薄壁内螺纹铜管的研究和生产

１前言热交换器是制冷设备的关键组成，以往的热交换器都采用光滑铜管，效率低下，且制造费用高。为提高和强化换热效率，国外在７０年代开发了薄壁内螺纹管，即在铜管内壁轧制螺纹。内螺纹管增加了内表面积并改善热交换流体的流动，提高了热交换率。目前国外空调器，热交换器的生产厂家大多采用薄壁内螺纹管，国内多家厂家对此也开展研究，以下就对其发展过程及生产要求作一简介。２薄壁内螺纹铜管的发展及特点内螺纹铜管是国外７０年代研发的高热交换系数的空调器用紫铜管，其特征是铜管内表面具有一定数量、一定螺旋角度及肋顶角的金属肋簇。经试验分析，内螺纹铜管的热交换系数之所以增大是因为如下几点２．１沸腾方面：（１）增加了热交换面积（约为光面平滑管内表面面积的１．６～１．９倍）；（２）由于金属肋间沟槽的毛细作用，增加了制冷剂的润滑面积；（３）由于螺旋肋间沟槽的缘故，对制冷剂产生湍流（紊流）搅拌作用（一旦制冷剂吸热离开管内壁，管内壁对制冷剂热量的吸收能力马上降低。因此，制冷剂能沿管内壁螺旋肋得到搅拌就十分重要）；（４）有尖锐顶角的金属肋使液体制冷剂成核沸腾点数增加，便于液态制冷剂吸热蒸发成汽态。２．２冷凝方面：（１）增加了热交换面积；（２）金属肋的斜面及尖角使冷凝区表面产生了张力作用，持续减小肋顶液体制冷剂的膜厚，便于汽态制冷剂冷凝成液态沿斜面流下。由此可知，调整金属肋齿顶角，高度，槽底宽度等齿型参数，使润周长度及蓄液面积增大，并尽量使管外径减小及底壁厚变薄，以节省材料，提高热交换系数是内螺纹铜管的研究方向及发展趋势。最近，法国又发明了一种高低齿内螺纹铜管，其金属肋齿形高度高低相间，经有关单位测试，较传统的等高齿内螺纹铜管，换热效率提高６％～１０％。３内螺纹成型加工原理把内表面光滑的管坯加工成表面带螺纹金属肋的管材，此成型过程称之为内螺纹成型加工。据资料介绍，自７０年代以来，国外工业发达国家对内螺纹铜管的制造方法进行过许多试验研究，也提出了许多内螺纹铜管的制造方案。这些方案主要原理是在平滑光管内装入外表面刻有螺纹沟槽的芯头，进行衬拉或衬拉旋压，使管内表面成型相应的金属肋。另外，亦有日本ＫＵＳＡＫＡＢＥ公司用铜带辗压成肋，卷曲后保护焊接，再经一道成品精整拉伸结束的加工方法。但此法生产的金属肋齿型高度受限制，且有一条横向焊缝，所以在我国空调器生产厂家还未被接受使用。经大量比较试验，现被国内外广泛采用进行内螺纹铜管大批量生产的方法是“行星球模旋压成型法”，此法制造内螺纹铜管的主要优点是：（１）内螺纹成型速度较快，最高速度现已达５０ｍ／ｍｉｎ；（２）工模具费用较其他方法低；（３）行星球模安装对中方便；（４）管材外表面粗糙度小；（５）管内螺纹尺寸精度高；（６）球的使用寿命长，能实现球多方向自转磨损。所以用“行星球模旋压成型法”生产薄壁内螺纹铜盘管具有外径小、壁厚薄、长度大，能以大盘重交货的优点，当大批量生产时，成本很低。４内螺纹铜管的生产及质量控制内螺纹铜管的生产，依照传统分工应属于管材的深加工，它的生产工艺过程比较简单，其工艺流程如下：软态光面管坯→旋压盘拉→探伤清洗缠绕→光亮退火→检验包装出厂４．１管坯控制现在各国生产内螺纹铜管的材料一般使用磷脱氧铜，磷脱氧铜管通常适应在低压工作，内螺纹铜管的成型加工工艺很短，如若管坯生产质量控制不严，则很难加工出高精度薄壁内螺纹铜管。因此，用于内螺纹铜管加工的管坯质量便成为至关重要的因素，管坯的化学成份、金相组织、机械性能、形状尺寸公差以及内外表面质量都有具体的严格要求。上引管坯不能用来生产空调铜管，更不能用来生产内螺纹铜管。水平连铸后行星轧机轧制的管坯也不易用来生产薄壁空调管，也就不能用来生产内螺纹铜管。一般影响内螺纹铜管尺寸精度如金属肋高度值及表面粗糙度值的主要因素有：（１）管坯的平均壁厚值与内螺纹铜管名义平均壁厚值的比值；（２）管坯的机械性能范围值及金相组织致密性、晶粒度大小（一般要求为轻软态）；（３）管坯的缺陷个数。４．２内螺纹成型加工控制内螺纹成型加工由游动芯头预拉伸→钢球沿衬有螺纹芯头的管材外壁旋压→定径模定径精整尺寸并消除管材外表面上的钢球旋压痕→大卷筒盘拉连续落料４个连续步骤组成，其关键部分是前３道的３级变形过程：（１）游动芯头和螺纹芯头都是空心的，用连杆将它们连接，螺纹芯头随游动芯头一道被稳定在工作中心的轴线上；（２）螺纹芯头工作时，能以连杆为轴自由旋转；（３）合适的旋模安装配合精度及旋压密度（即旋压速度与盘拉速度的比值），它们将影响成型管的尺寸精度和表面光洁度，后者还影响螺纹芯头的自转及公转速度。而且，一般起槽速度越快，相应的盘拉力也越小；（４）良好的润滑状态及冷却效果；（５）通过控制内螺纹铜管的每米克重偏差及光学放大检测的尺寸精度，调整管坯壁厚、模具安装配合尺寸。另外，由于空调器使用时为防止产生“脏堵”，其热交换器用铜管的内壁清洁度要求甚高，标准为≤３０ｍｇ／ｍ２，所以一般经内螺纹成型后的内螺纹铜管在涡流探伤、外壁清洗、复绕后，均需进行管内壁清洗，以去除管内的残油及污物。在经过特殊清洗剂清洗后，还要用隋性气体吹干，然后送光亮退火炉退火。据资料交流，日本现也有采用内壁超级光亮退火的工艺，以提高内壁清洁度，并省去复绕后清洗内壁的工序。经试制，发现效果较好。经退火后的内螺纹铜盘管，要经过严格的检查，其中包括机械性能、晶粒度、尺寸精度和每米克重偏差、内外表面清洁度、退火后的氧化度、表面缺陷、表面粗糙度等检测要求和必要的扩口、弯管实验，合格者才能包装出厂。５结束语薄壁内螺纹铜盘由于提高了热换效率２０％～４０％，降低能耗１５％，并能降低生产成本，因此薄壁内螺纹铜盘管是很有发展前途的产品，但由于内螺纹的加工对模具、设备的要求都较高，难度也较大，并受多方因素的影响，目前世界各国内螺纹管的加工速度还较低，工具的磨损也较快，国内生产内螺纹铜盘管的设备需花大量资金引进，工模具也仍主要依靠进口，这些都有待于我们科技工作者和工程技术人员的不断努力。相信随着科技研究的发展，生产经验的积累，薄壁内螺纹铜盘管的发展将得到进一步的提高，为国内空调器生产原材料“国产化”作出贡献！