淺談典型散熱器鋁合金型材模具的設計

陶維友

摘 要：散熱器型材的特點：散熱片之間距離短，相鄰兩散熱片之間形成一個槽形，深寬比很大；壁厚差大：根部厚，齒部薄。本文通過對典型散熱器型材的模具設計分析，找出這類高密齒散熱器型材模具設計的規律：合理布置模孔、增加平衡模孔、均衡金屬流動、提高模具的強度，從而實現擠壓出合格產品。

關鍵詞：散熱器型材；模具；設計

中圖分類號：TG379 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0064-03

前言

近年來，隨著我國大規模的基礎建設和工業化進程的快速推進，我國一躍成為世界上最大的鋁型材生產基地和消費市場。伴隨著交通、工業、汽車以及IT、太陽能和LED等產業的迅速發展，鋁合金因質輕、美觀、良好的導熱性和易加工成復雜的形狀等特點，現已被廣泛地用于生產散熱器材。由于散熱型材斷面形狀出現復雜化、多樣化，如按常規常見形式進行設計，存在許多不足，需要在生產實踐不斷地學習、積累、不斷地改造和創新，并通過生產實踐逐步解決問題。

1 模具設計的要點概述

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，其設計的好壞直接影響到擠壓型材的質量及效率（外形尺寸、壁厚公差、強度、表面外觀）。

擠壓模具的設計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的復雜性，而且還要在保證模具強度和壽命的同時，使成型出口的每個位置金屬流速基本保持一致。

模具設計主要考慮的內容如下：

1.1 確定設計模腔參數

設計模腔參數不但要根據生產現場的設備條件、工藝規程和大型基本工具的配備情況，還要考慮擠壓筒尺寸，擠壓系數和擠壓力的大小。

1.2 布置模孔在模子平面上的位置

一般來說，對于單孔的管棒材及對稱好的型材，應將模孔的理論重心放在模子的中心上。對于多孔模的分布還要考慮模孔數目、模具強度，制品表面的質量要求、金屬流動的均勻性等問題。

1.3 計算模孔尺寸

設計模孔尺寸，不但要考慮鋁合金的化學成分、產品形狀、公稱尺寸及其公差、產品斷面的幾何形狀及其在拉伸矯直時的變化，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、模具的彈性變形、升溫特性等。一般來說，模孔的設計尺寸要比公稱尺寸大1%。

1.4 調整金屬的流動速度

金屬的流動速度一般由模孔的形狀、位置、布局以及工作帶共同調節。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、尺寸和表面質量的區段。金屬流經模孔時的變形應力最大，因此，工作帶的長短對金屬流出模孔的速度影響也最大。一般來說，要根據型材的形狀，各部分壁厚的差異和比周長的不同以及距離模具中心的遠近，是否有遮擋等情況設計出不等長的工作帶，保證制品斷面上的每一個質點以相同的速度流出模孔。

1.5 模具要保證足夠的強度

擠壓模具的工作條件十分惡劣，模具強度直接影響模具的使用壽命和使用效益。設計時要合理布置模孔的位置，選擇合適的模具材料，設計合理的模具結構和外形，同時要對危險斷面的許用強度校核。

1.6 確定模孔空刀結構

模孔空刀就是模孔工作帶出口端懸臂支承的結構。空刀的設計如果不合理則容易導致型材劃傷甚至出現堵模。一般來說，型材壁厚t≥2.0mm時，可采用加工容易的直空刀結構；當t<2mm時，或者帶有懸臂處可用斜空刀。

2 散熱器鋁合金型材的特點

鋁合金散熱器型材的特點：散熱片之間距離短，相鄰兩散熱片之間形成一個槽形，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。它們廣泛應用于IT、LED行業的散熱器上，具有良好的散熱功能，如圖1所示。

這些型材的結構特點給模具設計、制造和生產帶來了很大的困難。筆者根據多年的實踐經驗，并通過實際例子介紹這類型材的模具設計方法，以供同行們參考。

3 典型散熱器擠壓模具設計舉例

3.1 梳子形散熱器鋁型材擠壓模具設計

3.1.1 產品分析

圖2是一款梳子狀散熱器鋁合金型材截面圖，其特點是散熱片齒薄，懸臂長，而散熱片齒間距小，擠壓時齒部極易出現偏齒和斷齒，導致模具報廢；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，擠壓時金屬流速的不均勻更易導致危險斷面的斷裂。

