3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形沖壓成形尺寸對截面變形的作用規律

程傳峰，金 明，王項如，朱英霞，程一峰，盤朝奉，王 園

(1. 安徽新富新能源科技股份有限公司，安徽 安慶 246001)

(2. 安徽環新集團股份有限公司，安徽 安慶 246001)

(3. 江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

(4. 江蘇大學 汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212013)

1 前 言

目前，在航空航天、汽車、通訊、軍工等領域，大量設備正向著微型化、高功率和結構高密度的方向發展[1]，因此工作時的熱流密度遠大于常規尺度的設備，如果散熱不夠理想，其工作性能和壽命會受到嚴重影響[2]。因此，傳熱性能優異且同時具備節能、降本、環保優勢的薄壁多孔微小通道扁管被越來越多的研究者和制造廠商應用于微型化、高功率和結構高密度集成化設備的散熱系統中。

薄壁多孔微小通道扁管是一種采用精煉鋁棒，通過熱擠壓-熔焊工藝和表面噴鋅防腐處理制造成形的薄壁多孔扁形管[3]。由于薄壁微小通道扁管具有十分突出的環保、增效、節能、降本4大優勢，因此早在1996年就在汽車空調系統中獲得應用。與傳統的管翅式換熱器相比，薄壁多孔微小通道扁管換熱器的傳熱效率可以提高14%～33%。在獲得相同制冷效果的前提下，所需制冷劑的量可減少35%[4]。

薄壁多孔微小通道扁管的結構精細復雜，加工制造難度較高，常用的材料主要有1050、1060、1100、1A97、3003、3F03、3102和3103鋁合金[5，6]。

多孔微小通道的導熱性能與流道的尺寸和橫截面形狀密切相關[7]，因此很多學者針對多孔微小通道扁管的空間結構展開了研究。夏國棟團隊[8]和謝忱創[9]均研究發現，波形結構的薄壁多孔微小通道扁管能大大提高新能源汽車電池組的散熱能效。最新的研究成果也表明，較之平行微小通道，波形微小通道能使流通的冷卻液再循環和回流，進而強化扁管的能效傳遞，且相同工況下，波形微小通道扁管的溫度分布更均勻[10-12]。

現有研究說明，多孔微小通道波形扁管將是解決新能源汽車鋰電池組和機車電控元件這類發熱密集、溫度敏感型零部件恒溫問題的絕佳材料[10，11]。然而由于缺乏薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工藝與技術，上述研究成果依舊停留在理論研究階段，迫切需要對薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工藝展開研究。

李大永團隊研究了多孔微小圓通道扁管[13]、多層平行流微小通道換熱器[4]和折疊式薄壁多孔扁管[14]的繞彎成形能力。繞彎成形與本文研究的波形沖壓同屬管類的二次塑性成形工藝。李大永團隊的研究結果表明：① 薄壁多孔微小通道扁管的彎曲半徑和截面尺寸對繞彎成形結束后微小通道的截面變形有重要影響；② 截面變形是薄壁多孔微小通道扁管最為顯著的彎曲成形缺陷，也是對其導熱性能影響最嚴重的缺陷，且與常規管材不同的是，其通道的縱截面變形比橫截面變形更顯著。上述研究結果與工藝方法對本研究具有較好的借鑒意義，但是其研究對象接近板材，獲得的數據與經驗規律不能直接用于管材。

本文以適用于高密度集成化設備散熱系統的3003Al-H14薄壁多孔微小通道扁管為研究對象，對其波形沖壓工藝過程中成形尺寸對截面變形的影響規律展開了研究。本研究對波形微小通道的精確塑性成形發展具有很好的科研價值和技術指導意義。

2 建立3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形沖壓成形有限元模型

2.1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸與材料參數

3003Al-H14薄壁微小通道扁管的橫截面存在“筋”與孔，孔的個數m通常很多。橫截面寬度l遠大于高度h，因此呈現扁狀。管材壁厚t極薄，通常情況下t≤0.8 mm。如圖1所示，薄壁微小通道扁管的成形尺寸參數還包括：橫截面孔的內徑寬度w，縱截面總長L，內彎曲面波形半徑r(至彎曲中性層)，與外彎曲面波形半徑R(至彎曲中性層)，參數值如表1所示。

表1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸參數值

圖1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸示意圖Fig.1 The geometric dimensions of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tube

