CN115815450B - 三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维翅片管加工技术领域，提供了三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法，包括底座，底座的顶部从左至右依次设置有纯铜基管、环形支架和呈倒立凹字型结构的安装板；安装板的一侧转动设置有三个为圆柱体结构并呈等间距环形阵列分布的成型刀具，三个成型刀具能够进行同方向的速度相同的旋转。本发明由于翅片结构在挤压成型时使用了添加纳米粒子的金属加工液，可以大大提高三维翅片结构的表面质量；并通过单片机控制成型刀具的旋转角速度，进而有效节省加工所需要的能耗，成型后的三维翅片圆管具有多个向内凹陷的凹槽的同时也具有螺旋线，进而有效提高了翅片的热传导效率，并节约制备所需的铜材，应用范围广。

Description

三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法

技术领域

本发明涉及三维翅片管加工技术领域，具体为三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法。

背景技术

21世纪以来，由于环保的压力，传统润滑液中的硫磷型极压添加剂的使用受到了较大的限制。而随着纳米技术的发展，纳米润滑粒子不仅在机械润滑领域起到减摩抗磨的关键作用，而且由于其良好的吸附成膜性、表面自修复功能、热传输特性等其他材料无法代替的优异性能，已经开始应用到金属加工液中，起到优化加工工艺、提高产品表面质量的作用。

在制冷、采暖和石化行业，基于第三代传热技术的三维翅片管由于具有出色的强化传热效果，被视为降低工业能耗的重要节能减排技术。高效换热管技术是一种采用普通光滑管作为毛坯基管，通过机加工等方式对基管的形状和表面结构及性质进行改造以提高传热效率的技术。

专利CN201310190222.X提供了一种L型螺旋翅片管，包括管和螺旋翅片，制冷剂在所述管内流动，其翅片与基管分开加工，并将翅片粘附在基管上。其缺点是粘附接触的换热效果不如整体成型的换热效果好。

专利CN201310592609.8公开了一种斜翅翅片管，其翅片本体包括倾斜面内侧的翅片中心孔，翅片本体包括伞形体及设于伞形体中部的翅片中心孔。其缺点是翅片与基管的夹角位置容易形成积水影响换热效果。

专利CN201610988116.X公开了一种轧制与犁切-挤压三维内外翅片管制造设备与方法，外螺纹轧辊机构对称分布在内螺纹辊芯机构的外围，当金属管经过该轧辊工位时，在外螺纹轧辊机构与内螺纹辊芯机构之间滚压轧制作用下，在金属管的内外表面形成螺纹结构；专利CN201810499911.1提供了一种翅片管和翅片管的生产装置以及该翅片管的生产方法，包括基管以及翅片，翅片呈螺旋状设置在翅片管上，每组翅片都呈波浪形设置，任意相邻两组翅片的波峰位置错开一定距离设置。两者的缺点是没有关注翅片管加工表面质量，且加工未采用智能制造设备，进而不能够起到节能减排的技术效果

为解决以上缺点，本发明提供了三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法。

发明内容

本发明目的是提供三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明通过在成型设备中设置可喷射添加有纳米粒子的金属加工液，进而提高了冷凝效率，纳米润滑粒子还可以削去摩擦副表面的微凸体，相当于对摩擦副表面进行抛光，从而提高摩擦副表面光洁度减少了刀具磨损，刀具使用寿命延长，并通过单片机控制成型刀具的旋转角速度，进而有效节省加工所需要的能耗，成型后的三维翅片圆管具有多个环状轧制刀片轧制形成的向内凹陷的凹槽的同时也具有螺旋线状轧制刀片形成的螺旋线，进而有效提高了翅片的热传导效率，并节约制备换热管的铜材，应用范围广。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，包括底座，底座的顶部从左至右依次设置有纯铜基管、环形支架和呈倒立凹字型结构的安装板；

安装板的一侧转动设置有三个为圆柱体结构并呈等间距环形阵列分布的成型刀具，三个成型刀具能够进行同方向的速度相同的旋转；

每个成型刀具的表面均设置有多个环状轧制刀片和一螺旋线状轧制刀片，多个环状轧制刀片从靠近所述纯铜基管一端至远离所述纯铜基管一端分为咬入区、碾轧区和整合区，咬入区的多个环状轧制刀片直径沿远离所述纯铜基管方向逐渐递增，碾轧区的多个环状轧制刀片直径一致并大于咬入区内环状轧制刀片的直径，整合区的多个环状轧制刀片直径一致并大于所述碾轧区内环状轧制刀片的直径；三个成型刀具上方固定连接有驱动其绕每个成型刀具所在轴同方向的速度相同的旋转的电机；

纯铜基管的轴向位于三个成型刀具之间，且底座上设置有用于使纯铜基管进行沿其轴所在方向螺旋左右移动的送料机构；所述送料结构包括安装在底座沿其长度方向一侧的顶部上的电动直线模组；所述纯铜基管的螺旋旋转方向与所述三个成型刀具的旋转方向相反；环形支架内固定连接有三个相对称并用于向对应成型刀具方向喷射金属加工液的喷头，且所述金属加工液内添加有直径为20μm～50μm的纳米粒子。

