散热铝型材挤压模具设计

摘要

　　挤压模具设计是铝型材生产的关键技术,本文针对高密齿和空心太阳花两种典型结构的散热铝型材,对生产两种散热铝型材的挤压模具设计技术进行了系统的研究。

　　本文基于高密齿散热铝型材壁厚相差悬殊、难以挤压成型的结构特点,采用模具导流技术,对模具导流腔结构进行精密设计,对工作带长度进行精细设计;基于空心太阳花散热铝型材截面几何形状复杂、圆弧形齿部金属难以填充的结构特点,对模具分流孔、焊合室等部位进行精确的结构设计和尺寸设计。

　　采用基于任意拉格朗日-欧拉描述法的专业挤压成型数值模拟软件HyperXtmde对挤压过程进行仿真,对生产高密齿散热铝型材用挤压模具导流腔、工作带进行了二次优化设计,保证挤出型材各处流速在11.35? .37mm/s范围内;对生产空心太阳花散热铝型材用模具分流孔、工作带进行了二次优化设计,保证挤出型材各处流速在12.91? .13mm/s范围内。通过数值模拟技术进行虚拟试模,检测模具结构和尺寸参数设计的合理性,按照虚拟试模的结果,对模具进行优化设计,从而减少生产试模与修模的次数。虚拟试模结果表明:模具导流技术对高密齿散热铝型材各部分金属的分配起到重要作用,工作带长度设计能有效调节金属最终的流速;空心太阳花散热型材模具上模分流孔外斜度能加快型材齿部分金属的流速。对虚拟试模合格的模具进行强度校核,结果表明经优化设计后的模具满足强度要求。

　　全程跟踪了两种典型结构散热型材实际挤压生产过程,根据生产试模情况,制定相应的修模措施。两个模具分别经过两次生产试模、修模,即生产出合格的型材,表明:数值模拟技术能有效减少生产试模次数,缩短模具研发周期,节约生产成本。

　　关键词：挤压模具;散热铝型材;数值模拟;虚拟试模;结构设计

Abstract

　　The design of extrusion die is the key technology for producing aluminum profiles. In this thesis, a systematic design has been conducted on the design of extrusion die for producing two kinds of heat -radiation aluminum profiles which is multi-tooth aluminum profiles and hollow-sunflower aluminum profiles.

　　The present work is based on the structural feature of wide difference of wall thickness and great difficulty of molding for multi-tooth aluminum profiles ; The flow-guiding cavity and bearing length of die have been precise designed by using technology of die flow-guiding. The design of structure and design of dimension for porthole and welding chamber,etc have been conducted based on the complicated geometric shape of cross section and great difficulty for metal filling circular tooth of hollow- sunflower aluminum profiles.

　　The process of extrusion has been simulated by using professional extrusion molding software of HyperXtrude which is based on arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description method, the flow-guiding cavity and bearing of die for producing multi-tooth aluminum profiles are optimized two times, making the velocity throughout the entire extrusion profile in the range of 11.35士0.37 mm/s, the porthole and bearing of die for producing hollow-sunflower profiles are optimized two times, making the velocity throughout the entire extrusion profiles in the range of 12.91±0.13 mm/s. Through virtual test of extrusion process by using CAE technology, the correctness of parameters of the die structure design is checked. Die structural optimizing is conducted according to the result of virtual test, practical test of extrusion process and correcting die are replaced partially by virtual test . The results of virtual test show that the technology of die flow-guiding play an important role in metal distribution for all parts of multi-tooth aluminum profiles and the design of bearing length can adjust the final velocity of metal effectively. The slope of porthole of die for producing hollow-sunflower aluminum profiles can accelerate metal speed of the tooth part of aluminum profiles.Checking strength of the die which are qualified by test of virtual extrusion, the results show that the optimized die meets forcerequirements.

　　Tracking the whole process of practical extrusion of two dies, the corresponding correcting die measures are developed according the results of practical extrusion. The two dies producing qualified aluminum profiles after two times practical extrusion and correcting respectively shows that numeral simulation technology can reduce the times of practical extrusion and shorten the time of developing and researching die and save the cost of production.There are 44 figures, 8 tables and 70 references in the paper.

