雷達DAM散熱器擠壓成形有限元分析

文/韋管，程賢，魏學峰，鄧攀宜，李金蒙，陳浩·合肥工業大學材料科學與工程學院

散熱器作為雷達上的一個關鍵部件，其成形的好壞直接影響雷達的工作狀態，通常采用擠壓成形工藝，想要獲得良好的成形效果有很大的難度。本文利用有限元軟件Deform數值模擬技術對散熱器成形過程的速度場、成形力、應變場進行了模擬分析。通過模擬結果可以指導散熱器成形工藝方案的確定，優化擠壓方案，成形出外形平整的散熱器，為未來雷達用散熱器研制提供一定技術參考。

軍用雷達正向著大規模、高機動、高集成的方向發展，由于機動雷達具有“全天候、全天時”工作的特點，需要其在強輻射、高溫等極端天氣下穩定工作，這對雷達的成形工藝及結構性能提出了更高的要求。本文采用Deform數值模擬技術對某雷達DAM散熱器進行了模擬分析，為實際產品成形提供了可靠依據。

產品結構特點

雷達DAM散熱器屬于不規則類鍛件，通常采用擠壓成形，其UG模型如圖1所示，該結構單個散熱片厚度極薄，僅有1.5mm左右，葉片間距較小，高厚比較大，在成形過程中底板與翅片金屬的流動速度具有較大的差異，從而給成形帶來了很大的困難。由產品結構特點可知，成形的關鍵在于如何保證散熱片壁厚均勻，端部高度相一致。

Deform數值模擬技術介紹

Deform-3D軟件是一款基于工藝模擬的有限元分析軟件，可以提供金屬成形過程中有價值的工藝分析數據，如溫度場、應力應變場、載荷-位移曲線、損傷值等，因而廣泛應用在鍛造、沖壓、軋制、鐓粗等工藝分析中。Deform-3D軟件具有強大的模擬分析引擎，在變形量超過設定值時能夠觸發自動網格重劃分，優化網格系統，體積損失小，在成形領域具有較高的精度、可靠性及認可度。

圖1 散熱器產品UG模型

有限元模型建立

根據散熱器UG模型，在UG里建立相關模具模型后，一同導入到Deform里進行模擬分析，整體有限元分析模型有正擠壓、反擠壓、側擠壓三種，如圖2所示。由散熱器結構特點可知，翅形部分金屬流動要求比較高，采用正反擠壓產品表面質量不佳，翅形易出現毛刺和充不滿等現象，并且存在難脫模問題，而側端擠壓成形明顯比正反擠壓成形要更為容易。

圖2 不同擠壓方式下的有限元模型

使用側面擠壓成形時，散熱器底板部分與下模接觸面積小、受摩擦小、成形快；翅片部分與下模接觸面積大、受摩擦大、成形慢。根據最小阻力定律，考慮在下模設置邊槽，以調整阻力控制底板和翅片金屬均勻流動，邊槽的數量直接影響成形的效果，設置邊槽后的兩種模具結構如圖3所示。分析模具結構易知，雙邊槽下模較單邊槽下模而言，金屬流動更為容易，所需載荷噸位更小，成形質量更佳，因此后續統一采用雙邊槽側邊擠壓的方式分析雷達ADM散熱器的成形性能。

圖3 單(右)/雙(左)邊槽模具示意圖

模擬過程分析

參數設置

⑴材料的選擇。

由于鋁合金同時具備密度低、阻尼性能好、比強度高、質量輕、易加工等優異性能，結合相關文獻資料，選定模擬材料為6061鋁合金。數值模擬設置中考慮計算量與分析精度，網格盡量細化，采用10～15萬網格數。

