Do hợp kim nhôm nhẹ, đẹp, có khả năng chống ăn mòn tốt, có tính dẫn nhiệt và hiệu suất xử lý tuyệt vời nên chúng được sử dụng rộng rãi làm linh kiện tản nhiệt trong ngành CNTT, điện tử và ô tô, đặc biệt là trong ngành công nghiệp LED mới nổi hiện nay. Các thành phần tản nhiệt bằng hợp kim nhôm này có chức năng tản nhiệt tốt. Trong sản xuất, chìa khóa để sản xuất hiệu quả các cấu hình tản nhiệt này là khuôn. Bởi vì các cấu hình này thường có đặc điểm là răng tản nhiệt lớn và dày đặc và ống treo dài, nên cấu trúc khuôn phẳng truyền thống, cấu trúc khuôn tách và cấu trúc khuôn bán rỗng 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. Giá thành của khuôn rất cao và tuổi thọ trung bình thực tế của khuôn nhỏ hơn 3t, dẫn đến giá thị trường của bộ tản nhiệt tương đối cao, hạn chế nghiêm trọng việc quảng bá và phổ biến đèn LED. Vì vậy, khuôn ép đùn cho profile tản nhiệt hình hoa hướng dương đã thu hút được sự quan tâm lớn từ các kỹ sư, nhân viên kỹ thuật trong ngành.
Bài viết này giới thiệu các công nghệ khác nhau của khuôn ép đùn profile tản nhiệt hướng dương có được qua nhiều năm nghiên cứu tỉ mỉ và sản xuất thử nghiệm lặp đi lặp lại thông qua các ví dụ trong sản xuất thực tế, để các đồng nghiệp tham khảo.
1. Phân tích đặc điểm cấu trúc của mặt cắt nhôm định hình
Hình 1 thể hiện mặt cắt ngang của một tấm nhôm tản nhiệt hướng dương điển hình. Diện tích mặt cắt ngang của mặt cắt là 7773,5 mm2, với tổng cộng 40 răng tản nhiệt. Kích thước lỗ treo tối đa được hình thành giữa các răng là 4,46 mm. Sau khi tính toán, tỷ lệ lưỡi giữa các răng là 15,7. Đồng thời, ở trung tâm của mặt cắt có một vùng đặc lớn với diện tích 3846,5mm2.
Đánh giá từ các đặc điểm hình dạng của mặt cắt, khoảng cách giữa các răng có thể được coi là mặt cắt nửa rỗng và mặt cắt bộ tản nhiệt bao gồm nhiều mặt cắt nửa rỗng. Vì vậy, khi thiết kế kết cấu khuôn, điều quan trọng là phải xem xét làm thế nào để đảm bảo độ bền của khuôn. Mặc dù đối với các biên dạng bán rỗng, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều loại cấu trúc khuôn hoàn thiện, chẳng hạn như “khuôn chia tách có vỏ bọc”, “khuôn chia cắt”, “khuôn chia cầu treo”, v.v. Tuy nhiên, các cấu trúc này không áp dụng được cho các sản phẩm bao gồm nhiều cấu hình bán rỗng. Thiết kế truyền thống chỉ xem xét vật liệu, nhưng trong khuôn ép đùn, tác động lớn nhất đến độ bền là lực ép đùn trong quá trình ép đùn và quá trình tạo hình kim loại là yếu tố chính tạo ra lực ép đùn.
Do diện tích đặc trung tâm lớn của cấu hình bộ tản nhiệt mặt trời nên rất dễ khiến tốc độ dòng chảy tổng thể ở khu vực này quá nhanh trong quá trình ép đùn và ứng suất kéo bổ sung sẽ được tạo ra trên đầu của hệ thống treo liên răng dẫn đến gãy ống treo kẽ răng. Do đó, trong thiết kế kết cấu khuôn, chúng ta nên tập trung vào việc điều chỉnh tốc độ dòng chảy và tốc độ dòng chảy của kim loại để đạt được mục đích giảm áp suất đùn và cải thiện trạng thái ứng suất của ống treo giữa các răng, để cải thiện độ bền của cái khuôn.
