CN107784172A - 波纹换热管制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种波纹换热管制造方法，包括如下步骤：（1）构建波纹管外形参数的模型；（2）利用空间包络原理进行滚轮截面设计，求取接触线和滚轮轴截面；（3）使用数控加工仿真软件，构建机床，进行仿真；（4）对比仿真结果与理想尺寸波纹管，对偏差评估；（5）确定刀具参数以及加工参数；（6）使用有限元分析软件仿真，计算管壁回弹量；（7）使用轧制机进行加工。该方法通过建立波纹管加工的数学模型，利用空间包络原理求取接触线和滚轮轴截面，进而应用仿真软件模拟加工波纹管，通过与理想尺寸波纹管的对比，优化刀具参数和加工参数，最终使用轧制机加工出质量好、性能高的波纹管。

Description

波纹换热管制造方法

技术领域

本发明涉及一种管件表面加工工艺方法，尤其是一种用于加工波纹换热管表面的制造方法。

背景技术

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定指标的热量交换设备，换热管是换热器的核心元件，目前国内外一直致力于设计和开发各类高性能换热管, 而波纹换热管是一种常见的高效强化换热管，如何提高波纹换热管的制造质量与性能一直是换热器领域研究的重点。

目前，传统的波纹换热管是经过挤波器设备加工成波纹形状，生产工艺加工出的产品波峰为直线，波峰占整个波距的1/1~1/2，波谷为形状相同，两边对称的圆弧型；波峰和波谷的最大距离——波纹深度为1.1~1.6mm。在实际加工中，这种形式的波纹管随管径的不同，成型效果不好，“波纹”状不明显；且轧制时圆弧底部受力集中，并且在轧制进刀时，刀具接触面很小，容易产生“方管”等现象，这大大降低了换热管的换热效率和机械性能；由于对刀存在偏差，以及滚轮末端螺旋槽对已加工表面的碰擦，管子底部存在较深的“压痕”，深度在0.08~0.12mm，严重地影响换热管的机械性能和使用寿命；并且刀具与钢管旋转时的局部滑动率较大，会造成管子表面粗糙度较高，从而会增加流体流动阻力，降低了换热管的换热效率。

发明内容

本发明基于现有波纹管制造方法会造成换热管的外形不规范、加工面表面质量不理想、换热效率低、机械性能差、使用寿命短等问题，提出了一种波纹换热管制造方法，该方法通过建立波纹管加工的数学模型，利用空间包络原理求取接触线和滚轮轴截面，进而应用仿真软件模拟加工波纹管，通过与理想尺寸波纹管的对比，优化刀具参数和加工参数，最终使用轧制机加工出质量好、性能高的波纹管。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种波纹换热管制造方法，构建波纹管数学模型，应用仿真软件模拟加工，将仿真结果与理想结果对比，通过多次参数调整，在满足条件的情况下确定刀具参数和加工参数，通过计算管壁回弹量调整滚轮外形和轧制深度，所述制造方法包括如下步骤：

（1）构建波纹管外形参数的模型；

（2）利用空间包络原理进行滚轮截面设计，求取接触线和滚轮轴截面；

（3）使用数控加工仿真软件，构建机床，进行仿真；

（4）对比仿真结果与理想尺寸波纹管，对偏差评估；

（5）确定刀具参数以及加工参数；

（6）使用有限元分析软件仿真，计算管壁回弹量；

（7）使用轧制机进行加工。

本发明的进一步改进在于：在步骤（1）中，设置波纹管的外形参数，包括外径、深度、螺距，建立波纹管轧制数学模型。

本发明的进一步改进在于：在所述步骤（2）中，接触线和滚轮轴截面的求取方法包括如下步骤：

（a）确定外形参数；

（b）根据加工时钢管和刀具的位置关系，确定加工坐标系以及转换坐标；

（c）通过空间包络原理计算，即接触线上个点的法失和相对运动的速度矢量差相互垂直，可构建四个部分的接触条件式，根据接触点到轴向距离的不同，求出接触点对应的相位角，根据不同的径失对应不同的相位角度值，可确定接触线；

