吉冬志 （中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司，天津 300380)

散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機(jī)床的研發(fā)與應(yīng)用

吉冬志 （中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司，天津 300380)

散熱器翅片鑲嵌成型工件是為德國(guó)西門(mén)子公司配套的產(chǎn)品，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是手工砸制，生產(chǎn)效率低。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，研發(fā)了用于加工制造鋁合金散熱器的專(zhuān)用設(shè)備——散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機(jī)床。介紹了散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機(jī)床的研發(fā)背景、滾壓技術(shù)的基礎(chǔ)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體設(shè)備、工藝裝備及其優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備的研發(fā)成功，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

散熱器翅片 滾壓成型 設(shè)備 結(jié)構(gòu) 研發(fā)

1 引言

中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)的鋁合金電子散熱器產(chǎn)品廣泛用于電力、通訊、鐵路等大型設(shè)備領(lǐng)域。其產(chǎn)品形式較多，加工技術(shù)工藝也不相同，其中散熱器翅片鑲嵌成型工件是專(zhuān)為德國(guó)西門(mén)子電子傳動(dòng)公司配套生產(chǎn)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品技術(shù)要求高，生產(chǎn)工藝難度大。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝一直采用手工砸制，生產(chǎn)效率低，安全隱患大，質(zhì)量的穩(wěn)定性也很難控制，并且產(chǎn)品成品率較低。因此，研發(fā)加工散熱器翅片鑲嵌成型工件的專(zhuān)用機(jī)床設(shè)備是改變落后的手工操作，進(jìn)而形成生產(chǎn)機(jī)械化，使產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得到有效提高的重要環(huán)節(jié)。

此專(zhuān)用設(shè)備是基于滾壓原理[1-2]，通過(guò)滾壓鑲嵌部位使鋁合金翅片在被滾壓處連續(xù)產(chǎn)生局部塑性變形，達(dá)到翅片鑲嵌成型這一設(shè)計(jì)思想而研制的滾壓機(jī)床。在研制過(guò)程中，通過(guò)對(duì)常用鋁合金材料的物理性能及塑變過(guò)程所進(jìn)行的深入細(xì)致的研究，及對(duì)滾壓過(guò)程中材料形變所產(chǎn)生的各種影響因素的分析和總結(jié)，確定了滾壓機(jī)床的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，并為翅片鑲嵌滾壓成型機(jī)床的研發(fā)成功積累了大量的理論基礎(chǔ)[3-7]。本文希望通過(guò)對(duì)該機(jī)床研發(fā)過(guò)程的闡述，能在工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中起到一定的指導(dǎo)作用，使鑲嵌滾壓工藝在生產(chǎn)實(shí)踐中能得到更廣泛的應(yīng)用。

該機(jī)床的設(shè)計(jì)思想是機(jī)床上的工作臺(tái)裝夾工件，以直線運(yùn)動(dòng)方式遞進(jìn)壓盤(pán)并進(jìn)入工件壓合槽內(nèi)，通過(guò)專(zhuān)用滾壓機(jī)床上的兩條壓輥和壓盤(pán)，在第一條壓輥和壓盤(pán)處實(shí)現(xiàn)預(yù)壓并定位散熱器底板槽內(nèi)的翅片，跟進(jìn)的第二條壓輥和壓盤(pán)完成翅片鑲嵌成型壓合。固定在床身臺(tái)架上的壓輥和壓盤(pán)以被動(dòng)旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行嚙合滾壓，用以加工各種平面直線槽型鑲片嚙合產(chǎn)品和各類(lèi)有色金屬滾壓加工產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 滾壓專(zhuān)用機(jī)床主體設(shè)備

專(zhuān)用機(jī)床主體設(shè)備由床身、工作臺(tái)、直線導(dǎo)軌副、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、兩側(cè)臺(tái)架、進(jìn)給系統(tǒng)、電氣操作系統(tǒng)、機(jī)床導(dǎo)軌護(hù)罩、壓輥、壓盤(pán)和夾具組成。