进一步地，每个所述成型刀具的一侧均固定连接有呈与所述纯铜基管所在轴向平行方向并通过轴承穿插在安装板上的第一转轴，安装板的顶部固定连接有呈水平方向的固定板，固定板上通过轴承转动插接有三个相对称并呈竖直轴向的第二转轴，每个第二转轴的底部均固定连接有主动锥齿轮，且每个第一转轴的一侧均固定连接有与对应主动锥齿轮相啮合的从动锥齿轮，所述固定板上设置有用于使三个所述第二转轴进行同向速度相同的旋转的旋转组件。

进一步地，所述旋转组件包括设置在固定板上方的驱动件，驱动件用于驱动位于中间的第二转轴进行旋转，位于中间的第二转轴顶部固定套接有两个上下对称的第一同步轮，其余两个第二转轴的顶部均固定套接有第二同步轮，且对应的第二同步轮与第一同步轮之间均通过齿槽缠绕有同步带。

进一步地，所述驱动件包括固定连接在固定板顶部一侧的连接板，所述电机的输出轴朝下且固定安装在所述连接板的表面，所述电机的输出轴末端与位于中间的第二转轴顶部相固定。

进一步地，所述送料机构包括固定连接在底座顶部并呈竖直方向的支撑板，支撑板的顶部固定连接有内壁开设有螺纹的套筒，底座顶部远离安装板的一侧设置有可进行左右移动的L型支块，L型支块上通过轴承转动连接有呈左右轴向并通过螺纹配合穿插在套筒上的螺纹杆，所述螺纹杆的周向表面一侧固定套接有环形限位板，纯铜基管内开设有内螺纹，且所述纯铜基管通过所述内螺纹的配合套接在螺纹杆朝向安装板的一侧并抵触在环形限位板的表面上；所述L型支块固定连接在所述电动直线模组的滑台上。

进一步地，所述电机和所述电动直线模组均与控制所述成型设备运行的单片机电性连接，所述安装板上设置有实时监控三个成型刀具旋转实时角速度的第一角速度传感器，所述送料机构上设置有实时监测所述电动直线模组向三个成型刀具实时移动速度的速度传感器和带动所述纯铜基管旋转的实时角速度的第二角速度传感器；

所述单片机用于优化所述电机实时做功功率，进而使三个所述成型刀具以最优的旋转角速度

对所述纯铜基管进行轧制，包括以下步骤：

1)所述单片机实时获取所述第一角速度传感器、所述速度传感器和所述第二角速度传感器采集到的数据；

2)所述单片机构建所述纯铜基管和三个所述成型刀具逆向旋转产生摩擦力的优化模型：

s.t.R>r>0

60mm/s≥v(t)≥20mm/s

其中，μ为所述成型刀具与所述纯铜基管之间的摩擦系数；μ因材质不同而导致系数不同，R为所述成型刀具中的单个环状轧制刀片的半径，r为所述纯铜基管的初始半径，m为一个所述成型刀具的质量，g为重力加速度；P(t)为控制三个所述成型刀具旋转的电机的实时做功功率；v(t)为所述速度传感器实时监测得到的t时刻所述电动直线模组向三个成型刀具实时移动速度，ω₁(t)为所述第一角速度传感器实时监测得到的t时刻三个所述成型刀具旋转实时角速度，ω₂(t)为所述第二角速度传感器监测得到的所述纯铜基管旋转的实时角速度；

所述成型刀具与所述纯铜基管之间的摩擦系数μ的计算公式如下：

3)采用遗传算法优化所述步骤2)构建的优化模型，构建优化粒子剔除判断函数：

4)判断所述步骤2)的遗传算法优化得到的t时刻的三个所述成型刀具旋转实时角速度ω₁(t)的所述步骤3)构建的优化粒子剔除判断函数值thr(t)是否大于粒子剔除阈值0.85，若大于，输出所述步骤2)优化得到的t时刻的三个所述成型刀具旋转实时角速度ω₁(t)作为成型刀具以最优的旋转角速度

单片机控制三个所述成型刀具以最优的旋转角速度/>

对所述纯铜基管进行轧制；否则重复所述步骤1)-步骤3)。

进一步地，所述纳米粒子为纳米Cu、纳米Ni、纳米石墨烯、纳米ZnO、纳米CuO、纳米TiO₂、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、纳米WS₂、纳米CuS、纳米MoS₂、LaF₃、CeBO₃、CeO₂、纳米C/纳米MoS₂复合纳米粒子、纳米TiO₂/纳米氧化石墨烯复合纳米粒子、纳米MoS₂/纳米SiO₂复合纳米粒子；所述纳米粒子在金属加工液中的质量分数含量为0.8-1.0％；所述成型刀具由符合GB/T3077-1999标准的高强度合金钢制造，包括35CrMnSiA、W18Cr4V、20CrMnTi、W12Cr4V4Mo、YG8、YT15和YW2中的一种或多种。

进一步地，所述环状轧制刀片的数量为11～14个，且所述咬入区的环状轧制刀片数量为5～6个，所述碾轧区的环状轧制刀片数量为3～4个，所述整形区的环状轧制刀片数量为3～4个。

