散熱帶軋波刀結構優化設計

陳孝玉，張 旭，劉曉宇

（遵義師范學院工學院，貴州遵義563006）

散熱帶是散熱器的關鍵零件，其制造質量對散熱性能有非常重要的影響。軋波刀是散熱帶加工的重要部件，其結構與幾何參數是保證散熱帶加工精度的關鍵，由于散熱帶制造機床與刀具主要依賴進口，故國內軋波刀設計理論研究并不多，國外常采用美國專利3124954“RollDie”設計方法，該方法復雜，工藝難度大[1]；國內王志華等提出的滾刀最優化設計方法，設計簡單、可靠，但部分設計參數并未給出準確取值[2]；郭強，田冬龍利用齒輪嚙合定理對滾刀參數進行了設計研究，但其計算過程中涉及經驗計算公式[3][4]；故目前對軋波刀設計理論與散熱帶成型過程研究還不夠深入，由此設計的軋波刀加工散熱帶常出現圓弧偏心、波形不對稱等缺陷，刀具結構參數設計后還須反復試切確定，嚴重制約生產效率、增加了制造成本。

隨著有限元技術的發展，其在滾壓成型過程中應用也越來越廣泛，其為刀具結構的設計提供了新的途徑，袁啟龍等仿真了板式翅片的滾壓成形過程，驗證了板式翅片滾壓成形技術上的可行性[5]；尚帥采用顯示動力學軟件對波形翅片滾壓成型過程進行模擬，分析了刀具重合度、摩擦等對翅片尺寸的影響關系[6]；趙先鋒等采用有限元模擬技術對散熱帶成型中圓弧偏心原因進行了研究[7]。

以上研究為軋波刀的有限元分析設計奠定了基礎，基于此，選用某型軋波刀結構，采用ANSYS/Workbench軟件對散熱帶軋波過程進行模擬，將試切過程在計算機上完成，通過深入分析軋波成型過程及刀具結構對散熱帶成形的影響關系，對軋波刀結構進行優化設計并予以驗證，以此提高刀具設計效率，為軋波刀的設計提供理論指導。

1 軋波過程模擬與分析

1.1 軋波工藝簡介

散熱帶整體呈波浪形，頂（底）部為圓弧狀，圓弧兩側對稱，其結構如圖1（a）所示，其主要加工過程包括將原料帶滾壓、軋波、密波、疏波、切斷等過程[8]，成型的關鍵在于軋波工序，這也是論文關注的重點，軋波加工過程中，上下兩組分別由軋波刀疊加組合而成的滾軋機構精密地嚙合轉動，其結構如圖1（b）所示，原料帶進入上下軋波刀嚙合刀齒的間歇，隨著軋波刀的轉動而將平整的原料帶滾軋折彎變形形成波浪帶，同時軋波刀刃口切開鋁合金箔片形成翅片，并帶動原料帶做平行移動，以連續滾切加工散熱帶。

圖1 散熱帶及軋波刀結構圖

1.2 軋波過程模擬

研究主要關注散熱帶滾軋折彎后波形的對稱性，通過分析影響波形對稱性因素對軋波刀展開優化，不涉及翅片開翅過程，故暫不考慮其切割翅片過程，在ANSYS/Workbench建立散熱帶軋波成形的有限元模型進行軋波模擬求解分析，其仿真模型如圖2所示，有限元模型相關參數及邊界條件的確定已在所著文獻[7]中進行了詳細的分析介紹，可查閱了解，此處不再贅述，圖3為求解分析后軋波模擬圖。

圖2 軋波有限元模型

圖3 軋波仿真過程

1.3 仿真結果分析

從結構上來講，散熱帶是由一個個波峰與波谷相間連接而成，從成形機理來說，散熱帶軋波成形是波峰（谷）的連續成形過程，因此，波峰（谷）的形成過程是散熱帶軋波成形的關鍵過程，通過研究散熱帶波形的成形過程以及刀具齒頂應力分布狀況，以分析散熱帶波形不對稱的原因。

