金属PTC电加热器关键工艺研究及生产线研制

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.08MB 129 页 15积分
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摘 要
随着人们对居住环境舒适度要求的不断提高，冷暖空调逐渐取代了传统的暖
风机和单冷机。由于冷暖空调低温时制热能力衰减严重，大多数冷暖空调采用电
辅助加热增强其制热能力。金属 PTC 电加热器作为一种新型的辅助电加热器，具
有独特的温控特性和优异的加热性能，主要由金属 PTC 加热体和翅片管散热体组
成，翅片管成形需经过扩径、平口及翻铆等一系列复杂工序加工而成，然后与 PTC
加热管装配并通过后续再加工形成加热器。由于目前大多数工序在不同设备上完
成，单体设备自动化程度低、通用性差，生产中工人劳动强度高，工件在不同设
备之间反复装夹，不仅重复定位精度低，加工质量差，而且生产效率极低，难以
满足大规模生产需求。因此迫切需要改善目前生产状况，确保产品质量，提高生
产效率，增强我国空调辅助电加热器的生产能力。
本文分析了目前金属 PTC 加热器手工生产中存在的问题和不足，结合加热器
生产工艺特点和流程，提出了流水化、多工位并行加工的加工方案，设计了生产
线总体布局和关键结构，研究了加热器关键生产工艺，分析了关键工序缺陷产生
的原因，通过理论分析推导出了扩径力计算公式，提出了优化扩径力、提高扩径
质量的途径，并且以金属切削和塑性成形理论为基础，通过理论分析和加工试验，
确定了平口刀具和铆杆头结构，优化了平口、翻铆工艺参数。
进一步分析了生产线应具备的基本功能，搭建了由可编程控制器、伺服系统
以及触摸屏组成的生产线控制系统软硬件平台，设计了控制系统硬件并规划了伺
服系统参数，在此基础上完成了控制程序的设计、开发与调试，生产线不仅能够
以全自动、单工位自动以及点动三种模式运行，而且具有远程控制、参数在线设
置、运行状态监视以及故障诊断等功能，实现了生产的流水化、自动化和信息化。
最后，论文客观地总结了课题所取得的成果以及存在的问题，提出了课题后
续的研究方向和内容。
关键词：金属 PTC 加热器 加工工艺 生产线 可编程控制器
伺服系统 位置控制
ABSRACT
With the enhancement of people’s requirements for living comfort, air conditioner
gradually replaced the traditional warm air blower and single cooler. However, heating
capability of the air conditioner seriously attenuates at lower temperature, the air
conditioner mostly adopts electric auxiliary heater to enhance its heating capability. As a
new type of electric auxiliary heater, metallic PTC electric heater has a unique
temperature control characteristic and excellent heating performance, mainly made up
of metal PTC heater body and fin-tube radiator. At present, Most processes are finished
in different equipments, work piece’s repeated positioning accuracy is low, processing
quality and production efficiency are both low, it is difficult to meet the needs of
large-scale production. There is an urgent need to improve the current production state
to ensure product quality, increase productivity and strengthen productive capacity.
This thesis analyze the current problems in manual production, combining with
processing technic, flowing way and multi-stage parallel working scheme are proposed,
and the overall layout of line and key structures are designed, defects causes of key
processes are investigated, expanding force formula is derived by theoretical analysis,
and then means of optimizing expanding force are proposed. On the basis of metal
cutting and plastic forming theory, through theoretical analysis and experiments,
structures of tools for cutting and riveting are devised, and process parameters are
optimized.
Furthermore, the function of the production line are investigated, controlling
platform is set up by the programmable controller, servo system and touch-screen,
control system hardware is laid out, and parameters of servo system is defined, the
control program is designed and debugged, the production line not only operate by three
kinds of automatic modes, which are fully automatic, single station and jog, but also has
remote control, parameter-line setting, operation status monitoring and fault diagnosis
functions, achieve pipeline, automatic and information producing process.
Finally, the thesis objectively summarizes the achieved results as well as the
presented problems, put forward follow-up research content and direction.