进一步地，所述喷头的喷射方向与成型刀具的径向之间形成有夹角α，喷头的喷射方向与纯铜基管的轴向之间形成有夹角β，且α＝β＝45°。

本发明还提供一种采用如上所述设备的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面的成型方法，包括如下步骤：

步骤一，所述电动直线模组控制所述送料机构将所述纯铜基管向三个所述成型刀具方向左右移动的同时，以与左右移动相垂直平面内的绕其轴心螺旋旋转的形式输入至三个所述成型刀具的成型加工工位；

步骤二，启动所述电机以与所述纯铜基管螺旋旋转相反方向控制三个所述成型刀具对所述纯铜基管挤压与切槽，实现对所述纯铜基管的咬合轧制；

步骤三，在所述步骤一与所述步骤二的挤压与切槽过程中，所述喷头不断的向成型刀具与第二转轴表面接触处喷射金属加工液；

步骤四，夹持成型后的三维翅片管并旋转，使其通过螺纹配合从所述送料机构上取出，即可得到成型后三维翅片圆管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，送料机构能将纯铜基管由左至右送进三个成型刀具之间的咬入区，由于纯铜基管外径小于三个成型刀具的公共外接圆，故将均匀承受三个成型刀具所施加的力而产生形变，接着成型刀具的环状轧制刀片与纯铜基管接触并实现咬入，使得环状翅片的结构已初步成型，环状翅片的顶部逐渐规整，在经过咬入区和碾轧区的作用下，翅片进一步在整形区修整，环状翅片完全成形后，纯铜基管继续作螺旋进给运动，螺旋线状轧制刀片会作用在环状翅片的翅顶，将翅顶切出螺旋状槽，最终成型为三维翅片圆管。

2、本发明提供的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，在采用成型刀具对纯铜基管挤压成型时使用了添加纳米粒子的金属加工液，一般球状或类球状的纳米润滑粒子在摩擦副表面可以起到微轴承的作用，往往会在摩擦力的作用下发生滚动，将摩擦类型由滑动摩擦变为滚动摩擦，从而降低摩擦系数，减小摩擦副的磨损，减小刀具磨损，并可以使表面平整度明显提高；对于表面活性较高的纳米润滑粒子在摩擦力的作用下会吸附到摩擦副表面，形成物理吸附膜，甚至与基体发生化学反应生成化学吸附膜，这种物理/化学吸附膜可以对摩擦副表面起到一定的保护作用；使用较坚硬的小尺寸纳米润滑粒子作为润滑材料时，纳米润滑粒子还可以削去摩擦副表面的微凸体，相当于对摩擦副表面进行抛光，从而提高摩擦副表面光洁度；当纳米润滑粒子粒径较小或摩擦副表面粗糙度较高时，小颗粒的纳米粒子还能填充到摩擦副表面凹痕中，通过烧结成膜，对表面起到修复作用。

由于上述纳米粒子在润滑、冷却过程中的表面修复以及提高表面光滑度功能，可以大大提高三维翅片结构的表面质量，使所述三维翅片管具有较高的表面光滑度、疏水性，并具有阻垢性能；表面化学膜避免单独使用未添加纳米粒子的具有冷凝功能的金属加工液时冷凝水膜的形成，提高了冷凝效率，同时由于纳米自润滑粒子的添加，减少了刀具磨损，刀具使用寿命延长了约80％。

3、本发明提供的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备采用了构建有所述纯铜基管和三个所述成型刀具逆向旋转产生摩擦力的优化模型，能够以较少的电机输出功率达到相同的三维翅片圆管的成品率和成品要求，在生产过程中起到了节能降耗的作用，有效提高产品成品率的同时，采用单片机控制的机械化加工成型设备对三维翅片圆管进行加工，有效降低了人力成本和工人工作强度。

4、本发明提供的三维翅片圆管的纳米自流体自润滑外表面成型设备，在加工成型使用的切削刀具中设置了表面均形成有多个环状轧制刀片和一螺旋线状轧制刀片的三个成型刀具，分别均匀设置于纯铜基管外表面对其进行挤压和切削，因此，成型后的三维翅片圆管具有多个环状轧制刀片轧制形成的向内凹陷的凹槽的同时也具有螺旋线状轧制刀片形成的螺旋线，进而有效提高了翅片的热传导效率，并节约制备换热管的铜材，应用范围广，可适应性地调整成型刀具的半径进而适应不同的需要加工成三维翅片圆管的纯铜基管，翅片的形状、疏密度以及尺寸可以任意调整，工艺简单，加工效率高。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的又一立体结构示意图；

图3为本发明的平面结构示意图；

图4为图3中沿A-A线剖面结构示意图；

图5为本发明的成型刀具结构示意图；

图6为本发明的又一成型刀具结构示意图；

图7为本发明的成型刀具与纯铜基管的轴向排布示意图；

图8为本发明的成型过程示意图；

图9为本发明的成型后的三维翅片管结构示意图；

图10为本发明的成型后的三维翅片管剖面结构示意图；

图中：1、底座；2、安装板；21、第一转轴；3、成型刀具；31、环状轧制刀片；32、螺旋线状轧制刀片；4、纯铜基管；41、内螺纹；5、送料机构；51、支撑板；52、套筒；53、L型支块；54、螺纹杆；55、环形限位板；56、电动直线模组；6、环形支架；7、喷头；8、固定板；9、第二转轴；10、主动锥齿轮；11、从动锥齿轮；12、第一同步轮；13、第二同步轮；14、同步带；15、连接板；16、电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