（d）求得接触线，得到MATLAB仿真图形；

（e）利用等升距螺旋面性质求得轴截面截形；

（f）根据计算结果，提取端面数据点，设计滚压轮。

本发明的进一步改进在于：在所述步骤（6）中，使用有限元分析软件仿真，对轧制过程以及轧制后的回弹进行分析，确定回弹量，根据回弹量，调整滚轮外形和轧制深度，包括以下两个步骤：

（I）设定模型，设定好相关参数，加载前设定两者的接触条件，钢管表面为接触目标面，得到约束图；

（II）分析时按照两个步骤进行，先进行向下压制钢管，然后不进入后处理，随即进入升模具的动作，在进行后处理，设定压制的中心点在两个步骤中的位置变化即为回弹量。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过应用空间包络原理进行滚轮截面设计，从根本上避免了外形设计偏差和刀具对已加工表面的二次刮擦以及过大的滑动率，增加了加工接触面积，提高了加工形状精度和表面质量，降低了粗糙度，加工受力均匀，提高了换热效率和机械性能；

（2）本发明使用数控加工仿真软件进行仿真，缩短了加工时间、延长了刀具寿命、改进了表面质量，检查并矫正过切、欠切，验证了模具外形、模具安装参数等对波纹管外形造成的影响，提高了加工精度和换热效率；

（3）本发明通过数控加工仿真软件的模拟结果与理想尺寸波纹管的偏差评估，优化了加工参数，有效提高了波纹管的加工精度和加工质量，成型波纹明显，提高了波纹管的加工质量和换热效率；

（4）本发明使用有限元分析软件仿真，对轧制过程以及轧制后的回弹进行分析，根据回弹量，调整滚轮外形、轧制深度，避免了回弹量对波纹管外形的影响，提高了机械性能和使用寿命；

（5）本发明通过构建波纹管的数学模型，模拟加工，优化参数，提高了波纹管加工过程的可靠性，实现了机械性能高、换热效率好、使用寿命长的波纹换热管的加工。

附图说明

图1是本发明的技术路线示意图。

图2是步骤（2）中的圆弧相切型波纹管剖视图。

图3是步骤（2）中滚轮截面设计时波纹管MATLAB建模图。

图4是步骤（2）中加工时钢管和刀具的位置关系图。

图5是步骤（2）中的波纹管与滚轮接触线建模图。

图6是步骤（2）中的轴截面截形。

图7是步骤（2）中的滚压轮设计立体图。

图8是步骤（3）中数控加工仿真软件仿真过程中的钢管与滚轮的位置关系和设置的机床运行轴。

图9是步骤（3）中数控加工仿真软件仿真的结果图。

图10是步骤（3）中的仿真结果验收对比图。

图11是步骤（6）中有限元分析软件仿真过程中模型的约束图。

图12是步骤（6）中有限元分析软件仿真过程中模型的约束图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-12所示，本发明是一种波纹换热管制造方法，在本实施例中，将波纹管的回转面作为刀具，用于包络刀具的螺旋面，因两曲面符合共轭关系，此方案符合共轭条件，首先建立波纹管加工的数学模型，并利用空间包络原理对波纹管回转面和刀具螺旋面的接触线进行求解，并投影到滚轮螺旋面的轴截面，根据接触线上各数据点对应轴截面的数据点，绘制波纹管滚轮图纸，然后使用数控仿真程序，建立仿真模型，通过仿真对新设计滚轮的轧制效果进行校验，可得到仿真结果和理想结果的对比，根据仿真结果，再对滚轮的轴截面截形以及安装参数进行调整，以达到最佳效果。最后，通过有限元对轧制进行计算，实际计算管壁回弹量，最终对工艺进行修改，使用轧制机进行轧制，如图1所示。

