一种三维肋片换热板加工工艺的制作方法

本发明涉及一种换热板的加工工艺，具体涉及一种三维肋片换热板加工工艺。

背景技术：

现有的平板肋化壁面产品(换热板)通常是在基体表面设置有凸起/突出的翘片(所述凸起/突出的翘片又称之为肋片)，其加工制造方法一种是通过模具进行挤压、铸造等在平板基体表面形成凸出的翘片，另一种是对平板型材通过铣削加工形成凸出的翘片，还有在平板基体表面钎焊叠加制成凸起的翘片。

由于通过模具进行挤压、铸造而成以及通过铣削加工形成的平板肋化壁面产品比较粗糙，难以满足在特殊场合使用的三维肋片换热板；即使是通过钎焊制成的凸起翘片，但其焊缝处存在部分接触缝隙，容易堆积污垢，增加接触热阻，使得使肋壁换热效率降低。

基于现有平板肋化壁面产品加工方法存在的缺陷，发明人开发了一种新型的三维肋片换热板的加工工艺。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维肋片换热板加工工艺，使得加工出的三维肋片换热板的换热效率大幅增加。

除特殊说明外，本发明所述方向以附图中所示方向为准，本发明所述楔角是指刀齿的上端面与刀齿的下端面形成的夹角，本发明所述轴向是指依附图所示刀杆的水平运动方向，本发明所述斜向是指沿着水平面与垂直面之间的射线所指的方向。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

三维肋片换热板加工工艺，主要包括选材、下料、装夹、切削加工步骤，具体为：

步骤1：选材，选用具有可切削加工性、且延展性好的金属板材作为基体板；

步骤2：下料，将步骤1中的基体板预加工成厚度≥0.5mm的工件；

步骤3：装夹，将步骤2中的工件置于三维肋片换热板切削设备上定位；

步骤4：切削加工，启动三维肋片换热板切削设备，经切削加工即得三维肋片换热板；

所述三维肋片换热板切削设备包括主要由床身、床身导轨和设置在床身导轨上的床头箱构成的机床主体，在床头箱内设置有驱动机构和连接在驱动机构输出端的曲柄连杆机构，曲柄连杆机构一端连接驱动机构，另一端连接在刀杆的输入端，驱动机构与曲柄连杆机构共同推动刀杆在水平方向上做往复运动；在刀杆的输出端设置有刀具，在刀具上配合设置有进刀机构，刀具的刀齿带有57-63°的楔角，在进刀机构内设置有斜块，刀具的上端面可沿着斜块的斜面滑动，且通过驱动机构、曲柄连杆机构、刀杆、刀具与进刀机构的相互配合可使刀齿斜向或垂向切入。

进一步地，所述刀具包括刀体和刀片，刀片尖部设置有间隔排列的多颗刀齿，刀片通过刀体连接在拔齿机构上，且在刀体的中部的下端面设置有U型凹槽；所述刀具通过拔齿机构连接在刀杆的输出端，且拔齿机构可沿着刀杆轴向旋转调节刀具；优选地，所有相邻的刀齿等间距排列，且刀齿的宽度为0.5-5mm。

所述拔齿机构包括设置在刀杆上的拔齿导轨，用于调节刀具相对于工件高度的传动丝杆，以及用于驱动刀具在水平方向上做往复运动的伺服电机；

所述机床主体还包括连接在床头箱上且与床身导轨平行的副导轨，所述进刀机构垂直设置在副导轨与床身之间；

所述进刀机构包括进刀支架，进刀支架的上端面与副导轨相连，进刀支架的下端面固定在床身上；在进刀支架上设置有与床身导轨垂直的且能够上下调节斜块高度的进刀丝杆，进刀丝杆下端连接在斜块上，斜块通过斜块安装座安装在进刀支架上；

在刀具与床身导轨之间自上而下顺次设置有第一托板和第二托板，且工件可贴合在第一托板上；所述第一托板上设置有真空腔以及与真空腔连通的真空泵，且在真空状态下，工件的下端面可贴合固定在第一托板的上端面。

采用上述加工工艺，可在平板工件上加工出呈相互错位排列构造的肋片、且肋片与工件水平面之间形成20-90°夹角的三维肋片换热板；其特定的构造使得流经肋片表面的流体能够形成绕流、翻越流、扰流或混流，流体阻力小，通透性好，进而能够大幅提高换热效率。

