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1、 1 绪论11课题的来源 换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工、发电、制药等行业中是主要的工艺设备之一。因此，换热器的研究备受重视。从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的试验研究一直都在进行。 板式换热器是用薄金属板压制成具有一定形状波纹的换热板片，然后叠装而成的一种换热器。如图1.1所示。工作流体从板间流道和管间流道成直角交叉流动，冷、热液体通过中间的板片进行换热。 在板式换热器中，板片是最主要的组成部分，板片的结构形式是保证板片能有高效换热特征性的关键。同时，板片又是把两种介质分开的主要承受面，因而必须使它有足够的强度以承受两侧的压差。另外，由于在石油华工行业中的应用，板片的材
2、料还要有很强的抗腐蚀能力。 钛及钛合金由于具有良好的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度以及能耐较高的温度，已经作为一种工业材料在航空、航天、化工、造船、兵器等领域里使用，而且应用的范围和规模还在不断地扩大。 钛合钛合金有很多优异的特性，堪称理想的飞机结构材料。随着飞行速度增加，钛的用量也将逐渐增加。飞机结构中使用钛合金的部位多为接近发动机温度较高的部位，如后机身或发动机吊舱。属于这类部位的钛合金零件有隔板，波纹板、导风罩、接头、型材、蒙皮和角材等。目前有一些受力结构件如大梁、抗扭盒整体壁板、翼肋、隔框、接头等也开始用钛合金制造。钛合金零件的结构形状与通常的飞机典型零件相同，因而有的钛合金零件也可以
3、直接用传统的铝、钢板的成形方法和设备进行制造。但是，钛和钛合金也有其缺点，就是屈服极限和强度极限比较接近，因而冷成型性差，成形抗力大，易拉裂。弹性模量较低，屈服应力较高，因而成型后回弹大，不易贴膜。钛和钛合金的钣料属于难成型材料，为了制出合格的零件，而又不花费的劳动量，通常钛板零件采用热成形和热校形。热成形主要是为了提高钛合金的变形性和降低成形力，减少成形工序，减少成形零件的回弹。热校形是解决回弹所引起的精度不足问题。12课题的意义 随着我国冲压技术水平的不断提高，各种冲压自动化装置在实际生产中的应用越来越普遍.与传统手工冲压相比，自动化冲压模具具有安全、高效、节材等优点，是板材加工技术的发展
4、方向。同时用冲压成形技术制造钛板零件，是钛工程应用中的一个重要问题。常规的成形方法很难制造钛件，必须采用热成形和热校形的方法，因此在模具结构和工件上下料等方面提出了一些特殊的要求。 本文通过设计了一套可以用于钛板冲压的模具，冲压生产方面进行了积极的探索。 焊接板式换热器在高温、高压和有侵蚀性流体等工况下比可拆卸板式换热器更具有竞争性。 国外在6 0 年代就已开发出焊接板式换热器并开始应用， 国内至今仍没有开发出焊接板式换热器。 这次的毕业设计填补了国内空白。1.3国内外研究现状板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器，其应用日趋受到人们的重视。但是，由于其橡胶密
5、封垫圈耐温耐压性能的局限性， 在较高温度、较高压力以及某些特定介质中的应用问题一直未能得到解决。为此近年来，国外一些工业国家进行了不断的努力，研制出了能在中压、高温工况下工作的焊接式板式换热设备。钛的蕴藏量十分丰富，不但广泛分布于地球上，而且还存在于其他星球及陨石中。钛的储量约占地壳总重的0.61%,在所有元素中占第十位，居于铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、氧、硅之后，在常见金属中则仅次于铝、铁、钙、镁占第四位，比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。但由于它的高温性质特别活跃，很难提纯，因此金属钛直到本世纪四十年代才生产出来。第二次世界大战后首次在真空炉中成功地用镁还原四氟化钛获得了海绵钛，工业上开始
