Do hợp kim nhôm nhẹ, đẹp, chống ăn mòn tốt, dẫn nhiệt và hiệu suất gia công tuyệt vời, chúng được sử dụng rộng rãi làm linh kiện tản nhiệt trong ngành công nghiệp CNTT, điện tử và ô tô, đặc biệt là trong ngành công nghiệp LED đang nổi lên hiện nay. Các linh kiện tản nhiệt hợp kim nhôm này có khả năng tản nhiệt tốt. Trong sản xuất, chìa khóa để sản xuất đùn hiệu quả các thanh tản nhiệt này chính là khuôn. Do các thanh tản nhiệt này thường có đặc điểm là răng tản nhiệt lớn và dày đặc cùng ống treo dài, nên kết cấu khuôn phẳng, khuôn chia và khuôn bán rỗng truyền thống không thể đáp ứng tốt các yêu cầu về độ bền khuôn và ép đùn.
Hiện nay, các doanh nghiệp phụ thuộc nhiều hơn vào chất lượng thép làm khuôn. Để nâng cao độ bền của khuôn, họ không ngần ngại sử dụng thép nhập khẩu đắt tiền. Chi phí khuôn rất cao, tuổi thọ trung bình thực tế của khuôn chưa đến 3 tấn, dẫn đến giá bộ tản nhiệt trên thị trường tương đối cao, hạn chế nghiêm trọng việc quảng bá và phổ biến đèn LED. Do đó, khuôn đùn cho thanh tản nhiệt hình hoa hướng dương đã thu hút sự quan tâm lớn của các kỹ sư và nhân viên kỹ thuật trong ngành.
Bài viết này giới thiệu các công nghệ khác nhau của khuôn đùn thanh tản nhiệt hướng dương thu được qua nhiều năm nghiên cứu tỉ mỉ và sản xuất thử nghiệm nhiều lần thông qua các ví dụ trong sản xuất thực tế để đồng nghiệp tham khảo.
1. Phân tích đặc điểm kết cấu của các mặt cắt thanh nhôm định hình
Hình 1 cho thấy mặt cắt ngang của một thanh nhôm tản nhiệt hình hoa hướng dương điển hình. Diện tích mặt cắt ngang của thanh nhôm là 7773,5 mm², với tổng cộng 40 răng tản nhiệt. Kích thước khe hở treo tối đa được tạo thành giữa các răng là 4,46 mm. Sau khi tính toán, tỷ lệ lưỡi giữa các răng là 15,7. Đồng thời, có một vùng đặc lớn ở giữa thanh nhôm, với diện tích 3846,5 mm².
Xét theo đặc điểm hình dạng của thanh định hình, khoảng cách giữa các răng có thể được coi là thanh định hình bán rỗng, và thanh tản nhiệt được tạo thành từ nhiều thanh định hình bán rỗng. Do đó, khi thiết kế cấu trúc khuôn, điều quan trọng là phải xem xét cách đảm bảo độ bền của khuôn. Mặc dù đối với thanh định hình bán rỗng, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều cấu trúc khuôn hoàn thiện khác nhau, chẳng hạn như "khuôn chia tách có nắp", "khuôn chia tách cắt", "khuôn chia tách cầu treo", v.v. Tuy nhiên, các cấu trúc này không áp dụng cho các sản phẩm được tạo thành từ nhiều thanh định hình bán rỗng. Thiết kế truyền thống chỉ xem xét vật liệu, nhưng trong đúc đùn, tác động lớn nhất đến độ bền là lực đùn trong quá trình đùn, và quá trình tạo hình kim loại là yếu tố chính tạo ra lực đùn.
Do diện tích rắn trung tâm lớn của thanh tản nhiệt năng lượng mặt trời, nên trong quá trình đùn, lưu lượng dòng chảy tổng thể tại khu vực này rất dễ tăng quá nhanh, và ứng suất kéo bổ sung sẽ sinh ra trên đầu ống treo liên răng, dẫn đến gãy ống treo liên răng. Do đó, khi thiết kế kết cấu khuôn, cần chú trọng điều chỉnh lưu lượng kim loại và lưu lượng dòng chảy để đạt được mục đích giảm áp suất đùn và cải thiện trạng thái ứng suất của ống treo giữa các răng, từ đó nâng cao độ bền của khuôn.
