技术：光管换热器胀接工艺质量影响因素分（fèn）析

参与光管换热器胀接过程的主要是胀头、光管和（hé）翅片，依靠胀头的前 R 角和直线段提供胀接力，光（guāng）管和翅片依次发生变形后回弹，完成光管和翅片的连接贴合。接下来将分别从胀头、光管和翅片（piàn）各自参数进行分析，研究其（qí）对胀接工艺过程的影（yǐng）响程度，并提出光管换热器的优组合工艺参数。

一、胀头直径（jìng）

胀头在胀接过程起到主要作用的（de）是胀（zhàng）头直径，在（zài）成形过程提供径向胀接力，是实现光管和翅片扩径的关键因素。在实际生产中，需要选择合适的胀头尺寸，避免换热器（qì）欠（qiàn）胀（zhàng）和过（guò）胀。

欠胀：换热管胀接过程扩径（jìng）不足，致使换热管和翅片未能连接在一起。

过胀：换热（rè）器被过度胀接，换热管有存在破裂的隐（yǐn）患，导致冷却（què）液泄漏的后果。

因此（cǐ），实际胀接过程中：

（1）要选择（zé）合适的胀头（tóu）直径，保证换热器的胀接质量（liàng）；

（2）及时检查胀头的尺寸，胀头直径在多次胀接工艺后会因为磨损（sǔn）而变小，若胀头直径不在适用范围，需要及时更换（huàn）胀头以避免出现换热器（qì）欠胀现象。

为了探（tàn）究胀头直径对光管换热器胀接贴合度的影响，采用二维轴对称模型对胀头直径参数进行仿（fǎng）真分析。在目前生产实际允许的胀头直径范围内选取 6.86 mm、6.90 mm、6.94 mm、6.98 mm、7.02 mm 和 7.06 mm 这 6 个胀头直径，胀头、光管和翅片的其他参（cān）数保持不变。胀（zhàng）头驱动力是指胀头沿轴线方向提供的胀接力，主要包括胀头（tóu）前 R 角作用于光管和翅片的轴向力和克服胀头与光管间摩擦力。

从图 4-1 中得知：

随着胀（zhàng）头直径增大，胀头前 R 角参与胀接的部分增加（jiā），则作用于光管的轴向力和胀头（tóu）与光管间的摩擦力增加，从而胀头所提供（gòng）的驱动力峰值随之增加，其规律几乎呈线性变化。光管减薄率是指胀接前后光管壁厚之（zhī）差与胀接前光管壁厚比值的百分比，其值随胀头直径增大呈（chéng）线性增加，说明光管变薄程度（dù）越大，所以选择的胀头（tóu）直径不宜过大，否则出现光管壁厚过薄导致破裂的结果。

由图 4-2可以看到：随着（zhe）胀头直径增大，光管和翅片之间的大间隙值逐渐增大，从胀接角度和传热角度来看，选择较小（xiǎo）胀头直径更适（shì）用于胀接工艺。

由图 4-3得（dé）知：光（guāng）管和翅（chì）片（piàn）在两端有接触（chù）力（lì），中间段接触力为 0，说明胀接过后光管和翅片仅在（zài）两端有接触，中间部分存在间隙，两端接触力大小无明显规律。

另外，图 4-3 显示左端接触位置随着胀头直径的增大不断向左边移动，右端接触位置不断右移，其原因是胀头直（zhí）径的增大使得胀接过程中翅片被接触的位（wèi）置（zhì）从直线段往（wǎng）左侧圆角处变化，而此时翅片内（nèi）壁拱起也（yě）随着胀头直径增大越严重，使得（dé）翅片被接触（chù）位置从直线段往右侧圆角移动。

