摘 要 建立了挤压犁削加工外翅片管过程中飞边的生成模型，给出了产生飞边的判定准则,并对影响飞边产生的因素进行了研究.理论分析及实验结果表明，当刀具挤压面挤起的金属边脊的体积大于顶刃切出的翅片体积时，会形成飞边而失稳；反之，则挤压犁削过程稳定，无飞边产生.
关键词 挤压犁削；外翅片管；飞边
中图资料分类号 TH16
FORMING MECHANISM OF OVERLAP DURING THE
MANUFACTURING OF OUTSIDE FIN TUBE
Zheng Jianyan Tang Yong Zeng Zhixin Xia Wei Ye Bangyan
(Dept.of Mechatronic Eng.,South China Univ.of Tech.,Guangzhou 510640)
Abstract In this paper, the model for the formation of overlap in extrusionploughing for outside fin tube is developed. Judgement criterion of overlap is presented and the factors which influence the formation of overlap are studied. Theoretical analyses and experimental results show that the overlap forms if the volume of bulging side ridge extruded by tool exceeds the volume of fin cut by top edge, thus the extrusionploughing process becomes unsteady. On the contrary, no overlap forms and the extrusionploughing process can be carried out continuously.
Key words extrusionploughing; outside fin tube; overlap
外翅片结构的强化传热管可显著提高传热效率，已被广泛应用于化工、制冷等行业的热交换器中，因此其加工方法也被管材加工行业作为高附加值技术而倍受重视.目前，外翅片强化传热管的加工主要采用轧制及铸造等工艺，均存在设备及工艺较复杂等缺点，而近年来出现的挤压犁削外翅片管新工艺具有设备简单及翅片传热性好等优点，已被许多工厂采用［1,2］.由于挤压犁削加工外翅片强化传热管涉及切削与塑性加工两个领域，加工机理十分复杂，特别是在控制形成较高的外翅片时，极易使边脊越来越高而导致失控，从而形成所谓的“飞边现象”，使挤压犁削外翅片的过程难以进行.目前生产上均采用“经验法”调整加工参数，以防止出现“飞边现象”，但这种方法常使得产品质量不稳定，并造成材料与时间的浪费.因此，有必要对飞边的形成机理进行系统的研究.
1 挤压犁削外翅片过程中飞边的生成模型及特征
从工件与工具（刀具）的相对运动来看，挤压犁削加工外翅片管（见图1）时是通过挤压产生塑性变形与劈切作用以无屑加工方式形成外翅片的.
图1 挤压犁削加工外翅片管示意图
Fig.1 Schematic diagram of extrusion-plouging for outside fin tube
1—挤压犁削刀具；2—支撑架；3—已加工外翅片管.
挤压犁削用的是专用刀具（见图2）.该刀具的“前刀面”由两个曲面构成，其横截面（图2中的A-A）是一个尖劈.处在进给方向那边的曲面对金属进行挤压，令金属产生塑性变形而形成凸起的金属“边脊”.当工件转过一圈后，刀具的尖劈刃对上一圈所形成的边脊进行犁削，即由挤压面和成翅面相交所形成的刀具顶刃把上一圈挤起的金属边脊切开成左右两部分.两部分的厚度分别称为翅片厚度和刀具挤压面厚度，它们与进给量的关系（见图3）为
δ(r)=f-L(r). (1)
式中，δ(r)为翅片厚度，L(r)为刀具挤压面厚度，f为进给量，r为管任意处半径.
图2 挤压犁削刀具的形状
Fig.2 Appearance of extrusion-plouging tool
1—顶倾角；2—翅倾角；3—成翅角；
4—挤倾角；5—挤压角；c—前刃宽.
显见，要保证外翅片形成过程的稳定，就必须满足以下条件：顶刃犁切出的翅片体积大于或等于刀具挤压面挤压起的金属边脊的体积（假定挤压塑性变形对金属密度没有影响）.反之，当切出翅片的体积小于边脊被挤压起的体积时，逐渐累积的边脊就会越来越高而形成飞边(见图4)，使加工过程失控.由于切出翅片的体积等于边脊被挤压起的体积时可获得最大的外翅片高度，实际生产中的加工参数往往调整在出现飞边的临界状态.因此，只有确切掌握飞边的生成机理及判定准则，才能有效地控制飞边的形成，保证挤压犁削过程连续、稳定地进行.
