散熱管和散熱片機(jī)械脹管工藝分析

馮文杰，陳 文，單 斌，陳瑩瑩

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.機(jī)械工程學(xué)院;c.車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

空調(diào)散熱管與散熱片的連接是影響傳熱效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常采用液壓脹管和機(jī)械脹管2種連接方式。相比液壓脹管，機(jī)械脹管有操作簡(jiǎn)單、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)［1］。機(jī)械脹管時(shí)，將散熱片套入散熱管，用直徑大于散熱管內(nèi)徑的脹頭壓入散熱管，使散熱管徑向擴(kuò)大，達(dá)到散熱管和散熱片的緊固配合［2-3］，脹管示意圖如圖1所示。

圖1 脹管示意圖

為了提高空調(diào)散熱管和散熱片的傳熱效率，減小散熱管和散熱片翻邊的壁厚是最有效的途徑。由于壁厚的減小，降低了散熱管在軸向上的承受力，易產(chǎn)生彎曲，同時(shí)散熱管也容易產(chǎn)生裂紋，因此對(duì)機(jī)械脹管連接工藝提出了更高的要求。脹頭參數(shù)的合理設(shè)置是保證連接質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

本文以φ7銅管為研究對(duì)象(其幾何參數(shù)見(jiàn)圖2、材料參數(shù)見(jiàn)表1)，對(duì)散熱管與散熱片機(jī)械脹管連接進(jìn)行研究，并運(yùn)用有限元分析軟件defrom-3D進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得合理的脹頭參數(shù)。

圖2 散熱管與散熱片的幾何參數(shù)

表1 散熱管和散熱片參數(shù)

1 脹頭過(guò)盈量的確定

脹頭過(guò)盈量是確保散熱管和散熱片緊固配合的關(guān)鍵因素。脹頭過(guò)盈量過(guò)小，達(dá)不到散熱片和散熱管的緊固效果，降低了傳熱效率;脹頭過(guò)盈量過(guò)大，雖然保證了緊固效果，卻加大了散熱管在軸線向上的力，導(dǎo)致散熱管彎曲、失穩(wěn)、起皺等缺陷。散熱管的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其直徑，因此可忽略散熱管在軸線方向上的不均勻變形，將其看成一個(gè)平面應(yīng)變問(wèn)題，即假設(shè)在垂直于管軸線的各個(gè)平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)相同。假定散熱管為理想彈塑性材料，散熱管按完全進(jìn)入塑性狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算［3-4］。

設(shè)u表示散熱管沿徑向的位移，v表示環(huán)向位移。由于是軸對(duì)稱，取圓柱坐標(biāo)系為(r，θ，z)，oz表示管的軸線方向，r表示管的徑向方向，則位移分量 u=u(r)。劉超英等［4］通過(guò)漢基方程［5］研究得到

式(1)中:ν為泊松比;E為彈性模量;σs為屈服強(qiáng)度;μ為摩擦系數(shù);u0為脹頭過(guò)盈量的1/2;r1、r2分別為散熱管的內(nèi)、外徑;p為散熱片對(duì)散熱管的力。

當(dāng)散熱片翻邊的外徑處于彈性變形時(shí)，去除工作力后會(huì)發(fā)生彈性回彈產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而加強(qiáng)散熱片和散熱管的緊固效果。因此在機(jī)械脹管時(shí)，散熱管傳遞給散熱片的力不能使散熱片翻邊完全進(jìn)入塑性狀態(tài)。把散熱片翻邊看成是一個(gè)受均勻內(nèi)壓力-p的筒，則用極坐標(biāo)表示的平衡微分方程式為

根據(jù)屈服準(zhǔn)則:

利用邊界條件決定常數(shù)C。當(dāng)r=r4時(shí)，σr=0，則 C=1/r4，即

當(dāng)r=r3時(shí)，有最大壓力-p，所以

將幾何參數(shù)值(見(jiàn)圖2)和材料參數(shù)(見(jiàn)表1)代入式(3)，可得p=6.54 MPa。即當(dāng)散熱管傳遞給散熱片的力p=6.54 MPa時(shí)，散熱片的翻邊將全部進(jìn)入塑性狀態(tài)。此時(shí)，散熱管外徑上的金屬?gòu)较蛭灰品至縰(r2)min=0.15 mm，代入式(1)可得