二、光管外径

光管外径是光（guāng）管主要的几何（hé）参数之一，一般光管外径（jìng）是固定值，作为定义换热器规格的直接参数。然而在生产换热管过程无法加工制造出精准工（gōng）件尺（chǐ）寸，通常（cháng）用尺寸公差来衡量和判断工件尺寸是否（fǒu）合格。为了探究光管外径公差对（duì）胀接工艺质量的（de）影响，对光管外径公差（chà）以 0.02 mm 划分，得到 6.96 mm、6.98 mm、7.00 mm、7.02 mm 和7.04 mm 五组光管外径，其他尺寸参数保持不变。

由图 4-4得知（zhī）：胀头径向力峰值比胀头驱动力峰值的（de）两倍还大（dà）。在（zài）光管外径公差范围（wéi）内，随着光管外径的增加，胀头驱动力峰值（zhí）和胀头径向力（lì）峰值呈现逐渐减小的变化规律。

其原因是在光（guāng）管外径增加和光管（guǎn）壁厚保持不变（biàn）的情况下，即光管内径不断增加，胀头前 R 角与光管内（nèi）壁初始接触的位置不断后（hòu）移至靠近直线段，接触点切线方向与轴线夹（jiá）角不（bú）断变小，分配到轴线方（fāng）向的力越来越（yuè）小；胀头（tóu）直径大于光管内径，当光管内径增加，胀头在径向提供的胀接力不断减小，胀头和（hé）光管内壁的摩擦力也随之减小，则导致胀头驱动力减小。

由图 4-5 明显看到：在此光管外径公差范围内得到的光管换热器仍然存在间隙，其间隙主要出现在翅片孔内壁中间部位，五组光管外径（jìng）参数中 7.00 mm 处的大间隙值大。

从图 4-6 的接触力（lì）情况可以看出：光管和翅片（piàn）间胀后接触力集中在路径两端，右端接触力普遍大于左端接触力，两端接触力与光管外径参数变化无明显规律，但两端（duān）接触位（wèi）置基本维持在同一地方，也就是说光管和翅片（piàn）之间的接触（chù）长度不随光管外径的变化而变化。光（guāng）管外径公差对光管换热器的胀接质量无影响，在实际胀接工艺之前仅需保证换（huàn）热器尺寸在公差范围要求内即可。

三、光管壁厚   

光管壁厚是光管另一个重要几何参数。胀接工艺过程中可能（néng）会因光管壁厚过小而导致光管破裂（liè），造成换热器报废的结果，所以需要在胀接工艺中合理地选用光管壁厚参数。选取 0.21~0.27 mm 七组光管壁厚（hòu）作为（wéi）仿真参数，胀头、光管和翅片的其他参数保持不变，从而探（tàn）究光管壁厚（hòu）对胀接工艺结果的影响。

如图 4-7 所示：其中七个间隙值值相差程度达 53.55%，变化程（chéng）度较大，表明光管壁厚（hòu）参数对管翅间贴合有较大的影响。随着光管壁厚的增加，光管与翅片之间（jiān）的大间（jiān）隙值增大。

由图4-8 看到（dào）：图4-8结合图4-7，路径中间（jiān）部分接（jiē）触力（lì）为 0，说明此部分存在（zài）间隙，同样是光管和翅（chì）片在两端接触，其残余接触力大小与光管壁厚参数无明显关系，但左端（duān）接触位置随着光管壁厚（hòu）的增加有些许沿路径左移且接触长度减少，原因是在（zài）光管壁厚增（zēng）加条件下，胀接过程（chéng）中胀头前 R 角叠加光管壁厚会更早地通（tōng）过翅片圆角处接触到翅片，即便光（guāng）管和翅片（piàn）回弹后，翅片圆角处仍与光管接触。右端（duān）接触位置也随着光管（guǎn）壁厚增加沿路径右移（yí），总（zǒng）体上管翅间（jiān）接（jiē）触长度减少。

