不銹鋼板式熱沉液壓脹形工藝參數仿真分析

蔣志廣，許貞龍，張立建

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

熱沉是空間環境模擬試驗設備的重要組成部分，主要用來提供冷黑環境。傳統熱沉有銅熱沉、鋁熱沉和不銹鋼管?銅翅片熱沉等。不銹鋼板式熱沉相比傳統熱沉具有低溫性能好、生產周期短、生產成本低等特點，已被廣泛應用于國外航天器環境模擬試驗設備中。為使國內空間環境模擬設備研制水平緊跟國際先進技術發展趨勢，掌握不銹鋼板式熱沉高精度液壓脹形加工工藝技術意義重大。北京衛星環境工程研究所針對不銹鋼板式熱沉研制特點和難點，開展了激光成形技術、高性能密封保證技術等關鍵技術研究，保證了熱沉的關鍵技術指標，已經在型號試驗中成功應用。

本文主要針對熱沉高精度成型技術難點開展研究，通過建立不銹鋼熱沉液壓脹形的有限元分析模型，對熱沉的充壓成形過程進行工藝仿真研究，深入分析主要工藝參數對熱沉充壓成形的影響規律，得到合理的工藝參數，為試驗和生產提供指導，以實現熱沉高精度一次液壓脹形，進一步提高熱沉加工制造水平。

1 有限元模型的建立

不銹鋼板式熱沉外形如圖1 所示，由2 個半圓筒形熱沉組合為圓筒狀。單個半圓筒形熱沉則由2 塊同尺寸的不銹鋼板邊界全部焊接，中間規律分布焊點接合后，再向其內部充壓脹形形成流道。

圖1 不銹鋼板式熱沉Fig. 1 The bulging plate stainless steel heat sink

本文選取尺寸為800 mm×1500 mm 的半圓筒形熱沉進行仿真研究，熱沉板厚度組合為2.5 mm+1.2 mm。首先利用ABAQUS 有限元分析軟件建立半圓筒形熱沉加工的毛料模型（見圖2），在考慮滾彎影響時需采用1/2 模型，即將原尺寸熱沉模型沿滾彎方向對稱切分為兩部分，取其一（尺寸為800 mm×750 mm）作為仿真模型。直徑800 mm 的半圓弧長約為1260 mm，考慮滾彎時兩端所留的余量，取毛料長度為1500 mm，則1/2 毛料模型的尺寸為1500 mm×750 mm。在不考慮滾彎的情況下，可采用1/4 模型，即將原尺寸1/2 模型再沿滾彎垂向對稱切分取其一，尺寸為630 mm×750 mm。

圖2 半圓筒形熱沉的毛料模型Fig. 2 Model of the workpiece for semi-cylindrical heat sink

2 熱沉成形影響因素仿真分析

2.1 滾彎預應力的影響

半圓筒形熱沉是將焊接好的不銹鋼板先通過滾彎成形為半圓筒狀，再在半圓筒狀的零件內進行充壓脹形。滾彎的影響主要是使充壓成形過程在有預應力的情況下進行。為分析滾彎預應力的影響，首先對半圓筒狀零件的滾彎過程進行有限元仿真，得到滾彎后零件內部的殘余應力；再將該應力導入到充壓脹形過程中，使充壓在有預應力情況下進行，并與無預應力充壓過程進行對比。利用ABAQUS有限元分析軟件得到的仿真分析結果如圖3 和圖4所示，其中參照國家標準GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》進行試驗得到材料的基本性能參數，以便建立材料的力學本構模型。

圖3 滾彎預應力對熱沉應變分布的影響Fig. 3 Effect of the rolling prestress on the strain distributions in the heat sink

圖4 滾彎預應力對熱沉厚度分布的影響Fig. 4 Effect of rolling prestress on the thickness distributions of the heat sink

對比來看，滾彎的預應力對板料充壓后的應變分布和厚度分布影響都不大，因此在充壓成形的過程仿真中不必考慮滾彎預應力的影響。

2.2 邊界壓緊力的影響

熱沉的邊界在充壓脹形過程中通過焊接或機械夾緊方式與限位模具（或框架）進行固定。由于固定方式的不同，壓緊力會有所不同，對材料的約束能力亦有所差異，將導致成形過程中材料的流動情況不同，進而影響成形后的流道高度。

半圓筒狀熱沉在直邊采用板條壓緊，在板條上設置若干個施力點，在圓筒圓弧邊上設置若干個板塊作為圓周方向上的施力點。每個施力點分別施加不同的壓緊力，設摩擦系數為0.3。板條及板塊厚度設置為5 mm。槽鋼作為限位模具，厚度為5 mm。施加的外力分別設置為80 kgf、200 kgf、400 kgf 和1000 kgf，對應的邊界摩擦力為24 kgf、60 kgf、120 kgf 和300 kgf。圖5～圖7 為不同邊界壓緊力對熱沉位移分布、應力分布和厚度分布影響的仿真分析結果?！揪幷咦ⅲ簩嶋H工程中常使用非ISO 單位，本文為避免換算后數據不圓整保留原數據單位，1 kgf=9.81 N】

圖5 不同邊界壓緊力對熱沉位移分布的影響Fig. 5 Influence of boundary compression forces on the displacement distributions of the heat sink

圖6 不同邊界壓緊力對熱沉應變分布的影響Fig. 6 Influence of boundary compression forces on the strain distributions in the heat sink