2. Lựa chọn kết cấu khuôn và công suất máy ép đùn
2.1 Dạng kết cấu khuôn
Đối với profile tản nhiệt hướng dương như Hình 1, mặc dù không có phần rỗng nhưng phải sử dụng cấu trúc khuôn tách như Hình 2. Khác với cấu trúc khuôn shunt truyền thống, buồng trạm hàn kim loại được đặt ở phía trên khuôn và cấu trúc chèn được sử dụng ở khuôn dưới. Mục đích là giảm chi phí khuôn và rút ngắn chu trình sản xuất khuôn. Cả bộ khuôn trên và khuôn dưới đều phổ biến và có thể tái sử dụng. Quan trọng hơn, các khối lỗ khuôn có thể được xử lý độc lập, điều này có thể đảm bảo độ chính xác tốt hơn của đai gia công lỗ khuôn. Lỗ bên trong của khuôn dưới được thiết kế dạng bậc thang. Phần trên và khối lỗ khuôn sử dụng độ hở vừa vặn và giá trị khe hở ở cả hai bên là 0,06 ~ 0,1m; phần dưới sử dụng khớp nối nhiễu và lượng nhiễu ở cả hai bên là 0,02 ~ 0,04m, giúp đảm bảo tính đồng trục và tạo điều kiện lắp ráp, làm cho lớp phủ vừa khít hơn, đồng thời có thể tránh biến dạng khuôn do lắp đặt nhiệt nhiễu phù hợp.
2.2 Lựa chọn công suất máy đùn
Việc lựa chọn công suất máy đùn một mặt là để xác định đường kính bên trong thích hợp của thùng đùn và áp suất riêng tối đa của máy đùn trên phần thùng đùn để đáp ứng áp suất trong quá trình tạo hình kim loại. Mặt khác, cần xác định tỷ lệ ép đùn thích hợp và lựa chọn thông số kích thước khuôn phù hợp dựa trên chi phí. Đối với cấu hình nhôm tản nhiệt hướng dương, tỷ lệ đùn không được quá lớn. Lý do 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 profile nhôm tản nhiệt hướng dương.
Kinh nghiệm cho thấy tỷ lệ đùn của các cấu hình nhôm cho bộ tản nhiệt hướng dương nhỏ hơn 25. Đối với cấu hình được hiển thị trong Hình 1, máy đùn 20,0 MN có đường kính trong 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 thì không thể đáp ứng được yêu cầu của quá trình tạo hình đùn. Kinh nghiệm cho thấy áp suất cụ thể 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 kích thước khuôn được chọn là 350 mmx200 mm (đường kính ngoài x độ).
3. Xác định các thông số kết cấu khuôn
3.1 Thông số kết cấu khuôn trên
(1) Số lượng và cách bố trí các lỗ chuyển hướng. Đối với khuôn shunt định hình bộ tản nhiệt hướng dương, số lượng lỗ shunt càng nhiều thì càng tốt. Đối với các cấu hình có hình dạng tròn tương tự, thường chọn 3 đến 4 lỗ shunt truyền thống. Kết quả là chiều rộng của cầu shunt lớn hơn. Nói chung, khi nó lớn hơn 20 mm thì số lượng mối hàn sẽ ít hơn. Tuy nhiên, khi lựa chọn đai làm việc của lỗ cối thì đai làm việc của lỗ cối ở đáy cầu song song phải ngắn hơn. Trong điều kiện không có phương pháp tính toán chính xác cho việc lựa chọn đai làm việc, điều này đương nhiên sẽ khiến lỗ chết dưới cầu và các bộ phận khác không đạt được tốc độ dòng chảy chính xác như nhau trong quá trình ép đùn do sự khác biệt trong đai làm việc, Sự khác biệt về tốc độ dòng chảy này sẽ tạo thêm ứng suất kéo trên công xôn và gây ra độ lệch của răng tản nhiệt. Do đó, đối với khuôn ép đùn tản nhiệt hướng dương có số lượng răng dày đặc, việc đảm bảo tốc độ dòng chảy của mỗi răng là nhất quán là rất quan trọng. Khi số lượng lỗ shunt tăng lên, số lượng cầu nối shunt sẽ tăng theo, tốc độ dòng chảy và sự phân bố dòng chảy của kim loại sẽ trở nên đồng đều hơn. Điều này là do khi số lượng cầu nối song song tăng lên thì chiều rộng của cầu nối song song có thể giảm đi tương ứng.
