參與光管換熱器脹接過(guò)程的主要是脹頭、光管和翅片，依靠脹頭的前 R 角和直線段提供脹接力，光管和翅片依次發(fā)生變形后回彈，完成光管和翅片的連接貼合。接下來(lái)將分別從脹頭、光管和翅片各自參數(shù)進(jìn)行分析，研究其對(duì)脹接工藝過(guò)程的影響程度，并提出光管換熱器的優(yōu)組合工藝參數(shù)。

一、脹頭直徑

脹頭在脹接過(guò)程起到主要作用的是脹頭直徑，在成形過(guò)程提供徑向脹接力，是實(shí)現(xiàn)光管和翅片擴(kuò)徑的關(guān)鍵因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要選擇合適的脹頭尺寸，避免換熱器欠脹和過(guò)脹。

欠脹：換熱管脹接過(guò)程擴(kuò)徑不足，致使換熱管和翅片未能連接在一起。

過(guò)脹：換熱器被過(guò)度脹接，換熱管有存在破裂的隱患，導(dǎo)致冷卻液泄漏的后果。

因此，實(shí)際脹接過(guò)程中：

（1）要選擇合適的脹頭直徑，保證換熱器的脹接質(zhì)量；

（2）及時(shí)檢查脹頭的尺寸，脹頭直徑在多次脹接工藝后會(huì)因?yàn)槟p而變小，若脹頭直徑不在適用范圍，需要及時(shí)更換脹頭以避免出現(xiàn)換熱器欠脹現(xiàn)象。

為了探究脹頭直徑對(duì)光管換熱器脹接貼合度的影響，采用二維軸對(duì)稱模型對(duì)脹頭直徑參數(shù)進(jìn)行仿真分析。在目前生產(chǎn)實(shí)際允許的脹頭直徑范圍內(nèi)選取 6.86 mm、6.90 mm、6.94 mm、6.98 mm、7.02 mm 和 7.06 mm 這 6 個(gè)脹頭直徑，脹頭、光管和翅片的其他參數(shù)保持不變。脹頭驅(qū)動(dòng)力是指脹頭沿軸線方向提供的脹接力，主要包括脹頭前 R 角作用于光管和翅片的軸向力和克服脹頭與光管間摩擦力。

從圖 4-1 中得知：

隨著脹頭直徑增大，脹頭前 R 角參與脹接的部分增加，則作用于光管的軸向力和脹頭與光管間的摩擦力增加，從而脹頭所提供的驅(qū)動(dòng)力峰值隨之增加，其規(guī)律幾乎呈線性變化。光管減薄率是指脹接前后光管壁厚之差與脹接前光管壁厚比值的百分比，其值隨脹頭直徑增大呈線性增加，說(shuō)明光管變薄程度越大，所以選擇的脹頭直徑不宜過(guò)大，否則出現(xiàn)光管壁厚過(guò)薄導(dǎo)致破裂的結(jié)果。

由圖 4-2可以看到：隨著脹頭直徑增大，光管和翅片之間的大間隙值逐漸增大，從脹接角度和傳熱角度來(lái)看，選擇較小脹頭直徑更適用于脹接工藝。

由圖 4-3得知：光管和翅片在兩端有接觸力，中間段接觸力為 0，說(shuō)明脹接過(guò)后光管和翅片僅在兩端有接觸，中間部分存在間隙，兩端接觸力大小無(wú)明顯規(guī)律。

另外，圖 4-3 顯示左端接觸位置隨著脹頭直徑的增大不斷向左邊移動(dòng)，右端接觸位置不斷右移，其原因是脹頭直徑的增大使得脹接過(guò)程中翅片被接觸的位置從直線段往左側(cè)圓角處變化，而此時(shí)翅片內(nèi)壁拱起也隨著脹頭直徑增大越嚴(yán)重，使得翅片被接觸位置從直線段往右側(cè)圓角移動(dòng)。