⑵熱邊界條件。

設置環境溫度為20℃，模具設置為解析剛性體，采用等溫擠壓的方式，將坯料和模具溫度設置為400℃，擠壓步長為0.1～0.3mm。

⑶摩擦條件。

坯料與模具間采用庫倫摩擦模型，摩擦因子為0.12。

⑷運動條件設置。

模擬時，上模運動而下模靜止，上模運動速度為2mm/s。

速度場的分析

成形過程的初始狀態如圖4所示。

成形過程的金屬流線速度場分布如圖5(a）～5(f） 所示。

對坯料成形過程的速度場進行分析，從圖5(a）中可以看出，坯料變形初期，在上模的擠壓下，坯料靠邊槽附近的金屬向上下兩邊槽運動，逐漸充滿型腔。中部金屬受下模翅片槽的擠壓，先于上下兩邊流動，開始翅片成形，成形速度緩慢。當擠壓過程進行到如圖5(b）所示時，向上流動的金屬接觸到上邊槽頂面受到阻力作用，金屬向兩邊流動，進一步充滿型腔以及進入下模凹槽。向下流動的金屬還未及下邊槽底部，繼續流動。中部的金屬一部分補償下邊槽，一部分進入下模翅片凹槽，繼續翅片中部成形，成形速度仍緩慢。隨著擠壓行程的增加，金屬逐漸充滿下邊槽并流向下模凹槽，直至坯料充滿下模型腔后從下模擠出，成形過程結束。從整個成形過程來看，金屬流動平穩，未出現折疊等缺陷，成形效果良好。

圖4 成形初始狀態

圖5 成形過程速度場分布

成形過程中的載荷分析

成形過程中的載荷-位移曲線如圖6所示。

圖6 成形過程載荷-位移曲線

成形過程中的載荷-位移曲線分為三個階段，第一階段坯料受擠壓作用開始向兩邊槽流動，載荷較小；第二階段坯料金屬流動到上邊槽，受上邊槽的阻力作用，載荷增大；第三階段由于下邊槽的槽口大于上邊槽，金屬充滿下邊槽時間有所延遲，受下邊槽阻力落后于上邊槽，載荷劇增，曲線產生第三個陡坡。當金屬充滿型腔后，散熱器翅片及底板成形的載荷在34t左右波動，并趨于恒定。根據載荷-位移曲線可知整個過程成形力先逐漸增大，再趨于穩定，最大載荷在34t左右，成形噸位較為理想。

應變分布和折疊趨勢分析

成形結束后鍛件的等效應變場如圖7所示，散熱器應變較大部分主要集中在翅片中下部和底板處，此區域正是材料結構強度要求最高的區域，通過擠壓后應變的累計，該區域組織得到細化，力學性能因此得到了強化，提高了散熱器在戶外惡劣環境工作的可靠性與穩定性。

圖7 等效應變圖及等效應變分布云圖

散熱器的折疊趨勢如圖8所示，由圖可以看出，散熱器整體變形協調性較好，折疊角度小，主要的小缺陷集中在擠出表面區域，最大折疊角為315°并未超過360°，翅片成形狀況良好。

圖8 散熱器折疊趨勢分布云圖

基于上述研究，對雷達DAM成形模具進行合理設計，模擬成形結果如圖9(左）所示，由于散熱器結構端部出模后會發生翹曲等多余變形，實際產品所需部分為留在下模凹槽里變形受模具型腔限制的部分，后續需對端部翹曲部分及底部進行機加工，切除多余材料即可獲得所需結構，如圖9(右）所示。

圖9 成形結果(左)及機加工后產品(右)

結論

本文利用Deform軟件對雷達DAM散熱器成形過程進行了數值模擬分析，結果表明，散熱器成形過程中，由于其結構厚薄不均勻（翅片薄而底板厚），在摩擦的作用下翅片部位金屬流動滯后，金屬流動不均勻。在上模設計上下邊槽，增加阻力調節金屬流動后，金屬流動平穩，成形缺陷較少，散熱器整體成形狀況良好。成形過程中的最大成形力在34t波動。厚薄不均的結構特征使得坯料在不同部位的變形程度差距較大，應變分區明顯，但就翅片與底板單獨來看，其應變分布較為均勻，達到了各區域的應變要求。