Dữ liệu thực tế cho thấy số lượng lỗ shunt 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 bố trí các lỗ shunt theo nguyên tắc chiều rộng cầu shunt ≤ 14mm. Sự khác biệt là phải thêm một tấm chia phía trước để phân phối trước và điều chỉnh dòng kim loại. Số lượng và cách sắp xếp các lỗ chuyển hướng trên tấm chuyển hướng phía trước có thể được thực hiện theo cách truyền thống.
Ngoài ra, khi bố trí các lỗ shunt cần lưu ý sử dụng khuôn trên để che chắn thích hợp đầu đúc hẫng của răng tản nhiệt để ngăn kim loại chạm trực tiếp vào đầu ống đúc hẫng, từ đó cải thiện trạng thái ứng suất. của ống đúc hẫng. Phần bị chặn của đầu công xôn giữa các răng có thể bằng 1/5 ~ 1/4 chiều dài của ống công xôn. Bố trí các lỗ shunt được thể hiện trong Hình 3
(2) Mối quan hệ diện tích của lỗ shunt. Bởi vì độ dày thành chân răng nóng nhỏ và chiều cao cách xa tâm, đồng thời diện tích vật lý rất khác với tâm nên đây là phần khó tạo thành kim loại nhất. Do đó, điểm mấu chốt trong thiết kế khuôn định hình tản nhiệt hoa hướng dương là làm cho tốc độ dòng chảy của phần rắn trung tâm càng chậm càng tốt để đảm bảo rằng kim loại sẽ lấp đầy chân răng trước tiên. Để đạt được hiệu quả như vậy, một mặt là việc lựa chọn đai làm việc, và quan trọng hơn là xác định diện tích của lỗ chuyển hướng, chủ yếu là diện tích phần trung tâm tương ứng với lỗ chuyển hướng. Các thử nghiệm và giá trị thực nghiệm cho thấy hiệu quả tốt nhất đạt được khi diện tích của lỗ chuyển hướng trung tâm S1 và diện tích của lỗ chuyển hướng đơn bên ngoài S2 thỏa mãn mối quan hệ sau: S1= (0,52 ~ 0,72) S2
Ngoài ra, kênh dòng kim loại hiệu quả của lỗ bộ chia trung tâm phải dài hơn kênh dòng kim loại hiệu dụng của lỗ bộ chia bên ngoài từ 20 ~ 25 mm. Chiều dài này cũng tính đến lề và khả năng sửa chữa khuôn.
(3) Độ sâu của buồng hàn. Khuôn ép đùn biên dạng bộ tản nhiệt Sunflower khác với khuôn ép đùn truyền thống. Toàn bộ buồng hàn của nó phải được đặt ở khuôn trên. Điều này nhằm đảm bảo độ chính xác trong quá trình xử lý khối lỗ của khuôn dưới, đặc biệt là độ chính xác của đai làm việc. So với khuôn shunt truyền thống, độ sâu của buồng hàn của khuôn shunt định hình tản nhiệt Sunflower cần phải tăng lên. Công suất máy ép đùn càng lớn thì độ sâu của buồng hàn càng tăng, từ 15 ~ 25 mm. Ví dụ: nếu sử dụng máy ép đùn 20 MN, độ sâu buồng hàn của khuôn shunt truyền thống là 20 ~ 22mm, trong khi độ sâu buồng hàn của khuôn shunt của mặt cắt tản nhiệt hướng dương phải là 35 ~ 40 mm . Ưu điểm của việc này là kim loại được hàn hoàn toàn và ứng suất lên ống treo giảm đi đáng kể. Cấu trúc buồng hàn khuôn phía trên được thể hiện trên hình 4.
3.2 Thiết kế 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 cách truyền thống, chủ yếu xem xét quy mô xử lý nhiệt hợp kim.
