盧洪勝

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430074）

1 圓柱螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)

換熱器是石化、生物技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)裝備。在大力推行節(jié)能環(huán)保的社會(huì)背景下，綜合換熱性能更高的圓柱螺旋板式換熱器應(yīng)運(yùn)而生，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。兩條沿芯軸軸線展開的螺旋板的內(nèi)側(cè)、圓柱螺旋圈之間，螺旋板的外側(cè)、殼體內(nèi)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(dòng)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)；與徑向螺旋板式換熱器相比，又具有徑向尺寸緊湊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好與承載能力高等優(yōu)勢(shì)，其設(shè)計(jì)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(jī)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(chǎn)業(yè)化的技術(shù)關(guān)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(shù)比較成熟。其基本過程是：將扇形或帶有切口的環(huán)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(xù)的螺旋板。其缺點(diǎn)是：無論是在成型還是后續(xù)加工環(huán)節(jié)，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(xù)性，每個(gè)葉片的兩端均需切削加工，既費(fèi)工又費(fèi)料；焊接工作量大，且殘余應(yīng)力大。

拉伸成型法目前主要用于螺旋輸送機(jī)螺旋葉片的成型，一次成型一條螺旋板，或單獨(dú)使用，或組合成雙螺旋板使用。其基本過程是：將已切口并預(yù)拉伸后的環(huán)形坯料首尾對(duì)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(yù)定長(zhǎng)度，最后切除輔助結(jié)構(gòu)、下料余量及前端由于變形過大而報(bào)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(nèi)緣到外緣，應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，容易產(chǎn)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(dá)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(huán)形坯料，按一個(gè)螺距下料。下料尺寸的計(jì)算通常采用《實(shí)用鈑金工展開手冊(cè)》中的展開法，以坯料的內(nèi)外周長(zhǎng)與螺旋板內(nèi)外緣一個(gè)螺距的螺旋線長(zhǎng)度相等為前提。為避免在冷拉過程中由于內(nèi)外徑的變化而使螺距達(dá)不到設(shè)計(jì)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(fèi)工又費(fèi)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(shí)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(shè)螺旋板的設(shè)計(jì)內(nèi)徑、外徑與螺距分別為d、D、h，理論下料內(nèi)外徑分別為d1、D1，實(shí)際下料內(nèi)外徑分別為d2、D2，葉片寬度為a，這里a＝（Dd）/2，則一個(gè)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(duì)理論下料尺寸進(jìn)行修正，得到實(shí)際下料內(nèi)徑與外徑為：

式中：k為修正系數(shù)，k＝0.04～0.05，d 越小，k 越大。

3.2 預(yù)加工

1）切口與預(yù)拉伸。為便于后續(xù)組焊成串，對(duì)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(fù)合模具一次性完成切口與預(yù)拉伸。預(yù)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(yù)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(dǎo)致葉片之間產(chǎn)生初始螺距誤差，如不及時(shí)校正，這種誤差不僅妨礙兩串坯料的組合，還會(huì)在后續(xù)的拉伸中被逐漸放大。初始螺距誤差校正通過校正齒實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。校正時(shí)在坯料中間安裝導(dǎo)向芯軸2，校正齒8 沿徑向插入葉片。坯料繞芯軸旋轉(zhuǎn)、校正齒沿軸向移動(dòng)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(gè)雙料組合的拉伸坯料。為避免在拉伸過程中因底板發(fā)生翻轉(zhuǎn)而導(dǎo)致芯軸兩側(cè)的葉片受力與變形不均衡，應(yīng)采用水平儀對(duì)兩端底板進(jìn)行校平。

3.3 拉伸與旋壓

雙坯料組合體左側(cè)底板9 采用三爪卡盤10 夾緊,右側(cè)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(shí)起拉動(dòng)及導(dǎo)向作用，而在旋壓時(shí)則起傳動(dòng)作用，其左端與底板9 滑動(dòng)配合，右端由機(jī)床尾座1 支承并與拉伸機(jī)構(gòu)連接；拉伸機(jī)構(gòu)通過芯軸帶動(dòng)底板5 及尾座軸向移動(dòng)，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(huì)產(chǎn)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??；翹曲變形積累到一定程度，將導(dǎo)致內(nèi)緣抱緊芯軸而使拉伸阻力增加，持續(xù)強(qiáng)制拉伸，必然引起內(nèi)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(jì)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(shí)校正。

首次拉伸至葉片間距為3t（螺距為6t）時(shí)，進(jìn)行首次旋壓。具體操作為：1）斷開拉伸機(jī)構(gòu)，鎖緊尾座，擰緊螺桿12 使其與套筒11 及芯軸壓緊；2）調(diào)整機(jī)床縱向自動(dòng)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(shù)和當(dāng)次總長(zhǎng)度；3）校正齒橫向進(jìn)刀；4）啟動(dòng)機(jī)床，機(jī)床主軸通過卡爪帶動(dòng)螺桿12、芯軸及坯料低速旋轉(zhuǎn)，機(jī)床刀架帶動(dòng)校正齒自動(dòng)走刀，從而逐一對(duì)葉片進(jìn)行擠壓，在校正螺距的同時(shí)，消除翹曲變形、改善表面質(zhì)量。

首次旋壓完成之后，松開尾座及螺桿12，連接并啟動(dòng)拉伸機(jī)構(gòu)，即可進(jìn)行二次拉伸。二次拉伸至1/2 設(shè)計(jì)螺距（h/2）時(shí)，進(jìn)行第二次旋壓校正；再次拉伸至設(shè)計(jì)螺距 時(shí)，進(jìn)行第三次旋壓。

為了避免校正齒與坯料發(fā)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(yè)的方式進(jìn)行修和校正。

4 結(jié)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(guān)鍵技術(shù)問題。筆者采用該工藝在CA6161車床上試制的外徑為400 mm、內(nèi)徑為45 mm、螺旋角為20°、板料厚度為3 mm、長(zhǎng)度為1 000 mm 的雙螺旋板，螺距均勻，螺旋面光滑，完全符合設(shè)計(jì)要求。該工藝還可用于寬徑比較小的雙螺旋輸送機(jī)雙螺旋葉片的加工成型。

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

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

［3］趙學(xué)斌.螺旋葉片成型工藝新探索［J］.新技術(shù)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(jī)械，2009（2）：23-24.

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