2.2 3003Al-H14微小通道薄壁扁管的材料本構模型

為了獲得材料的應力-應變曲線，將3003Al-H14薄壁微小通道扁管沿橫截面寬度方向切割為完全相同的3部分，分別作為拉伸試樣進行了拉伸實驗。實驗按照國標GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行，拉伸速度設置為1 mm/min。拉伸后的試樣斷裂狀態如圖2所示。

圖2 3003Al-H14薄壁微小通道扁管拉伸斷裂試樣照片Fig.2 Fracture state of the tensile specimen of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tube

拉伸實驗獲得的真應力-應變曲線如圖3所示，材料力學性能參數如表2所示。

表2 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的材料力學性能參數

圖3 3003Al-H14微小通道扁管拉伸真應力-應變曲線Fig.3 The ture stress-strain curve of the tensile test of the 3003Al-H14 micro-channel flat tube

采用各向同性硬化模型描述3003Al-H14材料的應力應變關系。其屈服條件f如公式(1)所示：

(1)

其中，s為偏應力，εp為等效塑性應變，硬化參數A、K和n的取值來自圖3中應力應變曲線擬合，結果如表2所示。

2.3 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形沖壓-回彈有限元模型

所有的截面變形數據都取自回彈發生之后，所以建立了3003Al-H14微小通道薄壁扁管的波形沖壓-回彈有限元模型。該模型包括沖壓成形和回彈2步，分別采用動態顯示算法和靜態隱式算法，如圖4所示。沖壓過程的結構包括上模、下模和扁管這3部分，如圖4a所示。扁管與上模接觸的成形面為內彎曲面，與下模接觸的成形面為外彎曲面。扁管與上、下模之間的摩擦條件，均為機械油潤滑。扁管的網格采用S4R殼單元。

圖4 薄壁微小通道扁管波形沖壓-回彈有限元模型：(a)沖壓過程，(b)回彈過程Fig.4 The finite element model of corrugated stamping-springback processes of thin-walled micro-channel flat tube：(a) stamping process，(b) springback process

采用3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形沖壓實驗驗證所建有限元模型的可靠性。模擬邊界條件設置和實驗條件對比如表3所示。

表3 模擬條件設置和實驗條件對比

圖5對比了模擬和實驗獲得的薄壁微小通道扁管波形沖壓件。由圖5a和5b可知，所建立的有限元模型可以準確模擬管坯橫、縱截面的起皺狀態、截面變形狀態。圖5c對比了某一特定縱截面上的截面變形率預測情況與實驗數據，發現有限元模擬的平均預測誤差為16.82%，最大預測誤差為24.32%，均在合理誤差范圍內。綜上，認為所建3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形沖壓-回彈有限元模型能夠較為可靠地預測扁管沖壓過程中的截面變形。

圖5 薄壁微小通道扁管波形沖壓的實驗和模擬結果對比：(a) 實驗截面變形狀態，(b) 模擬截面變形狀態，(c) 代表縱截面PC上截面變形率的模擬預測值和實驗值對比Fig.5 Comparisons of experimental and simulative results of corrugated stamping of thin-walled micro-channel flat tubes：(a) experimental wrinkle state，(b) simulative wrinkle state，(c) comparison of the simulative and experimental values of the cross-section deformation rate on the representative longitudinal section PC

3 3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形沖壓的截面變形描述及模擬研究條件

本研究中截面變形量(率)的取值來自兩橫、兩縱四條代表截面，其位置和截面上的節點編號如圖6所示。可以看到代表橫截面PP1是波峰橫截面，CC1是波谷橫截面；代表縱截面PC是位于邊緣孔對稱線上的縱截面，P1C1是位于中央孔對稱線上的縱截面。由于肋板的截面變形量非常小，因此橫、縱截面上代表節點i的選取皆對應于各孔的對稱線，如圖6所示。

圖6 代表橫截面PP1、CC1和代表縱截面PC、P1C1的截面位置，及其截面上的節點編號順序Fig.6 The representative cross sections PP1，CC1 and the representative longitudinal sections PC，P1C1，and the node number sequence on the sections

(2)

(3)

其中，Δh為截面變形量，h1為微小通道薄壁波形扁管沖壓成形后的截面高度，i為代表截面上的節點編號。

為了揭示3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形沖壓的成形尺寸-截面變形作用規律，結合實際生產中所需扁管的成形尺寸，設置模擬研究范圍如表4所示。表4中的基礎值是1.3節中的實驗設置值，也是模擬研究的基礎數據。成形尺寸包括截面高度h、管坯壁厚t、內彎曲面波形半徑r，以及內、外面相對彎曲半徑r/R的同步縮放系數β。其中β的含義如式(4)：

