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 7 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，
金属 PTC 电加热器关键工艺研究及生产线研制
2
但从使用要求和追求舒适度的角度出发，依然具有广阔的市场前景，目前仍被广
泛应用于冷暖空调器中。
常见的空调辅助电加热器有电热丝、电热膜、石英管等作为发热体，这些电
加热元件加热时由于表面带电存在安全隐患，使用寿命很短，而且加热时不能随
环境温度自发改变加热功率，因而不具有温度自动调节功能，甚至使用不当容易
引起火灾等安全问题[6]。
目前空调的电热辅助器主要采用 PTC 材料做成的电加热器。PTC 材料是一种
温度敏感性的导电材料，PTC(Positive Temperature Coefficient)即正温度系数，是指
材料电阻率随自身温度升高而增大的一种特性，PTC 材料是特指具有非线性 PTC
效应的材料，材料的电阻率在某一定的温度范围内时基本保持不变或仅有很小的
变化，而当温度达到材料的临界温度(居里温度)附近时，材料的电阻率会在几度或
十几度狭窄温度范围内发生突变，电阻率迅速增大
3
10
~
9
10
数量级。当 PTC 发热
元件刚通电时，温度较低，此时电阻小，在恒压作用下通过 PTC 元件的电流较大，
因此加热功率很大，能迅速加热，温度逐渐上升到临界温度时，电阻急剧增大，
此时电流减小，加热元件温度相应降低。随着温度的不断下降，PTC 电阻丝阻值
又开始减小，使得通过加热元件电流再次增大，加热元件温度升高，如此反复实
现恒温加热，加热元件表现出自动调温的功能。除了具有温度自动调节能力之外，
和普通辅助电加热器相比，PTC 电加热器作为空调辅助加热元件还具有以下优良
特性[10]：
加热快。PTC 电加热器的容量较小，通电后 1~2min 内加热器表面温度可
达设定温度；
加热稳定。不易受电源电压波动的影响，即使电源电压有所波动，由于
PTC 加热器具有温度自控功能，发热量波动很小；
加热功率调节方便。发热功率可随环境温度、送风量自发调节；
安全可靠。发热器表面零电位，而且由于温度可以自动调节，不会因为过
热引发火灾。
节能环保。能够根据环境温度自动调节自身的加热功率，不像一般加热器
始终保持在同一功率加热，有效地节约了能源。
§1.2 金属 PTC 电加热器原理及特点
目前常用的 PTC 电热元件主要有陶瓷 PTC 和金属 PTC 两种，两者均具有加
热快且能自动恒温调节、机械强度高、使用寿命长、无噪音、外壳不带电、受电
源电压波动影响小、使用安全可靠等特点。但金属 PTC 作为新一代的电加热材料，
第一章 绪 论
3
具有传统陶瓷 PTC 所不具备的一些优越特性，如不易老化，功率衰减小等。长期
使用电阻率基本保持不变，功率衰减幅度大大低于陶瓷 PTC，并且金属 PTC 电阻
温度系数比陶瓷 PTC 的小很多，在初始加热阶段，随着温度升高，其加热功率按
一定速率下降，在稳定加热阶段能够保证有足够的加热功率，而不会像陶瓷 PTC
一样急剧下降，造成制热能力不足。
KSFR 系列金属 PTC 快速电加热器系上海华族实业有限公司的专利技术产品，
如图 1-1 所示，不仅广泛应用于各类冷暖空调，还被应用在各类取暖器、暖房机、
烘干机、干衣柜、干衣机等干燥设备，逐渐取代了传统的电热丝以及陶瓷 PTC 加
热器。
翅片
引出棒
氧化镁粉 固定板
PTC电阻丝
加热管 散热管
(a) 金属 PTC 快速电加热器 (b) 加热器内部结构
图1-1 KSFR 系列金属 PTC 快速电加热器及内部结构
加热器主要由加热管(发热元件)、翅片管(散热元件)以及辅助元件(保护元件、
接线头等)组成。加热管由铜管和金属 PTC 电阻丝组成，首先将螺旋状金属 PTC
电阻丝固定在铜管中并在铜管中填入氧化镁导热绝缘粉形成，这样加热管不仅表
现出金属 PTC 温度控制特性，而且 PTC 电阻丝与铜管绝缘，加热管表面零电位，
加热管使用安全可靠。
翅片管由多根铝制散热管和若干片散热翅片加工而成，不同型号的加热器采
用不同规格的翅片管。最后将加热管与翅片管装配，并配以引线、快插接头以及
保护元件（双金属片、热熔断器）形成加热器。金属 PTC 快速电加热器不仅采用
金属 PTC 电阻丝加热，使加热器具有 PTC 加热器所具有的温控特性，而且采用翅
片管作为散热元件，增大了散热面积，改善了散热条件，提高了加热效率，使整
个加热器表现出优异的加热性能和独特的温控特性，具体表现在以下几个方面[11]：
(1) 加热快，功率衰减小