二、光管外徑

光管外徑是光管主要的幾何參數(shù)之一，一般光管外徑是固定值，作為定義換熱器規(guī)格的直接參數(shù)。然而在生產(chǎn)換熱管過(guò)程無(wú)法加工制造出精準(zhǔn)工件尺寸，通常用尺寸公差來(lái)衡量和判斷工件尺寸是否合格。為了探究光管外徑公差對(duì)脹接工藝質(zhì)量的影響，對(duì)光管外徑公差以 0.02 mm 劃分，得到 6.96 mm、6.98 mm、7.00 mm、7.02 mm 和7.04 mm 五組光管外徑，其他尺寸參數(shù)保持不變。

由圖 4-4得知：脹頭徑向力峰值比脹頭驅(qū)動(dòng)力峰值的兩倍還大。在光管外徑公差范圍內(nèi)，隨著光管外徑的增加，脹頭驅(qū)動(dòng)力峰值和脹頭徑向力峰值呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律。

其原因是在光管外徑增加和光管壁厚保持不變的情況下，即光管內(nèi)徑不斷增加，脹頭前 R 角與光管內(nèi)壁初始接觸的位置不斷后移至靠近直線段，接觸點(diǎn)切線方向與軸線夾角不斷變小，分配到軸線方向的力越來(lái)越??；脹頭直徑大于光管內(nèi)徑，當(dāng)光管內(nèi)徑增加，脹頭在徑向提供的脹接力不斷減小，脹頭和光管內(nèi)壁的摩擦力也隨之減小，則導(dǎo)致脹頭驅(qū)動(dòng)力減小。

由圖 4-5 明顯看到：在此光管外徑公差范圍內(nèi)得到的光管換熱器仍然存在間隙，其間隙主要出現(xiàn)在翅片孔內(nèi)壁中間部位，五組光管外徑參數(shù)中 7.00 mm 處的大間隙值大。

從圖 4-6 的接觸力情況可以看出：光管和翅片間脹后接觸力集中在路徑兩端，右端接觸力普遍大于左端接觸力，兩端接觸力與光管外徑參數(shù)變化無(wú)明顯規(guī)律，但兩端接觸位置基本維持在同一地方，也就是說(shuō)光管和翅片之間的接觸長(zhǎng)度不隨光管外徑的變化而變化。光管外徑公差對(duì)光管換熱器的脹接質(zhì)量無(wú)影響，在實(shí)際脹接工藝之前僅需保證換熱器尺寸在公差范圍要求內(nèi)即可。

三、光管壁厚   

光管壁厚是光管另一個(gè)重要幾何參數(shù)。脹接工藝過(guò)程中可能會(huì)因光管壁厚過(guò)小而導(dǎo)致光管破裂，造成換熱器報(bào)廢的結(jié)果，所以需要在脹接工藝中合理地選用光管壁厚參數(shù)。選取 0.21~0.27 mm 七組光管壁厚作為仿真參數(shù)，脹頭、光管和翅片的其他參數(shù)保持不變，從而探究光管壁厚對(duì)脹接工藝結(jié)果的影響。

如圖 4-7 所示：其中七個(gè)間隙值值相差程度達(dá) 53.55%，變化程度較大，表明光管壁厚參數(shù)對(duì)管翅間貼合有較大的影響。隨著光管壁厚的增加，光管與翅片之間的大間隙值增大。

由圖4-8 看到：圖4-8結(jié)合圖4-7，路徑中間部分接觸力為 0，說(shuō)明此部分存在間隙，同樣是光管和翅片在兩端接觸，其殘余接觸力大小與光管壁厚參數(shù)無(wú)明顯關(guān)系，但左端接觸位置隨著光管壁厚的增加有些許沿路徑左移且接觸長(zhǎng)度減少，原因是在光管壁厚增加條件下，脹接過(guò)程中脹頭前 R 角疊加光管壁厚會(huì)更早地通過(guò)翅片圓角處接觸到翅片，即便光管和翅片回彈后，翅片圓角處仍與光管接觸。右端接觸位置也隨著光管壁厚增加沿路徑右移，總體上管翅間接觸長(zhǎng)度減少。