2.1.1 床身

床身整體質(zhì)量是保證專(zhuān)用機(jī)床工作性能及使用壽命的重要基礎(chǔ)，因此床身整體采用20號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼焊接構(gòu)成。它主要由工作臺(tái)運(yùn)行導(dǎo)軌基座、兩側(cè)臺(tái)架基座、驅(qū)動(dòng)定位軸承座等組成。整體幾何設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)度4 000 mm，寬度1 300 mm，高度600 mm。在圖1中可以看到，為了有效地穩(wěn)定材料焊接后產(chǎn)生的變形，充分消除內(nèi)應(yīng)力，采用了整體回火時(shí)效處理并對(duì)導(dǎo)軌基座、兩側(cè)臺(tái)架基座、驅(qū)動(dòng)定位軸承座進(jìn)行精加工。

圖1 散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機(jī)床外形圖

2.1.2 直線導(dǎo)軌副

直線導(dǎo)軌副由直線導(dǎo)軌和滑塊組成，直線導(dǎo)軌安裝于床身導(dǎo)軌基座之上，滑塊安裝在工作臺(tái)底部，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在床身中直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于散熱器翅片整體鑲嵌在每個(gè)翅片凹槽并使其發(fā)生塑性屈服變形，因此多組壓盤(pán)組合滾壓力需滿(mǎn)足于100～150 t。為達(dá)到工作臺(tái)承載，采用了CPC重型直線導(dǎo)軌副，CPC型具有高負(fù)荷、高扭矩功能，采用二列式滾珠循環(huán)設(shè)計(jì)，滾珠軌道設(shè)計(jì)采用歌德式結(jié)構(gòu)，其接觸角為45°，達(dá)到4 t負(fù)荷的效果，并在有限空間制下，使用較大尺寸鋼珠，以提高負(fù)荷能力，充分展現(xiàn)高負(fù)荷、高扭矩功能。

滑塊具有高鋼性鋼珠保持器，以確?；瑝K容易裝配與安全使用。

2.1.3 工作臺(tái)

工作臺(tái)采用HT300鑄鐵鑄造成型工藝，并在鑄造后進(jìn)行熱處理消除內(nèi)應(yīng)力?；诣T鐵中的碳大部分或全部以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存在，其斷口呈暗灰色，有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的被切削性能，普遍應(yīng)用于工業(yè)中。工作臺(tái)成型后進(jìn)行精加工，直線導(dǎo)軌副中的滑塊在工作臺(tái)底部?jī)蛇叿謩e各安裝4套，兩邊共裝8套，中部安裝絲杠母，以便與絲杠結(jié)合，形成傳動(dòng)。這樣不僅把整個(gè)負(fù)荷有效分解，而且增加了運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

2.1.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工作臺(tái)運(yùn)行方式采用了T型絲杠，選用40Cr材質(zhì)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理HB240，按照國(guó)標(biāo)GB/T17587.3—1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。當(dāng)絲杠作為主動(dòng)體時(shí)，螺母就會(huì)隨絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度按照對(duì)應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)工件可以通過(guò)螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)。絲杠與電機(jī)連接時(shí)中間加裝了聯(lián)軸器以達(dá)到柔性連接。絲杠與4 kW（6級(jí))三相異步電動(dòng)機(jī)輸出軸連接，使驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行。

2.1.5 兩側(cè)臺(tái)架

臺(tái)架是壓輥進(jìn)給系統(tǒng)支撐基座，采用20號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼焊接成型并進(jìn)行了回火熱處理，消除了內(nèi)應(yīng)力，臺(tái)架經(jīng)過(guò)平面精加工后與床身臺(tái)架基座進(jìn)行緊固連接，定位準(zhǔn)確，安全可靠。

2.1.6 進(jìn)給系統(tǒng)

進(jìn)給系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)技術(shù)工藝的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要由壓輥軸承、軸承座、壓力彈簧、進(jìn)給導(dǎo)軌、橫梁和進(jìn)給絲杠組成，其功能是在鑲嵌滾壓成型過(guò)程中，有效地控制壓盤(pán)滾壓進(jìn)給量。

（1)壓輥軸承采用?110滑動(dòng)軸承，與滾動(dòng)軸承相比，滑動(dòng)軸承具有承載力高、抗震性好、工作平穩(wěn)可靠、噪音小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別適用于滾軋機(jī)械。

（2)軸承座采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，制造孔徑與?110 mm軸承套配作，軸承側(cè)部與進(jìn)給導(dǎo)軌配作、緊固并具有潤(rùn)滑功能。

