淺談典型散熱器鋁合金型材模具的設(shè)計(jì)

陶維友

摘 要：散熱器型材的特點(diǎn)：散熱片之間距離短，相鄰兩散熱片之間形成一個(gè)槽形，深寬比很大；壁厚差大：根部厚，齒部薄。本文通過對(duì)典型散熱器型材的模具設(shè)計(jì)分析，找出這類高密齒散熱器型材模具設(shè)計(jì)的規(guī)律：合理布置?？?、增加平衡?？住⒕饨饘倭鲃?dòng)、提高模具的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)擠壓出合格產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：散熱器型材；模具；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG379 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）11-0064-03

前言

近年來，隨著我國(guó)大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國(guó)一躍成為世界上最大的鋁型材生產(chǎn)基地和消費(fèi)市場(chǎng)。伴隨著交通、工業(yè)、汽車以及IT、太陽(yáng)能和LED等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋁合金因質(zhì)輕、美觀、良好的導(dǎo)熱性和易加工成復(fù)雜的形狀等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛地用于生產(chǎn)散熱器材。由于散熱型材斷面形狀出現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化，如按常規(guī)常見形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在許多不足，需要在生產(chǎn)實(shí)踐不斷地學(xué)習(xí)、積累、不斷地改造和創(chuàng)新，并通過生產(chǎn)實(shí)踐逐步解決問題。

1 模具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)概述

模具在擠壓成型過程中起著將圓形的鋁棒變形為各種形狀的鋁材的作用。因此，模具在鋁型材擠壓工序中舉足輕重，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到擠壓型材的質(zhì)量及效率（外形尺寸、壁厚公差、強(qiáng)度、表面外觀）。

擠壓模具的設(shè)計(jì)不但要充分考慮到金屬在擠壓過程中的特性和在模具中流動(dòng)的復(fù)雜性，而且還要在保證模具強(qiáng)度和壽命的同時(shí)，使成型出口的每個(gè)位置金屬流速基本保持一致。

模具設(shè)計(jì)主要考慮的內(nèi)容如下：

1.1 確定設(shè)計(jì)模腔參數(shù)

設(shè)計(jì)模腔參數(shù)不但要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備條件、工藝規(guī)程和大型基本工具的配備情況，還要考慮擠壓筒尺寸，擠壓系數(shù)和擠壓力的大小。

1.2 布置?？自谀Ｗ悠矫嫔系奈恢?/p>

一般來說，對(duì)于單孔的管棒材及對(duì)稱好的型材，應(yīng)將?？椎睦碚撝匦姆旁谀Ｗ拥闹行纳?。對(duì)于多孔模的分布還要考慮?？讛?shù)目、模具強(qiáng)度，制品表面的質(zhì)量要求、金屬流動(dòng)的均勻性等問題。

1.3 計(jì)算?？壮叽?/p>

設(shè)計(jì)?？壮叽?，不但要考慮鋁合金的化學(xué)成分、產(chǎn)品形狀、公稱尺寸及其公差、產(chǎn)品斷面的幾何形狀及其在拉伸矯直時(shí)的變化，還要考慮擠壓溫度以及在此溫度下模具與合金的線膨脹系數(shù)、模具的彈性變形、升溫特性等。一般來說，?？椎脑O(shè)計(jì)尺寸要比公稱尺寸大1%。

1.4 調(diào)整金屬的流動(dòng)速度

金屬的流動(dòng)速度一般由?？椎男螤睢⑽恢?、布局以及工作帶共同調(diào)節(jié)。其中，工作帶是模子中垂直于模具工作端面并用以保證擠壓制品的形狀、尺寸和表面質(zhì)量的區(qū)段。金屬流經(jīng)?？讜r(shí)的變形應(yīng)力最大，因此，工作帶的長(zhǎng)短對(duì)金屬流出?？椎乃俣扔绊懸沧畲蟆Ｒ话銇碚f，要根據(jù)型材的形狀，各部分壁厚的差異和比周長(zhǎng)的不同以及距離模具中心的遠(yuǎn)近，是否有遮擋等情況設(shè)計(jì)出不等長(zhǎng)的工作帶，保證制品斷面上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以相同的速度流出?？?。

1.5 模具要保證足夠的強(qiáng)度

擠壓模具的工作條件十分惡劣，模具強(qiáng)度直接影響模具的使用壽命和使用效益。設(shè)計(jì)時(shí)要合理布置?？椎奈恢?，選擇合適的模具材料，設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)和外形，同時(shí)要對(duì)危險(xiǎn)斷面的許用強(qiáng)度校核。

