Анализ технологических процессов штамповки теплообменных панелей

The article presents the hypothesis of the occurrence of sticking of aluminum alloys on the rolls and carried out an experimental test of the stated hypothesis. An experimental method for determining the adhered metal on the rolls is presented.

Key words: rolling, sticking, hypothesis, coating, measurement.

Kalinin Arseniy Stanislavovich, student, mt13@,bmstu.ru, Russia, Moscow, MGTUim. N.E. Baumana

Serezhkin Mikhail Aleksandrovich, student, serezhkin@bmstu. ru, Russia, Moscow, MGTU im. N.E. Baumana

УДК 621.7.043

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШТАМПОВКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ

М.С. Зародов

Рассмотрены современные методы получения теплообменных панелей. Проанализированы условия их применения на производстве при различной серийности.

Ключевые слова: теплообменная панель, листовая штамповка, формовка, гидроформовка.

Теплообменные панели представляют собой детали теплообменника с плоской поверхностью теплопередачи. Они могут использоваться по отдельности или быть объединенными в батареи в таких установках, как рекуператоры, газоохладители, пленочные испарители, льдоаккумуляторы, установки для сушки, гальванические ванны, батареи отопления и др.

Пластинчатая конструкция теплообменника более технологична по сравнению с трубчатой из-за возможности создания каналов различной конфигурации и выгоднее в экономическом плане, поскольку стоимость листового материала на единицу поверхности ниже стоимости труб. Поэтому область применения теплообменных панелей очень обширна.

Теплообменная панель состоит из соединенных между собой профилированных листов, образующих каналы (рис. 1). По ним может циркулировать теплоноситель в виде жидкости или газа, снаружи панель может также окружать жидкостная или газовая среда. Теплообмен между средами происходит через стенки панели.

Теплообменные панели производятся из различных материалов: стали, коррозионно-стойкой стали, алюминиевых, никелевых, титановых и других сплавов. Используемая толщина листов от 1 до 3 мм зависит от материала и рабочего давления.

К теплообменным панелям предъявляют следующие требования: высокая интенсивность теплопередачи, низкая металлоемкость, простота и компактность конструкции, безопасность и удобство эксплуатации, легкость очистки от загрязнений, удобство перевозки и монтажа, низкая стоимость.

Технология производства определяет стоимость изготовления и оказывает значительное влияние на обеспечение прочности и долговечности конструкции. Условно технологии производства теплообменных панелей можно разделить на две группы по последовательности операций (рис. 2).

Рис. 2. Классификация технологий производства теплообменных

панелей

В технологиях первой группы формоизменение предшествует соединению листов.

Формовка в штампе

1. Формовка жестким инструментом. Формовка представляет собой изменение формы заготовки, заключающееся в образовании рельефа за счёт утонения материала. При формовке материал в основном подвергается растяжению. Металлические штампы для формовки обычно содержат матрицу и пуансон (рис. 3, а), повторяющие конфигурацию штампуемого рельефа с учётом зазоров [3]. Технология применяется в условиях массового производства и небольшой номенклатуры.

I I

Рис. 3. Схема процесса формовки жестким

инструментом

293

2. Формовка эластичной средой. При небольших партиях изготавливаемых деталей стремятся применять более простую, универсальную штамповую оснастку, которую легко переналадить на выпуск разнообразных деталей. Использование в таких случаях дорогостоящих, сложных, специализированных штампов, предназначенных для штамповки только одной детали экономически неоправданно. Удешевление деталей, штампуемых в условиях мелкосерийного и единичного производства, достигается за счет использования нетрадиционных способов обработки листового материала. В связи с этим при изготовлении деталей в мелкосерийном и единичном производстве находят широкое применение эластичный инструмент [4]. При штамповке эластичной средой одну из рабочих частей штампа (пуансон или матрицу) изготавливают из эластичного материала (рис. 3, б). Давление от инструмента распределяется равномерно ко всей поверхности заготовки, что приводит к увеличению силы штамповки по сравнению со штамповкой в жёстких штампах и положительно влияет на качество поверхности.

Профилирование на многовалковых машинах

1. Профилирование жестким инструментом. Профилированием изготавливают тонкостенные профили сложной конфигурации и большой длины (рис. 4). Оборудованием являются специальные многороликовые профилировочные машины. Процесс профилирования заключается в постепенном преобразовании плоской заготовки в форму требуемого профиля при последовательном прохождении полосы или ленты через несколько пар вращающихся фигурных роликов. Количество пар роликов, необходимое для изготовления того или иного профиля, зависит от степени сложности его конфигурации [3].

2. Профилирование валками с эластичным покрытием. Формовка тонкостенных деталей эластичной средой осуществляется в открытом объёме, что позволяет локализовать очаг пластической деформации и при относительно небольших силах обеспечить формообразование деталей больших размеров. Процессы локальной формовки в валках с эластичным покрытием подробно исследованы в работах [5, 6].

Профилирование применяется при крупносерийном и массовом производстве теплообменных панелей с продольными каналами.