6、少量应用。冶炼技术一经突破并投入工业生产后，这种新材料迅速受到了人们的重视。随着钛材需求量的增加，钛及钛合金的产量大大增长。航空工业是钛的最大用户，近年来，不论是航空发动机还是飞机，用钛量均有增长，在飞机上钛合金的用量还有继续增长的趋势。用冲压成形技术制造钛板零件，是钛工程应用中的一个重要问题。常规的成形方法很难制造钛件，必须采用热成形和热校形的加热方法。自五十年代后期我国航空工业使用钛材以来，有关研究单位、高等院校与工厂对钛材的加热方法、机床设备、工装设计与材料、表面保护和清洗等问题，进行了多方面的实验与研究，在国内不少机种上得到应用，取得了丰富的经验与有价值的资料。七十年代初期，我国开始着
7、手制定自己的国家标准，目前已经建立起从冶炼到轧制以及二次加工的较为完整的工业生产体系，能够生产二十余种钛和钛合金锻件、邦材、管材、板、带、丝材、铸件等。在航空发动机、飞机以及人造卫星方面，从探索、试验到投入试制、小批或中批生产，已为钛材的应用积累了一定的经验，研制了适合我国国情的钛合金成形机，热成形模具材料、润滑剂等。但是国内全面的系统的论述钛板热成形的专著仍然少的可怜，与国外相比，我国在钛板热成型工艺方法上依然存在较大的差距。正是因为这样，钛板热成形技术在国内有更大的发展空间，今后必将在我国的航空航天事业的建设中起到更重要的作用。2 钛和钛合金的基本状况2.1钛的理化性能由于试验条件不同及其
8、他原因，下列参数仅供参考：原子序数 22原子量 47.9密度（克/厘米3） 4.5070.005原子直径（Å） 2.93熔点（） 166810熔化潜热（千卡/克分子） 5沸点（） 3535汽化潜热（千卡/克分子） 112.50.3%同素异构转变温度（） 882.5比热（卡/克） 0.1250.140热膨胀系数（1/）（25） 8.510-6导热系数（卡/秒厘米）（25） 0.0420.047电阻系数（欧厘米）（25） （42.555.4）10-6磁化系数（顺磁）（电磁单位/克） （3.153.17）10-6导磁系数（顺磁）（电磁单位/克） 1.00004由于氧对钛的亲和力很高，在钛
9、表面常有一层薄而坚固的氧化膜。这层氧化膜的存在使得钛在许多强腐蚀介质中呈钝化状态，因而钛具有十分突出的耐腐蚀性能。工业纯钛在中性和碱性溶液、氧化性酸中均有高的耐腐蚀性，此外在海水中钛不受腐蚀，甚至有名的王水（一份硝酸加三份盐酸）在常温下对钛的作用也很小。氢氟酸、盐酸、磷酸、硫酸以及为数不多的几种热、浓有机酸：草酸、甲酸、三氯（代）乙酸、三氟（代）乙酸、氯化铝及卤素元素与钛发生作用，主要是由于它们侵蚀和破坏了钛的保护层。加入氧化剂或离子时此种腐蚀情况可以得到改善。22钛的力学性能室温性能纯钛具有一定的强度，钛合金则具有较高的强度。工业纯钛b=2763公斤/毫米2钛合金b=70120公斤/毫米2高
10、强钛合金b120公斤/毫米2由于钛的比重仅为钢的60%，所以钛具有较高的比强度。硬度：经加工的工业纯钛 HB=200295刚性：工业纯钛抗压、抗拉弹性模量 1050010900公斤/毫米抗剪、扭转弹性模量4600公斤/毫米2钛合金抗压、抗拉弹性模量 1100012000公斤/毫米2抗剪、扭转弹性模量 41005100公斤/毫米2韧性：经加工的工业纯钛，V型切口冲击韧性 1.525.52公斤米高温性能大多数钛合金在500时仍具有一定的机械性能，但一般只在450左右使用。钛合金高温性能的改善主要是寻找理想的合金系统以及改进工艺来达到的。如调整合金元素，提高材料的蠕变强度、热稳定性以及抵抗热盐应力腐