Key Words：Metal PTC heater, Critical process, Production line,
PLC, Servo system, Position control
I
目 录
摘 要
ABSRACT
第一章 绪 论...............................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义...............................................................................................1
§1.2 金属 PTC 电加热器原理及特点 ..................................................................... 2
§1.3 金属 PTC 加热器生产工艺流程 ..................................................................... 4
§1.4 金属 PTC 加热器国内外生产现状 ................................................................. 6
§1.5 课题主要研究内容...........................................................................................9
第二章 扩径工艺.........................................................................................................11
§2.1 扩径工艺.........................................................................................................11
§2.1.1 机械扩径原理及特点...........................................................................12
§2.1.2 扩径变形程度.......................................................................................13
§2.1.3 散热管扩径常见缺陷...........................................................................14
§2.2 扩径过程力学分析.........................................................................................16
§2.2.1 主应力法基本原理...............................................................................16
§2.2.2 扩径中散热管应力、应变特点...........................................................17
§2.2.3 屈服准则选择.......................................................................................18
§2.2.5 扩径力计算...........................................................................................23
§2.2.6 扩径力影响因素...................................................................................27
§2.2.7 变形区壁厚分布规律...........................................................................28
§2.3 扩径力优化.....................................................................................................31
§2.3.1 扩径模具几何参数...............................................................................31
§2.3.2 模具与管壁之间摩擦系数...................................................................33
§2.4 本章小结.........................................................................................................34
第三章 平口、翻铆工艺.............................................................................................35
§3.1 平口工艺.........................................................................................................35
§3.1.1 散热管切削性分析...............................................................................36
§3.1.2 平口刀具材料、结构确定...................................................................38
§3.1.3 平口刀具几何参数设计.......................................................................39
§3.1.4 平口切削用量确定...............................................................................45
§3.2 翻铆工艺.........................................................................................................48
目 录
II
§3.2.1 铆接工艺要求.......................................................................................48
§3.2.2 铆接方法选择.......................................................................................49
§3.2.3 散热管摆碾铆接过程...........................................................................51
§3.2.4 铆杆头结构设计...................................................................................53
§3.2.5 散热管铆接缺陷分析及工艺参数确定...............................................55
§3.3 本章小结.........................................................................................................58
第四章 生产线机械结构设计.....................................................................................59
§4.1 机械总体结构设计.........................................................................................59
§4.1.1 型号调整结构方案...............................................................................60
§4.1.2 工件定位夹紧方案...............................................................................60
§4.1.3 送料机构设计.......................................................................................63
§4.1.4 工位刀具进给方案...............................................................................64
§4.2 关键工位结构设计.........................................................................................66
§4.2.1 扩径工位压紧结构设计.......................................................................66
§4.2.2 剪棒机构设计.......................................................................................68
§4.3 本章小结.........................................................................................................70
第五章 生产线控制系统设计.....................................................................................71
§5.1 生产线控制系统总体设计.............................................................................71
§5.1.1 生产线控制系统功能分析...................................................................71
§5.1.2 生产线控制方案论证...........................................................................72
§5.1.3 控制系统硬件总体构成.......................................................................73