Деформирование на станах локальной формовки

Станы локальной формовки - специальные устройства для нанесения рельефа на поверхность тонколистового металла методом локальной формовки, где рельеф формируется при прохождении заготовки между вращающимся валом с эластичной оболочкой из полиуретана и сменной матрицей с заданным технологическим профилем (рис. 4). Формовка всех каналов на данном стане происходит за один проход при перемещении стола с профилированной матрицей и заготовкой под валком с эластичным покрытием, при предварительном прижиме валка к заготовке. Такое оборудование эффективно в условиях мелкосерийного производства, где характерна большая номенклатура деталей, небольшие

партии изделий с частой их сменяемостью, а также возникает необходимость быстрой переналадки оборудования на выпуск новых изделий [7].

Г" А

ЬД

Рис. 4. Схема формовки плоской детали: 1 - жёсткий валок; 2 - эластичное покрытие; 3 - деталь; 4 - матрица

В технологиях второй группы формоизменение происходит после соединения листов, которое обычно осуществляется с помощью сварки. Процессы по технологии сварки можно разделить на 2 типа.

1. Диффузионная сварка и пневмоформовка. Перед сваркой листы металла (алюминий или медь) очищают от окисных пленок, наносят слой разделительного материала (графитовая паста), повторяющий конфигурацию каналов в панели, складывают вместе, разогревают и прокатывают. В процессе прокатывания на границе пары листов образуется межатомное соединение по всей поверхности, кроме обработанных зон, поэтому в этих местах металл может быть разделен путем раздачи. После отжига и правки заготовка подается в специальный штамп, в котором происходит заполнение каналов воздухом. Под действием внутреннего давления канал по контуру рисунка раздается, принимая форму гравюры штампа. Таким методом, например, изготавливаются испарители для холодильников.

Также технологией сварки давлением и формовки газом [8] можно получать двух- и трехслойные радиаторные и корпусные панели с продольными каналами, четырехслойные ячеистые конструкции.

2. Сварка и гидроформовка. Контактной или лазерной сваркой соединяются пара листов в определенных местах, создается нужный рисунок. Затем в полученную полость между листами подают жидкость под высоким давлением для образования каналов (рис. 5).

Штуцвр Выход

Штуцер Вход

Рис. 5. Схема процесса гидроформовки

295

К преимуществам данной технологии можно отнести отсутствие необходимости применения штамповой оснастки и кузнечно-прессового оборудования, упрощение процесса сварки (т.к. свариваются плоские листы), гибкость производства. Технология используется при единичном или мелкосерийном выпуске.

В научной литературе не найдены рекомендации по проектированию техпроцесса изготовления теплообменных панелей из сваренных листов методом гидроформовки с продольными каналами.

Были созданы опытные образцы панели для выявления возможных технологических отказов (рис. 6). В ходе экспериментов выяснилось, что на детали возможно появление следующих дефектов: потеря устойчивости фланца и стенок панели, нарушение целостности стенки и сварного шва. Было выявлено, что при определенных соотношениях геометрических размеров (ширины каналов, толщины листа, габаритов панели) дефекты не проявляются.

Рис. 6. Складки на фланце и стенках теплообменной панели

Выводы. 1. В результате рассмотрения основных технологий получения теплообменных панелей было определено, что выбор технологии зависит от серийности, материала, конфигурации и габаритных размеров детали.

2. Технологии гидро/пневмоформовки являются перспективными в единичном и мелкосерийном производстве, так как обеспечивают гибкость производства при наименьших затратах.

3. Технология гидроформовки сварных конструкций из листа обладает рядом преимуществ по сравнению с остальными, но ее применение на производстве ограничивается отсутствием методики проектирования технологического процесса. Для создания такой методики необходимо изучить потерю устойчивости и разрушение в процессах гидроформовки.

Список литературы

1. Фраас А. Расчет и конструирование теплообменников. М.: Ато-миздат, 1971. 356 с.

2. Ramesh K. Shah, Dus^an P. Sekulic. Fundamentals of heat exchanger design. n.y.: John Wiley & Sons. Inc., 2003. 941 p.

296

3. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979. 513 с.

4. Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки: учебник для вузов 2-е изд., стер. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. 478 с.

5. Закиров И. М., Лысов М. И. Гибка на валках с эластичным покрытием. М.: Машиностроение, 1985.

6. Семёнов И.Е. Локальная формовка эластичной средой // Вестник машиностроения, 1997. №5. С. 19 - 21.

7. Устройство для изготовления изделий с выпукло-вогнутым рельефом из листового металла: пат. 2071853. РФ. №94012731; заявл. 12.04.1994.

8. Яковлев С.С., Чудин В.Н., Ларин С.Н. Технологические основы формоизменения многослойных листовых конструкций //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. № 5. Ч. 3. С.186 - 191.

Зародов Максим Сергеевич, аспирант, maxzar02@mail. ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

HEA T-EXCHANGE PANELS FORMING PROCESSES ANALYSIS

M.S. Zarodov

The modern methods of obtaining heat exchange panels are considered, the conditions of their use in the production with the various parts seriality are evaluated

Key words: heat exchanger plate, panelcoils, sheet-metal forming, hydroforming.

Zarodov Maxim Sergeevich, postgraduate, maxzar02@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University