(2) Lựa chọn đai làm việc. Nguyên tắc lựa chọn đai làm việc trước hết là đảm bảo cung cấp đủ toàn bộ kim loại ở đáy chân răng để tốc độ dòng chảy ở đáy chân răng nhanh hơn các bộ phận khác. Do đó, đai làm việc ở đáy chân răng phải ngắn nhất, có giá trị 0,3 ~ 0,6mm, và đai làm việc ở các phần lân cận phải tăng thêm 0,3mm. Nguyên tắc là tăng 0,4 ~ 0,5 cứ sau 10 ~ 15 mm về phía trung tâm; thứ hai, đai làm việc ở phần rắn lớn nhất của tâm không được vượt quá 7mm. Mặt khác, nếu chênh lệch chiều dài của đai làm việc quá lớn, sẽ xảy ra lỗi lớn trong quá trình xử lý điện cực đồng và xử lý EDM của đai làm việc. Lỗi này rất dễ khiến răng lệch bị gãy trong quá trình ép đùn. Vành đai làm việc được thể hiện trong Hình 5.
(3) Đường kính ngoài và độ dày của hạt dao. Đối với khuôn shunt truyền thống, độ dày của lỗ khuôn là độ dày của khuôn dưới. Tuy nhiên, đối với khuôn tản nhiệt hướng dương, nếu độ dày hiệu dụng của lỗ khuôn quá lớn, biên dạng sẽ dễ va chạm với khuôn trong quá trình ép đùn và xả, dẫn đến răng không đều, trầy xước hoặc thậm chí là kẹt răng. Những điều này sẽ khiến răng bị gãy.
Ngoài ra, nếu độ dày của lỗ khuôn quá dài, một mặt, thời gian xử lý trong quá trình EDM kéo dài, mặt khác dễ gây ra hiện tượng lệch ăn mòn điện, đồng thời cũng dễ gây hư hỏng. gây ra sai lệch răng trong quá trình đùn. Tất nhiên, nếu độ dày lỗ khuôn quá nhỏ thì không thể đảm bảo độ bền của răng. Do đó, khi xem xét hai yếu tố này, kinh nghiệm cho thấy mức độ chèn lỗ khuôn của khuôn dưới thường là 40 đến 50; và đường kính ngoài của phần chèn lỗ khuôn phải từ 25 đến 30 mm tính từ mép lớn nhất của lỗ khuôn đến vòng tròn bên ngoài của phần chèn.
Đối với cấu hình được hiển thị trong Hình 1, đường kính ngoài và độ dày của khối lỗ khuôn lần lượt là 225mm và 50mm. Lỗ cối 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 kích thước bên ngoài của nó được khớp theo lỗ bên trong của khuôn dưới để đảm bảo rằng khe hở một bên 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 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 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 một cách thích hợp trong phạm vi 0,1m ở đầu cấp liệu, như trong hình .
4. Công nghệ chủ yếu sản xuất khuôn mẫu
Cách gia công khuôn định hình tản nhiệt Sunflower không khác nhiều so với khuôn định hình nhôm thông thường. Sự khác biệt rõ ràng chủ yếu được phản ánh trong quá trình xử lý điện.
(1) Khi cắt dây, cần ngăn chặn sự biến dạng của 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 do cắt dây khiến điện cực dễ bị biến dạng trong quá trình cắt dây. Khi sử dụng các điện cực đồng bị biến dạng để gia công băng chuyền và dao rỗng sẽ xảy ra hiện tượng răng bị lệch, dễ khiến khuôn bị bong tróc trong quá trình gia công. Vì vậy, cần ngăn chặn sự biến dạng của các điện cực đồng trong quá trình sản xuất trực tuyến. Các biện pháp phòng ngừa chính là: trước khi cắt dây, san bằng khối đồng bằng giường; sử dụng đồng hồ quay số để điều chỉnh độ thẳng đứng lúc đầu; khi cắt dây, bắt đầu từ phần răng trước, và cuối cùng cắt phần có thành dày; Thỉnh thoảng, dùng dây bạc phế liệu để lấp đầy các phần đã cắt; Sau khi làm xong dây, dùng máy cắt dây để cắt một đoạn ngắn khoảng 4 mm dọc theo chiều dài của điện cực đồng đã cắt.
