一種航空液冷機(jī)箱集成制造工藝技術(shù)

朱麗娜，梁 寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

一種航空液冷機(jī)箱集成制造工藝技術(shù)

朱麗娜，梁 寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中以一種兼有“蛇形水道”和“深孔水道”的航空液冷機(jī)箱作為實(shí)例，進(jìn)行集成制造工藝研究。從工藝方法選擇、材料選擇及工藝流程三個方面進(jìn)行論述，確定水道和機(jī)箱成形工藝方案。對總體工藝方案、水道成形工藝方案、機(jī)箱成形工藝方案等方面中的關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對研制過程中出現(xiàn)的問題，提出了具體有效的解決方案。通過對研制結(jié)果的分析，驗(yàn)證了上述工藝方案的可行性。

航空液冷機(jī)箱；蛇形水道；深孔水道；密封性

引 言

隨著電子技術(shù)向高頻化、集成化、高功率的方向發(fā)展，電子設(shè)備也呈現(xiàn)出高性能、小型化、高集成的發(fā)展趨勢。有資料顯示，器件的可靠性對溫度十分敏感，在70 ℃ ～80 ℃水平上，溫度每增加1 ℃，器件可靠性下降5%[1]，散熱技術(shù)已經(jīng)成為影響電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵因素。航空電子設(shè)備受到體積限制，越來越多地采用液體冷卻技術(shù)。與普通液冷機(jī)箱相比，航空液冷機(jī)箱對環(huán)境適應(yīng)性、體積和重量要求更高，航空液冷機(jī)箱集成化、小型化、輕量化程度更高。液冷機(jī)箱一般利用內(nèi)部水道的冷卻液將功率器件耗散的熱量帶走，根據(jù)內(nèi)部水道的分布可以分為單面水道、雙面水道和多面水道。本文以一個三面水道航空液冷機(jī)箱作為實(shí)例，對其工藝技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 工藝設(shè)計(jì)分析

某航空液冷機(jī)箱是一個四面封閉式箱體(見圖1)，其外形尺寸為400 mm(長)× 298 mm(寬)× 275 mm(高)。插件導(dǎo)軌、冷卻通道與機(jī)箱連成一體，冷卻通道在空間上實(shí)現(xiàn)聯(lián)通，冷卻液在冷卻通道中實(shí)現(xiàn)空間循環(huán)。靠近電源一側(cè)的水道口為進(jìn)水口，冷卻液從進(jìn)水口進(jìn)入下板，沿蛇形冷卻水道循環(huán)，經(jīng)左側(cè)板水道進(jìn)入上板沿蛇形冷卻水道循環(huán)，最后進(jìn)入左側(cè)板水道，然后從出水口出來，將插件、電源等電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走。

1.1 設(shè)計(jì)要求

液冷機(jī)箱作為航空電子設(shè)備的安裝平臺和散熱件，對導(dǎo)軌插拔精度、散熱效果等提出較高的要求，同時結(jié)合液冷機(jī)箱集成制造特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)外形及平面度也提出了一定的要求(見圖2)，具體如下：

1)上下導(dǎo)軌共面精度為0.2mm，導(dǎo)軌開檔尺寸公差為0.3 mm，大散熱面平面度為0.1 mm；

2)外形角尺要求各面平行度為0.5 mm、垂直度為0.5 mm；

圖1 液冷機(jī)箱的三維結(jié)構(gòu)及空間水道示意圖

3)三面水道分布在機(jī)箱內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)連通，水道長度總計(jì)達(dá)8 m；

4)機(jī)箱多處采用減輕、鏤空設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)剛性比較差, 同時，機(jī)箱剛性固定在載機(jī)上，在振動沖擊載荷下工作應(yīng)力較大。

圖2 液冷機(jī)箱后視圖

1.2 工藝技術(shù)難點(diǎn)

航空液冷機(jī)箱對內(nèi)部水道及水道對接處的密封可靠性要求極高，還要承受惡劣的力學(xué)環(huán)境，同時還要保證成形后插件導(dǎo)軌槽的尺寸形位精度，因此，其工藝技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1)滿足精度、剛性與可靠性要求的工藝集成方案設(shè)計(jì)；