§5.2 控制系统硬件设计..........................................................................................75
§5.2.1 PLC 原理及特点 ................................................................................... 75
§5.2.2 PLC 控制系统硬件选型及 I/O 分配 ....................................................76
§5.2.3 控制系统电气原理图...........................................................................79
§5.3 伺服驱动系统设计.........................................................................................80
§5.3.1 伺服驱动系统选型...............................................................................80
§5.3.2 伺服驱动系统控制模式选择...............................................................81
§5.3.3 伺服驱动器 I/O 规划与参数设置....................................................... 82
§5.3.4 坐标系选择及原点偏移位置设置.......................................................86
§5.3.5 伺服驱动系统主控回路设计...............................................................88
§5.4 人机界面设计.................................................................................................90
§5.5 控制系统程序设计.........................................................................................92
目 录
III
§5.5.1 自动运行程序整体设计.......................................................................93
§5.5.2 单工位程序设计...................................................................................95
§5.5.3 其它模块程序设计...............................................................................98
§5.6 通讯系统设计.................................................................................................99
§5.5.1 触摸屏与 PLC 通讯 ............................................................................. 99
§5.5.2 PLC 与伺服系统通讯 ......................................................................... 100
§5.7 本章小节.......................................................................................................104
第六章 生产线控制系统安装调试...........................................................................105
§6.1 控制系统安装...............................................................................................105
§6.2 控制系统现场调试.......................................................................................107
§6.3 遇到的问题及解决方案...............................................................................108
§6.3 本章小结.......................................................................................................110
第七章 总结与展望...................................................................................................111
§7.1 课题总结.......................................................................................................111
§7.2 研究展望.......................................................................................................112
附 录...........................................................................................................................115
参考文献.......................................................................................................................121
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...........................................127
一、论文、专利....................................................................................................127
二、科研项目........................................................................................................127
致 谢...........................................................................................................................129
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景及意义
随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，短短十几年的时间，我国
空调产量迅速增长了几十倍。加之我国气候条件四季分明，近几年来尤其是冷暖
空调机得到了迅猛的发展，逐渐取代了传统的暖风机和分体单冷机，很大程度上
改善了人们的生活条件，提高了居住环境的舒适度。
冷暖两用空调机是通过压缩机这个“搬运工”实现热量转移，空调的制冷制
热是共生现象，即在系统制冷回路中安装了一个两位四通电磁阀，实现回路中制
冷剂正、反双向循环[1]。夏季制冷采用制冷循环方式，制冷系统内制冷剂的低压蒸
汽被压缩机吸入并压缩为高温高压蒸汽后排至冷凝器(散热)。同时轴流风扇吸入的
室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高温高压制冷剂蒸汽凝结为高
压液体，高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在低压下蒸发，吸取
周围的热量，同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的翅片间进行热交换，并将放
热后变冷的空气送向室内，如此室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。
冬季制热一般采用热泵循环方式，此过程正好与空调制冷过程相反，靠制冷系统
中制冷剂进行逆向循环后使室内的蒸发器变为冷凝器而释放热量，室外的冷凝器
变为蒸发器从外界空气中吸收热量从而实现制热[2~4]。
不论制热制冷，都要经过热量的转移，而转移热量的多少取决于蒸发器所能
吸收热量的多少，夏季室内温度较高，转移到室外的热量多，冬季时，室外温度
很低，因而转移到室内的热量很少，而且温度越低，转移的热量越少，制热能力
越低。当室外温度降到-5℃以下时，热泵型冷暖空调制热能力已经微乎其微了[5, 6]。
此外，空调在较低温度下制热时，不可避免的要进行化霜，化霜时都会使得室内
停止制热，温度越低，化霜频率越高，停机时间越长，空调的制热能力越低。因
此，冷暖空调的制热能力受环境温度的影响较大，环境温度较低时，其制热能力
衰减严重，很难满足使用者的需求。
因此，国内外研究人员以及工程技术人员致力于解决空调低温制热能力较低
问题，一般主要有两种途径：一是采用变频压缩机，提高热泵性能；二是增加辅
助电加热器，即在低温制热能力不足时增加电辅助加热。前者加热性能系数高，
但技术难度较大，制热能力受环境温度影响很大，当温度低于某一临界温度时，
其制热能力急剧下降，难以满足使用要求；后者技术相对简单，但总体上增加了
空调的功耗，使整机的性能系数下降[7~9]。但是，在冷暖两用空调中，辅助电加热
器只是弥补热泵制热的不足，尽管辅助电热器的使用整体上降低了空调的性能，
摘要：

摘要随着人们对居住环境舒适度要求的不断提高，冷暖空调逐渐取代了传统的暖风机和单冷机。由于冷暖空调低温时制热能力衰减严重，大多数冷暖空调采用电辅助加热增强其制热能力。金属PTC电加热器作为一种新型的辅助电加热器，具有独特的温控特性和优异的加热性能，主要由金属PTC加热体和翅片管散热体组成，翅片管成形需经过扩径、平口及翻铆等一系列复杂工序加工而成，然后与PTC加热管装配并通过后续再加工形成加热器。由于目前大多数工序在不同设备上完成，单体设备自动化程度低、通用性差，生产中工人劳动强度高，工件在不同设备之间反复装夹，不仅重复定位精度低，加工质量差，而且生产效率极低，难以满足大规模生产需求。因此迫切需要...

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