多孔扁通道铝合金扁管的生产工艺和技术
空调系统主要有四大部件组成，分别是压缩机、冷凝器、节流膨胀机构和蒸发器。其中冷凝器和蒸发器被统称为热交换器，是制冷空调设备中的换热单元，对整个空调性能起着至关重要的作用。
随着空调行业的快速发展，对高效、紧凑、节能的新型换热器的需求越来越大。特别是由于传统的氟氯烃类制冷剂在环保方面的致命缺陷将被替代，而新的替代工质如二氧化碳等的工作压力很高，需要换热器具有足够的耐压能力。多通道平行流换热器具有结构紧凑，重量轻，换热效率高，耐压能力强等特点，已成为目前最有发展前景的换热器形式。如图1所示，平行流式换热器由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片组成，在多孔铝合金扁管的两端有集流管，集流管内有隔片隔断，每段管子数不同，呈逐渐减少趋势，这种变流程设计可使换热器的有效容积得到合理利用，提高换热能力。
图1平行流式换热器
如图2所示，多孔铝合金扁管的流道形状主要有矩形和圆形。研究表明流道尺寸越小换热效率越高，当流道尺寸小于3mm时，管内气液两相流动与传热将出现尺度效应，通道越小，这种尺寸效应越明显。为了提高换热器的强化传热能力同时减轻重量，多孔扁管的流道当量直径呈现越来越小的趋势，甚至到了亚毫米的微通道级别。图3说明了多孔扁管的发展趋势，目前国外已经能生产第四代铝合金挤压多孔扁管，其管厚为1mm，流道当量直径为0.5mm，而我国正在努力向第四代微通道多孔扁管方向努力。
图2多孔扁管形式
图3多孔扁管的发展趋势
多孔铝合金扁管挤压工艺
用于生产平行流换热器的多孔扁管是用铝合金通过铝挤压工艺获得的，考虑到多孔扁管的结构复杂性，一般多采用分流组合模对铝锭坯料进行挤压成形，利用分流组合模能保证壁厚均匀一致，同时具有生产设备简单、生产成本低的优点。图4所示为制造多孔扁管的挤压模具，主要包括挤压筒、分流孔、分流桥、模芯、工作带及焊合室等。
图4分流模三维图
分流模挤压中金属流动过程分为分流、焊合和成形阶段，如图5所示。在分流阶段，材料被分成两股进入分流孔；在焊合阶段，材料进入焊合室，在高温高压下融合为一体；在成形阶段，材料充满焊合室后从工作带挤出成形。微通道管封闭截面多、焊合面多，且管材在制冷系统中处于交变承压工况，因此焊合面的成形质量问题成为多通道管挤压成形的关键问题之一。通过数值模拟可以看到，整个焊合过程材料首先通过流动进入由焊合室和芯棒构成的复杂型腔，在挤压力作用下两股材料在芯棒周围发生接
触，由于焊合室内高温高压的作用，两股材料在极短的时间内焊合成一体。
图5分流挤压成形过程
图6微通道扁管焊合过程
分流模挤压模具设计是微通道扁管生产的决定性问题。挤压筒按照其模孔模角大小可分为平模和锥模，传统型材挤压一般采用平模，即模角为90°。这是由于平模挤压时金属流动会存在死区，而由金属流动形成的自然模角一般为40°～70°，因此锭坯表面的氧化物和脏物油污等被留在死区，这样生产出来的挤压制品表面质量好，但挤压力大，能量消耗大。
分流孔是金属流向焊合室的通道，分流孔的个数、形状及其形状对挤压制品的质量、挤压力和模具寿命都有很大的影响。分流孔的个数一般情况下尽可能少，以减少焊缝，增大分流孔面积，降低挤压力。分流孔的形状应尽量接近型材的形状，同时要保证模具具有足够的强度，因此一般选用扇形分流孔。分流孔的布置尽量与制品保持几何相似性，既不能过于靠近模具边缘也不宜过于靠近挤压筒中心；分流桥用于支撑模芯，其结构和尺寸对金属流动速度、焊合质量和模具强度都有明显影响；模芯又称舌头，用来行程型材内腔形状和尺寸；焊合室是把分流孔分开成几股金属重新焊合起来的空间，模孔用来形成型腔的外部现状和尺寸。在模芯和模孔上都做有工作带，工作带部分决定了型材的形状和尺寸精度。
传统的平模分流虽然可以使制品表面质量好，但是挤压力却变得很大，容易使模芯与工作带产生弹性变形而偏斜，如图7所示，这将严重影响制品最终的形状和尺寸精度。更有甚者，若挤压力过大超过了模芯材料的抗拉强度，会使模芯产生裂纹，如图8所示，从而影响模具使用寿命。