为提高加工出的三维肋片换热板的平整度，所述装夹步骤中，工件采用真空吸附定位；具体为：先将工件安装于第一托板上并压紧，使工件底面与第一托板表面接触，然后启动真空泵，即可使工件的下端面贴合固定在第一托板的上端面。此工序能够够矫正工件的不平整度，起到柔性调节的作用，达到优异的固定效果，提高装夹的效率。

为提高加工出的三维肋片换热板的换热效率，所述切削加工步骤具体为：

点动床头箱控制开关，使刀具位于退刀极限；

调整进刀机构的位置，使刀具完全退出斜块的斜面；

调整刀齿的横刃线与工件上表面的平行度；

调整拨齿机构使刀齿与工件之间保持h＝0.1-0.3mm的垂直距离；

将进刀机构的斜块退到上极限，再次点动床头箱控制开关，使刀齿位于进刀右侧极限；

调整斜块，使其与刀体上端面的圆弧面满线接触；

再次将刀体退出，调整进刀机构确定切削深度后锁紧拨齿机构和进刀机构；

启动三维肋片换热板切削设备，即可进行切削加工。

为进一步提高加工出的三维肋片换热板的换热效率，加工出具有相互错位排列的三维肋片换热板，所述切削加工步骤中，在锁紧拨齿机构前先根据刀齿的刃宽A，齿距间隙距离B，设置(A+B)/2拨齿距离。

更进一步地，所述切削加工步骤之前，刀齿的下端面与水平面之间保持的4-10°的夹角，刀齿的上端面与垂面之间保持24-32°的夹角。

优选地，所述基体板为铜板、铜合金板、铝板、铝合金板、铁板、铁合金板、不锈钢板、钛板、钛合金板中的一种。

有益效果

采用本发明加工工艺能够在厚度≥0.5mm的工件上加工出三维肋片换热板，且加工出的肋片的宽度为0.5-5mm，相邻肋片的间距为0.8-8mm，肋片的高度为5-12mm。此外，在加工出的三维肋片换热板的相邻肋片之间的基体板上还带有0.2-0.5mm的凹槽

采用本发明加工工艺，可在平板工件上加工出呈相互错位排列构造的肋片、且肋片与水平面之间形成20-90°夹角的三维肋片换热板；其特定的构造使得流经肋片表面的流体能够形成绕流、翻越流、扰流或混流，流体阻力小，通透性好，进而能够大幅提高换热效率。相比于光壁式的板式换热器，其肋化面积是光壁换热板表面积的2.5-30倍，材料节省30-80％，体积减小20-90％，单相流体换热系数提高2-6倍。

本发明加工工艺仅需推刨刻切一道工序，就可把各种金属材质的平板加工成三维肋片换热板，制造工艺简便，加工效率高、加工速率快，使得生产成本大幅降低。

相比于现有钎焊加工出的带凸起翘片的换热板，采用加工工艺加工出的三维肋片换热板一体成型，不存在接触缝隙，无接触热阻，也不夹杂其他材料，确保了三维肋片换热板的导热系数的一致性和均匀性。

本发明加工工艺不仅能够实现工件加工深度、加工位置的精确调节，而且能够防止工件变形，稳定性好，生产效率高。

采用本发明加工工艺加工出的三维肋片换热板平整光滑，质量可靠。

本发明加工工艺能够在厚度为0.5-1mm的基体板上加工出深度为0.3mm的凹槽，极大程度的缩小了换热板的厚度和体积，突破了换热元件的加工厚度极限，攻克了薄壁换热板加工的世界性难题。

附图说明

图1是本发明三维肋片换热板切削设备的示意图；

图2是本发明三维肋片换热板切削设备的刀具的示意图；

图3是本发明三维肋片换热板切削设备的刀齿的示意图；

图4是本发明用于三维肋片换热板切削设备的拔齿机构的示意图；

图5是本发明用于加工三维肋片换热板的设备进刀机构的示意图；

图6是本发明用于加工三维肋片换热板的设备加工工艺过程的示意图；

图7是采用本发明用于加工三维肋片换热板的设备加工出的三维肋片换热板的示意图(一)；

图8是采用本发明用于加工三维肋片换热板的设备加工出的三维肋片换热板的示意图(二)；

图9是本发明用于加工三维肋片换热板的设备的刀具的立体示意图；

图10是采用本发明用于加工三维肋片换热板的设备加工出的三维肋片换热板的示意图(三)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

