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陶维友
摘 要：散热器型材的特点：散热片之间距离短，相邻两散热片之间形成一个槽形，深宽比很大；壁厚差大：根部厚，齿部薄。本文通过对典型散热器型材的模具设计分析，找出这类高密齿散热器型材模具设计的规律：合理布置模孔、增加平衡模孔、均衡金属流动、提高模具的强度，从而实现挤压出合格产品。
关键词：散热器型材；模具；设计
中图分类号：TG379 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）11-0064-03
前言
近年来，随着我国大规模的基础建设和工业化进程的快速推进，我国一跃成为世界上最大的铝型材生产基地和消费市场。伴随着交通、工业、汽车以及IT、太阳能和LED等产业的迅速发展，铝合金因质轻、美观、良好的导热性和易加工成复杂的形状等特点，现已被广泛地用于生产散热器材。由于散热型材断面形状出现复杂化、多样化，如按常规常见形式进行设计，存在许多不足，需要在生产实践不断地学习、积累、不断地改造和创新，并通过生产实践逐步解决问题。
1 模具设计的要点概述
模具在挤压成型过程中起着将圆形的铝棒变形为各种形状的铝材的作用。因此，模具在铝型材挤压工序中举足轻重，其设计的好坏直接影响到挤压型材的质量及效率（外形尺寸、壁厚公差、强度、表面外观）。
挤压模具的设计不但要充分考虑到金属在挤压过程中的特性和在模具中流动的复杂性，而且还要在保证模具强度和寿命的同时，使成型出口的每个位置金属流速基本保持一致。
模具设计主要考虑的内容如下：
1.1 确定设计模腔参数
设计模腔参数不但要根据生产现场的设备条件、工艺规程和大型基本工具的配备情况，还要考虑挤压筒尺寸，挤压系数和挤压力的大小。
1.2 布置模孔在模子平面上的位置
一般来说，对于单孔的管棒材及对称好的型材，应将模孔的理论重心放在模子的中心上。对于多孔模的分布还要考虑模孔数目、模具强度，制品表面的质量要求、金属流动的均匀性等问题。
1.3 计算模孔尺寸
设计模孔尺寸，不但要考虑铝合金的化学成分、产品形状、公称尺寸及其公差、产品断面的几何形状及其在拉伸矫直时的变化，还要考虑挤压温度以及在此温度下模具与合金的线膨胀系数、模具的弹性变形、升温特性等。一般来说，模孔的设计尺寸要比公称尺寸大1%。
1.4 调整金属的流动速度
金属的流动速度一般由模孔的形状、位置、布局以及工作带共同调节。其中，工作带是模子中垂直于模具工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段。金属流经模孔时的变形应力最大，因此，工作带的长短对金属流出模孔的速度影响也最大。一般来说，要根据型材的形状，各部分壁厚的差异和比周長的不同以及距离模具中心的远近，是否有遮挡等情况设计出不等长的工作带，保证制品断面上的每一个质点以相同的速度流出模孔。
1.5 模具要保证足够的强度
挤压模具的工作条件十分恶劣，模具强度直接影响模具的使用寿命和使用效益。设计时要合理布置模孔的位置，选择合适的模具材料，设计合理的模具结构和外形，同时要对危险断面的许用强度校核。
1.6 确定模孔空刀结构
模孔空刀就是模孔工作带出口端悬臂支承的结构。空刀的设计如果不合理则容易导致型材划伤甚至出现堵模。一般来说，型材壁厚t≥2.0mm时，可采用加工容易的直空刀结构；当t<2mm时，或者带有悬臂处可用斜空刀。
2 散热器铝合金型材的特点
铝合金散热器型材的特点：散热片之间距离短，相邻两散热片之间形成一个槽形，深宽比大，壁厚差大：根部的底板厚度大，齿部很薄。
目前，散热器型材主要有三种类型：放射型，梳子形、鱼刺形。它们广泛应用于IT、LED行业的散热器上，具有良好的散热功能，如图1所示。
这些型材的结构特点给模具设计、制造和生产带来了很大的困难。笔者根据多年的实践经验，并通过实际例子介绍这类型材的模具设计方法，以供同行们参考。
3 典型散热器挤压模具设计举例
3.1 梳子形散热器铝型材挤压模具设计
3.1.1 产品分析
图2是一款梳子状散热器铝合金型材截面图，其特点是散热片齿薄，悬臂长，而散热片齿间距小，挤压时齿部极易出现偏齿和断齿，导致模具报废；其次是型材截面壁厚相差悬殊：截面根部的底板较厚而齿部薄，挤压时金属流速的不均匀更易导致危险断面的断裂。
对这种型材，如采用平面模直接挤压，很难生产出合格的产品，而且极易导致模具报废。改进的办法是增加导流模，即金属先在导流模中产生预变形，进行第一次分配，形成与散热器相似的坯料，再经过模孔再进行第二次变形，从而挤压出合格产品。为控制调节金属的流动，使壁薄、形状复杂、难度大的型材易成形，有时将模孔设计成扩展模式。扩展除了起宽展作用外，还起着预分配金属和调整出口型材流速的作用，同时也可减少模具挤压时承受较大的正面压力，防止模孔的危险断面的断裂，实现正常挤压。
3.1.2 设计方案确定
方案1：采用遮盖式导流保护模：