1.6 確定模孔空刀結(jié)構(gòu)

?？卓盏毒褪悄？坠ぷ鲙С隹诙藨冶壑С械慕Y(jié)構(gòu)。空刀的設(shè)計(jì)如果不合理則容易導(dǎo)致型材劃傷甚至出現(xiàn)堵模。一般來說，型材壁厚t≥2.0mm時(shí)，可采用加工容易的直空刀結(jié)構(gòu)；當(dāng)t<2mm時(shí)，或者帶有懸臂處可用斜空刀。

2 散熱器鋁合金型材的特點(diǎn)

鋁合金散熱器型材的特點(diǎn)：散熱片之間距離短，相鄰兩散熱片之間形成一個(gè)槽形，深寬比大，壁厚差大：根部的底板厚度大，齒部很薄。

目前，散熱器型材主要有三種類型：放射型，梳子形、魚刺形。它們廣泛應(yīng)用于IT、LED行業(yè)的散熱器上，具有良好的散熱功能，如圖1所示。

這些型材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給模具設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)帶來了很大的困難。筆者根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過實(shí)際例子介紹這類型材的模具設(shè)計(jì)方法，以供同行們參考。

3 典型散熱器擠壓模具設(shè)計(jì)舉例

3.1 梳子形散熱器鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)

3.1.1 產(chǎn)品分析

圖2是一款梳子狀散熱器鋁合金型材截面圖，其特點(diǎn)是散熱片齒薄，懸臂長(zhǎng)，而散熱片齒間距小，擠壓時(shí)齒部極易出現(xiàn)偏齒和斷齒，導(dǎo)致模具報(bào)廢；其次是型材截面壁厚相差懸殊：截面根部的底板較厚而齒部薄，擠壓時(shí)金屬流速的不均勻更易導(dǎo)致危險(xiǎn)斷面的斷裂。

對(duì)這種型材，如采用平面模直接擠壓，很難生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，而且極易導(dǎo)致模具報(bào)廢。改進(jìn)的辦法是增加導(dǎo)流模，即金屬先在導(dǎo)流模中產(chǎn)生預(yù)變形，進(jìn)行第一次分配，形成與散熱器相似的坯料，再經(jīng)過?？自龠M(jìn)行第二次變形，從而擠壓出合格產(chǎn)品。為控制調(diào)節(jié)金屬的流動(dòng)，使壁薄、形狀復(fù)雜、難度大的型材易成形，有時(shí)將?？自O(shè)計(jì)成擴(kuò)展模式。擴(kuò)展除了起寬展作用外，還起著預(yù)分配金屬和調(diào)整出口型材流速的作用，同時(shí)也可減少模具擠壓時(shí)承受較大的正面壓力，防止?？椎奈ｋU(xiǎn)斷面的斷裂，實(shí)現(xiàn)正常擠壓。

3.1.2 設(shè)計(jì)方案確定

方案1：采用遮蓋式導(dǎo)流保護(hù)模：

設(shè)計(jì)思路：采用遮蓋式導(dǎo)流保護(hù)模，讓金屬直達(dá)壁薄的懸臂根部，率先充滿根部型孔，懸臂的頭部由于位于導(dǎo)流板的保護(hù)之下，金屬不能直接到達(dá)，從而減小頭部對(duì)根部產(chǎn)生的扭矩、彎矩。同時(shí)，對(duì)導(dǎo)流孔進(jìn)行擴(kuò)孔，減少了金屬進(jìn)入?？椎牧魉俸蛿D壓力，減緩了懸臂所承受的正壓力。一般來說，導(dǎo)流遮蓋板遮蓋懸臂的長(zhǎng)度為懸臂總長(zhǎng)度的1/3-1/2為宜，擴(kuò)孔以15°～25°為宜。如圖3所示。

方案2：采用假分流模：

設(shè)計(jì)思路：所謂假分流模就是將型材模具設(shè)計(jì)成分流模的形式，但沒有決定型材內(nèi)孔尺寸的型芯，因此，稱之為假分流模，如圖4所示，其中圖（1）的導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)為2個(gè)、圖（2）的導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)為4個(gè)。

這2種設(shè)計(jì)的假分流模，都將壁厚較厚的部分布局在上模分流橋下，分流橋起到阻礙金屬流動(dòng)的作用，使金屬到達(dá)模孔的流速和擠壓力都降低，減小大懸臂型材模具危險(xiǎn)斷面的斷裂系數(shù)，有效地增強(qiáng)模具的強(qiáng)度。

