电冰箱散热器零件压铸模设计

电冰箱铝散热片的压铸制造电冰箱铝散热片的压铸制造 东南大学 机械工程学院 机 093 杨德魏 学号 0910012069 孙航 学号 0910012079 赵立翔 学号 0910012089 南京 210000 摘要 不同种类的电冰箱使用的散热器外形各有不同 然而其材质及制造工艺大同小异 本文通过对电冰箱散热片工作条件及使用要求的分析 确定毛胚材料及毛胚制造方法 以 铝散 热片的压铸制造为代表画出毛胚制图并制定其制造工艺 关键词 电冰箱 铝散热片 压铸 制造工艺 中图分类号 TG 230 文件标识码 A The refrigerator aluminum heat sink die castings manufacturing Dong Nan mechanical engineering college university of YangDe wei student 0910012069 machine SunHang 0910012079 ZhaoLiXiang student 0910012089 Nan Jing id 210000 Abstract different kinds of refrigerators use radiator shape each different yet its material and manufacturing process the same This article through to the refrigerator heat sink working conditions and requirements of the use of analysis confirmed blank casts materials and wool embryo manufacturing methods Die casting aluminum heat sink in manufacturing as a representative draw blank casts its manufacture and make the drawing Keywords refrigerators aluminum heat sink die casting manufacturing process 1 散热器的基本概况 1 1 散热器材质的比热 1 2 散热器材质的选择 一般说来 普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料 对所选用的材料 希 望其同时具有高比热和高热传导系数 铝的这两个参数都居于前列 是一个相当不错的选 择 由于铝具有密度小 延展性好 易于加工等特点 当然 价格远比铜之类便宜 所以 目前绝大多数散热器都采用铝作为主要材料 不过 纯铝硬度不足 切削性能差 所以在 实际生产中 厂商门为了保证产品有适当的硬度 都采用铝合金来制造实际产品 铝约占总 成分的 98 当然掺杂了其他金属会导致散热性能有所降低 不过 铝优良的导热能力在 铝合金身上基本上得到保留 相比较而言 铜和铝合金二者同时各有其优缺点 铜的导热性好 但价格较贵 加工 难度较高 重量过大 且铜制散热器热容量较小 而且容易氧化 另一方面纯铝太软 不 能直接使用 都是使用的铝合金才能提供足够的硬度 铝合金的优点是价格低廉 重量轻 但导热性比铜就要差很多 2 各种材质散热片及制造简介 2 1 纯铝散热器 纯铝散热器是早期最为常见的散热器 其制造工艺简单 成本低 到目前为止 纯铝 散热器仍然占据着相当一部分市场 为增加其鳍片的散热面积 纯铝散热器最常用的加工 手段是铝挤压技术 而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和 Pin Fin 比 Pin 是指散热片的鳍片的高度 Fin 是指相邻的两枚鳍片之间的距离 Pin Fin 比是用 Pin 的 高度 不含底座厚度 除以 Fin Pin Fin 比越大意味着散热器的有效散热面积越大 代表铝 挤压技术越先进 2 2 纯铜散热器 铜的热传导系数是铝的 1 69 倍 