散熱管和散熱片機械脹管工藝分析

馮文杰，陳 文，單 斌，陳瑩瑩

(重慶理工大學 a.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室;b.機械工程學院;c.車輛工程學院，重慶 400054)

空調散熱管與散熱片的連接是影響傳熱效率的關鍵技術之一，通常采用液壓脹管和機械脹管2種連接方式。相比液壓脹管，機械脹管有操作簡單、使用靈活等優點［1］。機械脹管時，將散熱片套入散熱管，用直徑大于散熱管內徑的脹頭壓入散熱管，使散熱管徑向擴大，達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，易產生彎曲，同時散熱管也容易產生裂紋，因此對機械脹管連接工藝提出了更高的要求。脹頭參數的合理設置是保證連接質量的關鍵步驟。

本文以φ7銅管為研究對象(其幾何參數見圖2、材料參數見表1)，對散熱管與散熱片機械脹管連接進行研究，并運用有限元分析軟件defrom-3D進行數值模擬，以獲得合理的脹頭參數。

圖2 散熱管與散熱片的幾何參數

表1 散熱管和散熱片參數

1 脹頭過盈量的確定

脹頭過盈量是確保散熱管和散熱片緊固配合的關鍵因素。脹頭過盈量過小，達不到散熱片和散熱管的緊固效果，降低了傳熱效率;脹頭過盈量過大，雖然保證了緊固效果，卻加大了散熱管在軸線向上的力，導致散熱管彎曲、失穩、起皺等缺陷。散熱管的長度遠大于其直徑，因此可忽略散熱管在軸線方向上的不均勻變形，將其看成一個平面應變問題，即假設在垂直于管軸線的各個平面內的應力狀態和變形狀態相同。假定散熱管為理想彈塑性材料，散熱管按完全進入塑性狀態進行計算［3-4］。

設u表示散熱管沿徑向的位移，v表示環向位移。由于是軸對稱，取圓柱坐標系為(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為屈服強度;μ為摩擦系數;u0為脹頭過盈量的1/2;r1、r2分別為散熱管的內、外徑;p為散熱片對散熱管的力。

當散熱片翻邊的外徑處于彈性變形時，去除工作力后會發生彈性回彈產生殘余應力，從而加強散熱片和散熱管的緊固效果。因此在機械脹管時，散熱管傳遞給散熱片的力不能使散熱片翻邊完全進入塑性狀態。把散熱片翻邊看成是一個受均勻內壓力-p的筒，則用極坐標表示的平衡微分方程式為

根據屈服準則:

利用邊界條件決定常數C。當r=r4時，σr=0，則 C=1/r4，即

當r=r3時，有最大壓力-p，所以

將幾何參數值(見圖2)和材料參數(見表1)代入式(3)，可得p=6.54 MPa。即當散熱管傳遞給散熱片的力p=6.54 MPa時，散熱片的翻邊將全部進入塑性狀態。此時，散熱管外徑上的金屬徑向位移分量u(r2)min=0.15 mm，代入式(1)可得

2 數值模擬

本文采用Deform-3D［7-8］對工藝過程進行數值模擬分析。主運動模(脹頭)下壓速度為25 mm/s，成形溫度T=20℃。忽略成形過程中的溫度變化，采用剪切摩擦模型，摩擦因數為0.28，其數值模型如圖3所示。由于散熱片和散熱管沒有相對位移，故散熱片采用支撐架來固定其位置。

圖3 數值模擬模型

在圖3中取同一z軸高度上的4個點:point1為散熱管內壁上的一點(即r=r1時);point2為散熱管外壁上的一點(即r=r2時);point3為散熱片翻邊內壁上的一點(即r=r3時);point4為散熱片翻邊外壁上的一點(即r=r4時)。通過追蹤可以得到該4點在徑向上的位移偏量(應變)曲線，如圖4所示。可以看出:該模型與計算結果相符，且散熱片外壁上的point4點的應變量為0 mm，表明該處還沒完全進入塑性狀態。

散熱管傳力區的力直接作用到下模，故下模承受的力就是散熱管傳力區的軸向力。測得下模的力隨著時間變化的關系曲線，如圖5所示。由于成形力很大，導致了散熱管發生鐓粗失穩，如圖6所示。

圖4 應變曲線

圖5 成形力和時間的關系曲線

圖6 鐓粗失穩

3 脹頭參數的優化

當脹頭過盈量一定時，對成形質量和成形力影響最大的因素是脹頭定徑帶長度L和脹頭錐角α。適當地降低成形力，不僅能更好地提高成形質量，而且可以加長散熱管的長度。

3.1 脹頭定徑帶長度的確定

隨著定徑帶長度L的增加，脹頭和散熱管的接觸長度增加，導致成形力增加，因此定徑帶長度L越小越好。當定徑帶長度L＜2 mm，不能使散熱管變形區完全被定徑帶限制時，變形區的金屬會對已變形區的金屬產生拉應力，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(散熱管擴徑程度)的主要參數［6-9］。圖7為當L=2 mm時，錐角α對成形力的影響。隨著錐角α增大，變形區的過度長度減少，脹頭和散熱管之間的摩擦力降低，所以成形力降低;當α超過15°后，錐度過大，導致變形區部分軸向上的分力變小，要使脹頭軸向移動，必須增大力，所以成形力反而增大。

圖8 α對成形力的影響

4 工藝試驗

選擇φ7銅管為對象進行工藝試驗。脹頭過盈量u0=0.16 mm，脹頭錐角選α=15°，脹頭定徑帶長度L=2 mm。裝配時，測得成形力為419.5 N，成形質量好，表明本文的研究對實際生產具有一定的指導作用。

5 結論

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

2)脹頭定徑帶長度L不但影響成形力，而且影響散熱管和散熱片機械脹管的連接質量，取L=2 mm;

3)脹頭錐角對成形力有較大的影響，為了確保成形質量，選擇α=15°。

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