2)空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部系列尺寸組的精度實(shí)現(xiàn)；

3)整體空間水道的可靠成形工藝技術(shù)。

2 工藝方案的確定

2.1 總體方案

2.1.1 工藝總體方案確定

航空液冷機(jī)箱可以考慮的工藝方案主要包括鑄造成型、整體加工和連接成形等，具體情況如下：

1)鑄造成型就是將液體金屬澆注到具有與零件形狀相適應(yīng)的鑄型腔體中，冷卻后獲得零件或毛坯的一種工藝方法，鑄造普通機(jī)箱的工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，但鑄造液冷機(jī)箱尚處于研究試驗(yàn)階段，目前常采用預(yù)埋整體水道、整體鑄造成型的工藝方法。其優(yōu)點(diǎn)是鑄件尺寸大小不受限制，水道密封可靠性好，后續(xù)精加工量少，生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)是鑄造壁厚受到很大限制，需要進(jìn)行后續(xù)的精密加工。

2)整體加工成形一般采用鍛造零件毛坯，然后經(jīng)過數(shù)控銑、線切割等機(jī)械加工方法進(jìn)行內(nèi)外形的加工，利用深孔鉆或數(shù)控銑精加工出空間互連水道，最后采用焊接實(shí)現(xiàn)空間互連水道的局部封堵，其優(yōu)點(diǎn)是精度、表面粗糙度和強(qiáng)度高，缺點(diǎn)是工作量大、周期長、成本高、占用的設(shè)備資源比較多。

3)機(jī)箱成形常用的連接方法主要是機(jī)械連接、焊接和膠接等，而液冷機(jī)箱一般采用焊接連接。連接成形降低了機(jī)械加工的難度，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部減重設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是對設(shè)計(jì)要求較高，需要系統(tǒng)考慮結(jié)構(gòu)形式、精度分配、材料選擇和工藝可靠性等方方面面，特別是整體式空間冷卻水道的連接實(shí)現(xiàn)以及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。同時，連接成形的實(shí)現(xiàn)過程也較為復(fù)雜，對工藝過程控制也提出了嚴(yán)格的要求。

通過各種工藝方法的綜合比較，該航空液冷機(jī)箱決定采用連接成形的工藝方案。

2.1.2 機(jī)箱材料選擇

液冷機(jī)箱的工藝總體方案設(shè)計(jì)時首先涉及材料的選擇，由于該液冷機(jī)箱主要用在航空產(chǎn)品上，對材料的輕量化要求較高，優(yōu)先選用鋁合金材料。為保證其良好的熱交換性，液冷機(jī)箱的冷卻通道可以通過鑄造、整體加工和焊接形成，因此選擇材料時應(yīng)從材料的機(jī)械性能、焊接性能、強(qiáng)度和防腐性能進(jìn)行綜合考慮[2]。常用的鋁合金材料見表1。結(jié)合本液冷機(jī)箱冷卻水道的焊接成形方式及材料防護(hù)性、強(qiáng)度等進(jìn)行相應(yīng)選擇，機(jī)箱材料采用6063。

表1 各種鋁合金材料性能表

2.2 水道成形方案

由于對液冷機(jī)箱的焊接工藝和焊縫強(qiáng)度的要求極高，液冷機(jī)箱水道的焊接工藝可以采用熔焊和釬焊[3-4]，目前常用的焊接方法主要有真空鋁釬焊、真空電子束焊和攪拌摩擦焊。

2.2.1 真空釬焊

真空釬焊是在真空條件下不使用釬劑釬焊鋁零件的一種先進(jìn)的工藝方法。焊縫剪切強(qiáng)度可達(dá)母材的70%以上，釬透率可達(dá)90%以上，可以滿足液冷組件的焊接要求。另外，鍛鋁合金零件在真空釬焊后可以通過快速冷卻工藝進(jìn)行氣體淬火，實(shí)現(xiàn)釬焊-氣淬一體化。其優(yōu)點(diǎn)是溫度場均勻，零件變形很小，焊縫的抗腐蝕性好。缺點(diǎn)是操作規(guī)程要求較高，可能會產(chǎn)生局部釬透率缺陷。