（3)壓力彈簧采用65Mn?4.5 mm鋼絲制作，主要布置在軸承座底部，每個(gè)軸承座分布5個(gè)彈簧，實(shí)現(xiàn)軸承座自動(dòng)上浮調(diào)節(jié)功能。

（4)進(jìn)給導(dǎo)軌采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼加工制造，分別與兩側(cè)臺(tái)架緊固連接，起到軸承座上下運(yùn)行調(diào)節(jié)及定位支撐作用。

（5)橫梁采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼加工制造，經(jīng)熱處理硬度HRC50，絲杠母分別安裝在橫梁兩邊，橫梁總成與進(jìn)給導(dǎo)軌支架頂部緊固連接，絲杠采用40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到HB240，單線T型螺紋與絲杠母配作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給調(diào)節(jié)執(zhí)行功能。

2.1.7 電氣操作系統(tǒng)

由380 V三相交流電源引入機(jī)床電器箱（箱內(nèi)設(shè)有電氣執(zhí)行和相應(yīng)的保護(hù)控制系統(tǒng))，其操作控制系統(tǒng)設(shè)有：操作臺(tái)、電源總開(kāi)關(guān)按鈕、工作臺(tái)前進(jìn)按鈕、工作臺(tái)后退按鈕、工作臺(tái)點(diǎn)進(jìn)按鈕、工作臺(tái)點(diǎn)退按鈕、工作臺(tái)急停按鈕、主令開(kāi)關(guān)（控制快、慢速轉(zhuǎn)換)。另外設(shè)有24 V 40 W機(jī)床照明燈，床身兩端設(shè)有行程開(kāi)關(guān)（CSA-012)，以便有效控制工作臺(tái)運(yùn)行極限;對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力電機(jī)設(shè)置了變頻器控制并具有調(diào)節(jié)和顯示功能，整個(gè)電器系統(tǒng)不僅具備相應(yīng)的保護(hù)功能，而且可使設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速。

2.1.8 機(jī)床導(dǎo)軌護(hù)罩

機(jī)床導(dǎo)軌護(hù)罩形式為拉伸式，收縮自如，采用Q235冷板加工制造，底部裝有滑輪，具有良好的耐磨性，有效保護(hù)機(jī)床導(dǎo)軌不受侵蝕，延長(zhǎng)使用壽命。

2.1.9 壓輥

壓輥是滾壓成型機(jī)床的關(guān)鍵部件，是鑲嵌壓合成型生產(chǎn)和確保壓合質(zhì)量的核心。壓輥材質(zhì)采用40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理硬度達(dá)到HB240，輥體?110 mm，兩端軸承部位?90 mm，與進(jìn)給系統(tǒng)滑動(dòng)軸承安裝配合在一起，起到旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)并承載壓盤(pán)執(zhí)行滾壓的作用。為了有效保證壓合過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)置了雙壓輥遞進(jìn)滾壓工藝，見(jiàn)圖2。

圖2 遞進(jìn)滾壓示意圖

2.2 工藝裝備

工藝裝備主要由壓盤(pán)、壓盤(pán)套、壓盤(pán)隔離墊、鎖母、夾具等組成，通過(guò)與壓輥有效組合實(shí)現(xiàn)多盤(pán)、多輥整體遞進(jìn)鑲嵌成型滾壓工藝。

2.2.1 壓盤(pán)

壓盤(pán)是散熱器翅片鑲嵌成型的關(guān)鍵工藝裝備，與壓盤(pán)套、壓盤(pán)隔離墊組合裝入壓輥。壓盤(pán)采用65Mn鋼板經(jīng)熱處理后進(jìn)行加工制造，外徑?400 mm，內(nèi)孔徑?136 mm與壓盤(pán)套組合配裝。壓盤(pán)厚度根據(jù)不同產(chǎn)品槽型，選用不同厚度。采用多片多排一次壓合完成，加工較大產(chǎn)品件時(shí)可采用雙軸遞進(jìn)壓合，用以解決由于單軸且輪片薄、壓強(qiáng)載荷受到限制等因素，而難以達(dá)到預(yù)期壓合質(zhì)量的問(wèn)題。壓盤(pán)圓周上的V型角度為82°，工件V型槽的角度60°，通過(guò)壓盤(pán)間隔錐角張壓產(chǎn)品工件上的V形槽，形成側(cè)向分力P，達(dá)到每個(gè)間隔翅片均勻張緊的工藝效果。采用多排組合滾動(dòng)式壓合不僅受力均衡，有利于材料加工應(yīng)力對(duì)稱(chēng)，同時(shí)也提高生產(chǎn)效率。見(jiàn)圖3。