所以在其他条件相同的前提下 纯铜散热器能够更快 地将热量从热源中带走 不过铜的质地是个问题 很多标榜 纯铜散热器 其实并非是真 正的 100 的铜 在铜的列表中 含铜量超过 99 的被称为无酸素铜 下一个档次的铜为 含铜量为 85 以下的丹铜 目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间 而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连 85 都不到 虽然成本很低 但其热传导能力大大 降低 影响了散热性 此外 铜也有明显的缺点 成本高 加工难 散热器质量太大都阻 碍了全铜散热片的应用 红铜的硬度不如铝合金 AL6063 某些机械加工 如剖沟等 性能不 如铝 铜的熔点比铝高很多 不利于挤压成形 Extrusion 等等问题 虽然 目前最常用的散热片材料是铜和铝合金 铝合金容易加工 成本低 是应用最多 的材料 而铜较高的热传导系数 使得其瞬间吸热能力比铝合金好 但散热的速度就较铝 合金要慢 因此 无论纯铜 纯铝 还是铝合金散热器 都有一个致命的缺陷 由于只使 用一种材质 虽然基本的散热能力能够满足轻度散热的需要 但由于无法很好地均衡热传 导能力和热容量能力两个方面的要求 在散热要求较高的场合便未免有些力不从心了 2 3 铜铝结合技术 这两种金属的结合比较困难 铜和铝之间的亲和力较差 如果接合处理不好 便会产 生较大的介面热阻 即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻 在实际设计和制造中 厂商总是尽可能降低介面热阻 扬长避短 往往这也体现了厂商的设计能力与制造工艺 常见的铜铝结合工艺包括 2 3 1 扦焊 扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料 在低于母材熔点而高于焊料熔点 的温度下 利用液态焊料润湿母材 填充接头间隙 然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方 法 主要工序有 材料前处理 组装 加热焊接 冷却 后处理等工序 常用的扦焊方式 是锡扦焊 铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层 AL2O3 使铜铝焊接难度较高 这是 阻碍焊接的最大因素 必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容 易焊接的金属 这样铜铝才能顺利焊接在一起 散热片上的铜底是进行热的传导 要求的不仅是机械强度 更重要的是焊接的面积要 大 焊着率要高 才能有效地提升散热效能 否则不断不会提升散热效能 反而会使其比 全铝合金的散热片更加糟糕 2 3 2 贴片 螺丝锁合 贴片工艺是将薄铜片通过螺丝与铝制底面结合 这样做的主要目的是增加散热器的瞬 间吸热能力 延长一部分本身设计成熟的纯铝散热器的生命周期 经过测试发现 在铝散 热片底部与铜块之间使用高性能导热介质 施加 80Kgf 的力压紧后用螺丝将其锁紧 其散 热效果与铜铝焊接的效果相当 同样达到了预计的散热效能提升幅度 这种方法较焊接简单 而且品质稳定 制程简单 投入设备成本较焊接低 不过只是 作为改进 所以性能提升不明显 虽然有散热膏填充 铜片与铝底之间的不完全接触仍然 是热量传递的最大障碍 制造的主要工序有 铜片裁切 校平 平面度小于 0 1mm 钻孔 涂抹导热介质钻孔 攻牙 清洗 强力预压程序 两段式锁合作业 定扭力锁螺丝 贴片工艺的重点在于控制好铜 铝平面度和粗糙度 以及锁螺丝的扭力等因素 即可 得到一定的效能提升 是一种不错的铜铝结合方式 如果使用的导热介质性能低劣 或是 铜块平整度不良 热量就不能顺利地传导至铝的散热片表面 使散热效果大打折扣 另外 螺丝的锁合力和铜材的纯度不够 都是不良的影响因素 3 铝散热器的压铸制造 3 1 其他制造工艺的优缺点 制造散热器的工艺方法很多简单介绍如下 3 1 1 刨床 切削工艺 刨床式制程即先以挤型方式做出带有凹槽之长条状的胚子 再使用特殊的刀具 将初 