2.2.2 真空電子束焊

真空電子束焊屬高能束焊，它是將高速電子流聚焦于工件上，將電子束的能量施加于工件使金屬熔化實(shí)現(xiàn)焊接的一種方法。其優(yōu)點(diǎn)是晶粒細(xì)小、組織致密，焊縫的熱影響區(qū)小、零件變形小。缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生飛濺缺陷，導(dǎo)致局部地方漏氣。

2.2.3 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊的原理是一個非耗損的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著扎入焊接工件的連接界面，當(dāng)攪拌頭向前沿著焊縫移動時，塑化金屬在機(jī)械攪拌和頂鍛作用下形成致密的固相聯(lián)接。其優(yōu)點(diǎn)是焊接質(zhì)量高度一致，不需要高的操作技能和訓(xùn)練，焊縫不出現(xiàn)孔洞和裂紋，具有高的生產(chǎn)率，適合采用自動化焊接方法。缺點(diǎn)是焊接后外表面留有摩擦痕跡，焊接后殼體有微變形，需要精密加工。表2中對3種焊接成型方法的不同方面進(jìn)行了比較。

表2 常用焊接方法特性比較

從上述焊接方法的比較可知，采用電子束焊和真空釬焊組合焊接工藝，既可以保證焊縫質(zhì)量，又可以獲得較高的焊接強(qiáng)度。

2.3 機(jī)箱成形方案

根據(jù)液冷機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式，綜合考慮水道焊縫質(zhì)量、殼體適用材料、生產(chǎn)效率及成本等，機(jī)箱成形采用水道整體對接真空釬焊和導(dǎo)軌面蛇形水道端面電子束焊接封堵方案。水道整體對接真空釬焊方案要滿足液冷機(jī)箱水道對接處可靠密封及機(jī)箱成形后空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部系列尺寸組精度，涉及到的關(guān)鍵工藝技術(shù)有焊接分層設(shè)計(jì)、尺寸精度分配及精密焊接設(shè)計(jì)；導(dǎo)軌面蛇形水道端面電子束焊接封堵方案要保證水道的成形及水道的密封性和強(qiáng)度，涉及的關(guān)鍵工藝技術(shù)有冷卻通道的加工及密封性和強(qiáng)度檢測。液冷機(jī)箱的的詳細(xì)工藝流程如圖3所示。

3 關(guān)鍵工藝實(shí)現(xiàn)

圍繞高精度、高剛性與高可靠性等技術(shù)要求，航空液冷機(jī)箱焊接成形的關(guān)鍵工藝技術(shù)主要包括液冷機(jī)箱集成設(shè)計(jì)、焊接工藝設(shè)計(jì)、冷卻通道加工及密封性和強(qiáng)度檢測等。

3.1 分層設(shè)計(jì)

焊接分層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是選擇合適的焊接面，焊接面的選擇原則是：1)水平焊接面，盡量避免豎焊縫；2)釬焊接頭設(shè)計(jì)為T型(豎筋、平板對接)；3)對稱布局；4)接口連接部分盡量設(shè)計(jì)為一體式，同時還要結(jié)合水道空間走向以及機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局確定真空釬焊焊接面。此外焊接面的結(jié)構(gòu)形式也會影響焊接質(zhì)量，通常采用凹嵌式結(jié)構(gòu)，形成角部焊縫增加焊縫強(qiáng)度。

3.2 精度分配

為了實(shí)現(xiàn)液冷機(jī)箱空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部系列尺寸組的精度，必須保證焊接成型后插件開檔尺寸、導(dǎo)軌槽深度及焊接面的平面度，因此在進(jìn)行尺寸精度分配時，尺寸鏈主要關(guān)注水平板平面度、豎直板尺寸一致性、插件開檔尺寸鏈計(jì)算等。尺寸鏈計(jì)算公式為

(1)

故：

(2)

圖3 液冷機(jī)箱工藝流程圖

3.3 精密焊接設(shè)計(jì)

真空釬焊是一種精密焊接方法，影響釬焊質(zhì)量的因素有零件結(jié)構(gòu)和加工精度、焊接基準(zhǔn)平板平面誤差、區(qū)域溫差造成的熱應(yīng)力、約束(加載)大小和模式等。因此要控制焊接變形和保證釬焊質(zhì)量，就必須控制好以下4個方面：