图7模芯与工作带偏斜
图8模芯的变形与裂纹
铝合金换热器折弯工艺
在保证换热面积不变的情况下，为了使空调系统变得更加紧凑，经过钎焊后的换热器通常需要进行一次或多次的折弯成“L”形或“G”形，其成形过程如图9所示。一般情
况下，完整的折弯模具包括：弯曲模、夹紧模和压模（或底板）。换热器前端夹在弯曲模和夹紧模之间，同时尾端受底板支撑，弯曲时，夹紧模受力使整个换热器绕弯曲模中心旋转，按照要求旋转规定的角度。弯曲成形工艺是换热器成形的关键工艺之一，对换热器的性能具有重要影响。
图9换热器折弯工艺原理
对于需要进行折弯加工的微通道平行流换热器的结构及安装方式如图10所示。为了增加换热器空气侧的对流换热的效果，与多孔扁管钎焊在一起的百叶窗翅片在宽度方向上要宽于扁管的宽度。为了防止弯曲成形时，翅片因与模具接触受压产生失稳倒伏，在弯曲内侧翅片会与管材对齐，而在弯曲外侧翅片会伸出形成类似悬臂结构。
图10微通道平行流换热器折弯工艺安装方式
多孔扁管在弯曲后管壁会发生减薄，同时流道形状也会发生畸变，尤其是管材的外侧流道在弯曲后通流面积减少最为严重。为了保证换热器有足够的承压能力，尤其是先进的替代工质，整个空调系统压力很高，对换热器弯曲成形质量提出了更高的要求。通过仿真手段预测壁厚的变化和流道的畸变情况，并用实验测量值对仿真结果进行验证(图11)。在高压工况下，必须控制减薄率和流道畸变率都在5%以下，通过在换热器尾部增加适当的推力可以有效降低管材的减薄和畸变程度。
图11弯曲后多孔扁管的成形质量
另一方面，整体折弯时主要在扁管平面内受力，由于多孔扁管本身的特殊结构，宽厚比较大，平面内的刚度会大于垂直于扁管平面方向的刚度，这样弯曲时会在垂直于管平面方向上失稳屈曲。如图12所示，仿真和实验的结果发现，三角形翅片换热器的成形情况良好，翅片没有出现压溃及扭曲；而矩形翅片换热器在成形过程中会出现一定程度的屈曲现象。这一现象表明三角形翅片由于其自身结构
的稳定性，可以增强垂直于管平面方向的刚度，补偿弯曲中的失稳，但矩形翅片由于自身结构缺乏稳定性，对垂直方向刚度的增强效果有限，造成弯曲过程中出现失稳。
图12平行流式换热器弯曲成形的仿真与实验对比
为了能够缩短开发周期，适应不同换热器的设计，一种无模弯曲技术应运而生，其原理及弯曲后如图13所示。无模弯曲的模具取消了传统弯曲工艺中的弯曲模，主要由两个夹紧模组成，其中一个固定，另一个则在计算机控制下按照一定的运动轨迹把工件弯曲成目标形状。无模弯曲技术由于没有弯曲模可以实现任意弯曲半径的弯曲过程，提高了弯曲设备的通用性，降低了试模成本。对于换热器而言，由于没有了弯曲模与翅片的直接接触，换热器的结构形式不在局限于图10这种装配形式，从源头抑制了翅片发生失稳倒伏的可能性。为了提高生产率，减少后续装配工序，还可以把两层换热器叠放在一起进行一次弯曲。
（a）无模弯曲原理图
（b）换热器无模弯曲仿真与实验结果
图13无模弯曲原理及换热器无模弯曲结果
总结
在节能、环保要求日益提高的背景和压力下，平行流式换热器已经成为空调制冷行业非常有发展前景的一种换热器，并且朝着微通道、强化换热异型结构的方向发展，这对相关的成形加工技术提出了更高的要求。由于多孔扁管的流道在强化传热的要求下当量直径越来越小，这会使制品的形状与尺寸精度对模具的变形非常敏感，为了减小挤压力，降低模具变形的可能性，开发新型的模具结构成为提升多
孔扁管制造水平的一条新途径。高效、紧凑的空调系统要求换热器需要进行二次折弯加工，二次加工后的管材变形程度对换热器的整体换热性能有着重要的影响，评估弯曲变形后的扁管成形质量对提高换热器的使用性能及扁管初始结构设计有重要的意义。为了降低开发成本，提高生产率，采用数控无模弯曲技术可以实现换热器弯曲加工的柔性制造，并且降低工件成形缺陷发生的几率。
来源：山东铝材模具网
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