多孔扁通道鋁合金扁管的生產(chǎn)工藝和技術(shù)

　　空調(diào)系統(tǒng)主要有四大部件組成，分別是壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流膨脹機(jī)構(gòu)和蒸發(fā)器。其中冷凝器和蒸發(fā)器被統(tǒng)稱為熱交換器，是制冷空調(diào)設(shè)備中的換熱單元，對整個空調(diào)性能起著至關(guān)重要的作用。

　　隨著空調(diào)行業(yè)的快速發(fā)展，對高效、緊湊、節(jié)能的新型換熱器的需求越來越大。特別是由于傳統(tǒng)的氟氯烴類制冷劑在環(huán)保方面的致命缺陷將被替代，而新的替代工質(zhì)如二氧化碳等的工作壓力很高，需要換熱器具有足夠的耐壓能力。

　　多通道平行流換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，換熱效率高，耐壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為目前最有發(fā)展前景的換熱器形式。如圖1所示，平行流式換熱器由多孔扁管和波紋型百葉窗翅片組成，在多孔鋁合金扁管的兩端有集流管，集流管內(nèi)有隔片隔斷，每段管子數(shù)不同，呈逐漸減少趨勢，這種變流程設(shè)計可使換熱器的有效容積得到合理利用，提高換熱能力。

　　如圖2所示，多孔鋁合金扁管的流道形狀主要有矩形和圓形。研究表明流道尺寸越小換熱效率越高，當(dāng)流道尺寸小于3mm時，管內(nèi)氣液兩相流動與傳熱將出現(xiàn)尺度效應(yīng)，通道越小，這種尺寸效應(yīng)越明顯。為了提高換熱器的強(qiáng)化傳熱能力同時減輕重量，多孔扁管的流道當(dāng)量直徑呈現(xiàn)越來越小的趨勢，甚至到了亞毫米的微通道級別。圖3說明了多孔扁管的發(fā)展趨勢，目前國外已經(jīng)能生產(chǎn)第四代鋁合金擠壓多孔扁管，其管厚為1mm，流道當(dāng)量直徑為0.5mm，而我國正在努力向第四代微通道多孔扁管方向努力。

　　2、多孔鋁合金扁管擠壓工藝

　　用于生產(chǎn)平行流換熱器的多孔扁管是用鋁合金通過鋁擠壓工藝獲得的，考慮到多孔扁管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，一般多采用分流組合模對鋁錠坯料進(jìn)行擠壓成形，利用分流組合模能保證壁厚均勻一致，同時具有生產(chǎn)設(shè)備簡單、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。圖4所示為制造多孔扁管的擠壓模具，主要包括擠壓筒、分流孔、分流橋、模芯、工作帶及焊合室等。

　　分流模擠壓中金屬流動過程分為分流、焊合和成形階段，如圖5所示。在分流階段，材料被分成兩股進(jìn)入分流孔；在焊合階段，材料進(jìn)入焊合室，在高溫高壓下融合為一體；在成形階段，材料充滿焊合室后從工作帶擠出成形。微通道管封閉截面多、焊合面多，且管材在制冷系統(tǒng)中處于交變承壓工況，因此焊合面的成形質(zhì)量問題成為多通道管擠壓成形的關(guān)鍵問題之一。通過數(shù)值模擬可以看到，整個焊合過程材料首先通過流動進(jìn)入由焊合室和芯棒構(gòu)成的復(fù)雜型腔，在擠壓力作用下兩股材料在芯棒周圍發(fā)生接觸，由于焊合室內(nèi)高溫高壓的作用，兩股材料在極短的時間內(nèi)焊合成一體。

　　分流模擠壓模具設(shè)計是微通道扁管生產(chǎn)的決定性問題。擠壓筒按照其模孔模角大小可分為平模和錐模，傳統(tǒng)型材擠壓一般采用平模，即模角為90°。這是由于平模擠壓時金屬流動會存在死區(qū)，而由金屬流動形成的自然模角一般為40°——70°，因此錠坯表面的氧化物和臟物油污等被留在死區(qū)，這樣生產(chǎn)出來的擠壓制品表面質(zhì)量好，但擠壓力大，能量消耗大。

　　分流孔是金屬流向焊合室的通道，分流孔的個數(shù)、形狀及其形狀對擠壓制品的質(zhì)量、擠壓力和模具壽命都有很大的影響。分流孔的個數(shù)一般情況下盡可能少，以減少焊縫，增大分流孔面積，降低擠壓力。分流孔的形狀應(yīng)盡量接近型材的形狀，同時要保證模具具有足夠的強(qiáng)度，因此一般選用扇形分流孔。

　　分流孔的布置盡量與制品保持幾何相似性，既不能過于靠近模具邊緣也不宜過于靠近擠壓筒中心。分流橋用于支撐模芯，其結(jié)構(gòu)和尺寸對金屬流動速度、焊合質(zhì)量和模具強(qiáng)度都有明顯影響。模芯又稱舌頭，用來行程型材內(nèi)腔形狀和尺寸。焊合室是把分流孔分開成幾股金屬重新焊合起來的空間，?？子脕硇纬尚颓坏耐獠楷F(xiàn)狀和尺寸。在模芯和?？咨隙甲鲇泄ぷ鲙?，工作帶部分決定了型材的形狀和尺寸精度。