三维肋片换热板切削设备说明如下。

三维肋片换热板切削设备，如图1至图6所示，包括主要由床身1、床身导轨2和设置在床身导轨2上的床头箱3构成的机床主体，床头箱3由主电机和减速箱驱动，在床头箱 3内设置有驱动机构和连接在驱动机构输出端的曲柄连杆机构，曲柄连杆机构一端连接驱动机构，另一端连接在刀杆5的输入端，驱动机构与曲柄连杆机构共同推动刀杆5在水平方向上做往复运动；在刀杆5的输出端设置有刀具4，在刀具4上配合设置有进刀机构8，刀具4 的刀齿403带有楔角，在进刀机构8内设置有斜块804，刀具4的上端面可沿着斜块804的斜面滑动，且通过驱动机构、曲柄连杆机构、刀杆5、刀具4与进刀机构8的相互配合可使刀齿403斜向或垂向切入。切入方向可根据刀齿403的楔角大小和斜块804位置做调整。

为进一步提高加工/制得的三维肋片换热板的换热效率，上述刀齿403的楔角为60°，楔角即如图3所示的θ角，将刀齿403的楔角设置为60°，不仅能够使刀齿的斜面能够向工件6表面位移并沿斜块804的斜面向右推进逐渐切入工件6材料，而且在切削流的作用下，切入部分竖直向工件6表面翘曲，形成带角度和弧度的立体三维肋片。

为便于加工，如图2、图3所示，在刀体401上的安装刀片位置，预先加工成与平面成后角β的安装面，在适当刃宽A(本发明所述A表示肋宽)、齿距间隙距离B(本发明所述 B表示横向肋距)，使刀齿切入基体材料得到肋片，除第一肋片以外，以后错位(A+B)/2距离的其他肋片，均可形成微小的T形结构加强筋，加强三维肋片换热板的强度。

为进一步提高加工/制得的三维肋片换热板的换热效率，同时精确调整刀具4的运动轨迹，上述刀具4通过拔齿机构7连接在刀杆5的输出端，且拔齿机构7可沿着刀杆5轴向旋转调节刀具4。

进一步地，如图4所示，上述拔齿机构7包括设置在刀杆5上的拔齿导轨704，用于调节刀具4相对于工件6高度的传动丝杆702，以及用于驱动刀具4在水平方向上做往复运动的伺服电机705。

为进一步提高加工/制得的三维肋片换热板的换热效率，如图2、图4、图9所示，上述刀具4包括刀体401和刀片402，刀片402尖部设置有呈间隔排列的多颗刀齿，刀齿的数量需根据换热板的尺寸选用，包括但不限于2颗、3颗、4颗、5颗、6颗、7颗、8颗、9颗、 10颗，刀片402通过刀体401连接在拔齿机构7上，且在刀体401的中部的下端面设置有凹槽404；优选为U型凹槽。此结构还能够减小刀具4的刚度，使得刀具4具有一定的弹性变形能力。具体生产中，刀齿可等间距排列，也可以不等间距排列，刀齿等间距排列可以加工出每排成整齐排列但相邻排相互错位的三位肋片，而刀齿等间距排列可以加工出均成相互错位的三位肋片；作为优选，所有相邻的刀齿等间距排列，且刀齿的宽度为0.5-5mm；此外，在调节刀具角度和刀齿楔角楔角后，可加工出鱼鳞形或针形三维肋片换热板。

上述机床主体还包括连接在床头箱3上且与床身导轨2平行的副导轨9，上述进刀机构8垂直设置在副导轨9与床身1之间。此结构能够对副导轨9起支撑作用，并稳固床身导轨2与副导轨9的平行度。

进一步地，上述进刀机构8包括进刀支架803，进刀支架803的上端面与副导轨9相连，进刀支架803的下端面固定在床身1上；在进刀支架803上设置有与床身导轨2垂直的且能够上下调节斜块804高度的进刀丝杆806，进刀丝杆806下端连接在斜块804上，斜块 804通过斜块安装座805安装在进刀支架803上。此结构能够对进刀丝杆806作上下调节，进而调节斜块804的高度，从而精确调节刀具4的运动轨迹以及刀齿403对工件材料的切削深度。