2. Lựa chọn kết cấu khuôn và công suất máy ép đùn
2.1 Hình dạng kết cấu khuôn
Đối với cấu hình bộ tản nhiệt hoa hướng dương được hiển thị trong Hình 1, mặc dù không có phần rỗng, nhưng nó phải áp dụng cấu trúc khuôn chia như thể hiện trong Hình 2. Khác với cấu trúc khuôn phân luồng truyền thống, buồng trạm hàn kim loại được đặt ở khuôn trên và cấu trúc chèn được sử dụng ở khuôn dưới. Mục đích là để giảm chi phí khuôn và rút ngắn chu kỳ sản xuất khuôn. Cả khuôn trên và bộ khuôn dưới đều phổ biến và có thể được tái sử dụng. Quan trọng hơn, các khối lỗ khuôn có thể được xử lý độc lập, điều này có thể đảm bảo tốt hơn độ chính xác của đai làm việc lỗ khuôn. Lỗ bên trong của khuôn dưới được thiết kế theo dạng bậc thang. Phần trên và khối lỗ khuôn áp dụng khớp nối khe hở và giá trị khe hở ở cả hai bên là 0,06 ~ 0,1m; phần dưới áp dụng khớp nối can thiệp và lượng can thiệp ở cả hai bên là 0,02 ~ 0,04m, giúp đảm bảo tính đồng trục và tạo điều kiện lắp ráp, làm cho khớp nối khảm nhỏ gọn hơn và đồng thời, có thể tránh biến dạng khuôn do khớp nối can thiệp lắp đặt nhiệt.
2.2 Lựa chọn công suất máy đùn
Việc lựa chọn công suất máy đùn, một mặt, là để xác định đường kính trong phù hợp của thùng đùn và áp suất riêng tối đa của máy đùn lên tiết diện thùng đùn để đáp ứng áp suất trong quá trình tạo hình kim loại. Mặt khác, cần xác định tỷ lệ đùn phù hợp và lựa chọn thông số kỹ thuật kích thước khuôn phù hợp dựa trên chi phí. Đối với thanh nhôm tản nhiệt hướng dương, tỷ lệ đùn không được quá lớn. Nguyên nhân chính là lực đùn tỷ lệ thuận với tỷ lệ đùn. Tỷ lệ đùn càng lớn thì lực đùn càng lớn. Điều này cực kỳ bất lợi cho khuôn nhôm tản nhiệt hướng dương.
Kinh nghiệm cho thấy tỷ lệ đùn của các thanh nhôm định hình cho bộ tản nhiệt hoa hướng dương nhỏ hơn 25. Đối với thanh nhôm định hình được thể hiện trong Hình 1, máy đùn 20,0 MN có đường kính trong của thùng đùn là 208 mm đã được chọn. Sau khi tính toán, áp suất riêng tối đa của máy đùn là 589MPa, đây là giá trị phù hợp hơn. Nếu áp suất riêng quá cao, áp suất lên khuôn sẽ lớn, gây bất lợi cho tuổi thọ của khuôn; nếu áp suất riêng quá thấp, không thể đáp ứng các yêu cầu của quá trình đùn. Kinh nghiệm cho thấy áp suất riêng trong khoảng 550 ~ 750 MPa có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu quy trình khác nhau. Sau khi tính toán, hệ số đùn là 4,37. Thông số kỹ thuật kích thước khuôn được chọn là 350 mmx200 mm (đường kính ngoài x độ).
