翅片往切斷刀口輸送。在切斷前，由送料檢測傳感器檢測翅片的輸送距離；同時，通過壓條裝置控制翅片的高度，達到平整的目的。當翅片往前移動到設定的距離時，送料傳感器發出信號，啟動驅動氣缸驅使切斷上刀體往下切斷，翅片成品落到出料托盤，進入下個工序，完成一次工藝，如此往復循環。矩形錯齒式翅片切斷工藝流程如圖5所示。

圖5 矩形錯齒式翅片切斷工藝流程圖

現有翅片的切斷裝置結構如圖6所示。翅片的導料機構主要由步進電機、轉軸以及送料齒輪組成，翅片的平整由橫桿、內置式散熱翅片壓條控制，翅片的切斷刀體主要由上刀體、下刀體組成。

2.3 內置式翅片現有切斷加工過程中的問題

在現有翅片的切斷加工過程中，經常會發生翅片切斷變形、無法正常切斷的現象，從而產生廢品，如果不能及時發現并調整，就會一直產生切不斷的報廢內置式散熱翅片，造成生產浪費的現象。此外，切斷刀的維修成本較高，耗時較長。

經過分析內置式翅片現有切斷生產工藝及切斷裝置，產生切斷問題的主要原因如下：1） 導料組件的結構設計沒有達到平整翅片的目的。內置式翅片在輸送過程會產生向左或向右的偏移，在拉深沖裁之后又會產生一定的彈性變形，現有的2條翅片壓條如圖6所示。沒有達到平整翅片的目的，翅片在輸送過程中歪扭不平，從而在切斷時翅片拱起不平或有細微變形，切斷刀切下時無法到達正確的位置，造成翅片變形，或雖然能切斷，但是尺寸不符合圖紙要求，從而產生不合格品或廢品。2） 翅片切斷刀體由上刀體、下刀體組成，整體刀體設計、維修成本高。切斷刀體的結構如圖7所示，上、下刀體材料為T7/T8/T10，整體刀體設計存在的問題主要包括整體式刀具生產成本高；上刀體和下刀體沒有微調調節裝置，因此刀面磨損后，刀口之間的間隙加大，會造成翅片切斷不完全；當上、下刀體在切斷時，上、下整個刀面全部接觸，摩擦力阻力大，需要經常加潤滑油，否則容易降低切斷力；在刀體磨損后，須對整體進行維修，維修費用高。

圖7 翅片切斷上、下刀體結構

3 內置式散熱翅片切斷裝置的優化設計

針對內置式翅片現有切斷加工過程產生的問題，從翅片輸送平整機構、翅片切斷刀體等方面對翅片切斷裝置進行優化設計，主要改進措施如下。

3.1 改進措施

采用氣缸壓緊裝置，同時增加送料齒輪，保證翅片平穩輸送。

采用氣缸壓緊裝置替代原有翅片壓條結構。如圖6所示，原有2條翅片壓條在翅片往前送料過程一直壓著翅片，翅片的材質輕薄，上有2條壓條的摩擦力，下有送料臺面的摩擦力，這樣的翅片輸送方式會產生送料不順暢，影響送料的精度，對壓緊翅片的效果欠佳，因此改為氣缸壓緊裝置，如圖8所示。一方面，氣缸壓緊裝置主要由氣缸、導柱及壓條組成，可根據翅片寬度對壓條寬度進行調節，使其與翅片寬度一致，翅片在送料過程中，壓條沒有與翅片接觸，也就沒有產生摩擦力，不影響送料，當翅片送料步距達到設計要求且氣缸壓緊機構得到指令時再下壓，使翅片在平直狀態下切斷。另一方面，原結構的2條壓條與工作臺之間的高度過大，翅片在前一道工序沖壓后，在彈性作用下產生翹曲，當切斷翅片時就不能使翅片在平直狀態下切斷，從而影響切斷的質量。

圖6 翅片的切斷裝置結構

氣缸壓緊裝置的工作狀態描述如下：在送料過程中，氣缸壓緊機構處于抬升狀態，當送料傳感器感應到翅片到達相應位置時，發出指令，驅動氣缸壓緊機構向下壓緊翅片，使壓條與翅片上表面貼緊，保證翅片在切斷前處于平直狀態，再通過上刀體向下的切斷動作將翅片切斷。