　　傳統(tǒng)的平模分流雖然可以使制品表面質(zhì)量好，但是擠壓力卻變得很大，容易使模芯與工作帶產(chǎn)生彈性變形而偏斜，如圖7所示，這將嚴(yán)重影響制品最終的形狀和尺寸精度。更有甚者，若擠壓力過大超過了模芯材料的抗拉強(qiáng)度，會使模芯產(chǎn)生裂紋，如圖8所示，從而影響模具使用壽命。

　　3.鋁合金換熱器折彎工藝

　　在保證換熱面積不變的情況下，為了使空調(diào)系統(tǒng)變得更加緊湊，經(jīng)過釬焊后的換熱器通常需要進(jìn)行一次或多次的折彎成“L”形或“G”形，其成形過程如圖9所示。一般情況下，完整的折彎模具包括：彎曲模、夾緊模和壓模（或底板）。換熱器前端夾在彎曲模和夾緊模之間，同時尾端受底板支撐，彎曲時，夾緊模受力使整個換熱器繞彎曲模中心旋轉(zhuǎn)，按照要求旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度。彎曲成形工藝是換熱器成形的關(guān)鍵工藝之一，對換熱器的性能具有重要影響。

　　對于需要進(jìn)行折彎加工的微通道平行流換熱器的結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖10所示。為了增加換熱器空氣側(cè)的對流換熱的效果，與多孔扁管釬焊在一起的百葉窗翅片在寬度方向上要寬于扁管的寬度。為了防止彎曲成形時，翅片因與模具接觸受壓產(chǎn)生失穩(wěn)倒伏，在彎曲內(nèi)側(cè)翅片會與管材對齊，而在彎曲外側(cè)翅片會伸出形成類似懸臂結(jié)構(gòu)。

　　多孔扁管在彎曲后管壁會發(fā)生減薄，同時流道形狀也會發(fā)生畸變，尤其是管材的外側(cè)流道在彎曲后通流面積減少最為嚴(yán)重。為了保證換熱器有足夠的承壓能力，尤其是先進(jìn)的替代工質(zhì)，整個空調(diào)系統(tǒng)壓力很高，對換熱器彎曲成形質(zhì)量提出了更高的要求。通過仿真手段預(yù)測壁厚的變化和流道的畸變情況，并用實驗測量值對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證（圖11）。在高壓工況下，必須控制減薄率和流道畸變率都在5%以下，通過在換熱器尾部增加適當(dāng)?shù)耐屏梢杂行Ы档凸懿牡臏p薄和畸變程度。

　　另一方面，整體折彎時主要在扁管平面內(nèi)受力，由于多孔扁管本身的特殊結(jié)構(gòu)，寬厚比較大，平面內(nèi)的剛度會大于垂直于扁管平面方向的剛度，這樣彎曲時會在垂直于管平面方向上失穩(wěn)屈曲。如圖12所示，仿真和實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三角形翅片換熱器的成形情況良好，翅片沒有出現(xiàn)壓潰及扭曲；而矩形翅片換熱器在成形過程中會出現(xiàn)一定程度的屈曲現(xiàn)象。這一現(xiàn)象表明三角形翅片由于其自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以增強(qiáng)垂直于管平面方向的剛度，補(bǔ)償彎曲中的失穩(wěn)，但矩形翅片由于自身結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性，對垂直方向剛度的增強(qiáng)效果有限，造成彎曲過程中出現(xiàn)失穩(wěn)。

　　為了能夠縮短開發(fā)周期，適應(yīng)不同換熱器的設(shè)計，一種無模彎曲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其原理及彎曲后如圖13所示。無模彎曲的模具取消了傳統(tǒng)彎曲工藝中的彎曲模，主要由兩個夾緊模組成，其中一個固定，另一個則在計算機(jī)控制下按照一定的運(yùn)動軌跡把工件彎曲成目標(biāo)形狀。無模彎曲技術(shù)由于沒有彎曲?？梢詫崿F(xiàn)任意彎曲半徑的彎曲過程，提高了彎曲設(shè)備的通用性，降低了試模成本。對于換熱器而言，由于沒有了彎曲模與翅片的直接接觸，換熱器的結(jié)構(gòu)形式不在局限于圖10這種裝配形式，從源頭抑制了翅片發(fā)生失穩(wěn)倒伏的可能性。為了提高生產(chǎn)率，減少后續(xù)裝配工序，還可以把兩層換熱器疊放在一起進(jìn)行一次彎曲。

　　4、總結(jié)

　　在節(jié)能、環(huán)保要求日益提高的背景和壓力下，平行流式換熱器已經(jīng)成為空調(diào)制冷行業(yè)非常有發(fā)展前景的一種換熱器，并且朝著微通道、強(qiáng)化換熱異型結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，這對相關(guān)的成形加工技術(shù)提出了更高的要求。由于多孔扁管的流道在強(qiáng)化傳熱的要求下當(dāng)量直徑越來越小，這會使制品的形狀與尺寸精度對模具的變形非常敏感，為了減小擠壓力，降低模具變形的可能性，開發(fā)新型的模具結(jié)構(gòu)成為提升多孔扁管制造水平的一條新途徑。高效、緊湊的空調(diào)系統(tǒng)要求換熱器需要進(jìn)行二次折彎加工，二次加工后的管材變形程度對換熱器的整體換熱性能有著重要的影響，評估彎曲變形后的扁管成形質(zhì)量對提高換熱器的使用性能及扁管初始結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的意義。為了降低開發(fā)成本，提高生產(chǎn)率，采用數(shù)控?zé)o模彎曲技術(shù)可以實現(xiàn)換熱器彎曲加工的柔性制造，并且降低工件成形缺陷發(fā)生的幾率。