拉深工藝在LED筒燈設計上的應用

羅婉霞，李柏林

(廣州廣日電氣設備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

國家發(fā)改委已發(fā)布了《中國逐步淘汰白熾燈路線圖》，規(guī)定從2012年10月1日起禁止進口和銷售100瓦及以上普通照明白熾燈，并預計從2016年10月1日起禁止進口和銷售15瓦及以上普通照明白熾燈，這意味著普通照明白熾燈在中國將逐步淘汰。隨著白熾燈的逐步淘汰，LED燈作為節(jié)能環(huán)保的光源逐步為人們熟知。

作為市場巨大的新寵，LED筒燈也因此步入尋常百姓家。但當今諸多LED筒燈生產(chǎn)企業(yè)不分LED筒燈功率大小，盲目采用壓鑄鋁，以壓鑄成型工藝來解決LED芯片散熱問題，由此帶來了成本高、質(zhì)量重及生產(chǎn)效率低等問題。針對此問題，本文將闡述一種拉深工藝在LED筒燈設計中的應用，使得燈具成本低、質(zhì)量輕且生產(chǎn)效率高，并能滿足散熱性能。

1 LED筒燈的結(jié)構形式

在LED工作期間，大概只有30%—40%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余60%—70%的能量轉(zhuǎn)化為熱量。為解決LED的散熱問題，當前較多使用鋁材作為LED燈具散熱材料，尤其是較為常見的LED筒燈，其散熱部件以壓鑄鋁為材料。壓鑄成型工藝為當前主流結(jié)構形式。散熱殼體表面布置不同形狀散熱筋，以保證LED筒燈散熱的可靠性，我們可以將其定義為整體式LED筒燈結(jié)構。如圖1中“左上”LED筒燈圖；另一種結(jié)構形式是以鋁制擠壓太陽花或鋁制鰭片為散熱體，這種散熱部件與殼體分離的結(jié)構，我們將其定義為非整體式LED筒燈結(jié)構，如圖1中“右上”LED筒燈圖。圖1為市場常見LED筒燈整燈結(jié)構，其中的發(fā)光器件LED以SMT表面貼片后與鋁基板通過緊固螺釘固定到散熱殼體上，見圖2。

圖1 LED筒燈整體結(jié)構示意圖Fig.1 Structure of LED down light

圖2 LED鋁基板與散熱殼體固定方式Fig.2 Fixed way of LED aluminum plate and heat shell

本文將討論拉深工藝在整體式LED筒燈結(jié)構中的設計與應用。

2 技術方案

2.1 拉深材料的選取

LED為發(fā)光器件，同時也是發(fā)熱器件，若將LED發(fā)出的熱量快速傳導出外界，其散熱材料要有較高的熱傳導系數(shù)，表1為常見金屬的熱傳導系數(shù)。

表1 常見金屬的熱傳導系數(shù) 單位：W/(m·K)Table 1 The heat transfer coefficient of common metals

由表1可知，銀熱傳導系數(shù)比較好，但缺點為價格太高；銅導熱效果則次之，不過銅也有造價高、質(zhì)量重、不耐腐蝕等缺點。因此，該LED筒燈設計選取鋁做為其散熱殼體材料。鋁材有多種規(guī)格，考慮采用拉深工藝作為該筒燈設計應用，要求該鋁質(zhì)材料應有良好的延伸率以及抗拉強度。該拉深材料選取1系1060-O態(tài)熱軋鋁板作為該LED筒燈的散熱外殼材料。

2.2 拉深口徑的設計

按LED筒燈口徑尺寸(φ)，圓形嵌入式LED筒燈分類為51mm、64 mm、76 mm、89 mm、102 mm、127 mm、152 mm、178 mm、203 mm或254mm。LED筒燈口徑示意圖見圖3[1]。

圖3 LED筒燈口徑示意圖Fig.3 Caliber of LED down light

由圖3可知，LED筒燈口徑為固定參數(shù)，為LED筒燈設計的固定輸入。LED筒燈拉伸外殼成形的關鍵為其拉深高度的設計確認。

2.3 拉深高度的設計

LED筒燈的拉深口徑尺寸(φ)已由筒燈類型結(jié)構確定。拉深件高度由光學及結(jié)構設計可初步確定其高度H；光學達到光斑均勻，能效最優(yōu)化；結(jié)構符合光學器件安裝、嵌入式筒燈安裝孔徑及空間高度要求。初步確定拉深件高度H后，按拉深工藝對其進行計算、修正，確定此高度的拉深工藝，具體步驟如下[2]：

