散熱鋁型材擠壓模具設計

郭宇光

近些年來，隨著計算機技術和半導體技術的不斷發展，計算機朝著小型化、多功能化的方向發展，這就使得電路的集成度越來越高，相應地，單位面積散出的熱量也就越來越大，如何有效地散出這些熱量是必須解決的問題。如不能很好的將這些熱量散發出去，將會使計算機主板溫度不斷升高，升高到一定溫度會降低計算機元器件的性能，不但會影響計算機系統的穩定性，還會縮短計算機的壽命。散發出的熱量來自計算機內部，主要是集成電路的發熱，電腦散熱器的工作原理是散熱器作為散熱媒介，散熱器與發熱器件接觸，吸取電腦內部的熱量，通過散熱器散發到電腦外部，從而保證計算機在正常的溫度范圍內工作。高密齒結構散熱器和太陽花結構散熱器是兩種典型結構的錯合金散熱器，在電子產品中應用得非常普遍，在電腦主板上主要就是用這兩種結構的散熱器。這兩種散熱器共同的特點是都是通過擠壓成型，能否生產出合格的散熱器，主要取決于擠壓模具的設計與制造。

高密齒結構的散熱器齒部壁厚薄，底部厚壁壁厚大，擠壓生產時很難平衡型材這兩處的流速，齒部阻力大，懸臂長，模具很容易因為齒部懸臂斷裂而報廢；太陽花結構散熱器放射形齒接近擠壓筒邊緣，型材中心與邊部的流速非常懸殊難以控制，齒部的阻力也非常大，模具很容易因為齒部的金屬流不出而塞模。因此，這兩種模具的設計難度是非常大的，越來越多的模具設計師和科研人員在研究這兩種結構散熱器的設計方法，改進模具結構，提高模具壽命，所以對這兩種模具設計進行一個系統深入地研究是非常有意義的。

1.2 鍋型材擠壓技術概述

1.2.1錫型材擠壓技術特點

擠壓加工方法是有色金屬加工方法中的一種非常重要的加工方法，在有色金屬加工中占有非常重要的地位[1-3]，隨著加工制造業的飛速發展，尤其是進入21世紀以來，制造業朝著高、精、尖方向發展，客戶對產品的形位精度、表面光潔度等各種技術和質量指標都提出了更高的要求。為了滿足客戶對產品提出的越來越高的需求，向客戶提供符合各種要求的有色金屬產品，必須改進加工方法和加工設備。加工方法與加工設備是加工出高品質產品的基礎。擠壓加工方法與乳制、鍛造等壓力加工方法相比，更容易實現加工出高精度產品的需求，而且有更好的可靠性和優越性[4]。歸納起來，擠壓加工方法有以下特點：

（1）在擠壓加工過程中，擠壓工模具給被擠壓金屬以很強而且很均勾的三向壓縮應力，被擠壓金屬在三向壓縮應力條件下能更好地發揮本身的塑性，從而為金屬更好的成型創造了條件。由于擠壓加工方法的這種特點，對于那些低塑性難變形的金屬或合金可用擠壓加工方法來加工，這些金屬或合金用鍛造法或乳制法很難加工，更加工不出高精度的產品。正是基于擠壓加工方法能充分發揮被擠壓金屬塑性的特點，擠壓加工方法在有色加工行業中得到了廣泛的運用。

（2）擠壓加工方法能加工出多種結構的型材，不但可以加工出高精度的棒、管、線等型材，而且可以加工出高精度的截面幾何形狀復雜的型材，如階段變截面型材、多孔管材和空心型材等。這些型材很難用鍛造加工方法或乳制加工方法等其他壓力加工方法生產，甚至是不可能的。用擠壓加工方法能加工出復雜結構的型材，在這一點上，其他壓力加工方法是無法超越的。

（3）擠壓加工方法加工出的產品的精度高于用鍛造加工方法和乳制加工方法等其他壓力加工方法加工出的產品，近年來隨著模具設計技術和模具加工制造技術的提高，擠壓設備和工藝的改進，已經能用擠壓加工方法制造出超高形位精度、表面質量優異的錯型材，擠壓金屬的綜合利用率也得到了很大的提高，為招型材行業創造了巨大的效益。

（4）金屬的力學性能在擠壓加工過程中能得到提高，尤其是對于擠壓效應的招合金產品，在萍火時效后產品的縱向力學性能高于禮制、鍛造等壓力加工方法加工出的產品。這對于提高對培合金擠壓制品的力學性能和充分發揮鍋合金功用創造了條件。