胚削出一层层的鳍片出来 其散热鳍片的厚度可薄至 0 5mm 以下 且鳍片与底板是一体 成型 从而避免接口阻抗这一多材质结合时的大麻烦 其缺点则是 在成型的过程中 由于材料应力集中 鳍片与底板接合处会产生肉眼不 易察觉的裂缝 进而影响散热器的散热性能 且由于废料 量产能力及次品率等问题 使 得制作成本较高 切削技术则是对一整块金属进行一次性切削 形成很薄 很密散热鳍片 从而有效地增加了散热面积 由于要进行切削 金属的硬度不能太高 所以铝的含量会比 普通铝合金散热片稍高 成型后的散热器质量很轻 安装方便 这种技术虽然原料成本与 普通压铸成型的散热器相当 但工艺要求高 加工困难 因此产品并不多 3 1 2 精密切割技术 精密切割技术是将一块整体的型材 铝 铜 根据需要用特殊的切割机床在基座上切割 出指定间距的散热鳍片 相比传统的铝挤压工艺 精密切割技术可以在单位体积内切割出 更大的散热面积 增加 50 以上 精密切割技术切割出的散热片表面会形成粗颗粒 这种 粗颗粒可以使散热片和空气的接触面更大 提升散热效率 精密切割的最大优势是散热器 属于整体切割成型 散热鳍片和散热底座结合为一体 精密切割技术制造的散热片不存在 介面热阻的问题 热传导效率非常高 成本也比较高 不适应于一般散热要求的散热片生 产 3 2 铝散热片压铸制造 3 2 1 铝散热片的制图 图 1 a 图 1 b 3 2 散热器零件压铸模设计 3 2 1 工艺性分析 铝具有良好的热交换性 与铜 黄铜散热器相比 铝合金散热器具有质 量轻 成本低等优点 已被广泛使用 采用压铸工艺生产铝合金散热器 同其他铸造方法 相比有很多优点 它可以减少后序加工 缩短生产周期 降低生产成本 节约金属原材料 且铸件表面光洁美丽 压铸件精度较高 尺寸稳定 一致性好 加工余量小 组织致密 具有较高的强度和硬度 图 1 示散热器零件采用压铸工艺生产 由于此铸件叶片薄 且间 距小 深度较深 模具型腔难以制造 采用图 2 中所示的镶块组件结构 不仅解决了型腔 制造困难 而且改善了压铸模的填充 排气性能 使铸件组织致密 满足了散热器铸件对 气密性的要求 图 2 3 2 2 压铸模结构设计 散热器零件 材料为 ADC12 散热器铸件叶片部位型腔受铸件形 状的限制 各叶片腔体之间间距小 深度深 使压铸模型腔制造困难 同时 压铸填充时 由于型腔 压室 合金液中的气体以及涂料产生的气体在短时间充填过程中来不及全部排 出 部分气体被卷入到合金液中 使铸件产生气孔 组织疏松 严重影响铸件的气密性 造成铸件废品 为了改善压铸模型腔加工工艺性和散热片部位的填充 排气性能 散热器 叶片动模型芯采用镶块组合结构 如图 2 所示 整个型腔由多片镶块组成 由螺栓连接成 一体 不仅易于型腔加工 而且利于填充 排气 便于压铸模维修 清理 解决了加工后 出现气孔问题 减少由于气孔原因造成的压铸废品 提高了压铸件的成品率 由于受压铸 模结构限制 抽芯机构采用斜滑块抽芯 其抽拔距离比斜导柱抽芯小 压铸模结构紧凑 3 2 3 压铸模工作原理 压铸模浇注系统为中心浇注形式 采用斜滑块抽芯及顶杆 顶板 顶出机构 其动作过程如下 合模 定模板推动斜滑块复位 压铸机压射 开模 通过推 杆将铸件顶出 为防止顶出时血块脱落 在动模板上加装挡块 3 2 4 压铸机的选择 a 主胀型力的计算 10 pAF 主 式中 主胀型力 KN 主 F A 铸件在分型面上的投影面积 此处 A 78 cm 2 cm 2 P 压射比压 MPa 此处 p 90MPa 计算得 KNF702 主 b 锁模力计算和设备选择 选用压铸机时 首先要确定锁模力 锁模力的主要作用是为 了克服范压力 锁紧压铸模的分型面 防止金属液飞溅 保证铸件的尺寸精度 分主锁 FFKF 式中 压铸机应有的锁模力 KN 锁 F K 安全系数 一般 K 1 25 主胀型力 KN 主 F 分胀型力 作用在滑块锁紧面上的法向分力引起胀型力之和 KN 分 F 计算的 KNF 5 877 锁 所以选择散热器零件在 J1113G 生产 3 3 工艺参数的确定 根据压射比压推芥值表 参考潘宪曾等 压铸模设计手册 北京 机械工 业出版社 1999 耐气密性件的压射比压设置范围为 80 120