(1)初算毛坯直徑D

簡單旋轉(zhuǎn)體拉深件毛坯直徑D以工件形狀、尺寸為基礎，按體積不變原則，旋轉(zhuǎn)體毛坯直徑D按式(1)估算(如圖4所示)：

(1)

圖4 簡單旋轉(zhuǎn)體拉深件毛坯直徑D計算示意簡圖Fig.4 D of a blank of simple revolver

復雜旋轉(zhuǎn)體拉深件毛坯直徑D可根據(jù)久里金法則求出，即任何形狀的母線繞軸旋轉(zhuǎn)一周所得到的旋轉(zhuǎn)體面積，等于該母線的長度與其形心繞該軸線旋轉(zhuǎn)所得周長的乘積，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)體表面積計算圖示Fig.5 Surface area of revolver

據(jù)此，旋轉(zhuǎn)體表面積為：

A=2πRxL

(2)

根據(jù)拉深前后面積相等的原則，坯料直徑按下式求出：

(3)

(4)

式中，A為旋轉(zhuǎn)體面積；Rx為旋轉(zhuǎn)體母線形心到旋轉(zhuǎn)軸線的距離(稱旋轉(zhuǎn)半徑)；L為旋轉(zhuǎn)體母線長度；D為坯料直徑。

表2 圓弧長度和形心到旋轉(zhuǎn)軸的距離計算公式Table 2 Arc length formula of the distance and centroid to the axis of rotation

(2)判斷工件能否一次拉深成型

零件總拉深系數(shù)M總為：

M總=φ/D

(5)

φ為LED筒燈口徑；D為毛坯直徑，鋁材拉深系數(shù)見表3。

表3 鋁材拉深系數(shù)Table 3 Drawing coefficient of Aluminum

(3)深次數(shù)及各次拉伸直徑確定

當零件需多次拉深成型，查表3得出各次拉深系數(shù)M1、M2……，用逼近法預算各次拉深直徑：d1=M1D、d2=M2D… …dn=MnD,dn<φ，得出所需拉伸次數(shù)n。

(4)計算各次的拉深高度

D2=d02+4dnHn-3.44dnRn

(6)

其中，D為坯料直徑；d0為拉伸凸緣直徑；dn為第n次拉深直徑；Hn為第n次拉深高度；Rn為第n次拉深圓角半徑。

圖6 拉深高度Hn示意簡圖Fig.6 Drawing highly Hn schematic diagram

由式(6)得：

Hn=0.25×(D2-d02)/dn+0.86Rn

(7)

最后一道拉深將工件直接拉深到設計拉深高度及直徑，至此，拉深工藝已確定，工件綜合上述拉深步驟計算修正后可確定最終設計高度H。

(5)拉深工藝驗證計算(以102mm開口的LED筒燈為例)

開口102mmLED筒燈根據(jù)光學達到光斑均勻及能效最優(yōu)化、結(jié)構符合光學器件安裝及空間高度的要求；經(jīng)過光學驗證取整后確定筒燈光學腔高度為40mm,直徑為68mm;防眩光腔高度為18mm,直徑為98mm。拉伸殼體尺寸如圖7所示，拉深殼體結(jié)構安裝如圖8所示。

圖7 口徑102mmLED筒燈拉深殼體尺寸T=1.2mmFig.7 Diameter of 102 mm LED downlight deep drawing of shell size T=1.2mm

圖8 拉深殼體結(jié)構安裝說明Fig.8 Drawing shell structure installation instructions

此例設計筒燈外殼為旋轉(zhuǎn)體階梯形拉深件屬于復雜旋轉(zhuǎn)體拉深件。旋轉(zhuǎn)體階梯形件拉深的變形特點與圓筒形件拉深的特點相同?？梢哉J為圓筒形件以后各次拉深時不拉到底就得到階梯形件。

故此例燈體外殼坯料直徑D可按復雜旋轉(zhuǎn)體拉深件根據(jù)久里金法則求出，拉深工藝可按圓筒形件拉深工藝設計。

圖6尺寸按式(6)及表2圓弧長度和形心到旋轉(zhuǎn)軸的距離計算公式，可計算得出圖6例中坯料直徑，如下：

D2=8×(28.8×14.4+7.2×29.5+34×36.2+2.9×40.7+5.4×43.8+2.9×46.9+14.7×49.5+2.9×52.2+13.5×58.9+2.5×65.5+2×67.4)=34820.9mm2