　　Keywords: extrusion die, heat-dissipating aluminum profile, numeral simulation, virtual extrusion, structure design

　　本课题来源于东竞市东兴招材有限公司。该公司主要生产各种工业异形绍型材,尤其以生产散热招型材为主要特色,散热招型材的生产规模居同等规模绍材厂的前列。该公司2011年通过国家高新技术企业认定,建立了模具制造、型材挤压、五金深加工完整的铅材生产线,拥有先进的CNC加工中心,具备很强的模具设计加工、型材挤压和型材深加工能力。

　　本课题结合企业改进设计散热锡型材模具技术的实际需要,通过中南大学与东竞市东兴锦材有限公司以项目合作及研究生联合培养的形式,开展散热招型材用挤压模具的设计、虚拟试模、生产试模等方面的系统研究。

　　近些年来,随着计算机技术和半导体技术的不断发展,计算机朝着小型化、多功能化的方向发展,这就使得电路的集成度越来越高,相应地,单位面积散出的热量也就越来越大,如何有效地散出这些热量是必须解决的问题。如不能很好的将这些热量散发出去,将会使计算机主板温度不断升高,升高到一定温度会降低计算机元器件的性能,不但会影响计算机系统的稳定性,还会缩短计算机的寿命。散发出的热量来自计算机内部,主要是集成电路的发热,电脑散热器的工作原理是散热器作为散热媒介,散热器与发热器件接触,吸取电脑内部的热量,通过散热器散发到电脑外部,从而保证计算机在正常的温度范围内工作。

　　高密齿结构散热器和太阳花结构散热器是两种典型结构的错合金散热器,在电子产品中应用得非常普遍,在电脑主板上主要就是用这两种结构的散热器。这两种散热器共同的特点是都是通过挤压成型,能否生产出合格的散热器,主要取决于挤压模具的设计与制造。

　　高密齿结构的散热器齿部壁厚薄,底部厚壁壁厚大,挤压生产时很难平衡型材这两处的流速,齿部阻力大,悬臂长,模具很容易因为齿部悬臂断裂而报废;太阳花结构散热器放射形齿接近挤压筒边缘,型材中心与边部的流速非常悬殊难以控制,齿部的阻力也非常大,模具很容易因为齿部的金属流不出而塞模。因此,这两种模具的设计难度是非常大的,越来越多的模具设计师和科研人员在研究这两种结构散热器的设计方法,改进模具结构,提高模具寿命,所以对这两种模具设计进行一个系统深入地研究是非常有意义的。

　　挤压加工方法是有色金属加工方法中的一种非常重要的加工方法,在有色金属加工中占有非常重要的地位[1-3],随着加工制造业的飞速发展,尤其是进入21世纪以来,制造业朝着高、精、尖方向发展,客户对产品的形位精度、表面光洁度等各种技术和质量指标都提出了更高的要求。为了满足客户对产品提出的越来越高的需求,向客户提供符合各种要求的有色金属产品,必须改进加工方法和加工设备。加工方法与加工设备是加工出高品质产品的基础。挤压加工方法与乳制、锻造等压力加工方法相比,更容易实现加工出高精度产品的需求,而且有更好的可靠性和优越性[4]。归纳起来,挤压加工方法有以下特点:

　　(1)在挤压加工过程中,挤压工模具给被挤压金属以很强而且很均勾的三向压缩应力,被挤压金属在三向压缩应力条件下能更好地发挥本身的塑性,从而为金属更好的成型创造了条件。由于挤压加工方法的这种特点,对于那些低塑性难变形的金属或合金可用挤压加工方法来加工,这些金属或合金用锻造法或乳制法很难加工,更加工不出高精度的产品。正是基于挤压加工方法能充分发挥被挤压金属塑性的特点,挤压加工方法在有色加工行业中得到了广泛的运用。

　　(2)挤压加工方法能加工出多种结构的型材,不但可以加工出高精度的棒、管、线等型材,而且可以加工出高精度的截面几何形状复杂的型材,如阶段变截面型材、多孔管材和空心型材等。这些型材很难用锻造加工方法或乳制加工方法等其他压力加工方法生产,甚至是不可能的。用挤压加工方法能加工出复杂结构的型材,在这一点上,其他压力加工方法是无法超越的。

　　(3)挤压加工方法加工出的产品的精度高于用锻造加工方法和乳制加工方法等其他压力加工方法加工出的产品,近年来随着模具设计技术和模具加工制造技术的提高,挤压设备和工艺的改进,已经能用挤压加工方法制造出超高形位精度、表面质量优异的错型材,挤压金属的综合利用率也得到了很大的提高,为招型材行业创造了巨大的效益。

　　(4)金属的力学性能在挤压加工过程中能得到提高,尤其是对于挤压效应的招合金产品,在萍火时效后产品的纵向力学性能高于礼制、锻造等压力加工方法加工出的产品。这对于提高对培合金挤压制品的力学性能和充分发挥锅合金功用创造了条件。