在刀具4与床身导轨2之间自上而下顺次设置有第一托板11和第二托板12，且工件 6可贴合在第一托板11上。

为防止工件6在加工过程中产生拉伸变形和切削热变形，在第一托板11上设置有真空腔13以及与真空腔13连通的真空泵14，且在真空状态下，工件6的下端面可贴合固定在第一托板11的上端面，该第一托板11、真空腔13、真空泵14与连接在真空泵14上的二通阀共同构成真空装置。本实施例中是直接在第一托板11上加工出如图6所示的真空腔13，真空泵14位于第一托板11的最右端。此结构还能够矫正工件6的不平整度，起到柔性调节的作用，达到优异的固定效果，减少工装对工件6繁琐的紧固工序，提高装夹的效率。

在床身导轨2上设置有带动工件6水平移动的工件进给机构15。

设备部件原理：主电机和减速箱共同驱动床头箱3工作，曲柄旋转运动时，带动曲柄连杆机构作直线运动，使得刀杆5随曲柄连杆机构在水平方向上作直线运动；进刀机构8固定在床身1上，对副导轨9起支撑作用，使床身导轨2与副导轨9平行，限制刀杆5因受刀齿403切削工件6产生的抗力而上下变形；工件6安装于第一托板11上，第一托板11置于第二托板12上，第一托板11和第二托板12在工件进给机构15的作用水平方向上下在做往复运动；伺服电机705驱动传动丝杆702，使第二托板12沿床身导轨2运动；第一托板11 置于第二托板12上，定位过程中，将工件6折弯成L形，固定在工第一托板11右侧，用楔形压板将工件6压紧，工件6底面与第一托板11上表面接触，启动真空装置上的二通阀开关，即可通过真空吸附工件6，使得工件6紧紧贴合在第一托板11底面。

加工过程：先将工件6固定在第一托板11上，确认工件6的下表面与第一托板11的上表面贴合完好后开动真空泵，打开真空开关，使真空腔13形成真空，检查真空表的真空度，检查工件6与第一托板11的稳固可靠性；点动床头箱3控制开关，使刀具4位于退刀极限；调整进刀机构8的位置，使刀具4完全退出斜块804的斜面；调整刀齿403的横刃线与工件 6上表面的平行度，并用塞尺进行检查，误差≤0.03mm；如图3和图6所示，调整刀齿403 的角度，使刀齿的下端面与水平面之间保持的β＝8°的夹角，刀齿的上端面与垂面之间保持α＝28°的夹角，还需要注意的是，在调整刀齿403的角度时，刀齿403上端面的拐角处需要与斜块804左下角保留t＝0.1-0.2mm的间隙，以方便进刀和退刀；调整拨齿机构7上的传动丝杆702，使刀齿403与工件6保持h＝0.4mm的垂直距离；将进刀机构8上的斜块804退到上极限，再次点动床头箱3控制开关，使刀齿403位于进刀右侧极限；调整进刀机构8，检查刀体401上的圆弧面与斜块804的接触情况，调整斜块804，使其与刀体401的圆弧面满线接触；再次将刀体401退出，调整进刀机构8，确定刀齿403对工件6的切削深度，将拨齿机构7及进刀机构8可调部位进行锁紧；根据部403的刃宽A，齿距间隙距离B，设置拨齿距离，一般拨(A+B)/2齿距；检查各部位紧固情况，将控制开关置自动模式启动，即可进行连续加工。

设备运行过程：床头箱3内由主电机驱动曲柄连杆机构，使刀杆5，拨齿机构7及刀具4作往复直线运动，曲柄连杆机构上安装有位置检测元件进行旋转位置检测；如图2、图6 所示，刀具4向右运动时，刀体401的上圆弧面先与进刀机构8的斜块804斜面接触，刀体 401继续向右前进，在斜块804的作用下，刀齿切入工件6上表面，刀具4继续向右前进，刀齿沿斜面切入工件6基体，切出刀齿宽的切削流，切削流在刀齿的前刀面的作用下，与工件6材料表面形成20-90°的夹角的肋片；曲柄连杆机构运行到右侧极限，曲柄连杆机构继续旋转，刀齿403随曲柄连杆机构后退，当刀体401的上圆弧面退出斜块804的斜面时，刀齿 403同时退出工件6基体材料的表面，检测元件发出信号，刀具4在拨齿机构7的作用下，刀齿403与切出的肋片相错(A+B)/2间距，同时工件6在工件进给机构15的传动作用下，向右移动一定H距离，形成纵向节距H(相邻肋片的纵向间距)，刀具4在曲柄连杆机构的作用下，再次重复上述动作，先与斜块804的斜面接触，再次切入工件6表面，刀齿继续前进，切出相同宽度、厚度、肋高度的三维肋片。多次重复上述动作，在基体材料上形成肋片相互错位排列的三维肋片换热板。