由此，應(yīng)該選擇較小的光管壁厚完成換熱器脹接。

由圖4-9 看到：光管壁厚增加和光管外徑保持不變的情況下，相當(dāng)于光管內(nèi)徑增加，脹頭需要通過(guò)更小的光管管道完成脹接，則脹頭在脹接過(guò)程中需要提供更多的驅(qū)動(dòng)力促使光管發(fā)生變形，脹頭驅(qū)動(dòng)力與光管壁厚參數(shù)為正比關(guān)系。不同光管壁厚在其他工藝參數(shù)不變的情況下有著不同的減薄率。光管壁厚增加，光管在隨之增大的脹頭驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生更大的變形量，其光管減薄率隨之增加。

四、翅片內(nèi)徑

翅片內(nèi)徑是影響管翅連接的重要幾何參數(shù)，若翅片內(nèi)徑過(guò)小，脹接過(guò)程會(huì)導(dǎo)致翅片嚴(yán)重變形，影響換熱器脹接質(zhì)量，若翅片內(nèi)徑過(guò)大，則翅片無(wú)法被脹接，脹后光管和翅片不連接。

為此，需要對(duì)翅片內(nèi)徑參數(shù)進(jìn)行研究，研究其對(duì)脹接工藝的影響。在保證實(shí)現(xiàn)光管和翅片都發(fā)生變形的情況下，分別選取 7.30 mm、7.31 mm、7.32 mm、7.33 mm、7.34 mm 和 7.35 mm 這 6 個(gè)翅片內(nèi)徑，保持其他工藝參數(shù)不變，得到以下仿真結(jié)果。

由圖 4-10顯示：隨著翅片內(nèi)徑參數(shù)增大，管翅之間的大間隙值相應(yīng)減小，變化趨勢(shì)明顯，說(shuō)明翅片內(nèi)徑是影響光管換熱器脹接貼合度的重要因素。

結(jié)合圖 4-11 光管和翅片間的脹后接觸力情況：在翅片內(nèi)徑影響下仍然是翅片內(nèi)壁中間部分不與光管接觸。翅片內(nèi)徑對(duì)管翅接觸力無(wú)明顯影響，左端管翅接觸力峰值基本體現(xiàn)在同一個(gè)位置，左右兩端的接觸力峰值都分布在 10 N~30 N。當(dāng)翅片內(nèi)徑 7.30 mm 增加到 7.35 mm，管翅之間接觸長(zhǎng)度逐漸由小變大。

綜上所述，對(duì)于光管換熱器來(lái)說(shuō)，適當(dāng)增大翅片內(nèi)徑參數(shù)有利于換熱器脹接成形。

從圖 4-12 所示的光管減薄率結(jié)果來(lái)看：雖然隨著翅片內(nèi)徑增加呈下降趨勢(shì)，但是光管壁厚數(shù)值為毫米級(jí)，脹接后六組參數(shù)的光管壁厚相差大值為 0.2 μm，結(jié)果相差并不大，因此翅片內(nèi)徑對(duì)光管減薄率無(wú)影響。翅片內(nèi)徑增大，脹頭前 R 角疊加光管接觸到翅片的部分減少，需要成形的材料減少，脹頭驅(qū)動(dòng)力自然減小，從能耗角度分析，較大的翅片內(nèi)徑能較好地減少脹管機(jī)消耗能源。

如圖 4-13 所示：其規(guī)律是隨著脹頭直徑增大、光管壁厚增大、翅片內(nèi)徑減小，翅片所受的軸向力峰值增大。這三個(gè)參數(shù)分別通過(guò)影響接觸點(diǎn)切線方向與軸線方向的夾角α 大小進(jìn)而影響翅片所受的軸向力大小，其中脹頭直徑因素影響大。當(dāng)脹頭直徑增大，脹頭前 R 角更前端接觸到光管和翅片，使得夾角α 變大，導(dǎo)致軸向力越大。

