内螺纹管换热器的最优工艺参数组合

                 参与内螺纹换热器胀接过程的主要是胀头、内螺纹管和翅片，通过胀头的前              R              角和直线段提供胀接力，内螺纹管和翅片依次发生变形后回弹，完成内螺纹管和翅片的连接紧固。    

   

    本文我们将分别从胀头、内螺纹管和翅片各自参数进行分析，研究其对胀接工艺过程的影响程度，并提出内螺纹管换热器的最优工艺参数组合。    

   

 

 

 

1、胀头直径

 

 

分别选取 6.56 mm 、 6.60 mm 、 6.64 mm 、 6.68 mm 、 6.72 mm 和 6.76 mm 进行分析。  

胀头胀接力是指在胀接过程中在各个方向的成形力合力。不同直径的胀头在胀接工艺过程中提供的胀接力不同，胀头胀接力峰值随胀头直径变化规律如图 4-21 所示。  

 

从图中可以看到：  

（ 1 ）胀头胀接力峰值与胀头直径成正比关系；  

（ 2 ）胀头直径因素对内螺纹管换热器胀后管翅贴合度有着重要影响；  

沿着第三片翅片与第四片翅片的接触路径提取数据，得到图     4-22     胀接仿真后不同胀头直径参数对应的翅片间接触力。    
 

 

胀头直径为 6.56 mm 时，翅片之间没有接触力，随着胀头直径增加，胀接后翅片之间开始接触，对应的胀头胀接力峰值增加，翅片之间的接触力也逐渐增加，翅片间挤压严重，导致胀接成形后的管翅间间隙越来越大。  

由此可见：  

（ 1 ）选择合适的胀头直径参数，有利于提高内螺纹管换热器的胀接贴合度；  

（ 2 ）胀头胀接力的增加会影响内螺纹管胀接后底壁和内螺纹齿的变化；  

图 4-23 是内螺纹管在不同直径的胀头作用下的的底壁减薄率和内螺纹齿减薄率。底壁减薄率是指内螺纹管底壁厚胀接     前后相差值与原始底壁厚的比值，内螺纹齿减薄率是指内螺纹齿高胀接前后相差值与原始齿高的比值。  

由图可知：  

（ 1 ）内螺纹管底壁减薄率几乎随胀头直径参数变化而线性增大，变化程度明显；  

（ 2 ）内螺纹管换热器胀接过程不宜选择过大的胀头直径，避免内螺纹管底壁过于变薄导致破裂；  

（ 3 ）由于内螺纹齿是胀头直接接触的部位，受力程度更大，其变化程度要高于内螺纹管管壁。同样地，受胀头直径影响的胀头胀接力增加，内螺纹齿高减薄率也随之增大。  

2、内螺纹管外径

 

 

为了研究内螺纹管公差对内螺纹管换热器胀接工艺的影响，分别选取 6.96 mm 、 6.98 mm 、 7.00 mm 、 7.02 mm 和 7.04 mm 五组内螺纹管外径作为仿真参数，胀接仿真过程中保持其他参数不变。  

得到以下胀接仿真结果：  

 

（ 1 ）内螺纹管外径因素对内螺纹管换热器胀接后管翅贴合度影响不大，在实际生产中直接根据内螺纹管外径尺寸公差制造出合格的内螺纹管即可。  

其相应的管翅间最大间隙值变化规律如图 4-24 所示。  

（ 2 ）当内螺纹管外径增大、内螺纹管的壁厚和齿高都不发生变化的条件下，相当于内螺纹管内径增大，此时相同直径的胀头从这五组内螺纹管穿过时，胀头接触内螺纹的部分会随之减少，胀头需要提供胀接力也随之减少。  

规律如图 4-25 所示。  

（ 3 ）胀头完成胀接工艺后，翅片间接触力峰值先由小变大，在内螺纹管外径为 7.00 mm 处有最大值，后逐渐减小，但整体上变化区间较小。  

其接触力峰值分布情况如图 4-26 所示。  

（ 4 ）随着内螺纹管外径增大，胀头胀接力不断减小，内螺纹管底壁受力随之减小。  

如图 4-26 所示，内螺纹管底壁减薄率下降斜率增大，加上五组内螺纹管外径参数对应的内螺纹齿减薄率变化程度相对较大，说明内螺纹管外径是影响内螺纹管胀接前后变化的重要因素。  

 

3、内螺纹管底壁厚

 

 

内螺纹管底壁厚是指无内螺纹处的壁厚，即凹槽部位的厚度，其与内螺纹齿高之和为内螺纹管的总厚度。  

 

我们首先选取五组底壁厚参数 0.20 mm 、 0.21 mm 、 0.22 mm 、 0.23 mm 和 0.24 mm ，并保持其它参数不变。  

 

仿真后，我们得到相应的胀接仿真结果。  

（ 1 ）内螺纹管底壁厚的增加，导致胀接后内螺纹管外壁和翅片孔内壁接触部分存在的最大间隙值不断增大，确实影响了内螺纹管换热器的胀接贴合度，且影响程度较大。  

如图 4-27 所展示。  

 