设计思路：采用遮盖式导流保护模，让金属直达壁薄的悬臂根部，率先充满根部型孔，悬臂的头部由于位于导流板的保护之下，金属不能直接到达，从而减小头部对根部产生的扭矩、弯矩。同时，对导流孔进行扩孔，减少了金属进入模孔的流速和挤压力，减缓了悬臂所承受的正压力。一般来说，导流遮盖板遮盖悬臂的长度为悬臂总长度的1/3-1/2为宜，扩孔以15°～25°为宜。如图3所示。
方案2：采用假分流模：
设计思路：所谓假分流模就是将型材模具设计成分流模的形式，但没有决定型材内孔尺寸的型芯，因此，称之为假分流模，如图4所示，其中图（1）的导流孔设计为2个、图（2）的导流孔设计为4个。
这2种设计的假分流模，都将壁厚较厚的部分布局在上模分流桥下，分流桥起到阻碍金属流动的作用，使金属到达模孔的流速和挤压力都降低，减小大悬臂型材模具危险断面的断裂系数，有效地增强模具的强度。
将型材的齿布局在分流口处，减小挤压阻力，使金属先期到达壁薄处，使型材挤出时流速均衡。为使金属能够充分填充模孔的各处，将上模的分流口设为带有斜度的扩展形式，如图5所示。
为改善齿顶部的流速，有时下模的齿顶处的焊合室设计促流斜面，以利于齿顶部不易填充部分的充分填充。如图6所示。在工作带的选取上，被遮盖住的齿部工作带应设计为最小，其余模孔各部的工作带，按其所处模孔的位置、形状、壁厚等和经验做相应的调整和选择，确保其挤压速度趋于一致。
3.2 太阳花散热器挤压模具设计
太阳花散热器是一款常用的电脑散热器。
3.2.1 产品分析
如图7所示，此型材截面的外形尺寸为φ90 的圆形，在它的周围均布有52根圆弧型齿，每根齿前端又分出2根叉齿，齿片总长度24.6mm，齿尖部位的厚度仅有0.52mm，而实心部位的厚度42mm。如果采用平面模直接挤压，基本上不可能挤出成品，而且模具极易压塌报废。
3.2.2 确定设计方案
对于这类太阳花铝合金散热型材，要采用分流组合模结构。
分流组合模具有普通平面分流模的功能及優点，其主要特点是：
（1）按断面形状进行一次金属流量预分配，有效地减小了底部较大壁厚模孔处的流速，确保了挤压型材流速的均衡平稳。
（2）通过上模的中心部位对下模孔悬臂部分的遮盖，可以减少流动金属对模孔的直接冲击，减少在模端面上形成的拉应力，从而增强了模具的强度。
太阳花散热片型材横截面为中心对称结构圆形，但由于其壁厚差相差大，为保证金属均匀流动，提高焊合性能和模具强度，设计选用4个分流孔，其形状设计为扇形，并呈90°角均布，如图8所示。分流孔内切圆直径的选取比散热片齿根外径大，使齿根部位位于分流桥下，减小挤压时金属对齿根部的正压力。
3.3 LED灯具散热器铝合金型材
如图9，这是一种LED灯具散热器铝合金型材产品结构图。
此LED灯具散热器是空心型材，其特点是外接圆尺寸大，断面形状复杂，截面大，齿薄，悬臂长，齿间间距小，挤压时齿部受力极易发生偏齿和断齿；其次是截面壁厚相差大，挤压流速的极不均匀，也使危险断面的断裂系数增大。
对于本产品的特点，分流模的设计要采用宽展设计：两端部区域采用30°大宽展角，使两端形成足够的压容室，这样有利于金属自然流动，同时，重点还要优化分流孔、工作带、空刀、焊合室、分流桥等5个方面的设计，要对中心部位与边部的金属流速进行平衡从而保证制品的平直度。LED灯具散热器铝合金型材模具结构如图10所示。
4 结语
通过对上面几种典型散热器型材的设计实践，我们以后对于这类具有高密齿的散热器型材挤压模具的设计，一定要打破常规，通过采用导流板、分流模、扩展导流（分流）孔等优化设计，合理地分配金属的供应，合理地调整金属的流速，使各处金属流速趋于一致；要尽量减少由于挤压模具承受较大的正面压力，改善了各悬臂的受力状况，提高了悬臂的强度，延长挤压模具的使用寿命从而提高模具的使用效益。
参考文献
[1]刘静安，黄凯，谭炽东.铝合金挤压工模具技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.
[2]刘静安.铝型材挤压模具设计、制造、使用及维修[M].北京：冶金工业出版社，2002.
[3]李积彬，伍晓宇，毛大恒，等.铝型材挤压模具3D设计CAD/CAE实用技术[M].北京：冶金工业出版社，2003.
[4]王刚.挤压铝型材的悬臂模具设计.轻合金加工技术[J].1998，26（8）.25～35.
[5]刘静安，谢建新.大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计[M].北京：冶金工业出版社，2003.
[6]刘静安，邵莲芬.铝合金挤压工模具典型图册[M].北京：化学工业出版社，2007.
[7]魏小伟.铝合金电脑散热片挤压模具设计[D].江西理工大学，2009.
[8]黄雪梅，等.高密齿铝合金散热器型材挤压模的设计分析[J].哈尔滨：轻合金加工技术，2015.
[9]王峰，等.镁合金散热器型材挤压模具的设计[J].洛阳：有色金属加工，2007.
