基于鈑金工藝綜合模塊化機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯曹勇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都610036）

1 引言

鈑金是針對(duì)金屬薄板（通常為6 mm 以下）的一種綜合冷加工工藝，包括剪、沖/切、復(fù)合、折、鉚接等，其顯著特征是同一零件厚度一致。本文介紹了一種主體結(jié)構(gòu)采用鈑金工藝制備的機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其機(jī)箱設(shè)計(jì)要達(dá)到如下指標(biāo)：結(jié)構(gòu)性能應(yīng)滿足相應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性要求的規(guī)定；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證模塊的互換性、通用性和標(biāo)準(zhǔn)化；機(jī)箱各設(shè)備、模塊上應(yīng)采取有效的接地、搭接和屏蔽措施，使系統(tǒng)滿足電磁屏蔽的相關(guān)要求。

2 基于鈑金工藝的綜合模塊化機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合模塊化機(jī)箱主要由一個(gè)綜合機(jī)箱和LRM 功能模塊組成，如圖1 所示?；阝k金工藝的綜合模塊化機(jī)架在結(jié)構(gòu)形式上分為前部的模塊承載區(qū)和后部的電氣互聯(lián)區(qū)。

圖1 鈑金綜合模塊化機(jī)架示意圖

基于鈑金工藝的綜合模塊化機(jī)如圖2 所示。機(jī)架的主框架及插槽采用鈑金工藝的方式加工成形。與銑削加工的零件相比，鈑金的裝配經(jīng)常使用鉚接裝配。上插槽和下插槽都是通過(guò)鉚接的方式固定在鈑金主框架上，機(jī)架前部的承載區(qū)域由鈑金框架和插槽鉚接形成。

2.2 LRM 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LRM 是綜合機(jī)箱內(nèi)基本的電子封裝形式，是綜合機(jī)箱各種功能實(shí)現(xiàn)的載體。LRM 模塊的結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示，其中的鎖緊機(jī)構(gòu)、起拔器、銘牌等附件為標(biāo)準(zhǔn)件。

圖2 鈑金綜合模塊化機(jī)示意圖

圖3 LRM 模塊結(jié)構(gòu)形式

3 機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)

在進(jìn)行機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解機(jī)箱內(nèi)的熱耗情況、每個(gè)模塊的相對(duì)準(zhǔn)確的熱耗器件表面的熱流密度和器件的結(jié)溫等信息。模塊熱耗條件如表1 所示。據(jù)軍標(biāo)規(guī)定，機(jī)箱工作溫度為-55～+70 ℃。

表1 模塊熱耗表

目前一些熱流密度比較大、溫升要求比較高的電子設(shè)備多數(shù)采用強(qiáng)迫空氣冷卻。強(qiáng)迫空氣冷卻具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)[1]。

綜合模塊化機(jī)箱采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷方案，6 只風(fēng)機(jī)布置在機(jī)箱頂部向上吹風(fēng)。氣流從機(jī)箱底部柵格進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部，經(jīng)過(guò)模塊兩側(cè)，與模塊散熱齒換熱后，由機(jī)箱頂部排出，如圖4 所示。

圖4 綜合化模塊機(jī)箱散熱方案

模塊的散熱設(shè)計(jì)可以從PCB 板的選材、設(shè)計(jì)元器件選用、器件在PCB 板上的布置和傳熱路徑設(shè)置等方面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)[2]針對(duì)PCB 板的選材和設(shè)計(jì)元器件選用等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。模塊PCB 板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意發(fā)熱器件在PCB板上的布置，布置的位置應(yīng)盡可能縮短傳熱路徑，應(yīng)優(yōu)先保證表面熱流密度高的器件傳熱路徑最短[3]。

對(duì)綜合模塊化機(jī)箱進(jìn)行熱仿真分析，其機(jī)箱的流場(chǎng)粒子如圖5 所示。

圖5 整機(jī)流場(chǎng)粒子圖

模塊三及其內(nèi)部PCB 的溫度云圖如圖6 和圖7 所示。通過(guò)上述仿真結(jié)果可以看出：器件的殼溫在93.8～100 ℃之間，根據(jù)器件的熱耗和結(jié)殼熱阻計(jì)算其結(jié)溫。模塊內(nèi)部器件的結(jié)溫最高為110.3 ℃，均未超過(guò)許用結(jié)溫125 ℃，機(jī)箱風(fēng)冷強(qiáng)迫散熱方案能夠滿足使用要求。

4 機(jī)箱抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)及振動(dòng)試驗(yàn)

由于機(jī)架內(nèi)部安裝了大量LRM 模塊，考慮到設(shè)備整體的力學(xué)環(huán)境可靠性，設(shè)備底部設(shè)計(jì)安裝4 個(gè)隔振器。同時(shí)設(shè)備采取如下抗振措施：設(shè)備主體采用鈑金工藝加工而成。在保證質(zhì)量指標(biāo)的情況下，設(shè)備結(jié)構(gòu)件局部取1.5 mm 左右，并且在這些位置局部安裝加強(qiáng)筋，從而提高其抗振能力；確保印制板本身有足夠的強(qiáng)度，印制板上面的元器件布局盡量對(duì)稱，安裝應(yīng)盡量低矮，體積和質(zhì)量較大的元器件布于靠近安裝點(diǎn)的位置上；印制板模塊四周都直接與結(jié)構(gòu)件接觸，能提高印制板剛度，避免印制板模塊受沖振時(shí)產(chǎn)生變形。

圖6 模塊三印制板溫度云圖A

圖7 模塊三印制板溫度云圖B

振動(dòng)試驗(yàn)如圖8 所示。試驗(yàn)量值為1.6 倍試驗(yàn)量值。在非工作狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)軸向按上述試驗(yàn)條件規(guī)定的振動(dòng)功率譜給受試樣機(jī)施加應(yīng)力6 h。機(jī)箱振動(dòng)試驗(yàn)如圖9 所示。通過(guò)沖擊和耐久振動(dòng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)機(jī)架未出現(xiàn)斷裂和損傷，機(jī)架能滿足振動(dòng)要求。

圖8 振動(dòng)試驗(yàn)譜線

圖9 機(jī)箱振動(dòng)試驗(yàn)

5 電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)主要是通過(guò)材料的選用、結(jié)構(gòu)形式的確定和對(duì)屏蔽體孔縫泄漏的抑制，來(lái)降低和防止電磁干擾[4]。該項(xiàng)目機(jī)箱采取如下措施提高電磁屏蔽：對(duì)模塊內(nèi)部的不同功能單元之間采取分區(qū)域單獨(dú)屏蔽方式；模塊采用全封閉結(jié)構(gòu)，必要時(shí)模塊各金屬構(gòu)件間加嵌屏蔽材料；模塊、機(jī)箱上連接器安裝位置處要做屏蔽處理；模塊、機(jī)箱用連接電纜必須做屏蔽處理，降低電磁輻射；模塊、機(jī)箱提供可靠接地。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前采用鈑金工藝的風(fēng)冷機(jī)箱已通過(guò)了振動(dòng)和高低溫等試驗(yàn)項(xiàng)目的考核，驗(yàn)證了該機(jī)箱熱設(shè)計(jì)、抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)等方面合理，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。