即D≈186.6mm，那么，M總=d1/D=98/186.6≈0.53>0.52，t/D=1.2/186.6≈0.64%>0.6%。查表3可知，由此可以判斷此例拉深件可一次拉深成型。

另外，d2/d1=68/98≈0.7>0.52。查表3可知，此例第二道拉深也可一次成型。

因此，實際生產(chǎn)中可采用從大階梯到小階梯依次拉出，其拉深次數(shù)為2次。翻邊工序(見圖7)可在拉深成型后通過整形獲得。LED基板固定孔位、卡線扣裝配孔位及卡簧安裝孔位需在拉深后由沖孔模及成型模成型后獲得。上述工藝拉深、沖孔、成型并外觀面噴粉后，經(jīng)試制，最終產(chǎn)品實物如圖9所示。

圖9 口徑102mmLED筒燈實物圖Fig.9 LED down light physical picture of diameter 102 mm

3 拉深殼體的散熱

3.1 拉深殼體的散熱模擬

本例中口徑為102mm的LED筒燈，其額定功率為12W,電源效率按0.9計算，則LED功率為10.8W，通過EFD軟件模擬拉深燈體散熱情況，模擬條件如下：

(1)初始環(huán)境溫度：28℃；

(2)LED：Osram5630，30pcs；

(3)LED總功率：約10.8W；

(4)LED發(fā)熱功率：9.18W；

(5)散熱器輻射系數(shù)：0.27；

(6)網(wǎng)格數(shù)量：101.9萬cells。

模擬結(jié)果見圖10。其中，LED焊點溫度Ts=55.4℃，θth=41℃/W (燈珠熱阻)，Tjmax=110℃ (燈珠結(jié)溫)，Ptotal=10.8/30≈0.36W，Tj=Tsp+θth×Ptotal=55.4+10.8/30×41=70.16℃

圖10 模擬結(jié)果示意圖Fig.10 The simulation results of schematic diagram

3.2 拉深殼體的散熱測試

為驗證軟件模擬結(jié)果，根據(jù)實際產(chǎn)品組裝后測量其散熱性能，測試條件如下：

(1)環(huán)境溫度Ta=28℃，濕度59%;

(2)LED：OSRAM5630，30pcs；

(3)測試工具：溫度儀Fluke 54ⅡB；

(4)測試方法：用恒流電源正常驅(qū)動點亮全部LED，分別測試LED焊點的溫度；

(5)LED總功率：10.7W (29.7V×0.36A) ，單顆LED功率：0.36W(10.7W/30)。

測試結(jié)果如圖11所示，其中Ts=53.3℃，Tj＇=Ts+θth×Ptotal=53.3+10.7/30×41=67.9℃。其中，Ts為LED焊點溫度；熱阻為Osram 5630:Rθj-c=41℃/W；LED最大結(jié)溫Tjmax=110℃。實際測量Tj＇=67.9℃與模擬計算Tj=70.16℃相差僅2.26℃，排除環(huán)境等其他因素對測試結(jié)果的影響，理論與實際數(shù)據(jù)相對吻合。

圖11 實際測試圖Fig.11 The actual test figure

4 結(jié)論

運用拉深工藝，經(jīng)設計并修正拉深高度H，且在設計的殼體上輔以基板安裝、電源固定及安裝卡簧等的結(jié)構設計，通過散熱模擬分析，評估散熱可行性，拉深工藝可實現(xiàn)在LED筒燈上的應用。采用拉深工藝實現(xiàn)的LED筒燈系列產(chǎn)品具有結(jié)構簡潔、質(zhì)量輕及成本低等優(yōu)點，在當今以產(chǎn)品性價比為基礎的LED市場，拉深工藝在LED筒燈上的應用將是一種趨勢。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 29294-2012 LED筒燈性能要求-4.3筒燈口徑分類[S].北京：中國標準出版社，2013.

[2] 李名望. 沖壓工藝與模具設計[M]. 北京：人民郵電出版社, 2009.

[3] 薛啟翔. 沖壓模具設計和加工計算速查手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[4] Cree application note. Thermal Management of Cree? XLamp?.LEDs.www. cree.com/Xlamp.