另外，改變翅片內(nèi)徑大小，又可以理解為調(diào)整光管和翅片孔的配合間隙，翅片所受軸向力與配合間隙呈反比關(guān)系。結(jié)合前面三個(gè)參數(shù)所述的大間隙值變化規(guī)律，得知翅片所受軸向力是影響脹接后光管和翅片間隙的關(guān)鍵因素，可以得到翅片所受軸向力與大間隙值為正比關(guān)系的結(jié)論。

五、翅片壁厚

為了更好地了解翅片壁厚對(duì)光管換熱器脹接的影響，分別選取 0.090 mm、0.095 mm、0.100 mm、0.105 mm 和 0.110 mm 五組翅片壁厚參數(shù)進(jìn)行脹接工藝仿真，保持其他工藝參數(shù)不變，得到以下仿真結(jié)果。

圖 4-14 所示：其變化規(guī)律是先增大后減小再增大，但整體變化幅度不大，五組大間隙值值相差 0.586μm，可以認(rèn)為翅片壁厚對(duì)脹接成形后的管翅間隙影響較小。

圖15

如圖 4-15 所示：

右端接觸力和接觸位置在翅片壁厚影響下變化較小，左端接觸長(zhǎng)度則受影響較大，整體上光管和翅片接觸長(zhǎng)度與翅片壁厚成正比關(guān)系。

圖16

結(jié)合圖4-14 和圖 4-15 的結(jié)果，適當(dāng)增大翅片壁厚可以一定程度地提升脹后管翅貼合情況。

如圖 4-16 所示：很明顯地看到，五組翅片壁厚參數(shù)的換熱器在脹接后只有兩種光管減薄率，且兩者相差不大，情況與翅片內(nèi)徑參數(shù)的類似，說(shuō)明在脹接過(guò)程中翅片壁厚對(duì)光管減薄率沒(méi)有影響。脹頭驅(qū)動(dòng)力峰值隨著翅片壁厚增加先增大后減小再增大，其在 295 N~317 N 區(qū)間內(nèi)變化，與前面分析的四個(gè)參數(shù)相比，翅片壁厚對(duì)脹頭驅(qū)動(dòng)力峰值的影響較小。

六、翅片翻邊高度

翅片翻邊高度是控制翅片片距的主要因素，而翅片片距對(duì)換熱器換熱功能起到十分重要的作用，一般根據(jù)實(shí)際情況選擇合適翻邊高度控制翅片片距，并保證換熱管不外露。為了探究翅片翻邊高度對(duì)光管換熱器的脹接貼合度影響，分別選取翅片翻邊高度為13 FPI、15 FPI、17 FPI 和 19 FPI 四種參數(shù)，F(xiàn)PI 是指每英寸換熱管的翅片數(shù)（Fins Per Inch），通過(guò)仿真得到以下脹接結(jié)果。

如圖 4-17所示：在保持其他生產(chǎn)參數(shù)不變的情況下，光管和翅片之間存在的大間隙值隨著翅片翻邊高度的增加先增加再略微減小，大間隙值變化程度相對(duì)較大，說(shuō)明翅片翻邊高度對(duì)光管和翅片的脹接貼合度有影響。

如圖 4-18 所示：截取的路徑長(zhǎng)度隨翅片翻邊高度變化會(huì)有所不同，F(xiàn)PI 越大，翅片翻邊高度越小，截取的路徑長(zhǎng)度就越小。對(duì)于不同翅片翻邊高度的換熱器，光管和翅片右端接觸力比左端接觸力大，并且兩端接觸力都有所變化，但變化程度相對(duì)較小。

如圖 4-19 所示：脹頭驅(qū)動(dòng)力峰值在 310.5 N~314 N 區(qū)間波動(dòng)，其波動(dòng)范圍較小，基本上翅片翻邊高度對(duì)脹頭驅(qū)動(dòng)力影響不大。四種翅片翻邊高度的光管換熱器選用相同的光管壁厚，脹接仿真后四個(gè)光管換熱器的光管減薄率維持在 4.167%和 4.208%兩個(gè)水平，其四根光管的脹后壁厚相差僅 0.1 μm，因此翅片翻邊高度參數(shù)對(duì)光管壁厚脹接前后變化基本無(wú)影響。

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