显然，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

请参阅图1-10，本发明提供三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备及方法：包括底座1，底座1的顶部从左至右依次设置有纯铜基管4、环形支架6和呈倒立凹字型结构的安装板2；安装板2的一侧转动设置有三个为圆柱体结构并呈等间距环形阵列分布的成型刀具3，三个成型刀具3能够进行同方向的速度相同的旋转；

每个成型刀具3的表面均设置有多个环状轧制刀片31和一螺旋线状轧制刀片32，多个环状轧制刀片31从左至右分为咬入区、碾轧区和整合区，咬入区的多个环状轧制刀片31直径逐渐递增，碾轧区的多个环状轧制刀片31直径一致并大于咬入区内环状轧制刀片31的直径，整合区的多个环状轧制刀片31直径一致并大于碾轧区内环状轧制刀片31的直径；三个成型刀具3上方固定连接有驱动其绕每个成型刀具所在轴同方向的速度相同的旋转的电机16；

纯铜基管4的轴向位于三个成型刀具3之间，且底座1上设置有用于使纯铜基管4进行螺旋左右移动的送料机构5；送料结构5包括安装在底座(1)沿其长度方向一侧的顶部上的电动直线模组56；纯铜基管4的螺旋旋转方向与所述三个成型刀具的旋转方向相反；即若纯铜基管4在所述电动直线模组56的带动下以其轴心为中心逆时针旋转，则三个成型刀具以其轴心为中心呈顺时针旋转；若纯铜基管4在所述电动直线模组56的带动下以其轴心顺时针旋转，则三个成型刀具以其轴心为中心呈逆时针旋转；

如图7所示，三个成型刀具的每个刀具的轴心形成的圆轮廓的圆心与纯铜基管4的轴心重合，位于一条中心轴上。

环形支架6内固定连接有三个相对称并用于向对应成型刀具3方向喷射金属加工液的喷头7，且金属加工液内添加有纳米粒子，通过这样的设计，送料机构5能将第二转轴9由左至右送进三个第二转轴9之间的咬入区，由于第二转轴9外径小于三个第二转轴9的公共外接圆，故将均匀承受三个成型刀具3所施加的力而产生形变，且螺纹杆54能够防止第二转轴9内壁受压而发生不可控的形变，接着成型刀具3的环状轧制刀片31与第二转轴9接触并实现咬入，第二转轴9继续做螺旋移动运动，由于咬入区的环状轧制刀片31的外径不断增大，轧槽的深度不断增加，第二转轴9的受到的挤压力也不断增加，使得管件产生轴向延伸，而相邻的环状轧制刀片31间的间隙限制了金属材料向轴向延伸，故金属流向环状轧制刀片31的底部，使得翅片高度增加，第二转轴9在经过咬入区的环状轧制刀片31的作用下，环状翅片的结构已初步成型，环状翅片的顶部逐渐规整，在经过咬入区和碾轧区的作用下，翅片进一步在整形区修整，修整过的翅片截面完全变形为规整的圆形，且在上述的挤压与切槽过程中，喷头7不断的向成型刀具3与第二转轴9表面接触处喷射金属加工液，经过多个环状轧制刀片31的作用，环状翅片已完全成形，第二转轴9继续作螺旋进给运动，螺旋线状轧制刀片32会作用在环状翅片的翅顶，将翅顶切出螺旋状槽，最终成型为三维翅片管，在整个成型步骤中，由于翅片结构在挤压成型时使用添加有直径为20μm～50μm纳米粒子的金属加工液，

同时，所述添加了纳米自润滑粒子的金属加工液使用于包括但不限于加工翅片管外表面时喷射在成型刀具3与第二转轴9表面的润滑与冷却。

为了能够使成型刀具3进行同向且速度相同的旋转，在一些实施例中，提出，每个成型刀具3的一侧均固定连接有呈左右轴向并通过轴承穿插在安装板2上的第一转轴21，安装板2的顶部固定连接有呈水平方向的固定板8，固定板8上通过轴承转动插接有三个相对称并呈竖直轴向的第二转轴9，每个第二转轴9的底部均固定连接有主动锥齿轮10，且每个第一转轴21的一侧均固定连接有与对应主动锥齿轮10相啮合的从动锥齿轮11，固定板8上设置有用于使三个第二转轴9进行同向速度相同的旋转的旋转组件，三个第二转轴9在旋转时会同时带动三个主动锥齿轮10进行同向的旋转，而三个主动锥齿轮10则会通过齿牙的配合带动从动锥齿轮11与第一转轴21进行同步的旋转，使得三个成型刀具3会跟随第一转轴21进行同向且速度相同的旋转。