(2) Gia công phóng điện rõ ràng khác với khuôn thông thường. EDM rất quan trọng trong việc xử lý khuôn profile tản nhiệt hướng dương. Ngay cả khi thiết kế hoàn hảo, một lỗi nhỏ trong EDM sẽ khiến toàn bộ khuôn bị loại bỏ. Gia công phóng điện không phụ thuộc nhiều vào thiết bị như cắt dây. Nó phụ thuộc phần lớn vào kỹ năng và trình độ vận hành của người vận hành. Gia công phóng điện chủ yếu chú ý đến năm điểm sau:
①Dòng gia công phóng điện. 7~10 Dòng điện có thể được sử dụng cho gia công EDM ban đầu để rút ngắn thời gian xử lý; 5~7 Dòng điện có thể được sử dụng để gia công tinh. Mục đích của việc 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 điện cực đồng không đủ độ thẳng đứng gây khó khăn cho việc đảm bảo chiều dài của đai làm việc sau khi xử lý EDM phù hợp với chiều dài đai làm việc được thiết kế. Quá trình EDM rất dễ bị hỏng hoặc thậm chí xuyên qua đai làm việc có răng. Vì vậy, trước khi gia công phải dùng máy mài để làm phẳng hai đầu khuôn để đạt yêu cầu về độ chính xác, đồng thời phải dùng đồng hồ báo hiệu để hiệu chỉnh độ thẳng đứng của điện cực đồng;
③ Đảm bảo khoảng cách giữa các dao rỗng bằng nhau. Trong quá trình gia công ban đầu, hãy kiểm tra xem dao trống có bị dịch chuyển mỗi 0,2 mm sau mỗi 3 đến 4 mm gia công hay không. Nếu độ lệch lớn thì sẽ khó điều chỉnh ở những lần điều chỉnh tiếp theo;
④Loại bỏ kịp thời cặn phát sinh trong quá trình EDM. Ăn mòn phóng điện sẽ tạo ra một lượng lớn cặn, phải được làm sạch kịp thời, nếu không chiều dài của đai làm việc sẽ khác nhau do độ cao của cặn khác nhau;
⑤Khuôn phải được khử từ trước EDM.
5. So sánh kết quả ép đùn
Cấu hình trong Hình 1 đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng khuôn tách truyền thống và sơ đồ thiết kế mới được đề xuất trong bài viết này. Việc so sánh các kết quả được thể hiện trong Bảng 1.
Từ kết quả so sánh có thể thấy rằng cấu trúc khuôn có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của khuôn. Khuôn được thiết kế theo sơ đồ mới có những ưu điểm rõ ràng và cải thiện đáng kể tuổi thọ của khuôn.
6. Kết luận
Khuôn ép đùn hồ sơ tản nhiệt hướng dương là một loại khuôn rất khó thiết kế và chế tạo, đồng thời thiết kế và chế tạo của nó tương đối phức tạp. Do đó, để đảm bảo tỷ lệ ép đùn thành công và tuổi thọ của khuôn, phải đạt được các điểm sau:
(1) Hình dạng kết cấu của khuôn phải được lựa chọn hợp lý. Cấu trúc của khuôn phải có lợi cho việc giảm lực đùn để giảm ứng suất lên công xôn khuôn do răng tản nhiệt hình thành, từ đó cải thiện độ bền của khuôn. Điều quan trọng là phải xác định hợp lý số lượng và cách sắp xếp các lỗ shunt cũng như diện tích của lỗ shunt và các thông số khác: thứ nhất, chiều rộng của cầu nối shunt hình thành giữa các lỗ shunt không được vượt quá 16mm; Thứ hai, diện tích lỗ phân chia phải được xác định sao cho tỷ lệ phân chia đạt trên 30% tỷ lệ đùn càng nhiều càng tốt mà vẫn đảm bảo độ bền của khuôn.
(2) Lựa chọn hợp lý đai làm việc 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 nối đất bề mặt trước khi cắt dây và phải sử dụng phương pháp chèn trong quá trình cắt dây để đảm bảo điều đó. Các 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 lệch răng. Tất nhiên, trên cơ sở thiết kế và sản xuất hợp lý, việc sử dụng thép khuôn gia công nóng chất lượng cao và quy trình xử lý nhiệt chân không từ ba nhiệt độ trở lên có thể phát huy tối đa tiềm năng của khuôn và đạt được kết quả tốt hơn. Từ thiết kế, chế tạo đến sản xuất ép đùn, chỉ khi mỗi liên kết đều chính xác thì chúng ta mới có thể đảm bảo rằng khuôn định hình tản nhiệt hướng dương được ép đùn.
Thời gian đăng: 01-08-2024