该制造方法包括如下步骤：

（1）构建波纹管外形参数（管径D、螺距P、螺旋角α）的模型，设置波纹管的外形参数，包括外径、深度、螺距，建立波纹管轧制数学模型。

（2）利用空间包络原理进行滚轮截面设计，求取接触线和滚轮轴截面；

在此步骤中，接触线和滚轮轴截面的求取方法包括如下步骤：

（1）确定外形参数，通过对不同类型的波纹管传热性能的研究，波峰内出现的涡窝对波纹管的传热强化具有关键性作用，并且波谷位置的传热效果最佳，可适当增加波谷位置，通过对外形比较，存在直线段的波纹管成型时“波纹”不明显，对外观有影响，故本方案采用的波纹管为圆弧相切型波纹管，其纵截面为大小圆弧相切的连续波纹，如图2所示；本方案研究的波纹管外形参数为：外径D=25mm；深度h=1.8mm；螺距P=18mm。滚轮参数为：外径D_g=96mm；螺旋角β=3.48^。旋向：右旋，在加工中，按照加工深度进刀，刀轴和钢管轴心线距离为58.7mm，使用MATLAB程序，对波纹管建模得到如图3所示，其建模数学方程式为：

（2）根据加工时钢管和刀具的位置关系，确定加工坐标系以及转换坐标，如图4所示；两个坐标系的转换关系的齐次坐标转换矩阵为：

（3）通过空间包络原理计算，即接触线上个点的法失和相对运动的速度矢量差相互垂直，可构建四个部分的接触条件式，根据接触点到轴向距离的不同，求出接触点对应的相位角，根据不同的径失对应不同的相位角度值，可确定接触线。即：

；；

为接触点法向矢量的分量；x,y,z分别为通过坐标转换后的钢管径失在滚轮坐标系中的径失；齿坯螺旋线上接触点的线速度和这一点的公法线满足相互垂直的关系，即，其坐标表现形式为：

（4）根据上式计算，求得接触线，得到MATLAB仿真图形，如图5所示；

（5）利用等升距螺旋面性质求得轴截面截形，如图6所示；

（6）根据计算结果，提取端面数据点，设计滚压轮，如图7所示；

利用空间包络原理，求取滚轮截面，从根本上避免了外形设计偏差和刀具对已加工表面的二次刮擦以及过大的滑动率，增加了加工接触面积，提高了加工形状精度和表面质量，降低了粗糙度，加工受力均匀，提高了换热效率和机械性能。

（3）使用数控加工仿真软件，构建机床，进行仿真；使用数控加工仿真软件进行仿真，通过设定参数，形成“虚拟机床”，验证模具外形、以及模具安装参数等对波纹管外形造成的影响，仿真步骤如下：

（3-1）设定虚拟机床：通过滚轮和钢管的位置关系，以及相互间的运动条件，设定虚拟加工机床，并根据轧制动作要求，编制G代码，设置机床原点以及个坐标系位置。钢管与滚轮的位置关系以及设置的机床运行轴，如图8所示；并添加标准波纹管模型作为Design，和仿真得到的模型进行布尔运算，对仿真结果进行检验。

（3-2）仿真结果如图9所示。

对仿真结果进行验收：如图10所示，图中红色表示过切部分，蓝色表示残留部分。

从软件生成报告显示，过切以及残留均发生在管头两端，是设置原因造成的，正常轧制阶段没有超差的残留以及过切。

通过数控加工仿真软件模拟加工，缩短了加工时间、延长了刀具寿命、改进了表面质量，检查并矫正过切、欠切，验证了模具外形、模具安装参数等对波纹管外形造成的影响，提高了加工精度和换热效率。

,（4）对比仿真结果与理想尺寸波纹管，对偏差评估；将步骤（3）中仿真结果与理想尺寸的波纹管对比，对偏差进行评估，若不满足偏差范围，则调整步骤（1）或步骤（3）中的参数后，再对比仿真结果与理想尺寸波纹管，直至满足偏差范围，有效提高了波纹管的加工精度和加工质量，成型波纹明显，提高了波纹管的加工质量和换热效率；