2 數(shù)值模擬

本文采用Deform-3D［7-8］對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。主運(yùn)動(dòng)模(脹頭)下壓速度為25 mm/s，成形溫度T=20℃。忽略成形過(guò)程中的溫度變化，采用剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.28，其數(shù)值模型如圖3所示。由于散熱片和散熱管沒(méi)有相對(duì)位移，故散熱片采用支撐架來(lái)固定其位置。

圖3 數(shù)值模擬模型

在圖3中取同一z軸高度上的4個(gè)點(diǎn):point1為散熱管內(nèi)壁上的一點(diǎn)(即r=r1時(shí));point2為散熱管外壁上的一點(diǎn)(即r=r2時(shí));point3為散熱片翻邊內(nèi)壁上的一點(diǎn)(即r=r3時(shí));point4為散熱片翻邊外壁上的一點(diǎn)(即r=r4時(shí))。通過(guò)追蹤可以得到該4點(diǎn)在徑向上的位移偏量(應(yīng)變)曲線，如圖4所示?？梢钥闯?該模型與計(jì)算結(jié)果相符，且散熱片外壁上的point4點(diǎn)的應(yīng)變量為0 mm，表明該處還沒(méi)完全進(jìn)入塑性狀態(tài)。

散熱管傳力區(qū)的力直接作用到下模，故下模承受的力就是散熱管傳力區(qū)的軸向力。測(cè)得下模的力隨著時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如圖5所示。由于成形力很大，導(dǎo)致了散熱管發(fā)生鐓粗失穩(wěn)，如圖6所示。

圖4 應(yīng)變曲線

圖5 成形力和時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6 鐓粗失穩(wěn)

3 脹頭參數(shù)的優(yōu)化

當(dāng)脹頭過(guò)盈量一定時(shí)，對(duì)成形質(zhì)量和成形力影響最大的因素是脹頭定徑帶長(zhǎng)度L和脹頭錐角α。適當(dāng)?shù)亟档统尚瘟?，不僅能更好地提高成形質(zhì)量，而且可以加長(zhǎng)散熱管的長(zhǎng)度。

3.1 脹頭定徑帶長(zhǎng)度的確定

隨著定徑帶長(zhǎng)度L的增加，脹頭和散熱管的接觸長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致成形力增加，因此定徑帶長(zhǎng)度L越小越好。當(dāng)定徑帶長(zhǎng)度L＜2 mm，不能使散熱管變形區(qū)完全被定徑帶限制時(shí)，變形區(qū)的金屬會(huì)對(duì)已變形區(qū)的金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，迫使散熱管和散熱片再次分離。

圖7 分離缺陷

3.2 脹頭錐角的確定

脹頭錐角是影響變形力及變形程度(散熱管擴(kuò)徑程度)的主要參數(shù)［6-9］。圖7為當(dāng)L=2 mm時(shí)，錐角α對(duì)成形力的影響。隨著錐角α增大，變形區(qū)的過(guò)度長(zhǎng)度減少，脹頭和散熱管之間的摩擦力降低，所以成形力降低;當(dāng)α超過(guò)15°后，錐度過(guò)大，導(dǎo)致變形區(qū)部分軸向上的分力變小，要使脹頭軸向移動(dòng)，必須增大力，所以成形力反而增大。

圖8 α對(duì)成形力的影響

4 工藝試驗(yàn)

選擇φ7銅管為對(duì)象進(jìn)行工藝試驗(yàn)。脹頭過(guò)盈量u0=0.16 mm，脹頭錐角選α=15°，脹頭定徑帶長(zhǎng)度L=2 mm。裝配時(shí)，測(cè)得成形力為419.5 N，成形質(zhì)量好，表明本文的研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

1)首先確定了脹頭的過(guò)盈量u0=0.16 mm，保證了散熱管和散熱片機(jī)械脹管后的連接質(zhì)量;

2)脹頭定徑帶長(zhǎng)度L不但影響成形力，而且影響散熱管和散熱片機(jī)械脹管的連接質(zhì)量，取L=2 mm;

3)脹頭錐角對(duì)成形力有較大的影響，為了確保成形質(zhì)量，選擇α=15°。

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