换热器管板孔沟槽刀的简易设计

换热器管板孔沟槽刀的简易设计

在换热器管束制造过程中，管板与换热管的连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用等方式。为了保证换热管与管板连接的密封性及抗拉脱强度，提高换热管与管板的胀接质量，通常采用在管孔上开槽的形式。原有管板挖槽依靠镗床利用手工摆动装有挖刀的芯轴来控制挖刀挖槽的深度，准确性差，造成槽的深度不一样，且挖槽后圆孔内壁出现很多毛剌难以消除，使管子胀接在管板的圆孔内后连接牢度低，密封性差。这种方式已不能完全满足批量管板沟槽的加工所以根据生产的实际需要我们设计了结构简单、经济耐用的沟槽刀具。

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目前，管壳式热交换器（冷却器、加热器）广泛应用于石油、化工、轻工、制药能源等工业生产中。为了提高换热器的密封性能和增加拉脱力，越来越多的换热器采用了胀接（贴胀或强度胀）的密封形式，即在两端的管板孔内增加密封槽。其中对于薄管板（厚度小于25mm）一般开单槽，对于厚度大于25mm的一般设置两个沟槽，在一些有特殊要求的情况下有些设置三个沟槽。如图一。

其中δ为管板的厚度；K为槽的深度。

1 目前存在的问题

随着换热器的发展，换热器的换热面积及直径越来越大，一台管壳式换热器可能有几百根乃至上千根换热管，相应管板上就有成百上千个管孔。在每个管孔上加工两个沟槽，对机械加工带来很大的挑战。

1.1 用镗床加工如果采用在镗床上加工的方法，加工费用、加工精度以及进度都无法保证。

1.2 使用成型刀具加工如果采用外购的成型刀具，购买刀具的费用大巨大、且这种成型刀具不耐用，对中小型企业是一笔不小的开支。随着生产的换热器数量的增加，这种矛盾则更为突出。我们经过反复研究、试验、实践，设计了一款管板孔开沟槽刀具。该款刀具结构简单，并能保证沟槽的加工质量；操作过程简单，且价格低廉，适用于各种企业。目前我公司已成功用于批量生产。

2 设计原理

使用普通钻床，利用定位装置安装一活动刀头，运用钻床的上、下移动及转动来完成开槽工序。

该沟槽刀如图二所示，其组成分为刀头、刀杆、定心套、定位轴、调整螺栓、锥柄、刀体、限位螺栓、连接套等20个组件。其特点是，首先将刀杆与衬套及刀体三者利用定位轴固定为一体，工作时三者可同时转动；接着穿入定心套、轴

承及连接套，连接套的螺纹可调节深入管孔槽内刀头的深度，然后装入车床上的刀柄，旋入压盖固定于钻床上；最后装入刀头进行沟槽加工。工作时，将刀头还原到原位，深入管孔内，定心套紧贴与换热管内壁。下移钻床锥柄，利用调整螺栓及限位螺栓及弹簧装置保证刀杆随锥柄下移能自动定动及回位。调试好后即可开始工作。

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1——管板；2——定心套；3——轴承；4——连接套；5——限位螺栓；6——压盖；7——锥柄；8——刀杆；9——调整螺栓；10——定位销；11——衬套。

图二沟槽刀示意图

3 沟槽刀的特点

3.1 刀杆的制作刀杆是该沟槽刀中重要的部分，需要根据不同的管孔大小来分别制作。每种规格的管孔，需要用不同的刀杆。由于管板孔的大小不同，其沟槽的深度不同，因此刀杆前端部分要根据管孔大小再制作，其余不做改变。

刀杆的选材是经过调质处理HRC25-HRC30的45#钢。在加工过程中考虑到锥柄与刀杆的同心度，所以刀杆尾部与锥柄的连接采用球面接触，锥柄头部切出45°斜面凹槽，刀杆部分则加工为球面。在锥柄凹槽内能随锥柄的上下移动倾斜一定角度移动，从而保证刀头在管孔内能稳定的切削。

为了保证沟槽与工件的垂直，槽深浅一致的情况下刀杆前部（即装入刀头的部分），我们采用了偏心结构。偏心度数根据管板厚度、管孔大小以及开槽位置计算出来。经实践证明，这种偏心设计完全可以保证开槽质量。

3.2 限位螺栓的改进限位螺钉的作用就是保证刀杆在到适当的位置后阻止刀杆继续移动，但为了保证进入管板孔的刀杆能自如的进出，且不能伤害到刀头及管板孔表面，我们还引入了弹簧设计，如图三。当刀杆倾斜一定角度进入管板孔内，调节好限位螺栓，再随着钻床的下移，弹簧压缩，刀杆被限位螺栓限定在垂直位置后即开始工作。工作完毕后利用内置的弹性机构，能在退刀过程中即时的使刀头顺利离开工件，避免刀头损坏。

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图三刀杆中的弹簧应用

3.3 铁屑的排出

在加工过程中若铁屑不能及时排出，不仅会加快刀头的磨损，同时对管孔质量也危害极大。特别是在管板孔直径比较小时，铁屑更不易排出。我们经过不断的试验，最后在装入刀头的刀杆处增加了一个2.5mm×1mm的导向槽则顺利了解

决了这个问题，铁屑顺着导向槽将铁屑排出管孔外，减少了对刀头及管孔的伤害。见图四。

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图四

4 沟槽刀的特点

4.1 沟槽刀的优点

由于管板孔的规格尺寸比较多，不可能每种规格都制造一套，所以本设计绝大部分采用了通用设计，减少浪费。针对不同的管板孔规格，只需要更换定心套及刀杆这两个部件即可。这样不仅减少了成本，减少了刀具更换的频次，大大的提高了生产效率。在加工过程中，该款挖槽刀操作方便，简单、易学，不需要专门指导，且挖槽质量稳定，完全可以达到GB151-1999《管壳式换热器》中开槽的要求。

4.2 存在的问题该款沟槽刀在加工精度上稍微差一些，不适用于高精度场所。

5 总结

目前该款管板孔沟槽刀已在我公司正式投产使用，不仅提高工作效率、而且切槽位置准确、质量可靠，试验合格率100%，完全能适应生产的要求。

参考文献：

[1]GB151-1999，管壳式换热器[S].

[2]《换热器设计手册》.

[3]李红燕.换热器管板孔腐蚀失效分析[J].全面腐蚀控制，2013（12）.

作者简介：王倩，2012年毕业于西北工业大学网络教育机械设计及其自动化专业本科，学士学位，现在西安航新石化设备有限责任公司从事设计工作。