3. Xác định các thông số cấu trúc khuôn
3.1 Thông số cấu trúc khuôn trên
(1) Số lượng và cách bố trí lỗ phân luồng. Đối với khuôn phân luồng thanh tản nhiệt hình hoa hướng dương, số lượng lỗ phân luồng càng nhiều càng tốt. Đối với các thanh có hình tròn tương tự, thường chọn 3 đến 4 lỗ phân luồng truyền thống. Kết quả là chiều rộng của cầu phân luồng lớn hơn. Thông thường, khi lớn hơn 20mm, số lượng mối hàn sẽ ít hơn. Tuy nhiên, khi chọn đai làm việc của lỗ khuôn, đai làm việc của lỗ khuôn ở phía dưới cầu phân luồng phải ngắn hơn. Trong điều kiện không có phương pháp tính toán chính xác để chọn đai làm việc, điều này sẽ tự nhiên khiến lỗ khuôn dưới cầu và các bộ phận khác không đạt được lưu lượng chính xác giống nhau trong quá trình đùn do sự khác biệt về đai làm việc. Sự khác biệt về lưu lượng này sẽ tạo ra ứng suất kéo bổ sung trên thanh công xôn và làm lệch các răng tản nhiệt. Do đó, đối với khuôn đùn tản nhiệt hình hoa hướng dương có số lượng răng dày đặc, việc đảm bảo lưu lượng của mỗi răng là rất quan trọng. Khi số lượng lỗ phân lưu tăng lên, số lượng cầu phân lưu cũng tăng theo, lưu lượng và sự phân bố dòng chảy của kim loại sẽ trở nên đồng đều hơn. Điều này là do khi số lượng cầu phân lưu tăng lên, chiều rộng của cầu phân lưu có thể giảm tương ứng.
Dữ liệu thực tế cho thấy số lượng lỗ phân luồng thường là 6 hoặc 8, hoặc thậm chí nhiều hơn. Tất nhiên, đối với một số cấu hình tản nhiệt hướng dương lớn, khuôn trên cũng có thể sắp xếp các lỗ phân luồng theo nguyên tắc chiều rộng cầu phân luồng ≤ 14mm. Điểm khác biệt là cần phải thêm tấm chia phía trước để phân phối trước và điều chỉnh dòng chảy kim loại. Số lượng và cách sắp xếp các lỗ phân luồng trên tấm phân luồng phía trước có thể được thực hiện theo cách truyền thống.
Ngoài ra, khi bố trí lỗ phân luồng, cần cân nhắc sử dụng khuôn trên để che chắn đầu cần trục của răng tản nhiệt một cách thích hợp, tránh kim loại va đập trực tiếp vào đầu ống cần trục, từ đó cải thiện trạng thái ứng suất của ống cần trục. Khoảng cách giữa các răng của đầu cần trục có thể bằng 1/5~1/4 chiều dài của ống cần trục. Sơ đồ bố trí lỗ phân luồng được thể hiện trong Hình 3.
(2) Mối quan hệ diện tích của lỗ phân luồng. Do độ dày thành chân răng nóng nhỏ, chiều cao cách xa tâm, diện tích vật lý rất khác so với tâm, nên đây là bộ phận khó tạo hình kim loại nhất. Do đó, một điểm then chốt trong thiết kế khuôn tản nhiệt hình hoa hướng dương là làm cho lưu lượng của phần rắn trung tâm càng chậm càng tốt để đảm bảo kim loại lấp đầy chân răng trước. Để đạt được hiệu quả như vậy, một mặt, cần lựa chọn băng tải làm việc, và quan trọng hơn là xác định diện tích lỗ phân luồng, chủ yếu là diện tích phần trung tâm tương ứng với lỗ phân luồng. Các thử nghiệm và giá trị thực nghiệm cho thấy hiệu quả tốt nhất đạt được khi diện tích của lỗ phân luồng trung tâm S1 và diện tích của lỗ phân luồng đơn bên ngoài S2 thỏa mãn mối quan hệ sau: S1 = (0,52 ~ 0,72) S2
Ngoài ra, kênh dẫn kim loại hiệu quả của lỗ chia tách trung tâm phải dài hơn kênh dẫn kim loại hiệu quả của lỗ chia tách bên ngoài từ 20-25mm. Chiều dài này cũng tính đến biên độ và khả năng sửa chữa khuôn.