金属 PTC 电加热器启动时电阻值小，因此加热器起动加热功率大，并且翅片
管结构增大了散热面积，改善了散热条件，使得加热器制热迅速，并且使用过程
中功率衰减小，长期使用后仍保持良好的制热能力。
金属 PTC 电加热器关键工艺研究及生产线研制
4
(2) 具有功率自动调节能力
金属 PTC 是一种正温度系数的发热材料，温度较低时，金属 PTC 电阻值较小，
加热功率较大，随着电阻丝温度的升高，其电阻值逐渐增大，加热功率随之下降，
从而减小发热量，有效抑制温度继续升高。当发热量和散热量达到平衡时，进入
稳定工作状态，制热功率保持恒定。
(3) 灵敏度高
由于金属 PTC 具有自动恒温特性，因此可通过调节空调风机风量方便调节制
热功率。如加大风量使加热器周围空气流动加快，破坏先前的发热与散热的平衡
状态，使其在较高的温度点重新达到热平衡。而且稳定时间短（从开机达到稳定
时间约为 2min），灵敏度高，有效弥补了冷暖两用空调制热启动惯性大的不足，是
冷暖空调以及暖风机理想的辅助加热元件。
(4) 安全系数高
金属 PTC 电阻丝与铜管采用氧化镁粉隔绝，因此电加热器外壳不带电，使用
安全可靠，并且金属 PTC 具有加热功率自动调节功能，能够防止温度无限制升高，
只要风机正常运转，加热器始终保持在一个相对稳定工作状态。即使因故障出现
过热，因为设置有两级保护元件，加热器也能有效地防止因过热引发事故。
(5) 使用寿命长，强度高，安装方便
金属 PTC 电阻丝被紧压在铜管中的氧化镁粉中心，电阻丝两极用金属引出棒
引出，两端用硅橡胶密封，与空气隔绝，因此不怕腐蚀，使用寿命长。安装支架
由高绝缘耐高温工程塑料制成，方便安装、维修。
§1.3 金属 PTC 加热器生产工艺流程
金属 PTC 电加热器生产过程主要分为加热管制备、翅片管成型、装配以及后
续加工四个部分，具体的工艺流程如图 1-2 所示。
图1-2 金属 PTC 快速电加热器生产工艺流程
第一章 绪 论
5
坯料制备包括散热管、散热翅片下料以及加热管的制备。散热翅片是通过专
用高速冲床制备。散热管原料为连续挤压铝管(材料牌号 1060)，首先经轧辊矫直再
通过专用的下料机构下料。加热管是加热器的核心部件，制备时先将螺旋状金属
PTC 电阻丝通过填粉加工固定在预先制备好的铜管当中，并在金属 PTC 电阻丝两
端配以接线端子(通常称为引出棒)，接着对加热管进行缩管加工，提高加热管的外
形尺寸精度，便于后续装配。
在加热器中真正起到加热作用的是加热管，但是为了增大加热器的散热面积，
改善散热条件，提高加热效率，将加热器散热管元件设计成翅片管结构，套装就
是将预先制备好的散热翅片套装在散热管上形成翅片管的过程。
通常为了方便翅片的套装，翅片与散热管之间采用大间隙配合，这样不仅翅
片容易从散热管上脱落，而且由于间隙的存在，减小了翅片与散热管的有效接触
面积，增大了传热的热阻，降低了加热效率，因此，在散热翅片套装完成后往往
要经过扩径加工消除散热翅片与散热管之间的间隙，使得散热翅片与散热管有效
结合，提高传热效率。
在扩径之前，为了降低扩径模具与管材内壁的摩擦系数，以提高扩径质量和
模具使用寿命，通常在散热管内表面喷洒雾状的润滑剂，这一过程称为喷油。
为了方便加热器的安装固定，在翅片管套装时除了套装散热翅片外，还需在
翅片管两端套上强度高于散热翅片的固定板。因加热器的使用过程中固定板承受
整个加热器与空调机身安装结合力，仅由扩径产生的结合力难以保证固定板与散
热管的连接强度，因此为了防止固定板松动脱落，通常对扩径后的散热管翻铆加
工，将固定板与散热管铆接起来。
铆接时对散热管超出固定板的距离(通常称为铆接余量)要求较高，但是由于扩
径是一个复杂的塑性成形过程，散热管在扩径力的作用下轴向产生缩短，并且缩
短量难以控制，容易造成铆接余量不足或者超出要求，从而降低铆接质量。为此
在散热管下料时有意增长散热管长度，使得扩径后散热管长度均超过铆接余量要
求，然后在扩径完成后将多余的散热管通过切削加工切除，以保证翻铆余量，这
一切削过程称为平口。
压管事实上是一个加热管与翅片管的装配过程，将加热管压入之前由扩径、
平口、翻铆加工成型的翅片管中，是翅片管成型与加热器后续再加工的分界工序，
即压管工序之后的加工属于加热器后续工序。
剪棒是为了方便加热器接线和绝缘密封，将加热引出棒剪切到一定要求长度
的工艺过程。
由于在扩径之前在散热管内喷洒了一定量的润滑剂，因此扩径后仍将有部分
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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