（5）确定刀具参数以及加工参数；根据步骤（4）中的满足偏差范围的参数，可确定为刀具参数和加工参数；

（6）使用有限元分析软件仿真，计算管壁回弹量；

在所述步骤（6）中，使用有限元分析软件仿真，对轧制过程以及轧制后的回弹进行分析，确定回弹量，根据回弹量，调整滚轮外形和轧制深度，包括以下两个步骤：

（I）设定模型，钢管材料为304，参照GB150-2011设定杨氏模量E和泊松比μ，理想弹塑性材料；设定刀具为刚性材料，杨氏模量设定为很大值，确保其在分析中不变形。设定好相关参数，加载前设定两者的接触条件，钢管表面为接触目标面，加载选用“LargeDisplacement static”，加载步数为5步，得到约束图，如图11所示；

（II）分析时按照两个步骤进行，先进行向下压制钢管，然后不进入后处理，随即进入升模具的动作，在进行后处理，设定压制的中心点在两个步骤中的位置变化即为回弹量，经分析，回弹量为0.152mm。考虑到网格较粗，且和实际加工存在差异，此回弹量需在实验中进一步验证，并通过进给深度进行调节。如图12所示。

使用有限元分析软件仿真，对轧制过程以及轧制后的回弹进行分析，确定回弹量，根据回弹量，调整滚轮外形和轧制深度，避免了回弹量对波纹管外形的影响，提高了机械性能和使用寿命。

（7）使用轧制机进行加工。

轧制设备的精度检测。参照对精度存在一定要求的设备的精度验收标准，编制轧制机的精度检测方案，主要从静态精度（几何精度）和动态精度（轴的跳动、窜动以及数控装置的重复定位精度等）对特型管进行检验。静态精度检测包括刀轴重复定位精度、刀轴反向间隙、齿轮箱和刀架中心高、齿轮箱和刀架中心水平位置、刀轴安装基准；动态精度包括刀轴径向跳动、刀轴轴向窜动、刀架偏摆。

Claims (4)

1.一种波纹换热管制造方法，其特征在于：所述制造方法包括如下步骤：

（1）构建波纹管外形参数的模型；

（2）利用空间包络原理进行滚轮截面设计，求取接触线和滚轮轴截面；

（3）使用数控加工仿真软件，构建机床，进行仿真；（4）对比仿真结果与理想尺寸波纹管，对偏差评估；

（5）确定刀具参数以及加工参数；

（6）使用有限元分析软件仿真，计算管壁回弹量；

（7）使用轧制机进行加工。

2.根据权利要求1所述波纹换热管制造方法，其特征在于：在步骤（1）中，设置波纹管的外形参数，包括外径、深度、螺距，建立波纹管轧制数学模型。

3.根据权利要求1所述波纹换热管制造方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，接触线和滚轮轴截面的求取方法包括如下步骤：

（a）确定外形参数；

（b）根据加工时钢管和刀具的位置关系，确定加工坐标系以及转换坐标；

（c）通过空间包络原理计算，即接触线上个点的法失和相对运动的速度矢量差相互垂直，可构建四个部分的接触条件式，根据接触点到轴向距离的不同，求出接触点对应的相位角，根据不同的径失对应不同的相位角度值，可确定接触线；

（d）求得接触线，得到MATLAB仿真图形；

（e）利用等升距螺旋面性质求得轴截面截形；

（f）根据计算结果，提取端面数据点，设计滚压轮。

4.根据权利要求1所述波纹换热管制造方法，其特征在于：在所述步骤（6）中，使用有限元分析软件仿真，对轧制过程以及轧制后的回弹进行分析，确定回弹量，根据回弹量，调整滚轮外形和轧制深度，包括以下两个步骤：

（I）设定模型，设定好相关参数，加载前设定两者的接触条件，钢管表面为接触目标面，得到约束图；

（II）分析时按照两个步骤进行，先进行向下压制钢管，然后不进入后处理，随即进入升模具的动作，在进行后处理，设定压制的中心点在两个步骤中的位置变化即为回弹量。