(3) Độ sâu của buồng hàn. Khuôn đùn thanh tản nhiệt hướng dương khác với khuôn shunt truyền thống. Toàn bộ buồng hàn của nó phải nằm ở khuôn trên. Điều này nhằm đảm bảo độ chính xác của quá trình gia công khối lỗ ở khuôn dưới, đặc biệt là độ chính xác của dây đai làm việc. So với khuôn shunt truyền thống, độ sâu của buồng hàn của khuôn shunt thanh tản nhiệt hướng dương cần được tăng lên. Công suất máy đùn càng lớn thì độ sâu của buồng hàn càng tăng, từ 15~25mm. Ví dụ, nếu sử dụng máy đùn 20 MN, độ sâu của buồng hàn của khuôn shunt truyền thống là 20~22mm, trong khi độ sâu của buồng hàn của khuôn shunt thanh tản nhiệt hướng dương phải là 35~40mm. Ưu điểm của việc này là kim loại được hàn hoàn toàn và ứng suất lên ống treo được giảm đáng kể. Cấu trúc của buồng hàn khuôn trên được thể hiện trong Hình 4.
3.2 Thiết kế chèn lỗ khuôn
Thiết kế của khối lỗ khuôn chủ yếu bao gồm kích thước lỗ khuôn, đai làm việc, đường kính ngoài và độ dày của khối gương, v.v.
(1) Xác định kích thước lỗ khuôn. Kích thước lỗ khuôn có thể được xác định theo phương pháp truyền thống, chủ yếu xem xét tỷ lệ gia công nhiệt hợp kim.
(2) Lựa chọn đai làm việc. Nguyên tắc lựa chọn đai làm việc là trước tiên phải đảm bảo cung cấp đủ toàn bộ kim loại ở đáy chân răng, sao cho lưu lượng ở đáy chân răng nhanh hơn các bộ phận khác. Do đó, đai làm việc ở đáy chân răng phải ngắn nhất, giá trị từ 0,3~0,6mm, và đai làm việc ở các bộ phận liền kề phải tăng thêm 0,3mm. Nguyên tắc là cứ 10~15mm thì tăng thêm 0,4~0,5mm về phía tâm; thứ hai, đai làm việc ở phần rắn lớn nhất của tâm không được vượt quá 7mm. Nếu không, nếu chênh lệch chiều dài của đai làm việc quá lớn sẽ xảy ra sai số lớn trong quá trình gia công điện cực đồng và gia công EDM của đai làm việc. Sai số này dễ khiến độ lệch của răng bị gãy trong quá trình đùn. Đai làm việc được thể hiện trong Hình 5.
(3) Đường kính ngoài và độ dày của miếng chèn. Đối với khuôn shunt truyền thống, độ dày của miếng chèn lỗ khuôn là độ dày của khuôn dưới. Tuy nhiên, đối với khuôn tản nhiệt hoa hướng dương, nếu độ dày hiệu dụng của lỗ khuôn quá lớn, biên dạng sẽ dễ va chạm với khuôn trong quá trình đùn và xả, dẫn đến răng không đều, trầy xước hoặc thậm chí kẹt răng. Điều này sẽ khiến răng bị gãy.
Ngoài ra, nếu độ dày lỗ khuôn quá dài, một mặt sẽ kéo dài thời gian gia công trong quá trình EDM, mặt khác dễ gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa, và cũng dễ gây ra hiện tượng lệch răng trong quá trình đùn. Tất nhiên, nếu độ dày lỗ khuôn quá nhỏ, độ bền của răng không thể được đảm bảo. Do đó, xét đến hai yếu tố này, kinh nghiệm cho thấy độ chèn lỗ khuôn của khuôn dưới thường là 40 đến 50; và đường kính ngoài của chèn lỗ khuôn nên từ 25 đến 30 mm tính từ mép lớn nhất của lỗ khuôn đến vòng tròn ngoài của chèn.