　　(5)挤压加工方法工序简单,操作简便,工艺流程简短,与乳制和锻造等压力加工方法相比,一次挤压能够获得更大横截面积的结构产品,而且挤压设备、模具和人力投资少、费用低,这在很大的程度上提高了产品的经济效益,提高了挤压加工方法的运用范围。

　　近年来,随着平面分流组合模设计和加工制造技术的不断提高,形状复杂的空心铅型材通过模具分流爆合挤压加工方法生产得到了越来越广泛的应用。随着挤压工艺的改进和模具设计及制造加工技术的提高,挤压加工方法加工速度较低的缺点也在不断克服。挤压加工方法对于有色金属加工来说仍然是一种保证产品加工精度和质量、经济效益较好的一种优越的加工方法。

高密齿散热型材糢具零件及装配图

太阳花散热里材模具零件及装配图

有限元模型

初始设计方案挤出型材变形图

初始设计方案

第一次优化前后导流腔结构尺才图

第一次优化后挤出型材变形图

目录

　　原创性声明
　　散热铝型材挤压模具设计及数值模拟
　　　　1 文献综述
　　　　1.1 课题来源及研究意义
　　　　　　l.1.1 题来源
　　　　　　1.1.2 课题研究意义
　　　　1.2 铝型材挤压技术概述
　　　　　　1.2.1 铝型材挤压技术特点
　　　　　　1.2.2 铝型材挤压技术基本原理
　　　　1.3 铝型材挤压模具技术概述
　　　　　　1.3.1 挤压模具在铝型材生产中的重要地位
　　　　　　1.3.2 挤压模具设计技术
　　　　　　1-3.3 挤压模具制造技术
　　　　　　1.3.4 挤压模具材质及热处理技术
　　　　1.4 铝型材挤压数值模拟研究现状
　　　　1.5 课题研究内容
　　2 高密齿散热型材和空心太阳花散热型材模具设计
　　　　2.1 型材工艺分析
　　　　　　2.1.1 高密齿散热型材工艺分析
　　　　　　2.1.2 空心太阳花散热型材工艺分析
　　　　2.2 模具种类选择
　　　　　　2.2.1 空心太阳花散热型材模具种类选择
　　　　　　2.2.2 高密齿散热型材模具种类选择
　　　　2.3 挤压机吨位选择
　　　　　　2.3.1 空心太阳花散热型材挤压机吨位选择
　　　　　　2.3.2 空心太阳花散热型材挤压机吨位校核
　　　　　　2.3.3 高密齿散热型材挤压机吨位选择
　　　　　　2.3.4 高密齿散热型材挤压机吨位校核
　　　　2.4 高密齿散热型材模具设计
　　　　　　2.4.1 模具中心确定
　　　　　　2.4.2 导流模设计
　　　　　　2.4.3 模孔尺寸设计
　　　　　　2.4.4 工作带设计
　　　　　　2.4.5 空刀设计
　　　　2.5 空心太阳花散热型材模具设计
　　　　　　2.5.1 分流孔设计
　　　　　　2.5.2 分流桥设计
　　　　　　2.5.3 模芯设计
　　　　　　2.5.4 焊合室设计
　　　　　　2.5.5 模孔尺寸设计
　　　　　　2.5.6 模孔工作带设计
　　　　　　2.5.7 模孔空刀结构设计
　　　　　　2.5.8 螺钉孔、销钉孔、助吊孔设计
　　　　2.6 本章小结
　　3 挤压过程数值模拟及模具优化设计
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 挤压模拟软件HyperXtrude介绍
　　　　3.3 模拟过程描述
　　　　3.4 有限元模型的建立和边界条件的设置
　　　　　　3.4.1 几何模型的建立
　　　　　　3.4.2 有限元模型的建立
　　　　3.5 高密齿散热型材模具数值模拟结果分析
　　　　　　3.5.1 初始设计方案数值模拟结果分析
　　　　　　3.5.2 第一次优化设计数值模拟结果分析
　　　　　　3.5.3 第二次优化设计数值模拟结果分析
　　　　3.6 太阳花散热型材模具数值模拟结果分析
　　　　　　3.6.1 初始设计方案数值模拟结果分析
　　　　　　3.6.2 第一次优化设计数值模拟结果分析
　　　　　　3.6.3 第二次优化设计数值模拟结果分析
　　　　3.7 模具强度校核
　　　　3.7.1 太阳花散热型材模具强度校核
　　　　3.7.2 高密齿散热型材模具强度校核
　　　　3.8 本章小结
　　4 生产试模
　　　　4.1 高密齿散热型材模具生产试模
　　　　4.2 空心太阳花散热型材生产试模
　　　　4.3 本章小结
　　5 结论
　　参考文献
　　攻读学位期间主要研究成果

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