图3 挤起及犁切边脊
Fig.3 Side ridge extruded and cut
图4 飞边形成示意
Fig.4 Schematic diagram of overlap formation
2 飞边的生成理论及其分析
由上述分析可知，当边脊被挤压增大的体积Vj大于切出翅片的体积Vc时，就会形成飞边而使加工过程失控.因此有
(2)式中，ap为挤压犁削深度，R0为外翅片管翅底的半径，θ为管沿圆周方向任意处的转角，h为翅片高度.
将式(1)代入式(2)得
式中，L(r)=(r-R0)tanβ+c，β为挤倾角.
将式(3)化简（略去高阶值）即得产生飞边的判定条件:
f＜aptanβ+c. (4)
显见，在刀具形状参数一定的情况下，不同的挤压犁削深度均对应一个临界进给量，当进给量小于该临界值时即产生飞边；同理，由顶刃犁切出的翅片体积大于或等于边脊被挤压增大的体积这一条件，也可得确保外翅片形成过程稳定（即不产生飞边）的判定准则为：
aptanβ+c＜f≤ap+2c. (5)
此时，翅片高度与挤压犁削深度的比值为
(6)由上述分析可知，只要控制进给量，使之大于临界值，就能确保外翅片形成过程的稳定（即不产生飞边）.
3 实验条件及方法
3.1 实验条件
实验采用C6132A车床.刀具材料选用W18Cr4V高速钢，其挤倾角、翅倾角、挤压角、成翅角及顶倾角分别选为25°、7°、25°、8°、-20°.另外，前刃宽选为0.35mm.工件材料为紫铜管（T2Y）.
由于挤压犁削速度v增至0.5m/s以上时，挤压犁削出的翅片变形且不连续，因此，实验选择犁削速度为0.167m/s.受刀具强度及系统刚性等条件的限制，挤压犁削深度一般选择不超过2mm.
3.2 实验及测量方法
由于采用的C6132A车床进给量为有级调速，因此实验中只能在选定进给量的情况下逐渐增大挤压犁削深度，直至出现临界飞边特征（边脊顶呈锯齿状），由此确定临界进给量.
翅片高度通过轴剖面取样，用读数显微镜测定.
4 实验结果及分析
4.1 飞边和成翅区域分析
理论计算及实验结果（见图5）表明，随着进给量的减小，翅片高度与挤压犁削深度的比值增大.因此，为了获得较大的翅片高度，人们往往在极临近临界值的范围内选择进给量，甚至选择其临界值（在本试验条件下，临界值fmin为0.72mm/r）.如此小的选择范围给（用经验法）调整加工参数及控制飞边生成造成了困难.反之，当进给量小于最佳选择范围时会形成飞边，且随进给量减小飞边现象愈来愈严重.
图5 飞边和成翅区域
Fig.5 The forming zones of overlap and fin
4.2 临界进给量的确定
不同挤压犁削深度（ap）下出现飞边时对应的临界进给量的实验及理论值见图6.
图6 挤压犁削深度对临界进给量的影响
Fig.6 Effect of extrusion-ploughing depth on critical feed
由前述理论分析及图6所示的实验结果可知，在刀具结构参数一定的情况下，不同挤压犁削深度均对应一定的临界进给量,当进给量小于其临界值时即出现飞边.显然，对一定的刀具结构参数及挤压犁削深度，只要控制进给量，就能够限制飞边的产生.
5 结 论
1)当犁切出的翅片体积小于边脊被挤压增大的体积时，逐渐累积的边脊就会越来越高而形成飞边.
2)在刀具结构参数一定的情况下，不同挤压犁削深度均对应一定的临界进给量，当进给量小于其临界值即f＜aptanβ+c时出现飞边.通过控制进给量临界值即可抑制飞边的产生.
3)理论分析给出的产生飞边的判定条件（f＜aptanβ+c）与实验结果十分吻合，为实际生产过程中加工参数的调整提供了参考.
