高效散熱鋁型材的擠壓模具設計與制造

滿士國，余海波，邢 陽

(1.廣東堅美鋁型材廠(集團)有限公司，廣東 佛山 526222；2.廣東高登鋁業有限公司，廣東 肇慶 526241)

鋁合金具有質輕、強度高、散熱性能好，易加工成型等一系列優點，被廣泛應用于工業、建筑和電子產品等領域。特別是帶高倍數齒的散熱器其導熱性能尤為突出，主要以鋁合金擠壓成型為主[1]。但高倍數齒散熱器因齒長且密，對擠壓模具設計人員、模具鋼的材質及加工工藝提出非常高的要求，任何一項做不到位都會影響模具的質量。這時模具設計尤為重要，加工工藝必須合理優化為輔。本文以實際生產來論述高倍數密齒帶管散熱器鋁型材模具設計及優良的加工工藝的關鍵點，供相關技術人員參考。

1 散熱器結構分析

高效散熱鋁合金型材截面如圖1所示，其有以下特點：(1)散熱鋁型材為擠壓空心型材且帶高倍數密齒；(2)散熱器空心部分帶螺絲孔需要裝配，精度要求高，尺寸公差±0.1；(3)散熱器齒密集，要求不可有變形，且齒部分與根部壁厚落差較大；(4)散熱器整個外形長度超過200mm，難度系數較高，要求不容許出現變形，公差為±0.2。

圖1 高效散熱鋁型材截面示意圖Fig.1 Section diagram of high efficiency heat dissipation aluminum profile

2 散熱器擠壓模具設計

從結構斷面分析可以看出散熱器型材及截面外形長度為201.24mm，高度為55.09mm，設計有23個19mm～23mm不同的齒高，齒間距為5.5mm，在每個齒的兩側布有高0.3mm、間距1.0mm的齒牙。根據散熱器型材懸臂處舌比公式得出23.8/5.83=4.08，顯然舌比大于3的齒存在著危險斷面[2]。特別是該截面底部壁厚較大(最薄3.5mm，最厚處達8.85mm)，而齒最薄處的壁厚僅為1.4mm，截面壁厚相差懸殊，更增大了危險斷面的斷裂系數。并且還有4個小的空心位，空心位還帶有螺絲孔。此散熱器型材的難點處較多，空心部位與實心處壁厚落差較大，齒部分還帶有空心部分，齒倍數較高且密。截面大小不同，會導致鋁料通過模具各個橫截面的流量與流速不盡相同。鋁料受到相同擠壓力的情況下，鋁料會出現大部分流向橫截面較大的地方，而橫截面較小的面積會出現鋁料較少，甚至會出現缺料現象，并且橫截面積較大部分流速會比橫截面積較小的部分流速快，實心部分流速比空心部分流速快，齒部的流速比根部實心部分慢，設計時必須考慮解決流量與流速不等的問題。

2.1 模具結構的布局

由于該擠壓材為空心型材帶齒散熱器即模具應為分流模結構，分上模與下模組合模具。分析散熱器結構、外形長度、米重和機臺噸位，最終選擇2000T機臺Φ205mm擠壓筒內徑，進料孔直徑控制在Φ190mm。考慮到模具強度，必須合理的分配上下模具的厚度，采用下模與上模厚度比例分配系數為0.6∶0.4。為保證散熱器擠壓后各個部分尺寸達到要求，散熱器的縮水會比正常要大些，這里產品設計縮水為1.0127。考慮到空心部分和齒部分的金屬流量與流速必須均衡，設計為8個進料孔,；空心部分摩擦力較大，設計孔時加大兩側流量，中心部位實心處底部壁厚較厚，摩擦力會較小，出料易快，采用兩個分流孔減少流量；齒部分考慮到其強度及摩擦力大出料會慢，也采用兩個分流孔分流，但是要比底部實心處兩個孔進料流量大些。考慮到整體金屬流量與流速的平衡，保證型材密度、空心部分的壁厚和整體外形的尺寸達到要求，下模焊合室深10mm，上模中間上下兩橋沉橋5mm即作為上焊合室用，考慮到兩側空心部位又帶螺絲孔流速會偏慢，采取兩側沉橋12mm。模具結構示意圖如圖2所示，模具結構加工后效果如圖3所示。

圖2 模具結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of die structure

圖3 模具結構加工后效果圖Fig.3 Effect diagram of die structure after machining

2.2 擠壓模具型孔尺寸

2.2.1 模芯尺寸

因空心部位小、要求精度高，外形尺寸201.24mm尺寸公差為±0.2。要求CNC粗加工留0.05mm，精加工到位，電火花機電流放電為3A。

2.2.2 下模型孔尺寸

考慮到流速的整體平衡，在幾處厚處加欄基。下模采用慢走絲加工到位。下模型孔尺寸、下模焊合室、模割電極放電空刀尺寸和下模出料避空位分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4 下模型孔尺寸圖 圖5 下模焊合室圖 Fig.4 Dimensions of lower model hole Fig.5 Lower die welding chamber drawing

圖6 下模割電極放電空刀尺寸圖 圖7 下模出料避空位圖Fig.6 Dimensions of discharge blank cutter for lower die cutting electrode Fig.7 Space-avoidance diagram for lower mode discharge

2.2.3 模具工作帶設計

進料口布局起到影響鋁料流量均衡性的作用，工作帶就起到調節流速的作用。流速不均會嚴重影響型材的成型度，引起壁厚偏差及表面不良等情況，考慮到空心部分和齒部摩擦力大，在工作帶上設計為短工作帶。配合進料孔的流量利用工作帶長短平衡流速，在擠壓時讓其出料兩者配合能達到一致性。其下模工作帶如圖8所示。

圖8 下模工作帶圖Fig.8 Lower mode work belt diagram

3 擠壓模具加工工藝

3.1 上模與下模的加工工藝

用UG建3D模型，CNC五軸高精度的設備粗精加工，可以有效保證模芯精度、進料孔及下模焊合室的精度；粗精加工工藝孔，慢走絲以基準面為水平面、工藝孔為中心分中加工，保證上下模同芯加工誤差小于0.05mm。CNC數控設備很好的解決了因手工銑床加工出現精度不高、易偏差等缺點，下模采用慢走絲加工割一修一，可以有效保證加工精度、垂直度，減少拋光工作量。高精度設備與工藝的優化安排，可以減少分流模因模芯粗精配造成的時間浪費，有效提高效率和模具的精度。

3.2 工藝安排

(1)CNC粗精車必須同心加工。

(2)CNC加工保證基準面的垂直度和光潔度、分流孔的對稱性，銷釘和螺絲孔上下模必須一致，由CNC粗精加工完成，銑削基準面平面度小于0.05mm，模芯由CNC精加工到位。

(3)電火花加工上下模時，放電量一定要根據圖紙要求來加工，電流一定要合適控制在3A。電極工作帶采用CNC完成，光滑接順不可有尖角。

(4)線切割必須以基準面校平行，再用工藝孔分中，誤差必須小于0.03mm方可加工。

4 結束語

(1)通過對高效散熱型材的模具分流孔、模具工作帶等的優化設計，可有效調節金屬擠壓時的流速，減少模孔危險斷面的產生，有效延長模具的使用壽命。

(2)采用先進的高精度數控設備，配合優良的加工工藝，可以提高精度減少誤差，提高生產效率，保證型材的順利擠出。