Đối với mặt cắt thể hiện trong Hình 1, đường kính ngoài và độ dày của khối lỗ khuôn lần lượt là 225mm và 50mm. Chèn lỗ khuôn được thể hiện trong Hình 6. D trong hình là kích thước thực tế và kích thước danh nghĩa là 225mm. Độ lệch giới hạn của các kích thước bên ngoài của nó được khớp theo lỗ bên trong của khuôn dưới để đảm bảo rằng khe hở đơn phương nằm trong phạm vi 0,01~0,02mm. Khối lỗ khuôn được thể hiện trong Hình 6. Kích thước danh nghĩa của lỗ bên trong của khối lỗ khuôn được đặt trên khuôn dưới là 225mm. Dựa trên kích thước đo thực tế, khối lỗ khuôn được khớp theo nguyên tắc 0,01~0,02mm cho mỗi bên. Đường kính ngoài của khối lỗ khuôn có thể lấy là D, nhưng để thuận tiện cho việc lắp đặt, đường kính ngoài của khối gương lỗ khuôn có thể được giảm thích hợp trong phạm vi 0,1m ở đầu cấp liệu, như thể hiện trong hình.
4. Công nghệ chủ chốt của chế tạo khuôn mẫu
Quá trình gia công khuôn profile tản nhiệt Sunflower không khác nhiều so với khuôn profile nhôm thông thường. Sự khác biệt rõ ràng nhất chủ yếu thể hiện ở khâu gia công điện.
(1) Về mặt cắt dây, cần ngăn ngừa biến dạng điện cực đồng. Do điện cực đồng dùng cho EDM nặng, răng quá nhỏ, bản thân điện cực mềm, độ cứng kém và nhiệt độ cao cục bộ sinh ra do cắt dây khiến điện cực dễ bị biến dạng trong quá trình cắt dây. Khi sử dụng điện cực đồng bị biến dạng để gia công băng tải và dao rỗng, răng sẽ bị lệch, dễ làm hỏng khuôn trong quá trình gia công. Do đó, cần ngăn ngừa biến dạng điện cực đồng trong quá trình sản xuất trực tuyến. Các biện pháp phòng ngừa chính là: trước khi cắt dây, cân bằng khối đồng với mặt phẳng; sử dụng đồng hồ so để điều chỉnh độ thẳng đứng lúc đầu; khi cắt dây, bắt đầu từ phần răng trước, sau đó cắt phần có thành dày; Thỉnh thoảng, sử dụng dây bạc phế liệu để lấp đầy các phần đã cắt; sau khi tạo xong dây, sử dụng máy cắt dây để cắt một đoạn ngắn khoảng 4 mm dọc theo chiều dài của điện cực đồng đã cắt.
(2) Gia công bằng tia lửa điện rõ ràng khác với khuôn mẫu thông thường. Gia công bằng tia lửa điện (EDM) rất quan trọng trong quá trình gia công khuôn mẫu tản nhiệt hoa hướng dương. Ngay cả khi thiết kế hoàn hảo, một lỗi nhỏ trong EDM cũng có thể khiến toàn bộ khuôn bị phá hủy. Gia công bằng tia lửa điện không phụ thuộc vào thiết bị như cắt dây, mà phụ thuộc phần lớn vào kỹ năng vận hành và trình độ của người vận hành. Gia công bằng tia lửa điện chủ yếu chú ý đến năm điểm sau:
① Dòng điện gia công phóng điện. Có thể sử dụng dòng điện 7~10A cho gia công EDM ban đầu để rút ngắn thời gian gia công; có thể sử dụng dòng điện 5~7A cho gia công tinh. Mục đích sử dụng dòng điện nhỏ là để có được bề mặt tốt;
② Đảm bảo độ phẳng của mặt đầu khuôn và độ thẳng đứng của điện cực đồng. Độ phẳng của mặt đầu khuôn kém hoặc độ thẳng đứng của điện cực đồng không đủ sẽ gây khó khăn cho việc đảm bảo chiều dài băng chuyền sau khi gia công EDM phù hợp với chiều dài băng chuyền thiết kế. Quá trình EDM dễ bị hỏng hoặc thậm chí xuyên thủng băng chuyền răng. Do đó, trước khi gia công, phải sử dụng máy mài để làm phẳng cả hai đầu khuôn để đạt yêu cầu về độ chính xác, và phải sử dụng đồng hồ so để hiệu chỉnh độ thẳng đứng của điện cực đồng;
③ Đảm bảo khoảng cách giữa các dao rỗng đều nhau. Trong quá trình gia công ban đầu, cứ sau 3 đến 4 mm gia công, hãy kiểm tra xem dao rỗng có bị lệch 0,2 mm không. Nếu độ lệch lớn, sẽ khó điều chỉnh trong các lần điều chỉnh tiếp theo;
④ Loại bỏ cặn phát sinh trong quá trình EDM kịp thời. Ăn mòn do tia lửa điện sẽ tạo ra lượng cặn lớn, cần được làm sạch kịp thời, nếu không chiều dài băng tải sẽ khác nhau do độ cao cặn khác nhau;
⑤Khuôn phải được khử từ trước khi gia công EDM.