请参阅图1，旋转组件包括设置在固定板8上方的驱动件，驱动件用于驱动位于中间的第二转轴9进行旋转，位于中间的第二转轴9顶部固定套接有两个上下对称的第一同步轮12，其余两个第二转轴9的顶部均固定套接有第二同步轮13，且对应的第二同步轮13与第一同步轮12之间均通过齿槽缠绕有同步带14，这样，在驱动件的作用下使得位于中间的第二转轴9旋转时，两个第一同步轮12会进行同步转动并通过同步带14的配合带动着两个第二同步轮13同步进行旋转，使得三个第二转轴9会同步进行同向速度相同的旋转。

关于驱动位于中间的第二转轴9进行旋转的具体方式如图2和图4所示，驱动件包括固定连接在固定板8顶部一侧的连接板15，电机16的输出轴朝下且固定安装在连接板15的表面，电机16的输出轴末端与位于中间的第二转轴9顶部相固定，在电机16的输出轴转动时即可实现驱动位于中间第二转轴9进行旋转的目的。

在一些实施例中，为了能够使得纯铜基管4进行螺旋左右移动，送料机构5包括固定连接在底座1顶部并呈竖直方向的支撑板51，支撑板51的顶部固定连接有内壁开设有螺纹的套筒52，底座1顶部远离安装板2的一侧设置有可进行左右移动的L型支块53，L型支块53上通过轴承转动连接有呈左右轴向并通过螺纹配合穿插在套筒52上的螺纹杆54，螺纹杆54的周向表面一侧固定套接有环形限位板55，纯铜基管4内开设有内螺纹41，且纯铜基管4通过螺纹的配合套接在螺纹杆54朝向安装板2的一侧并抵触在环形限位板55的表面上，当L型支块53进行左右移动时，其会推动着螺纹杆54进行同步的转动，螺纹杆54会由于与套筒52的螺纹配合而在转动时不断的进行旋转，这样便会带动着纯铜基管4进行同步的螺旋移动，使得纯铜基管4能够伸入至三个成型刀具3之间，而需要说明的是，纯铜基管4旋入螺纹杆54的方向与螺纹杆54向右移动时在套筒52所旋转的方向相同，以使得纯铜基管4在三个成型刀具3之间做螺旋前进运动时，其能够被环形限位板55所限位而形成在螺纹杆54上的固定。

请参阅图3，L型支块53固定连接在电动直线模组56的滑台上，在电动直线模组56的滑台进行左右移动时便可带动着L型支块53进行同步的移动，以能够将纯铜基管4进行朝着三个成型刀具3所在工作螺旋推动。所述电机16和所述电动直线模组56均与控制所述成型设备运行的单片机电性连接，所述单片机可设置在所述固定板8上、所述安装板2外侧干活底座1竖直方向的侧面上，或者远程设置在中央控制室，所述电机16与所述电动直线模组56此时均与所述单片机远程通信控制连接，所述安装板2上设置有实时监控三个成型刀具3旋转实时角速度的第一角速度传感器，所述送料机构5上设置有实时监测所述电动直线模组56向三个成型刀具3实时移动速度的速度传感器和带动所述纯铜基管4旋转的实时角速度的第二角速度传感器；

单片机用于优化电机16实时做功功率，进而使三个成型刀具3以最优的旋转角速度

对纯铜基管4进行轧制，包括以下步骤：

1)、单片机实时获取第一角速度传感器、速度传感器和第二角速度传感器采集到的数据；

2)单片机构建纯铜基管4和三个成型刀具逆向旋转产生摩擦力的优化模型：

s.t.R>r>0

60mm/s≥v(t)≥20mm/s

其中，μ为成型刀具与纯铜基管4之间的摩擦系数；μ因材质不同而导致系数不同，R为成型刀具3中的单个环状轧制刀片31的半径，r为纯铜基管4的初始半径，m为一个成型刀具3的质量，g为重力加速度，本领域常采用的重力加速度数值为9.87g/cm²；P(t)为控制三个成型刀具旋转的电机16的实时做功功率；v(t)为速度传感器实时监测得到的t时刻电动直线模组56向三个成型刀具3实时移动速度，ω₁(t)为第一角速度传感器实时监测得到的t时刻三个成型刀具3旋转实时角速度，ω₂(t)为第二角速度传感器监测得到的纯铜基管4旋转的实时角速度；|ω₂(t)-ω₁(t)|为计算ω₂(t)和ω₁(t)二者的差值的绝对值；

v(t)t为纯铜基管4在送料机构5的推送下向成型刀具行进的实时距离，

为三个质量为m的成型刀具与半径为r的纯铜基管在接触的情况下所产生的挤压并旋转情况下的摩擦力，因此摩擦力×距离为该时间内所做的功，再乘以纯铜基管与三个成型刀具相逆向旋转的角速度差值的绝对值|ω₂(t)-ω₁(t)|，即为单位时间内下为了使纯铜基管在成型刀具的咬合轧制的挤压和切削情况下所做功的功率。因此单片机构建纯铜基管4和三个成型刀具逆向旋转产生摩擦力的优化模型，是以单位时间内控制三个成型刀具转动的电机16的做功功率最小，以达到以节能的目的实现纯铜基管4的三维翅片圆管的加工成型。