圖3 V型槽張緊示意圖

2.2.2 壓盤(pán)套

壓盤(pán)套是組合壓盤(pán)并保證整體壓合成型的重要部件，壓盤(pán)套采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼材加工制造，內(nèi)孔徑?110 mm與壓輥配合安裝，外徑?136 mm與壓盤(pán)配合安裝。

2.2.3 壓盤(pán)隔離墊

壓盤(pán)隔離墊是保證壓盤(pán)組合定位的關(guān)鍵部件，采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼材加工制造，外徑?300 mm，內(nèi)孔徑?136 mm與壓盤(pán)套配合安裝。壓盤(pán)隔離墊厚度可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品V型槽間距設(shè)計(jì)制造。

2.2.4 鎖母

鎖母是固定整組壓盤(pán)和隔離墊的關(guān)鍵零件，按GB/T812—1988標(biāo)準(zhǔn)選用，規(guī)格 M130×2，與壓盤(pán)套配合安裝。

2.2.5 夾具

夾具是固定產(chǎn)品工件的定位裝置，采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼材加工制造并與工作臺(tái)固定連接。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

電費(fèi)：電耗 4 kW/h，3.2 元/kW/h。

年運(yùn)行費(fèi)用：按每天5 h運(yùn)行計(jì)算，5×3.2=16元，每年運(yùn)行300天，年耗電量為300×16=4 800元。

3.2 人工節(jié)約費(fèi)用

原來(lái)手工操作生產(chǎn)，完成相同產(chǎn)量需用5人?，F(xiàn)在專(zhuān)用設(shè)備操作只需1人，平均每人每月工資按2 000元計(jì)算，每年12×2 000=24 000元。節(jié)省了4人工資，計(jì)算結(jié)果為4×24 000=96 000元。

每年實(shí)際節(jié)約費(fèi)用96 000-4 800=91 200元。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量效益

原來(lái)手工操作生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)品平均報(bào)廢率達(dá)到5%，每件材料費(fèi)平均300元，按每年平均生產(chǎn)8 000件計(jì)算，300×400=120 000 元。

現(xiàn)在專(zhuān)用設(shè)備操作生產(chǎn)，產(chǎn)品平均報(bào)廢率達(dá)到0.5%，300×40=12 000 元。

質(zhì)量效益：120 000-12 000=108 000元。

通過(guò)新技術(shù)、新工藝的研發(fā)和應(yīng)用，全年直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)：91 200+108 000=199 200元。

3.4 投資回報(bào)

全部設(shè)備、工藝裝備費(fèi)用22萬(wàn);投資回報(bào)期為1.3年。

4 結(jié)束語(yǔ)

散熱器翅片鑲嵌滾壓成型機(jī)床的成功研發(fā)與應(yīng)用，完全可以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力資源，保證了安全生產(chǎn)。特別是通過(guò)設(shè)備和工藝裝備生產(chǎn)，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，大幅度提高了生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效率;并申請(qǐng)了專(zhuān)利，擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造起到了積極的促進(jìn)作用，也為企業(yè)的技術(shù)發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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Developmentand Application ofRadiatorFin Inlay Rolling Formation Machine Tool

Ji Dongzhi

The workpiece of inlay rolled radiator fin,an auxiliary product for German Siemens Company,is forged manually in traditional process with low productivity.Dedicated equipment-inlay rolling formation machine tool for machining and manufacturing aluminum alloy radiator was developed.The paper introduces its developing background,the basic principle of rolling technique,main equipment in system design,technological equipment and advantages.The success of its development improved product quality and production efficiency and yielded good economic effect.

radiator fin,rolling formation,equipment,structure,development

（收稿 2011-09-02 編輯 趙實(shí)鳴)

吉冬志，男，現(xiàn)在中色（天津)聚海鋁業(yè)有限公司技術(shù)動(dòng)力部工作，在電子散熱器翅片鑲嵌工藝和加工設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中取得了成功，并獲得了國(guó)家專(zhuān)利。