空調(diào)翅片成形工藝與模具設計

儲 杰，祝夢臣，尤永貴，金鐵軍

（黃山三佳誼華精密機械有限公司，安徽 黃山 245041）

0 引言

換熱器翅片作為空調(diào)的重要組件，關(guān)系空調(diào)的換熱效率和熱交換效果。翅片的成形根據(jù)批量要求，定制相應規(guī)格的級進模，一般可同時成形幾十列翅片，送料步距在1～4孔距，在專用高速壓力機機床上完成沖壓成形。中國作為空調(diào)生產(chǎn)大國，翅片年需求量高達上百億片[1-3]，因此開展空調(diào)翅片成形工藝與模具設計研究具有重要的工程應用價值。

現(xiàn)以厚度為0.25 mm 的波紋翅片為研究對象，分析其成形工藝，并設計了自動化連續(xù)沖壓成形的級進模。由于影響換熱翅片沖壓成形的拉深工序存在大撓度、大變形的復雜塑性變形，難以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗預測其成形質(zhì)量，需要反復修改模具，利用軟件對其進行有限元分析，預測在沖壓成形過程中的起皺、破裂等缺陷[4-6]，并通過試驗驗證設計的可行性。

1 工藝分析

1.1 翅片成形工藝

由于翅片形狀復雜且生產(chǎn)批量大，需經(jīng)過多次拉深、沖裁、翻邊等工序成形，單工序模和復合模難以滿足其生產(chǎn)要求，決定采用自動送料的級進模成形。翅片的材料一般采用較寬的鋁箔或銅箔卷料，能夠一次成形幾十列，翅片孔及其孔距的精度要求較高，送料步距精度須控制在0.01 mm 以內(nèi)，圖1 所示為翅片典型沖壓工序。

圖1 翅片典型沖壓工序

圖2 所示為V 形波紋翅片制件，翅片表面呈波紋狀，材料為0.25 mm厚8011-O鋁箔，翅片翻邊孔直徑為φ（8.3±0.03）mm，列距為（19.05±0.05）mm，孔間距為（25.4±0.05）mm，翻邊高度H為1.5～5.8 mm，翅片兩邊具有花紋。若采用拉深型翅片成形工藝，則沖壓工序為多次拉深→波紋成形→沖孔→翻邊→切邊→縱切邊→壓花→送料→橫切邊，波紋成形一般與拉深最后一次設置在同一工位。

圖2 翅 片

1.2 成形尺寸與排樣

拉深是翅片成形最基本的沖壓工序，除少數(shù)翻孔高度要求較低的翅片外，一般要經(jīng)過3 次以上拉深。拉深次數(shù)取決于拉深高度的要求，并與翅片孔徑有關(guān)，一般低翻邊要求（翻邊高度為1/3 翅片孔徑以下）的翅片，孔徑為φ7、φ8 mm 時拉深次數(shù)為3～4次，每次拉深系數(shù)控制在0.8 左右，如拉深次數(shù)增加1～2 次，拉深效果會更好[1]。該翅片最終成形高度為5.8 mm，屬于高拉深成形，為獲得更好的成形效果，確定采用6 次拉深；根據(jù)薄板翅片高凸緣成形法和參考文獻[3]，并結(jié)合多年生產(chǎn)經(jīng)驗，拉深凸模采用球頭，可以更好地使板料在凹模內(nèi)聚集，能使拉深高度更高，最終確定3種成形方案，成形翅片的拉深凸、凹模成形參數(shù)如表1所示。

表1 拉深凸凹模成形參數(shù) mm

由參考文獻[1]可知，預成形小孔直徑為d0=kmindm，則小孔直徑為φ6.8 mm，換熱翅片級進模沖孔凸、凹模刃口尺寸與翅片孔徑之間關(guān)系為：

翻邊凸模工作時，翅片會在切向拉應力作用下減薄，翻邊間隙的選取要合理，一般取(0.9～0.95)t0，翻邊間隙取0.24 mm，翻邊凸模直徑為φ8.25 mm，翻邊凹模直徑為φ8.49 mm。