11、蚀的能力，改进热处理制度，注意合理的操作，防止可能的气体和其它物质的污染等均能达到上述目的。但是要研制出一种性能优良、工艺简单、成本低廉的材料也确非易事，因为往往由于注意了一方面的要求，却很可能在另一种性能方面受到影响。所以，尽管各国都在大力研究，但能长期经受生产、使用实践考验，具有优异的综合性能的钛合金为数并不多。低温性能某些压力容器工作温度分别为-183、-253、-269及-212，要求材料在极低温度下仍具有较好的物理和机械性能。工业纯钛可以在-196的环境里应用，而Ti-5Al-2.5Sn(TA7)以及Ti-5Al-4V(TC3)使用温度可达-253，AT2系合金(以Ti-Zr为基体，
12、用铌、钒或钼构成的三元合金)低温性能很好。目前用降低铝或氧的含量的办法探索超低温新型钛合金材料的组成。2.3钛板的成形性能钛板的成形性能与其内部组织、力学性能以及变形条件有关。综合钛的各种有关特性，可以简要地归纳成以下几点：.比重小，强度大，比强度高；.能耐多种介质的腐蚀，特别使对海水的抗腐蚀性能十分突出；.在高温下化学性能活泼，易受污染；.屈强比高，塑性变形区小，常温下加工困难；.弹性模量低，回弹大；.延性较低；.对切口、划伤以及其他表面缺陷敏感，易产生裂纹、擦伤，容易粘接；.热传导率小；.细小粒子容易着火。3 钛板的成形方法3.1冷成形 通常讲的冷成形，即在室温下的成形。工艺方法：冷滚、冷
13、拉、冷弯、冷压等。工艺方式：一次冷成形 一次预成形（冷成形）+热校形特点：1）、设备，常规工装和设备（如滚弯机、拉形机、闸压机、冲床等，及其模具）。2）、成形范围：成形范围小，所需成形力大，冷作硬化严重，易开裂，回弹大。3）、应用范围：形状简单的零件，如支柱、角片、曲度平缓的蒙皮、型材等。3.2热成形热成形是借助于温度、压力及时间等工艺来加工零件，包括热成形和热校形热成形：充分利用材料在加热状态下的软化与蠕变性能，使塑性提高，以降低成形力和改善成形性，避免开裂，减少一些回弹。热校形：则主要是利用在加热状态下应力松弛的原理，以消除回弹，解决因回弹引起的零件精度不足的问题。应力松弛与热校形原理 通
14、过加热，提高钛合金的成形性能。其机理均用到蠕变与应力松弛的原理。工艺方法：加热成型, 工艺方式：一次冷预成形 + 热校形； 一次加热预成形 + 热校形； 直接加热成形并热校形。特点：1）、设备，常规工装和设备,添加一套加热装置;2）、成形范围：成形范围大，成形力小，回弹小;3）、应用范围：低塑性回弹大形状复杂精度高的零件.热成形应用范围：1、低塑性材料2、整体或局部变形量过大的零件3、处于强化状态的材料4、回弹大的材料5、热处理变形过大的零件6、高强度或厚板料7、要求尺寸和形状稳定的零件8、刚度小，但准确度要求高的零件9、成形系数超过标准的新结构10、变厚板，带肋板和复合板等4 钛板热成形的工
15、艺过程分析 钛板加热成形的全过程包括：毛料的制备、预成形件的制作、零件的热成形与热校形、成形零件的剪修、热处理与表面清洗以及零件的检验等。41毛料的制备：包括对原材料供应状态要求、下料、成形前的除油与清洗等；1对原材料供应状态的要求钛合金的一次变形在冶金工厂轧制成板材，性能的重复性较差。国内与国外生产的同样成分的钛板，机械性能差别不小；国内不同工厂生产的板材，性能也不会一样；即使一个工厂的产品，不同炉号其机械性能也不尽相同。因此为了保证零件质量，首先要确保原材料的质量。从库房领用的钛和钛合金板材，应具备生产厂出厂合格证和本厂复验合格证，应将合格证保存。在必要时，车间可对每张板料制造零件的基本情况作出记录，以备查考。所有板材均要求呈退火状态供应。为了保证零件的质量，应清楚板材表面的氧化层和其他污染。钛板表面不得有裂纹、起皮、压折、夹杂物等缺陷，以及经过酸洗的痕迹。板料应平直并包纸出库。在以后的下料、成形、