（5）擠壓加工方法工序簡單，操作簡便，工藝流程簡短，與乳制和鍛造等壓力加工方法相比，一次擠壓能夠獲得更大橫截面積的結構產品，而且擠壓設備、模具和人力投資少、費用低，這在很大的程度上提高了產品的經濟效益，提高了擠壓加工方法的運用范圍。

近年來，隨著平面分流組合模設計和加工制造技術的不斷提高，形狀復雜的空心鉛型材通過模具分流爆合擠壓加工方法生產得到了越來越廣泛的應用。隨著擠壓工藝的改進和模具設計及制造加工技術的提高，擠壓加工方法加工速度較低的缺點也在不斷克服。擠壓加工方法對于有色金屬加工來說仍然是一種保證產品加工精度和質量、經濟效益較好的一種優越的加工方法。

1.2.2鍋型材擠壓技術基本原理

擠壓加工將鑄鍵加熱到預定溫度，加入到擠壓筒中，擠壓桿推動擠壓塾前進，擠壓塾擠壓鑄鍵，將擠壓桿的擠壓力傳給鑄錠，鑄錠在擠壓力的作用下敦粗，之后金屬通過模具從而獲得一定形狀與尺寸的產品。

1.3 錫型材擠壓模具技術概述

1.3.1擠壓模具在錯型材生產中的重要地位

擠壓模具是生產招型材的最要的工具，是紹型材生產的基礎，在錫型材生產工業中占據核心地位。模具設計的優劣、制造精度的髙低直接關系到能否生產出型材以及型材的形位精度。擠壓模具的種類有平面模、分流組合模等，模具在錫型材生產中的重要地位具體表現在以下幾個方面：

（1）擠壓模具的模孔和模芯的結構和尺寸直接決定型材的結構和尺寸，是進行擠壓生產的基礎，擠壓模具不但是使金屬產生塑性變形的工具，也是承受擠壓力的關鍵工具。

（2）擠壓模具的模孔和工作帶加工精度直接決定型材的形位精度和表面質量，合理的模具設計和高精度的模具加工才能保證產品的精確尺寸和正確的截面形狀，才能使產品避免出現各種缺陷，比如扭曲、翹曲等。

（3）擠壓模具的結構和尺寸對型材的顯微組織結構和力學性能都有一定的影響，在擠壓空心型材時，平面分流組合模的分流孔的形狀、尺寸、數量和排列位置、焊合角的大小，模芯的結構和尺寸對型材的綜合力學性能和揮縫的質量都有一定的影響，擠壓墊、乘徒筒和擠壓模具的結構與尺寸對控制型材的粗晶環等缺陷也有一定的影響。

（4）擠壓模具的結構和尺寸對被擠壓金屬的速度場、溫度場，模具的應力場、應變場、溫度場都有較大的影響，因此合理的模具設計對提高產品質量和提高生產效率，降低生產能耗有重要的意義。

（5） —般生產中等批量的招型材，擠壓模具的設計制造成本占生產總成本的30%左右，如果能有效地提高模具的使用壽命，可使生產成本大幅度下降，提高企業生產效益。近年來擠壓模具設計和制造加工技術發展迅速，新的模具設計理念和方法不斷涌現，模具制造加工技術不斷提高，模具種類也越來越多，擠壓配套設備也發展迅速，研發了大型擠壓筒、固定擠壓塾、活動模架以及工、模具自動裝卸機構，簡化了工人的工模具裝卸操作，縮短了裝卸時間，延長了擠壓生產時間，提高了生產效益。

1.3.2擠壓模具設計技術

擠壓模具設計主要包括型材結構和工藝分析、擠壓機噸位選擇、模具結構和尺寸設計、強度校核等。擠壓模具設計與一般的機械零件設計不同，需要考慮的因素很多，因為擠壓模具直接與被擠壓的金屬接觸，參與金屬的塑性變形，在設計擠壓模具時不但要遵循一般機械零件設計所需遵循的原則，還需考慮擠壓工藝等因素對模具的影響，因此擠壓模具設計比其它類型的模具設計和機械零件的設計更為復雜，要設計出合格的擠壓模具同時具有較高的使用壽命是一項復雜的工作。在擠壓模具設計的初期，一般都是設計棒材、管材和普通實心型材等簡單的型材模具，采用機械零件設計的原理結合設計者的生產經驗來設計，并用古典強度理論校核模具的強度。