成型刀具与纯铜基管4之间的摩擦系数μ的计算公式如下：

3)采用遗传算法优化步骤2)构建的优化模型，构建优化粒子剔除判断函数：

4)判断步骤2)的遗传算法优化得到的t时刻的三个成型刀具3旋转实时角速度ω₁(t)的步骤3)构建的优化粒子剔除判断函数值thr(t)是否大于粒子剔除阈值0.85，若大于，输出步骤2)优化得到的t时刻的三个成型刀具3旋转实时角速度ω₁(t)作为成型刀具以最优的旋转角速度

单片机控制三个成型刀具以最优的旋转角速度/>

对纯铜基管4进行轧制；否则重复步骤1)-步骤3)。

作为本发明的另一个优选实施例，通过设计成型刀具以及在三维翅片圆管的成型过程中所采用的金属加工也中的纳米粒子为纳米Cu、纳米Ni、纳米石墨烯等单质；纳米ZnO、纳米CuO、纳米TiO₂、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃等氧化物；纳米WS₂、纳米CuS、纳米MoS₂等硫化物；LaF₃、CeBO₃、CeO₂等稀土化合物；纳米C/纳米MoS₂复合纳米粒子、纳米TiO₂/纳米氧化石墨烯复合纳米粒子、纳米MoS₂/纳米SiO₂复合纳米粒子等复合纳米粒子；纳米粒子在金属加工液中的质量分数含量为0.8-1.0％；成型刀具由符合GB/T 3077-1999标准的高强度合金钢制造，包括35CrMnSiA、W18Cr4V、20CrMnTi、W12Cr4V4Mo、YG8、YT15和YW2中的一种或多种。所采用的纳米粒子可以进一步提高金属加工液对于三维翅片外表面圆管加工成型过程中的成品率，本发明在加工成型三维翅片圆管时所使用的金属加工液中添加纳米自润滑粒子。就微观角度而言，纳米自润滑粒子具有优异的热学、力学、电学等性质。将纳米粒子作为润滑粒子主要利用了纳米润滑粒子的滚珠轴承效应、薄膜润滑机制、微量磨削作用以及表面凹痕修复四个特性。

滚珠轴承效应：一般例如球状TiO₂纳米粒子等球状或类球状的纳米润滑粒子在摩擦副表面可以起到微轴承的作用，往往会在摩擦力的作用下发生滚动，将摩擦类型由滑动摩擦变为滚动摩擦，从而降低摩擦副件的摩擦系数，减小摩擦副的磨损，进而减小刀具磨损，并可以使成型后的三维翅片管表面平整度明显提高；

薄膜润滑机制：对于例如纳米态MoS₂等表面活性较高的纳米润滑粒子在摩擦力的作用下会吸附到摩擦副表面，形成物理吸附膜，甚至与基体发生化学反应生成化学吸附膜，这种物理/化学吸附膜可以对摩擦副表面起到一定的保护作用；

微量磨削作用：使用例如纳米Al₂O₃粒子等较坚硬的小尺寸纳米润滑粒子作为润滑材料时，纳米润滑粒子还可以削去摩擦副表面的微凸体缺陷，相当于对摩擦副表面进行抛光，从而提高摩擦副表面光洁度；

表面凹痕修复：当纳米润滑粒子粒径较小或摩擦副表面粗糙度较高时，小颗粒的纳米粒子还能填充到摩擦副表面凹痕中，通过烧结成膜，对表面起到修复作用。

由于上述纳米粒子在润滑、冷却过程中的表面修复以及提高表面光滑度功能，可以大大提高三维翅片结构的表面质量，使三维翅片管具有较高的表面光滑度、疏水性，并具有阻垢性能。

更进一步的，环状轧制刀片31的数量为11～14个，且咬入区的环状轧制刀片31数量为5～6个，碾轧区的环状轧制刀片31数量为3～4个，整形区的环状轧制刀片31数量为3～4个，可以根据加工过程中需要的三维翅片圆管的长度来调整咬入区、碾轧区和整形区的范围长度。

同时，喷头7的喷射方向与成型刀具3的径向之间形成有夹角α，喷头7的喷射方向与纯铜基管4的轴向之间形成有夹角β，且α＝β＝45°，使得喷头7的喷射方向是位于成型刀具3与第二转轴9所接触表面之间的，以便于金属加工液能够准确覆盖在第二转轴9的表面上。

作为本发明的一个优选实施例，

本发明还提供采用上述提供的任意一种成型设备的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面的成型方法，包括如下步骤：

步骤一，单片机控制启动电动直线模组56控制送料机构5将纯铜基管4向三个成型刀具4方向左右移动的同时，以与左右移动相垂直平面内的绕其轴心螺旋旋转的形式输入至三个成型刀具3的成型加工工位；具体地，单片机控制启动电动直线模组56，进而控制送料机构5将转轴二9由左至右送进三个转轴二9之间的咬入区，由于转轴二9外径小于三个转轴二9的公共外接圆，故将均匀承受三个成型刀具3所施加的力而产生形变，且高强度螺纹杆54能够防止转轴二9内壁受压而发生不可控的形变；