圖7 不同邊界壓緊力對熱沉厚度分布的影響Fig. 7 Influence of boundary compressive forces on the thickness distributions of the heat sink

根據以上分析結果，分別選擇熱沉中部（I）、直邊中間（II）、圓弧邊中間（III）和零件邊角（IV）4 個區域提取充壓成形后的流道高度（特征提取點編號及區域位置參見圖8）。不同區域的流道高度及高度差計算結果如圖9 所示，可以看到：4 個區域中對邊界摩擦力較敏感的為直邊中間位置（區域II），表明在這個位置材料較容易向內流動，需要在此邊界施加1000 kgf 以上的約束力；而圓弧邊中間位置（區域III）幾乎不受邊界摩擦力大小的影響，這表明成形過程中只在圓弧邊界施加80 kgf 的約束力，圓弧邊就不會向內有較大的縮進，只需稍加約束以防止材料起皺即可。同時可以看到，熱沉成形的流道高度非常不均勻，出現了極嚴重的“起筋”現象。

圖8 流道高度特征提取點位置示意Fig. 8 Schematic diagram of feature positions for calculation of runner height

圖9 不同區域的流道高度及高度差Fig. 9 Runner height and height differences in different areas

2.3 焊點布局的影響

熱沉毛料上的焊點布局將直接影響成形后的流道高度。為消減半圓筒狀熱沉的“起筋”現象，嘗試改變焊點布局，將沿圓周方向的焊點每隔一列整體移動原焊點間距的一半，使焊點布局由正方形變為菱形，如圖10 所示。

圖10 菱形布局的焊點Fig. 10 The diamond-shaped solder joint layout

圖11～圖13 為焊點布局改變對熱沉位移分布、應力分布和厚度分布影響的仿真分析結果。可以看到，當焊點為正方形布局時，熱沉內壁的起筋現象比較規律，都是沿焊點的母線方向；而當焊點布局改為菱形時，熱沉內壁出現不規則的“起筋”現象，原來順暢的起筋通道被打斷，起筋的位置與走向也就不再規則。

圖11 菱形焊點布局下的熱沉位移分布Fig. 11 The displacement distributions on the heat sink with diamond-shaped solder joint layout

圖12 菱形焊點布局下的熱沉應變分布Fig. 12 The strain distributions in the heat sink with diamond-shaped solder joint layout

圖13 菱形焊點布局對熱沉厚度分布的影響Fig. 13 The thickness distributions of the heat sink with diamond-shaped solder joint layout

同樣在前述的4 個不同區域提取流道高度，每個區域中選3 個位置，每個位置都是在兩個焊點的中間。菱形焊點布局下不同區域流道高度的仿真計算結果如圖14 所示，可以看到，如果沒有“起筋”現象的發生，菱形布局的流道高度要比正方形布局的情況下更加均勻，尤其是兩層鋼板的厚度差較大時流道成形效果更加理想。

圖14 菱形焊點布局下不同區域的流道高度及高度差Fig. 14 Runner height and height difference in different areas with diamond solder joint layout

3 脹形壓力與流道高度的關系

流道是在內壓力的作用下成形的，流道高度與脹形壓力有著直接的關系，因此脹形壓力是熱沉充壓成形時的一項重要工藝參數。為確定并優化這一參數，仿真計算不同邊界約束條件下流道高度與脹形壓力之間的關系。

圖15 為不銹鋼板式熱沉2 層板厚度組合為2.5 mm+1.2 mm 時，脹形壓力對熱沉位移分布影響的仿真分析結果。圖16 為從4 個區域提取的特征點流道高度。從區域Ⅱ的位移分布以及位置點4 的脹形壓力?流道高度曲線上，可以看到該區域比其他區域的流道高度要大很多，這是由于該區域在直邊緣附近，材料在壓力作用下內縮到該區域，但受剛性模具限制很難進一步向內部其他區域流動。這對熱沉的整體成形質量不利，因此對直邊附近材料流動進行合理約束十分必要。

圖15 脹形壓力對熱沉位移分布的影響（厚度組合2.5 mm+1.2 mm）Fig. 15 The influence of bulging pressure on the displacement distributions of the heat sink (thickness combination 2.5 mm+1.2 mm)

圖16 不同區域的流道高度?脹形壓力曲線Fig. 16 Curves of runner height vs. bulging pressure of flow path in different areas

脹形壓力與流道高度大致呈線性關系，提取幾組對應關系見表1 所示。不同熱沉需要不同的流道高度，可參考表中數據選擇加工時的脹形壓力。

表1 脹形壓力–流道高度關系Table 1 Relationship between bulging pressure and runner height

4 結束語

本文針對大型不銹鋼板式熱沉成形技術難題，為掌握高精度液壓脹形技術，通過建立不銹鋼熱沉液壓脹形有限元分析模型，對不銹鋼板式熱沉液壓脹形工藝進行有限元仿真計算，分析滾彎預應力、邊界壓緊力、焊點布局對熱沉成形的影響規律，得出了熱沉脹形壓力與流道高度的關系，可為熱沉的生產工藝過程提供指導。研究成果已成功應用于KM8、KM7A 等空間環境模擬設備的熱沉研制中，為我國探月工程、火星探測、載人航天、北斗導航等重大型號研制任務的順利進行發揮了重要作用，產生了顯著的經濟和社會效益。