由此，应该选择较小（xiǎo）的光（guāng）管壁厚完成换热器（qì）胀接。

由图4-9 看到：光管壁厚增加和光管外径（jìng）保持不变的情况下，相当于光管内径增加，胀头需要通过更小的光管管道完成胀（zhàng）接，则（zé）胀头（tóu）在胀接过程中需要提供更多的驱动力（lì）促使光管发生变形，胀（zhàng）头驱动力与光管壁厚参数（shù）为正比（bǐ）关系。不同光管壁厚在其他（tā）工艺参数不变的情况下有着不同的减薄率。光管壁厚增加，光管在随之增大的胀头驱动力（lì）作用下发生更（gèng）大的变形量，其光管减薄率随之增加。

四、翅片内径

翅片内径是（shì）影响管翅连接的重要几（jǐ）何参数，若（ruò）翅片内径过小（xiǎo），胀接过（guò）程会导致翅片严重变形，影响换热器胀接质量，若（ruò）翅片内径过大，则翅片无（wú）法被胀接，胀后（hòu）光管和（hé）翅（chì）片不连接。

为此，需要对翅（chì）片（piàn）内径参数进（jìn）行研究，研究其对胀接工艺（yì）的影响。在保证实现光管和翅片都发生变形的情况下，分别选取 7.30 mm、7.31 mm、7.32 mm、7.33 mm、7.34 mm 和（hé） 7.35 mm 这 6 个翅片内径，保持其他工（gōng）艺参数不变，得到（dào）以下仿真结果。

由图 4-10显示：随着翅片内径参数增大，管翅（chì）之间的大间隙值（zhí）相应减小，变化趋势明显，说明翅片内径是影响光管换热器胀接贴合度的（de）重要因素。

结合图 4-11 光管（guǎn）和翅片间（jiān）的胀后接触力情（qíng）况：在翅片内径（jìng）影响下仍（réng）然是翅片内（nèi）壁（bì）中间部分不与光管（guǎn）接触。翅（chì）片内径对管翅接触力无明显（xiǎn）影响，左端管（guǎn）翅接触力峰值基本体现在同一个位置，左右两端（duān）的接触力峰值都分布在 10 N~30 N。当翅（chì）片内径 7.30 mm 增加到 7.35 mm，管翅之间接触长度逐渐由小变大。

综上所述，对于光管换热器来说，适当增大翅片内径参数有利于换热器胀接成形。

从图 4-12 所（suǒ）示的光管减薄率结果来看：虽然随着翅片内（nèi）径增加呈下降趋势，但（dàn）是光管壁厚数值为毫米级，胀接（jiē）后六组参数的光管壁厚相差（chà）大值为（wéi） 0.2 μm，结（jié）果相差并不大，因此翅片内径对光管减薄率无（wú）影响。翅片内径增大，胀头前（qián） R 角叠加光管接（jiē）触（chù）到翅片的部分减少，需要成形的（de）材料减少，胀头驱动力自然减小，从能耗角度分析，较大的翅片内径能较好地减少胀管机消耗能（néng）源。

如图 4-13 所示：其规律是随着胀头直（zhí）径增（zēng）大、光管壁（bì）厚增大、翅片内径减（jiǎn）小，翅片所受的轴向力峰值增大。这三（sān）个参数分（fèn）别通过影（yǐng）响接触点切线方向与轴线方向的夹角α 大小进（jìn）而影响翅片所（suǒ）受的轴向力大小，其中胀头直径因素影响大（dà）。当胀头直径增大，胀头前 R 角更前端接触到光管和翅片，使得夹（jiá）角α 变大，导致轴向力越大。

另外，改变翅片内径（jìng）大小，又可以（yǐ）理解为调整（zhěng）光管和翅片孔的配合间隙（xì），翅片所受轴向力与配合间隙呈反比（bǐ）关系。结合前面三个参（cān）数所述的大间隙值变化规律，得（dé）知翅片所受轴向力是影响胀接后光管和翅片间隙的关键因素，可以得到翅片所受轴向（xiàng）力与大间隙（xì）值为正比（bǐ）关系的结论。