步骤二，单片机控制启动电机16以与纯铜基管4螺旋旋转相反方向控制三个成型刀具3对纯铜基管4挤压与切槽，实现对纯铜基管4的咬合轧制；在此期间成型刀具3的环状轧制刀片31与转轴二9接触并实现咬入，转轴二9继续做螺旋移动运动，由于咬入区的环状轧制刀片31的外径不断增大，轧槽的深度不断增加，转轴二9的受到的挤压力也不断增加，使得管件产生轴向延伸，而相邻的环状轧制刀片31间的间隙限制了金属材料向轴向延伸，故金属流向环状轧制刀片31的底部，使得翅片高度增加，转轴二9在经过咬入区的环状轧制刀片31的作用下，环状翅片的结构已初步成型，环状翅片的顶部逐渐规整，在经过咬入区和碾轧区的作用下，翅片进一步在整形区修整，修整过的翅片截面完全变形为规整的圆形；

步骤三，在步骤一与步骤二的挤压与切槽过程中，喷头7不断的向成型刀具3与第二转轴9表面接触处喷射金属加工液；

步骤四，经过多个环状轧制刀片31的作用，环状翅片已完全成形，转轴二9继续作螺旋进给运动，螺旋线状轧制刀片32会作用在环状翅片的翅顶，将翅顶切出螺旋状槽，最终成型为三维翅片管，用手或采用机械手夹持成型后的三维翅片管并旋转，使其通过螺纹配合从送料机构5的螺纹杆54上取出，即可得到成型后三维翅片圆管。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，包括底座（1），其特征在于：底座（1）的顶部从左至右依次设置有纯铜基管（4）、环形支架（6）和呈倒立凹字型结构的安装板（2）；

安装板（2）的一侧转动设置有三个为圆柱体结构并呈等间距环形阵列分布的成型刀具（3），三个成型刀具（3）能够进行同方向的速度相同的旋转；每个成型刀具（3）的表面均设置有多个环状轧制刀片（31）和一螺旋线状轧制刀片（32），多个环状轧制刀片（31）从靠近所述纯铜基管（4）一端至远离所述纯铜基管（4）一端分为咬入区、碾轧区和整合区，咬入区的多个环状轧制刀片（31）直径沿远离所述纯铜基管（4）方向逐渐递增，碾轧区的多个环状轧制刀片（31）直径一致并大于咬入区内环状轧制刀片（31）的直径，整合区的多个环状轧制刀片（31）直径一致并大于所述碾轧区内环状轧制刀片（31）的直径；三个成型刀具（3）上方固定连接有驱动其绕每个成型刀具所在轴同方向的速度相同的旋转的电机（16）；

纯铜基管（4）的轴向位于三个成型刀具（3）之间，且底座（1）上设置有用于使纯铜基管（4）进行沿其轴所在方向螺旋左右移动的送料机构（5）；所述送料机构（5）包括安装在底座（1）沿其长度方向一侧的顶部上的电动直线模组（56）；所述纯铜基管（4）的螺旋旋转方向与所述三个成型刀具的旋转方向相反；环形支架（6）内固定连接有三个相对称并用于向对应成型刀具（3）方向喷射金属加工液的喷头（7），且所述金属加工液内添加有直径为20μm～50μm的纳米粒子；

所述电机（16）和所述电动直线模组（56）均与控制所述成型设备运行的单片机电性连接，所述安装板（2）上设置有实时监控三个成型刀具（3）旋转实时角速度的第一角速度传感器，所述送料机构（5）上设置有实时监测所述电动直线模组（56）向三个成型刀具（3）实时移动速度的速度传感器和带动所述纯铜基管（4）旋转的实时角速度的第二角速度传感器；所述单片机用于优化所述电机（16）实时做功功率，进而使三个所述成型刀具（3）以最优的旋转角速度对所述纯铜基管（4）进行轧制，包括以下步骤：

1）所述单片机实时获取所述第一角速度传感器、所述速度传感器和所述第二角速度传感器采集到的数据；

2）所述单片机构建所述纯铜基管(4)和三个所述成型刀具逆向旋转产生摩擦力的优化模型：

；

其中，R＞r＞0，60mm/s ≥ v(t) ≥ 20mm/s，μ为所述成型刀具（3）与所述纯铜基管（4）之间的摩擦系数；μ因材质不同而导致系数不同，R为所述成型刀具（3）中的单个环状轧制刀片（31）的半径，r为所述纯铜基管（4）的初始半径，m为一个所述成型刀具（3）的质量，g为重力加速度；P(t)为控制三个所述成型刀具（3）旋转的电机（16）的实时做功功率；v(t)为所述速度传感器实时监测得到的t时刻所述电动直线模组（56）向三个成型刀具（3）实时移动速度，ω ₁ (t)为所述第一角速度传感器实时监测得到的t时刻三个所述成型刀具（3）旋转实时角速度，ω ₂ (t)为所述第二角速度传感器监测得到的所述纯铜基管（4）旋转的实时角速度；