1)設(shè)計(jì)制造高耐熱材料、高平面度的基準(zhǔn)平板和相應(yīng)的焊接工裝；

2)液冷機(jī)箱水平板和豎直板的精密制造及可焊性工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

3)合理制定釬焊工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制釬料量的使用，合理選用加載方式；

4)控制焊接全過程液冷機(jī)箱各部分溫差。

3.4 冷卻通道的加工

液冷機(jī)箱中冷卻通道為Φ6深孔，深徑比分別為23.5、39.75、63.8，因此采用數(shù)控深孔鉆鏜床進(jìn)行加工，為提高深孔鉆加工質(zhì)量，要控制好以下5個方面[5]：

1)合理安排深孔鉆工序，粗加工毛坯后增加熱處理工序以減少殘余應(yīng)力；

2)提高毛坯加工精度，毛坯兩端面平面度控制在0.1mm以內(nèi)；

3)調(diào)整導(dǎo)向銅套的安裝位置，提高刀桿剛性；

4)提高工件裝夾定位精度；

5)深徑比超過50的深通孔可采取兩頭對鉆方式。

3.5 冷卻通道的密封性和強(qiáng)度檢測

密封性和強(qiáng)度檢測工序安排在液冷機(jī)箱采用焊接的方法連接形成冷卻液通道后，并通過特殊而嚴(yán)格的方法進(jìn)行。檢測時需使用專用的檢測工裝，通過減壓閥將高壓氮?dú)庹{(diào)整到所需的檢測壓力，對液冷機(jī)箱的冷卻液通道進(jìn)行加壓檢測。一般先充入較低的流體壓力(一般為0.8MPa)，保持5min，然后慢慢增加到大于工作流體壓力1倍以上(一般取1.2MPa)的壓力，保持15min，無破壞和滲漏后才能進(jìn)行液冷機(jī)箱的精加工。密封性和強(qiáng)度檢測試驗(yàn)時必須采取必要的安全防護(hù)措施，如焊縫、封閉端應(yīng)對著無人的方向，避免物體飛出傷人。

采用上述制造工藝方法的液冷機(jī)箱在航空產(chǎn)品中已得到成功應(yīng)用，其實(shí)物如圖4所示。

圖4 液冷機(jī)箱實(shí)物圖

4 結(jié)束語

本文將三面水道的航空液冷機(jī)箱作為實(shí)例，對可用的3種工藝方法進(jìn)行了論述，確定了電子束焊和真空釬焊組合焊接成形工藝方案，這在某所尚屬首例。對分層設(shè)計(jì)、精度分配、精密焊接設(shè)計(jì)、冷卻通道加工及密封性和強(qiáng)度檢測等5個方面的關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。針對研制過程中出現(xiàn)的問題，提出了具體有效的解決方案。經(jīng)過2個批次的工藝完善，實(shí)現(xiàn)了液冷機(jī)箱水道的空間互連，滿足了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了上述工藝方案的可行性，對類似結(jié)構(gòu)的液冷機(jī)箱提供了有益的參考。對于文中提到的其他工藝技術(shù)，需要根據(jù)產(chǎn)品的具體情況，結(jié)合各單位的優(yōu)勢，在實(shí)際生產(chǎn)過程中進(jìn)行選擇或組合使用。

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朱麗娜(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事工藝總體設(shè)計(jì)及機(jī)械工藝設(shè)計(jì)工作。

Integrated Manufacturing Technology of an Aviation Liquid Cooling Box

ZHU Li-na，LIANG ning

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

The integrated manufacturing process technology is studied in this paper, with the air cooling box with serpentine channel and deep channel taken as an example. The process selection, process flow and material selection are discussed and thus the channel and air cooling box forming process scheme is determined. The key process technology is analyzed in detail from three aspects such as the overall technology scheme, the channel forming process and air cooling box forming process scheme. Aiming at the problems in the development, the specific and effective solutions are put forward. The feasibility of the process plan is verified by the research result analysis.

liquid cooling box; serpentine channel; deep channel; sealing

2013-09-16

TH126

A

1008-5300(2013)06-0060-05