(4)

表4 模擬研究成形尺寸值

4 結果與討論

4.1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形沖壓的截面變形分布特征

圖7給出了使用表4基礎模擬研究數據的情況下，薄壁微小通道扁管的截面變形率分布情況。從圖7可以看出：① 代表橫截面PP1(波峰)和CC1(波谷)的截面變形率δh分布趨勢完全一致，邊緣孔的變形最為嚴重，其它孔的變形率相對較小且基本一致。② 代表縱截面PC(邊緣孔縱截面)和P1C1(中央孔縱截面)的截面變形率δh分布趨勢完全一致，呈現兩端點高、中央段低的波動分布趨勢。以上說明，薄壁微小通道扁管的截面變形情況復雜，橫、縱截面變形分布規律差異較大。由于橫截面PP1的平均截面變形率要高于CC1，縱截面PC的平均截面變形率要高于P1C1，因此將PP1和PC截面作為后續研究對象。

圖7 代表橫截面PP1、CC1和代表縱截面PC、P1C1的截面變形率Fig.7 Distributions of the section deformation rate of the representative cross sections PP1，CC1 and the representative longitudinal sections PC，P1C1

4.2 截面高度對截面變形率的作用規律

圖8a給出了不同截面高度h下的波峰橫截面變形情況。可以看出當橫截面的寬度不變時，h值越大，橫截面的中空度越高，截面剛度越差，因而變形程度越大。當h達到2.5 mm時，由于筋的折彎并不顯著，整體橫截面尚能保持一定的形狀精度，但邊緣孔率先出現了較為顯著的截面塌陷，這是由于邊緣孔的材料流動較之其它孔要自由。而當h=4 mm時，筋發生顯著的彎折，導致整體橫截面塌陷嚴重。當h=7 mm時，孔的截面剛度進一步變差，筋的彎折加劇，整體的橫截面塌陷也愈加嚴重，如圖8a和8b所示。

圖8 不同截面高度(h)下扁管截面變形情況：(a) 不同h下的波峰橫截面對比圖，(b) h=7 mm時的扁管截面變形圖Fig.8 Sectional deformation of flat tubewith different section heights(h)：(a) comparison of cross-sections of wave crests with different h，(b) cross-section deformation of flat tube with h=7 mm

圖9 不同截面高度(h)下的扁管截面變形率(δh)分布和平均截面變形率變化趨勢：(a) PP1截面的δh分布，(b) PC截面的δh分布，(c) PP1和PC截面的隨h的變化趨勢Fig.9 The section deformation rate (δh) distributions and average section deformation rate varation trends of flat tubes with different heights (h)：(a) δh distribution of PP1 section，(b) δh distribution of PC section，(c) variation trends of PP1 and PC sections with h

4.3 壁厚尺寸對截面變形率的作用規律

圖10 不同管壁厚度(t)下的扁管截面變形率(δh)分布和平均截面變形率變化趨勢：(a) PP1截面的δh分布，(b) PC截面的δh分布，(c) PP1和PC截面的隨t的變化趨勢Fig.10 The section deformation rate (δh) distributions and average section deformation rate variation trends of flat tubes with different wall thicknesses (t)：(a) δh distribution of PP1 section，(b) δh distribution of PC section，(c) variation trends of PP1 and PC sections with t

4.4 內外面相對彎曲半徑對截面變形率的作用規律

圖11 不同內彎曲面波形半徑r下的平均截面變形率變化趨勢Fig.11 Variation trends of average section deformation rate with wave radius r of inner curved surface

圖12 r/R=10/6時，平均截面變形率隨同步縮放系數(β)的變化趨勢：(a) PP1和PC截面的隨β的變化趨勢，(b)不同β下的波峰橫截面對比Fig.12 Variation trends of average section deformation rate with synchronous zoom factor (β)，when r/R=10/6：(a) variation trends of PP1 and PC sections with β，(b) comparison of cross-sections of wave crests with different β

5 結 論

(1)薄壁微小通道扁管的截面變形情況復雜，橫、縱截面呈現完全不同的截面變形分布趨勢。波峰橫截面和波谷橫截面的截面變形情況基本一致，即：邊緣孔的截面變形量通常較大，其余孔的截面變形相對較小且基本一致。邊緣孔縱截面和中央孔縱截面的截面變形率分布趨勢基本一致，呈現波峰、波谷高，中間段低的波動特點。