随着社会经济的发展,我国面临能源安全和环境污染等诸多挑战,节能是缓解能源安全和环境污染的有效手段。管壳式换热器广泛应用于各个工业领域,其传热性能直接影响各领域的能耗水平。翅片管是换热器的核心部件,其性能的优劣决定换热器的换热能力。三维内翅片具有优异的传热性能获得了学术界和产业界的广泛关注,然而,如何高效加工三维内翅片管目前仍是一个难题。针对这一难题,本文提出辊轧-犁切挤压复合成形方法,研发具有圆弧主切削刃和弧形挤压曲面特征的犁切挤压刀具,实现了三维内翅片管高效可控加工。主要研究内容如下:提出三维内翅片管的辊轧-犁切挤压复合成形方法:在辊压成形的二维内螺旋翅片的基础上,犁切挤压成形三维内翅片管。研究了新型的犁切挤压复合成形刀具,该刀具具有圆弧状主切削刃和弧形挤压曲面特征。实验结果表明,该犁切挤压刀具突破了传统刀具主、副切削刃的经典包络原理,使管内表面被犁切开的内螺旋翅片不被去除而被挤压成形三维内翅片。研究了三维内翅片成形的犁切挤压临界深度,并推导出最大允许犁切挤压深度的计算公式。结合实验和有限元成分析,研究了三维内翅片的犁切挤压成形过程。结果表明,三维内翅片的犁切挤压成形可分为三个阶段:初始犁切、挤压、稳定成翅阶段。分析了三维内翅片管各阶段成形过程的各物理场以及刀具参数对各物理场的影响规律。结果表明:三维内翅片在成形过程中,翅根部存在应力集中现象;圆弧半径越大,三维内翅片根部的等效应力越大,并且翅片发生轴向倾斜;采用大挤压角加工,有利于成形直立的三维内翅片。研究了犁切挤压深度和进给速度对三维内翅片几何结构的影响规律。研究发现,三维内翅片高度随进给速度和犁切挤压深度的增加而增大,该变化趋势与理论预测高度变化趋势一致;翅片厚度随进给速度的增大而增大;犁切挤压深度对翅片间距没有影响,该结果跟理论预测公式相吻合。同时,揭示了刀具主偏角、挤压角以及圆弧半径对内翅片几何结构的影响规律。结果表明:内翅高度随犁切挤压刀具的主偏角增大而减小,翅片周向倾斜角度随主偏角度的增大而增加;三维内翅片的翅高和倾角度随挤压角的增大而增大;犁切挤压刀具的圆弧半径越大,翅片高度和倾角越小。研究了三维内翅片管的传热性能。与文献报道的内螺旋翅片管、波纹管和酒窝管等的传热性能对比,三维内翅片管的最大综合传热性能提高了6.9%-30%。相对传统的内螺旋翅片管,三维内翅片管的综合传热性能提高了13.1%,并已成功应用于某著名企业的空气源热泵。为进一步提高三维内翅片管的传热性能,分别提出了三维内翅片管内插树枝状调控结构、多孔纤维调控结构的复合强化传热方案;结果表明,相对单一的三维内翅片管,三维内翅片管内插树枝状调控结构的综合传热性能提高了15.7-86.2%;相对螺旋槽管内插双纽带,三维内翅片管内插树枝状调控结构的综合传热性能是其的2.06倍。相对文献报到的锥形插入物和多纽带插入物,三维内翅片管内插多孔纤维调控结构的综合传热性能提高了33.9%-78.9%。