（1）波峰（谷）成型過程

為便于說明，以一個波峰的成形過程為例來說明軋波過程，波谷的成形機理與其相同。如圖4（a）所示，在上一波峰成型結束后，隨著刀具的轉動，鋁箔與上軋波刀鄰齒頂保持接觸，隨后與上下軋波刀兩相鄰齒頂同時接觸；刀具轉動使上、下軋波刀相鄰齒面有逐漸靠攏趨勢，使其對鋁箔作用力增大，以下軋波刀齒頂為支撐，使鋁箔折彎產生形變，如圖4（b）所示；隨后上下軋波刀繼續旋轉，使處于刀具齒頂處鋁箔由彈性變形轉為以塑性變形為主，下軋波刀齒頂圓弧處為鋁箔塑性變形區域，受力大且受力面積小，所受應力最大，如圖4（c）折彎變形圖所示；隨著上軋波刀兩齒側與上軋波刀兩相鄰齒側逐漸嚙合靠攏，鋁箔在上下軋波刀齒間間隙擠壓并與刀齒齒頂表面貼合，當上下軋波刀旋轉中心與下軋波刀齒頂圓弧圓心三點共線時，波峰成形完成，此時，鋁箔已由平直狀變為倒V狀，如圖4（d）所示。

圖4 波峰（谷）成型過程

（2）刀具齒頂圓弧應力分布分析

通過分析軋波時刀具齒頂圓弧應力在波形成型過程中接觸應力變化情況，以分析刀具結構對散熱帶成型過程的影響作用，為不失一般性，選取下軋波刀第6個刀齒齒頂圓弧，分析其從開始接觸鋁合金箔片到與鋁合金箔片脫離接觸過程時齒頂圓弧應力隨時間分布狀況，經仿真計算分析，其應力大小從刀具與鋁箔接觸到脫離接觸時隨時間變化分布曲線如圖5所示。

圖5 齒頂應力隨時間變化曲線

從圖5可知，軋波刀齒頂圓弧從0.041s時刻開始與鋁合金箔片接觸，隨著軋波刀的嚙合轉動，鋁合金箔片對刀具齒頂的壓力逐漸增大，同時刀具齒頂圓弧所受應力也隨之逐漸增大，當上、下軋波刀圓心與齒頂圓弧圓心三點共線時，即在圖中所示0.062s時刻，鋁箔由平直狀變為圓弧狀，變形最為嚴重，刀具齒頂圓弧應力達最大值，最大應力值為8.41MPa，此時，即波形已完成成型，如圖6（a）所示，但應力分布變化曲線顯示，在0.062s時刻后，刀具齒頂仍有應力，并持續到0.071s后變為零，說明在波形成型完成后，刀具齒頂仍受到外力作用，這是因為在波形成型后，刀具繼續轉動，使刀具齒頂與波形的圓弧處產生了擠壓作用，而并非成型后與散熱帶立即脫離接觸，其仿真結果如圖6（b）所示；隨著刀具繼續旋轉，其與左側波形一直產生擠壓接觸直至與鋁箔完全脫離接觸為止；圖6（c）為刀具即將與左側波形分離時接觸情形，此時，仿真結果顯示左側波形在接觸應力的作用下，原本成型的波形左側已出現了變形，故在波形加工過程中，刀具在0.071s時才與鋁合金箔片完全脫離接觸，而在0.062s到0.071s軋波刀與鋁合金箔片退出接觸過程中，由于刀具齒頂與鋁合金箔片之間的接觸滑動作用，會使已彎曲成形的鋁合金箔片波峰（波谷）處圓弧半徑變大以及左側波形變形，這將嚴重影響散熱帶左側波形形狀，導致波形不對稱。

圖6 刀具與鋁箔接觸狀況

2 軋波刀優化設計

通過有限元模擬分析得知，散熱帶成型過程中，在鋁合金箔片一個波形彎曲成型結束后，在仿真模型中，軋波刀左側刀齒在退出嚙合過程中與散熱帶波峰（谷）相應側邊的擠壓是使散熱帶圓弧變大、波形不對稱的主要原因，故現對軋波刀左側刀齒進行優化，原刀體齒頂為r=0.64mm圓弧，與刀體呈相切連接關系。優化基本思路是：減小軋波刀與散熱帶波形最后接觸側（左側）齒頂圓弧半徑大小，以補償刀具擠壓散熱帶圓弧導致的半徑增大值，同時，用較大半徑圓弧將該段圓弧與原刀體部分連接，呈兩兩相切關系，使刀具齒頂圓弧下半段變得相對平直，相對于優化前凸出的圓弧結構，如圖7中區域A與區域B所示，有利于減少刀具齒頂與鋁合金箔片的接觸時間，從而降低在波形成形結束后刀具齒頂對散熱帶波形帶來的影響，經選取多組替代圓弧模擬分析，選取r=0.32mm與r=1.28mm圓弧相切替代原有r=0.64mm段左側圓弧，可獲得較好的尺寸補償效果和加工精度，刀具優化示意圖如圖7所示。