5. So sánh kết quả đùn
Hình dạng thể hiện trong Hình 1 đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng khuôn chia tách truyền thống và phương án thiết kế mới được đề xuất trong bài viết này. Kết quả so sánh được thể hiện trong Bảng 1.
Từ kết quả so sánh, có thể thấy cấu trúc khuôn có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ khuôn. Khuôn được thiết kế theo sơ đồ mới có những ưu điểm rõ ràng và cải thiện đáng kể tuổi thọ khuôn.
6. Kết luận
Khuôn ép đùn thanh tản nhiệt hình hoa hướng dương là loại khuôn rất khó thiết kế và chế tạo, thiết kế và chế tạo tương đối phức tạp. Do đó, để đảm bảo tỷ lệ ép đùn thành công và tuổi thọ của khuôn, cần đạt được những điểm sau:
(1) Hình dạng kết cấu khuôn phải được lựa chọn hợp lý. Kết cấu khuôn phải có lợi cho việc giảm lực đùn, giảm ứng suất do răng tản nhiệt tạo thành trên thanh đỡ khuôn, từ đó cải thiện độ bền của khuôn. Điều quan trọng là phải xác định hợp lý số lượng và cách bố trí các lỗ phân luồng, diện tích các lỗ phân luồng và các thông số khác: thứ nhất, chiều rộng của cầu phân luồng được tạo thành giữa các lỗ phân luồng không được vượt quá 16mm; thứ hai, diện tích lỗ phân luồng phải được xác định sao cho tỷ lệ phân luồng đạt trên 30% tỷ lệ đùn càng nhiều càng tốt, đồng thời đảm bảo độ bền của khuôn.
(2) Lựa chọn dây đai làm việc hợp lý và áp dụng các biện pháp hợp lý trong quá trình gia công điện, bao gồm công nghệ xử lý điện cực đồng và các thông số tiêu chuẩn điện của gia công điện. Điểm mấu chốt đầu tiên là điện cực đồng phải được mài bề mặt trước khi cắt dây, và trong quá trình cắt dây phải sử dụng phương pháp lắp đặt để đảm bảo điện cực không bị lỏng hoặc biến dạng.
(3) Trong quá trình gia công điện, điện cực phải được căn chỉnh chính xác để tránh răng bị lệch. Tất nhiên, trên cơ sở thiết kế và chế tạo hợp lý, việc sử dụng thép khuôn gia công nóng chất lượng cao và quy trình xử lý nhiệt chân không từ ba cấp độ tôi trở lên có thể tối đa hóa tiềm năng của khuôn và đạt được kết quả tốt hơn. Từ thiết kế, chế tạo đến sản xuất đùn, chỉ khi từng khâu chính xác mới có thể đảm bảo khuôn định hình tản nhiệt hướng dương được đùn thành công.
Thời gian đăng: 01-08-2024