翅片的排樣決定級進模設計的成敗，需綜合考慮各工序在步距送料下的位置、壓力機工作臺面的空間等，排樣如圖3所示。

圖3 翅片成形排樣

2 模具設計

模具結(jié)構(gòu)如圖4 所示，沖壓工序包括：壓料、拉深、沖孔、翻邊、切邊、縱切邊、壓花、送料、橫切邊。模具長1 230 mm，寬580 mm，閉合高度245 mm，采用四導柱滾珠模架結(jié)構(gòu)；為保證模具的導向精度，在拉深、沖孔、翻邊工序均設置小導柱、導套導向；各模塊均采用直桿型定位銷與上下模座實現(xiàn)精確定位。壓料、拉深、沖孔、翻邊、切邊、縱切邊由壓力機提供動力，滑塊上下運行一次，模具開合一次，實現(xiàn)1 步送料步距，沖制12 列翅片，橫切模塊由PLC控制，在到達設置制件長度時動作，實現(xiàn)翅片任意長度的切斷。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

3 有限元分析

拉深是換熱翅片沖壓成形的關(guān)鍵，也是換熱翅片級進模最重要的沖壓工序，決定了翅片的成形高度和質(zhì)量，翅片成形時具有大撓度、大變形的復雜塑性變形特點。新產(chǎn)品研發(fā)時難以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗預測其成形質(zhì)量，需要反復修改模具，因此對翅片多工位拉深進行有限元模擬，驗證設計的可行性很有必要[7,8]。

為提高模擬效率，采用兩列拉深成形方式進行模擬，建立6次拉深模型，導入Dynaform 中。模擬采用單動成形，工具參考面為上、下模，凸模固定不動，凹模向下運動成形的方式，在第1次拉深模擬結(jié)束后，將模擬結(jié)果導入第2 次拉深中，繼續(xù)成形，直至6 次拉深成形結(jié)束。圖5 所示為第1 次拉深仿真模型，其余5 次與第1 次類似，為真實再現(xiàn)翅片成形過程，采用實際沖壓速度180 mm/s，壓邊力為400 N進行模擬。

圖5 仿真模型

分別對方案1、2、3 進行模擬，發(fā)現(xiàn)方案1 拉深高度最高，能夠達到制件高度要求。圖6～圖11所示為方案1 的1～6 次拉深成形極限，由圖6～圖11 可知，其拉深部分成形良好，無破裂和起皺，邊緣部分起皺可通過后續(xù)切邊工序切除。圖12 所示為拉深次數(shù)與拉深深度、減薄率之間的關(guān)系，拉深深度隨拉深次數(shù)的增加先增至7.6 mm 后緩慢降至6.4 mm，減薄率隨著拉深次數(shù)的增加而緩慢增加。

圖6 第1次拉深成形極限

圖7 第2次拉深成形極限

圖8 第3次拉深成形極限

圖9 第4次拉深成形極限

圖10 第5次拉深成形極限

圖11 第6次拉深成形極限

圖12 拉深次數(shù)與拉深深度及減薄率之間的關(guān)系

4 試驗驗證

試驗采用YKC 系列空調(diào)翅片閉式高速沖壓自動生產(chǎn)線，額定壓力為1 000 kN，滑塊行程為40 mm，裝模高度為280～330 mm，沖次為150～250次/min，圖13 所示為沖制翅片的片頭，各工位成形良好，無起皺、破裂等缺陷，驗證了設計的可行性。

圖13 沖制翅片的片頭

5 結(jié)束語

以厚度為0.25 mm 的波紋翅片為研究對象，確定了6次拉深→波紋成形→沖孔→翻邊→切邊→縱切邊→壓花→送料→橫切邊的成形工藝。拉深和翻邊模塊采用整體式斜楔數(shù)字顯示調(diào)節(jié)機構(gòu)，每次高度可調(diào)；利用翻邊凸模的導向定位作用取代導正模塊；模具可實現(xiàn)1～12 列任一列直線切斷，并通過氣動、電控裝置實現(xiàn)間歇性橫切切斷，滿足不同片形的生產(chǎn)需要。

利用Dynaform 對6 次拉深進行有限元模擬，拉深深度隨著拉深次數(shù)的增加先增至7.6 mm 后緩慢降至6.4 mm，減薄率隨著拉深次數(shù)的增加而緩慢增加，翅片無起皺破裂等缺陷。試制結(jié)果表明：翅片成形良好，模具結(jié)構(gòu)合理，為類似翅片成形提供了參考。