采用上述三维肋片换热板切削设备并结合本发明加工工艺加工/制得的三维肋片换热板，如图7、图8和图10所示，其横向布置的同一排肋片17呈整齐排列，纵向布置的同一排肋片17也呈整齐排列，但横向布置的肋片17与纵向布置的肋片17在纵向上相互错开，形成相互错位排列的构造，且在位于相邻肋片17之间的基体板16上有凹槽18。三维肋片换热板的肋片的宽度范围为0.5-5mm，相邻肋片的间距范围为0.8-8mm，肋片的高度范围为5-12mm，相邻肋片之间的凹槽的深度为0.2-0.5mm。该三维肋片换热板的换热效率高，相对于光壁形式的板式换热器，其肋化面积大幅增加，体积大幅减小，单相流体换热系数大幅提高。

实施例2

参照实施例1，选用刀齿403楔角θ＝63°的刀具，其加工过程为：先将工件6固定在第一托板11上，确认工件6的下表面与第一托板11的上表面贴合完好后开动真空泵，打开真空开关，使真空腔13形成真空，检查真空表的真空度，检查工件6与第一托板11的稳固可靠性；点动床头箱3控制开关，使刀具4位于退刀极限；调整进刀机构8的位置，使刀具 4完全退出斜块804的斜面；调整刀齿403的横刃线与工件6上表面的平行度，并用塞尺进行检查，误差≤0.03mm；如图3和图6所示，调整刀齿403的角度，使刀齿的下端面与水平面之间保持β＝10°的夹角，刀齿的上端面与垂面之间保持α＝32°的夹角，还需要注意的是，在调整刀齿403的角度时，刀齿403上端面的拐角处需要与斜块804左下角保留t＝0.1-0.2mm 的间隙，以方便进刀和退刀；调整拨齿机构7上的传动丝杆702，使刀齿403与工件6保持 h＝0.5mm的垂直距离；将进刀机构8上的斜块804退到上极限，再次点动床头箱3控制开关，使刀齿403位于进刀右侧极限；调整进刀机构8，检查刀体401上的圆弧面与斜块804的接触情况，调整斜块804，使其与刀体401的圆弧面满线接触；再次将刀体401退出，调整进刀机构8，确定刀齿403对工件6的切削深度，将拨齿机构7及进刀机构8可调部位进行锁紧；根据部403的刃宽A，齿距间隙距离B，设置拨齿距离，一般拨(A+B)/2齿距；检查各部位紧固情况，将控制开关置自动模式启动，即可进行连续加工。

实施例3

参照实施例1，选用刀齿403楔角θ＝57°的刀具，其加工过程为：先将工件6固定在第一托板11上，确认工件6的下表面与第一托板11的上表面贴合完好后开动真空泵，打开真空开关，使真空腔13形成真空，检查真空表的真空度，检查工件6与第一托板11的稳固可靠性；点动床头箱3控制开关，使刀具4位于退刀极限；调整进刀机构8的位置，使刀具 4完全退出斜块804的斜面；调整刀齿403的横刃线与工件6上表面的平行度，并用塞尺进行检查，误差≤0.03mm；如图3和图6所示，调整刀齿403的角度，使刀齿的下端面与水平面之间保持β＝4°的夹角，刀齿的上端面与垂面之间保持α＝24°的夹角；还需要注意的是，在调整刀齿403的角度时，刀齿403上端面的拐角处需要与斜块804左下角保留t＝0.1-0.2mm 的间隙，以方便进刀和退刀；调整拨齿机构7上的传动丝杆702，使刀齿403与工件6保持 h＝0.2mm的垂直距离；将进刀机构8上的斜块804退到上极限，再次点动床头箱3控制开关，使刀齿403位于进刀右侧极限；调整进刀机构8，检查刀体401上的圆弧面与斜块804的接触情况，调整斜块804，使其与刀体401的圆弧面满线接触；再次将刀体401退出，调整进刀机构8，确定刀齿403对工件6的切削深度，将拨齿机构7及进刀机构8可调部位进行锁紧；根据部403的刃宽A，齿距间隙距离B，设置拨齿距离，一般拨(A+B)/2齿距；检查各部位紧固情况，将控制开关置自动模式启动，即可进行连续加工。