增加送料齒輪，保證翅片的平穩輸送。如圖8所示，原有送料齒輪為2組，通過增加1組送料齒輪（圖8（b）），緩解翅片在輸送過程產生彎曲的程度，提高翅片在輸送過程中的精準度，增加翅片切口的平直度。

圖8 翅片輸送平整機構的優化設計

在翅片的切斷工藝上，當翅片往前移動到設定的距離時，送料檢測傳感器發出信號，啟動氣缸壓緊裝置對翅片預先進行壓緊動作，再驅動氣缸驅使切斷上刀體往下切斷翅片。

在程序控制上，氣缸壓緊裝置與上刀體切斷翅片的設置須有1 s的時間差，保證能達到先下壓后切斷的效果。

3.2 整體刀體優化設計為組合鑲件式刀體

原有整體式刀體結構不僅制造成本高，而且刀口磨損后需要整體拆卸、磨削加工，再安裝調試，維修過程復雜、維修成本高且會降低生產效率；上、下刀體由整體式改進為成組合鑲件式，整體刀體材料由原來的T10A工具鋼改成刀體（45#鋼）和刀口鑲件（T10A），刀口鑲件與翅片直接接觸并最終完成切斷工作。上、下刀體的結構優化如圖9、圖10所示。組合鑲件式刀體的結構設計降低了刀體制造的材料成本，而且維修方便，從而降低了生產成本。

圖9 上刀體的優化設計

圖10 下刀體的優化設計

在原有整體式刀體結構中，當上、下刀體在切斷時，上、下整個刀面均須接觸，不僅增大了摩擦阻力，而且刀體磨損后沒有微調空間。

因此，通過增加鑲條來改進上刀體的結構，將整體式刀體不可微調的結構優化改進為間隙可微調的結構設計，如圖11所示。在上刀體在兩側增加鑲條（圖11中的序號16），通過調整螺釘可保持合理的上下刀間隙。該結構的設計可切斷不同厚度的翅片材料。此外，上刀體結構改進為只有兩端接觸（圖11中的序號A）。

圖11 刀體的可微調優化設計

通過刀體的結構優化設計，可大幅度減少上刀體與下刀體的接觸面，從而降低上、下刀體之間接觸時產生的摩擦阻力。優化前的上刀體與下刀體的接觸面積為（56 071.0 mm），摩擦阻力為（100 N），優化后，上刀體與下刀體的摩擦面積是優化前的1/4，摩擦阻力為25 N。

4 內置式散熱翅片切斷裝置優化設計后的生產驗證

內置式散熱翅片切斷裝置優化設計與原有結構設計的對比見表1。

表1 原有結構設計與優化設計的對比

對優化設計后的翅片切斷裝置進行生產驗證，在生產速度為10 片/min、每天連續生產10 h的情況下，原有翅片切斷裝置產生的廢品率約為5%，而優化后的切斷工序產生的翅片切斷廢品率約為0.5%。在翅片切斷裝置優化設計后，生產質量明顯提高。切斷裝置在試運行階段性能可靠，可在規模批量生產中推廣應用。

該文提出的內置式翅片自動化切斷裝置在企業進行生產實踐的情況表明，該裝置已經實現國內外市場推廣應用，相關設備產品惠及國內7 個生產廠家及國外3 個國家，該設備所生產的散熱器為15 個汽車品牌配套。同時，為相關企業提供了優化改進后的裝置及相關零部件，使企業生產銷售收入呈大幅增長的趨勢。

5 結語

針對內置式散熱翅片在實際切斷生產中存在翅片切斷變形、無法切斷等問題，該文從翅片輸送平整機構、翅片切斷刀體等方面對翅片切斷裝置進行優化設計，主要采用氣缸壓緊裝置、組合鑲件式刀體的結構設計，最終實現了提高產品合格率、降低生產成本的目標。

經過生產驗證可知，該內置式翅片自動化切斷裝置降低了翅片在輸送過程產生彎曲的程度，提高了翅片在輸送過程中的精準度，增加了翅片切口的平直度，質量穩定，大大降低了員工的勞動強度，降低了生產成本，能夠達到節能環保的效果，可廣泛推廣使用。