所述成型刀具（3）与所述纯铜基管（4）之间的摩擦系数μ的计算公式如下：

；

3）采用遗传算法优化所述步骤2）构建的优化模型，构建优化粒子剔除判断函数：

；

4）判断所述步骤2）的遗传算法优化得到的t时刻的三个所述成型刀具（3）旋转实时角速度ω ₁ (t)的所述步骤3）构建的优化粒子剔除判断函数值thr(t)是否大于粒子剔除阈值0.85，若大于，输出所述步骤2）优化得到的t时刻的三个所述成型刀具（3）旋转实时角速度ω ₁ (t)作为成型刀具以最优的旋转角速度单片机控制三个所述成型刀具以最优的旋转角速度对所述纯铜基管（4）进行轧制；否则重复所述步骤1）-步骤3）。

2.根据权利要求1所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：每个所述成型刀具（3）的一侧均固定连接有呈与所述纯铜基管（4）所在轴向平行方向并通过轴承穿插在安装板（2）上的第一转轴（21），安装板（2）的顶部固定连接有呈水平方向的固定板（8），固定板（8）上通过轴承转动插接有三个相对称并呈竖直轴向的第二转轴（9），每个第二转轴（9）的底部均固定连接有主动锥齿轮（10），且每个第一转轴（21）的一侧均固定连接有与对应主动锥齿轮（10）相啮合的从动锥齿轮（11），所述固定板（8）上设置有用于使三个所述第二转轴（9）进行同向速度相同的旋转的旋转组件。

3.根据权利要求2所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：所述旋转组件包括设置在固定板（8）上方的驱动件，驱动件用于驱动位于中间的第二转轴（9）进行旋转，位于中间的第二转轴（9）顶部固定套接有两个上下对称的第一同步轮（12），其余两个第二转轴（9）的顶部均固定套接有第二同步轮（13），且对应的第二同步轮（13）与第一同步轮（12）之间均通过齿槽缠绕有同步带（14）。

4.根据权利要求3所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：所述驱动件包括固定连接在固定板（8）顶部一侧的连接板（15），所述电机（16）的输出轴朝下且固定安装在所述连接板（15）的表面，所述电机（16）的输出轴末端与位于中间的第二转轴（9）顶部相固定。

5.根据权利要求1所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：所述送料机构（5）包括固定连接在底座（1）顶部并呈竖直方向的支撑板（51），支撑板（51）的顶部固定连接有内壁开设有螺纹的套筒（52），底座（1）顶部远离安装板（2）的一侧设置有可进行左右移动的L型支块（53），L型支块（53）上通过轴承转动连接有呈左右轴向并通过螺纹配合穿插在套筒（52）上的螺纹杆（54），所述螺纹杆（54）的周向表面一侧固定套接有环形限位板（55），纯铜基管（4）内开设有内螺纹（41），且所述纯铜基管（4）通过所述内螺纹的配合套接在螺纹杆（54）朝向安装板（2）的一侧并抵触在环形限位板（55）的表面上；所述L型支块（53）固定连接在所述电动直线模组（56）的滑台上。

6. 根据权利要求1所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：所述纳米粒子为纳米Cu、纳米Ni、纳米石墨烯、纳米ZnO、纳米CuO、纳米TiO₂、纳米SiO₂、纳米Al₂O₃、纳米WS₂、纳米CuS、纳米MoS₂、LaF₃、CeBO₃、CeO₂、纳米C/纳米MoS₂复合纳米粒子、纳米TiO₂/纳米氧化石墨烯复合纳米粒子或纳米MoS₂/纳米SiO₂复合纳米粒子；所述纳米粒子在金属加工液中的质量分数含量为0.8-1.0%；所述成型刀具由符合GB/T 3077-1999标准的高强度合金钢制造，包括35CrMnSiA、W18Cr4V、20CrMnTi、W12Cr4V4Mo、YG8、YT15和YW2中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：所述环状轧制刀片（31）的数量为11～14个，且所述咬入区的环状轧制刀片（31）数量为5～6个，所述碾轧区的环状轧制刀片（31）数量为3～4个，所述整合区的环状轧制刀片（31）数量为3～4个。

8.根据权利要求1所述的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面成型设备，其特征在于：所述喷头（7）的喷射方向与成型刀具（3）的径向之间形成有夹角α，喷头（7）的喷射方向与纯铜基管（4）的轴向之间形成有夹角β，且α＝β＝45°。

9.一种采用根据权利要求1-8任一所述设备的三维翅片圆管的纳米流体自润滑外表面的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，所述电动直线模组（56）控制所述送料机构（5）将所述纯铜基管（4）向三个所述成型刀具（3）方向左右移动的同时，以与左右移动相垂直平面内的绕其轴心螺旋旋转的形式输入至三个所述成型刀具（3）的成型加工工位；

步骤二，启动所述电机（16）以与所述纯铜基管（4）螺旋旋转相反方向控制三个所述成型刀具（3）对所述纯铜基管（4）挤压与切槽，实现对所述纯铜基管（4）的咬合轧制；

步骤三，在所述步骤一与所述步骤二的挤压与切槽过程中，所述喷头（7）不断的向成型刀具（3）与第二转轴（9）表面接触处喷射金属加工液；

步骤四，夹持成型后的三维翅片管并旋转，使其通过螺纹配合从所述送料机构（5）上取出，即可得到成型后三维翅片圆管。

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