對這種型材，如采用平面模直接擠壓，很難生產出合格的產品，而且極易導致模具報廢。改進的辦法是增加導流模，即金屬先在導流模中產生預變形，進行第一次分配，形成與散熱器相似的坯料，再經過模孔再進行第二次變形，從而擠壓出合格產品。為控制調節金屬的流動，使壁薄、形狀復雜、難度大的型材易成形，有時將模孔設計成擴展模式。擴展除了起寬展作用外，還起著預分配金屬和調整出口型材流速的作用，同時也可減少模具擠壓時承受較大的正面壓力，防止模孔的危險斷面的斷裂，實現正常擠壓。

3.1.2 設計方案確定

方案1：采用遮蓋式導流保護模：

設計思路：采用遮蓋式導流保護模，讓金屬直達壁薄的懸臂根部，率先充滿根部型孔，懸臂的頭部由于位于導流板的保護之下，金屬不能直接到達，從而減小頭部對根部產生的扭矩、彎矩。同時，對導流孔進行擴孔，減少了金屬進入模孔的流速和擠壓力，減緩了懸臂所承受的正壓力。一般來說，導流遮蓋板遮蓋懸臂的長度為懸臂總長度的1/3-1/2為宜，擴孔以15°～25°為宜。如圖3所示。

方案2：采用假分流模：

設計思路：所謂假分流模就是將型材模具設計成分流模的形式，但沒有決定型材內孔尺寸的型芯，因此，稱之為假分流模，如圖4所示，其中圖（1）的導流孔設計為2個、圖（2）的導流孔設計為4個。

這2種設計的假分流模，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的作用，使金屬到達模孔的流速和擠壓力都降低，減小大懸臂型材模具危險斷面的斷裂系數，有效地增強模具的強度。

將型材的齒布局在分流口處，減小擠壓阻力，使金屬先期到達壁薄處，使型材擠出時流速均衡。為使金屬能夠充分填充模孔的各處，將上模的分流口設為帶有斜度的擴展形式，如圖5所示。

為改善齒頂部的流速，有時下模的齒頂處的焊合室設計促流斜面，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設計為最小，其余模孔各部的工作帶，按其所處模孔的位置、形狀、壁厚等和經驗做相應的調整和選擇，確保其擠壓速度趨于一致。

3.2 太陽花散熱器擠壓模具設計

太陽花散熱器是一款常用的電腦散熱器。

3.2.1 產品分析

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，齒片總長度24.6mm，齒尖部位的厚度僅有0.52mm，而實心部位的厚度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廢。

3.2.2 確定設計方案

對于這類太陽花鋁合金散熱型材，要采用分流組合模結構。

分流組合模具有普通平面分流模的功能及優點，其主要特點是：

（1）按斷面形狀進行一次金屬流量預分配，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。

（2）通過上模的中心部位對下模孔懸臂部分的遮蓋，可以減少流動金屬對模孔的直接沖擊，減少在模端面上形成的拉應力，從而增強了模具的強度。

太陽花散熱片型材橫截面為中心對稱結構圓形，但由于其壁厚差相差大，為保證金屬均勻流動，提高焊合性能和模具強度，設計選用4個分流孔，其形狀設計為扇形，并呈90°角均布，如圖8所示。分流孔內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，減小擠壓時金屬對齒根部的正壓力。

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品結構圖。

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

對于本產品的特點，分流模的設計要采用寬展設計：兩端部區域采用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，同時，重點還要優化分流孔、工作帶、空刀、焊合室、分流橋等5個方面的設計，要對中心部位與邊部的金屬流速進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構如圖10所示。

4 結語

通過對上面幾種典型散熱器型材的設計實踐，我們以后對于這類具有高密齒的散熱器型材擠壓模具的設計，一定要打破常規，通過采用導流板、分流模、擴展導流（分流）孔等優化設計，合理地分配金屬的供應，合理地調整金屬的流速，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，提高了懸臂的強度，延長擠壓模具的使用壽命從而提高模具的使用效益。

參考文獻

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