 

（ 2 ）在内螺纹管底壁厚不断增大的情况下，胀头胀接力峰值也在不断呈增加趋势，基本随内螺纹管底壁厚变化而变化，如图 4-28 。  

 

 

（ 3 ）从最大间隙值、胀头胀接力峰值和翅片间接触力峰值的变化趋势中，可以判断选择较小的内螺纹管底壁厚作为工艺参数较好，因此，应该合理考虑内螺纹管底壁厚参数的选择。  

 

（ 4 ）内螺纹管底壁厚增加，两种减薄率都是呈增加趋势，其中内螺纹齿减薄程度比底壁减薄程度更大些，内螺纹齿减薄率前段快速增长，后段增长逐渐缓慢。  

如图 4-29 所示的变化曲线。  

 

结合胀头胀接力峰值变化趋势，此时更大的胀接力导致了底壁厚度的减小程度增大。虽然较小壁厚的底壁减薄率更小，但是实际上其胀接后壁厚更小，更容易受到高压破裂的影响。因此，不能简单地用底壁减薄率判断内螺纹管底壁厚参数对换热器胀接后耐压力的影响。  

 

4、内螺纹管螺纹齿高

 

 

内螺纹齿高作为内螺纹管总壁厚的一部分，其变化可能会对内螺纹换热器胀接过程有影响。本文分别选取 0.18 mm 、 0.19 mm 、 0.20 mm 和 0.21 mm 四组内螺纹齿高，其余参数保持不变，用于胀接工艺仿真过程，并对胀接结果进行处理分析。  

 

仿真后得到以下结果。  

（1）内螺纹齿高增加，最大间隙值也随之增大。  

内螺纹齿高参数对胀接后内螺纹管和翅片间的最大间隙值影响如图 4-30 所示。  

 

 

（2）胀头胀接力峰值随着内螺纹齿高增大而增大。      

而且齿高对应的内螺纹管总壁厚更大，其胀后翅片间接触力峰值维持在高水平，峰值变化程度不大。  

如图 4-31 展示了内螺纹齿高变化时的胀头胀接力峰值和胀后翅片间接触力峰值。我们可以认为内螺纹管总壁厚增加的过程中胀后翅片间接触力峰值由小变大并维持在较大值，由此管翅间间隙值受其影响而不断增大，从而影响换热器后续换热。  

 

（3）无论内螺纹齿高和内螺纹管底壁厚如何变化，只要影响到内螺纹管总壁厚发生变化，底壁减薄率无可避免随之成正比变化。  

内螺纹齿高变化的情况下，底壁减薄率先平缓后快速增加，结合图 4-29 和图 4-32 从内螺纹管总壁厚角度分析，底壁减薄率是逐渐随着内螺纹管总壁厚增加而增加。  

 

根据内螺纹齿减薄率分析胀接前后内螺纹齿高变化情况，从图 4-32 可以看出内螺纹齿减薄率先增加后几乎维持不变，这意味着当内螺纹齿高增加到一定程度，内螺纹齿高增加倍数与胀接前后齿高相差值增加倍数相近，这一内螺纹齿高范围的胀接前后齿高变化程度也是最大的。  

 

5、内螺纹管旋角

 

 

我们分别选取螺旋角为 16 °、 17 °、 18 °、 19 °和 20 °作为变化参数进行研究，胀接仿真过程保持其他工艺参数不变。  

 

我们得到以下结果。  

 

（1）内螺纹管螺旋角对于内螺纹管换热器胀接贴合度有一定影响。  

胀接成形后，内螺纹管外壁和翅片孔内壁间的最大间隙值随着螺旋角增加近似呈锯齿状变化，从图 4-33 中得知，最大间隙值的最大值出现在螺旋角为 17 °时，最小值则是在 18 °螺旋角时获得，两者相差程度达到 15.70% 。  

 

（2）内螺纹管会受到垂直于螺纹线方向的力，这一倾斜力会导致内螺纹发生变形。  

图 4-34 展示了内螺纹在胀接过程中受到的倾斜力峰值，可以看到随着内螺纹管螺旋角的增大，倾斜力峰值也在增大。对五个仿真模型中选取内螺纹中同一节点，得到其胀接后沿垂直于螺纹线方向的位移。在不断增加的倾斜力作用下，节点的位移不断增大，由此证明螺旋角增大会造成内螺纹受力和变形都增加。  

 

 

（ 3 ）螺旋角对底壁减薄率的影响较小  

在内螺纹管螺旋角的影响下，底壁减薄率呈锯齿状变化，但当螺旋角为 19 °时的底壁减薄率最小，螺旋角对底壁减薄率的影响较小。  

从图 4-35 中观察到内螺纹齿减薄率并没有如同倾斜力和节点位移那样呈正比规律变化，这是因为螺旋角更多地影响着内螺纹侧向变形，而内螺纹齿减薄率反映的是内螺纹齿高沿径向的变化，内螺纹齿减薄率的变化起伏较大，在螺旋角为 17 °时获得最小内螺纹齿减薄率，螺旋角是影响内螺纹胀接前后变形的重要因素。  

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