圖7 刀具結構優化示意圖

3 優化結構的有限元驗證

由上述分析可知，在波形成型后刀具齒頂與成型波形的接觸擠壓是造成波形兩側不對稱的主要原因，為驗證優化后刀具加工效果，建立優化后刀具有限元模型，對比刀具齒頂在加工過程中隨時間變化應力分布狀況及波形兩側的變形程度。

（1）刀具齒頂應力分布對比分析

在相同條件下，不失一般性地選擇刀具第6齒，對比分析在加工過程中齒頂應力隨時間變化分布情況，其齒頂應力-時間變化曲線如圖8所示。

圖8 齒頂應力隨時間變化分布曲線

對比優化前后齒頂應力-時間變化曲線圖8中（a）、（b）可以看出，兩者齒頂應力最大值均出現在0.062s時刻，也即刀具圓心與齒頂圓弧圓心三點共線時，隨后刀具逐步退出嚙合，圖8（a）中顯示優化前刀具約在0.072s時刻退出嚙合，接觸時間約為0.01s，圖8（b）顯示優化后刀具約在0.068s時刻退出嚙合，接觸時間約為0.006s，即在波形成型后刀具齒頂與散熱帶擠壓接觸時間減少了約40%，接觸時間減少，說明刀具齒頂對成型波形作用的持續時間減小，這將減弱刀具對成型散熱帶左側波形的影作用，有利于提高波形精度與對稱性。

（2）波形兩側殘余應力分布對比分析

散熱帶滾軋加工屬于塑性加工范疇，這將導致塑性變形區域如波峰和波谷處內部組織須再度平衡，從而產生相互作用力即殘余應力[9]。理想狀況若波形兩側受力均勻、波形對稱，殘余應力的分布應均勻對稱，為驗證優化效果，不失一般性地選擇優化前后同一位置波峰（波谷），分析刀具優化前后波形兩側殘余應力分布狀況。圖9為刀具優化前后波形兩側殘余應力分布圖，圖9（a）刀具優化前殘余應力分布圖顯示，散熱帶在波峰頂點殘余應力最大約為95Mpa，這主要是由于波峰頂點為塑性變形最劇烈區域，金屬內部組織須產生較大的內力予以平衡，故此處殘余應力最大，在波形左側約經過13個網格長度降至4.9Mpa，右側經過8個網格降至4.5Mpa，兩側殘余應力呈明顯不對稱分布，不對稱長度約為5個網格長度大小，這主要是由于刀具在成型結束后仍與波形左側產生接觸擠壓與相對滑動，故殘余應力分布較緩，而右側成型后刀具與波形脫離突然，應力分布則較為集中，這揭示了兩側變形不均及變形區域不對稱；圖9（b）優化后殘余應力分布圖顯示，其最大殘余應力為93Mpa，在波形右側經9個網格降至 4.4Mpa，波形左側經 10個網格長度降至4.5Mpa，不對稱長度為1個網格長度，殘余應力分布對稱性得以改善，這主要是由于優化后刀具結構左側圓弧半徑變小，在退出嚙合過程中與左側波形滑動接觸的時間減小，對已成型波形的影響作用減弱。殘余應力分布對稱性的改善，也進一步揭示了散熱帶在刀具優化后，波形塑性變形區域在波峰（谷）中心線兩側更趨于對稱，即較優化前，波形的對稱性獲得了提高，達到了優化刀具結構提高散熱帶波形對稱性的效果。

圖9 殘余應力分布圖

4 結論

通過建立散熱帶軋波加工有限元模型，分析散熱帶波峰（谷）成型過程，以提高散熱帶波形對稱性為目的，對軋波刀齒頂結構進行了優化設計，并與原刀體結構進行了數值模擬對比分析，主要有以下結論：

（1）散熱帶加工過程中，刀具齒頂與波形左側在脫離嚙合過程中的持續擠壓接觸是造成波形兩側不對稱的重要原因。

（2）減小刀具齒頂在成型后與波形側的接觸時間，將會減弱齒頂對成型波形的影響作用，有利于加工精度提高；將該型刀具齒頂0.6mm的圓弧結構采用半徑為0.32mm與1.28mm的兩段相切圓弧替代，會使波形成型后刀具齒頂與散熱帶擠壓接觸時間減少了約40%，對比分析結果顯示塑性變形區域均勻性、對稱性得以提高，從而有利于提高波形對稱精度。

（3）研究結果可為軋波刀結構的設計提供理論指導。

（4）研究未獲得刀具結構參數對波形尺寸定量影響關系，難以獲得散熱帶精確波形，后期需對材料非線性變形做深入研究。