將型材的齒布局在分流口處，減小擠壓阻力，使金屬先期到達(dá)壁薄處，使型材擠出時(shí)流速均衡。為使金屬能夠充分填充?？椎母魈?，將上模的分流口設(shè)為帶有斜度的擴(kuò)展形式，如圖5所示。

為改善齒頂部的流速，有時(shí)下模的齒頂處的焊合室設(shè)計(jì)促流斜面，以利于齒頂部不易填充部分的充分填充。如圖6所示。在工作帶的選取上，被遮蓋住的齒部工作帶應(yīng)設(shè)計(jì)為最小，其余模孔各部的工作帶，按其所處?？椎奈恢?、形狀、壁厚等和經(jīng)驗(yàn)做相應(yīng)的調(diào)整和選擇，確保其擠壓速度趨于一致。

3.2 太陽(yáng)花散熱器擠壓模具設(shè)計(jì)

太陽(yáng)花散熱器是一款常用的電腦散熱器。

3.2.1 產(chǎn)品分析

如圖7所示，此型材截面的外形尺寸為φ90 的圓形，在它的周圍均布有52根圓弧型齒，每根齒前端又分出2根叉齒，齒片總長(zhǎng)度24.6mm，齒尖部位的厚度僅有0.52mm，而實(shí)心部位的厚度42mm。如果采用平面模直接擠壓，基本上不可能擠出成品，而且模具極易壓塌報(bào)廢。

3.2.2 確定設(shè)計(jì)方案

對(duì)于這類太陽(yáng)花鋁合金散熱型材，要采用分流組合模結(jié)構(gòu)。

分流組合模具有普通平面分流模的功能及優(yōu)點(diǎn)，其主要特點(diǎn)是：

（1）按斷面形狀進(jìn)行一次金屬流量預(yù)分配，有效地減小了底部較大壁厚模孔處的流速，確保了擠壓型材流速的均衡平穩(wěn)。

（2）通過上模的中心部位對(duì)下模孔懸臂部分的遮蓋，可以減少流動(dòng)金屬對(duì)?？椎闹苯記_擊，減少在模端面上形成的拉應(yīng)力，從而增強(qiáng)了模具的強(qiáng)度。

太陽(yáng)花散熱片型材橫截面為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)圓形，但由于其壁厚差相差大，為保證金屬均勻流動(dòng)，提高焊合性能和模具強(qiáng)度，設(shè)計(jì)選用4個(gè)分流孔，其形狀設(shè)計(jì)為扇形，并呈90°角均布，如圖8所示。分流孔內(nèi)切圓直徑的選取比散熱片齒根外徑大，使齒根部位位于分流橋下，減小擠壓時(shí)金屬對(duì)齒根部的正壓力。

3.3 LED燈具散熱器鋁合金型材

如圖9，這是一種LED燈具散熱器鋁合金型材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。

此LED燈具散熱器是空心型材，其特點(diǎn)是外接圓尺寸大，斷面形狀復(fù)雜，截面大，齒薄，懸臂長(zhǎng)，齒間間距小，擠壓時(shí)齒部受力極易發(fā)生偏齒和斷齒；其次是截面壁厚相差大，擠壓流速的極不均勻，也使危險(xiǎn)斷面的斷裂系數(shù)增大。

對(duì)于本產(chǎn)品的特點(diǎn)，分流模的設(shè)計(jì)要采用寬展設(shè)計(jì)：兩端部區(qū)域采用30°大寬展角，使兩端形成足夠的壓容室，這樣有利于金屬自然流動(dòng)，同時(shí)，重點(diǎn)還要優(yōu)化分流孔、工作帶、空刀、焊合室、分流橋等5個(gè)方面的設(shè)計(jì)，要對(duì)中心部位與邊部的金屬流速進(jìn)行平衡從而保證制品的平直度。LED燈具散熱器鋁合金型材模具結(jié)構(gòu)如圖10所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上面幾種典型散熱器型材的設(shè)計(jì)實(shí)踐，我們以后對(duì)于這類具有高密齒的散熱器型材擠壓模具的設(shè)計(jì)，一定要打破常規(guī)，通過采用導(dǎo)流板、分流模、擴(kuò)展導(dǎo)流（分流）孔等優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理地分配金屬的供應(yīng)，合理地調(diào)整金屬的流速，使各處金屬流速趨于一致；要盡量減少由于擠壓模具承受較大的正面壓力，改善了各懸臂的受力狀況，提高了懸臂的強(qiáng)度，延長(zhǎng)擠壓模具的使用壽命從而提高模具的使用效益。

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