五、翅片壁厚

为了更好地了解翅片壁（bì）厚对光管换热器胀接的影响，分别选取 0.090 mm、0.095 mm、0.100 mm、0.105 mm 和 0.110 mm 五组翅片壁（bì）厚参数进（jìn）行胀接工艺仿真，保持（chí）其他工（gōng）艺参数不变，得到以（yǐ）下仿真（zhēn）结果。

图 4-14 所示：其变化规律是先增大后减小再增大，但整体变化幅度不大，五组大间隙值值相差 0.586μm，可以认为翅片壁厚对胀接成形后的管翅间隙影响较小。

图15

如图 4-15 所（suǒ）示：

右端接触力和接触（chù）位置在翅片壁厚影（yǐng）响（xiǎng）下变化较小，左端接触长度则受影响较大，整体上光管和翅片接触长度与翅片壁厚成正比关系。

图16

结（jié）合图4-14 和图 4-15 的结果，适（shì）当（dāng）增大翅片壁厚可以一（yī）定程度地（dì）提升胀后管翅贴合情况。

如图 4-16 所示（shì）：很明（míng）显（xiǎn）地（dì）看到，五组（zǔ）翅片壁厚参数的换热器（qì）在（zài）胀接后只有两种光（guāng）管减薄率，且（qiě）两者相差不大，情况与翅片内径（jìng）参数（shù）的类似，说明在胀接过（guò）程中翅片（piàn）壁厚对光管减薄率没有（yǒu）影响。胀头（tóu）驱动力峰值随着（zhe）翅片（piàn）壁厚增加先增大后减小再增（zēng）大，其在 295 N~317 N 区间内变化，与前面分（fèn）析的四个参数相比，翅片壁厚对胀头驱动力峰值的影响较小。

六、翅片翻边高度

翅片翻边高度是（shì）控（kòng）制翅片片（piàn）距的主要（yào）因素，而翅片片距（jù）对换热（rè）器换（huàn）热功（gōng）能起到十分重要的作（zuò）用，一（yī）般根据实际情况选择合适翻边高度控制翅片片距，并保证换热管不外露。为（wéi）了探（tàn）究翅片翻边高度对光管换热器的胀接贴合度影响，分（fèn）别选取翅（chì）片翻边高度为13 FPI、15 FPI、17 FPI 和 19 FPI 四种参数，FPI 是指每英寸（cùn）换热管的翅片数（Fins Per Inch），通过仿真得到以下胀接（jiē）结果。

如图 4-17所（suǒ）示：在保持其他生产参数不变的情况下，光管（guǎn）和翅片之间存（cún）在的大间隙值随着（zhe）翅片翻（fān）边高度的增加先增加再略（luè）微减小，大间隙值变化程度相对较大，说明翅片翻边高（gāo）度对光管和（hé）翅片的胀接贴合度有影响（xiǎng）。

如图（tú） 4-18 所示：截取（qǔ）的路（lù）径长（zhǎng）度随翅片翻边（biān）高度变（biàn）化会有所不同，FPI 越大，翅（chì）片翻边高度越小，截取的（de）路径长度（dù）就越小。对于不同翅片翻边高度的换热器，光管和翅片右端接触力比左端接（jiē）触力（lì）大，并且（qiě）两端接触力都有所变化，但变化程度相对较小。

如图 4-19 所示：胀（zhàng）头驱动力峰值在 310.5 N~314 N 区间波动，其波动范（fàn）围（wéi）较小，基本上翅片翻边高度对胀头驱动力影响不大。四种翅片翻边高度的光（guāng）管换热器选（xuǎn）用相同的（de）光管壁厚，胀接仿真后四个光管换热器的光管减薄率维持在 4.167%和 4.208%两个水平，其四根光管的胀（zhàng）后壁厚相（xiàng）差仅 0.1 μm，因此翅片翻边高度参数（shù）对光管壁厚胀（zhàng）接前后变化基本无影响。

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