CN114289537B - 一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置及方法，涉及型材挤压成形领域，包括模具，模具内设有分流孔、模芯和成形型腔，模芯两侧分别设有分流孔且两侧分流孔的截面积相异，模芯一端的模芯芯针探入工作带内，模芯芯针与工作带之间作为成形型腔，模芯芯针与厚壁侧工作带的间距大于模芯芯针与薄壁侧工作带的间距；模芯一侧的分流孔通过焊合室连通成形型腔厚壁侧，模芯另一侧的分流孔通过焊合室连通成形型腔薄壁侧；针对目前微通道偏置布局的散热元件用型材成形困难的问题，设置偏置布局的分流孔对金属合理分流，以适应微通道偏置布局型材的壁厚分布要求，平衡模芯两侧受力，降低模具磨损和偏载，提高型材的成形精度和模具使用寿命。

Description

一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置及方法

技术领域

本发明涉及型材挤压成形领域，具体涉及一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置及方法。

背景技术

设备柜体内往往设有较多电路发热模块而导致发热量较大，而高温环境容易降低元件工作的可靠性，为了保证其能够长时间稳定运行，需对其发热模块进行冷却，比如空调变频器，内部对应设置有散热元件。目前对于设备柜体内发热模块的传统散热方式大多为风冷散热，比如在变频器中设置的风机通过出风口将柜体中的热量快速排到机外。同时针对高功率器件，如二极管等元器件，由于面临功率过高所带来的高能量及快速热输运问题，因此还会设置翅片式散热器等专门的散热结构以提高散热效果。

传统的风冷散热方式仍无法满足散热要求，采用液冷散热方式能够提高散热效率。而液冷散热需提供液体的流通通道和发热模块的安装位置，微通道偏置布局的扁管中的微通道能为液体提供通道，且偏置的厚壁可为发热模块提供安装位置。微通道偏置布局的散热元件是通过薄壁、多孔、扁形管状铝合金型材经机加工而成的，尤其是应用于高功率器件的微通道散热元件，其型材的微通道在厚度方向上呈非对称分布，即偏置布局，造成型材存在很大壁厚差，靠近系列微通道的型材一侧，型材的壁厚很小，而远离型材微通道的型材一侧用以安装发热模块，其厚度很大。这种具有大壁厚差和微通道偏置布局的型材，在其挤压过程中，所需挤压力很大，模具存在很高的局部应力，容易造成模具磨损或开裂，严重影响模具的使用寿命和型材精度；挤压过程中材料变形十分剧烈，尤其是对于微通道偏置布局的型材挤压，其材料的局部变形更为剧烈，因塑性变形转换为热量，容易造成局部温度升高，进而影响型材的微观组织及其力学性能；对于侧壁厚度不等且壁厚相差大的微通道扁管型材，内部通道尺寸很小，因此，挤压模具的模芯尺寸也很小，模具两侧分流孔的入料量不同会对模芯产生较大的横向推力，从而导致模芯根部发生应力集中，造成模芯偏摆，进而使型材出现明显的偏壁现象，严重影响型材的形状和尺寸精度，甚至导致模芯断裂，难以满足微通道偏置布局的散热元件用型材的成形需要。

发明内容

本发明的目的是针对上述微通道偏置布局的散热元件用型材难以挤压生产的问题，提供一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置及方法，通过在模具上设置偏置布局的系列分流孔，对材料进行合理的分流和流量分配，以适应微通道偏置布局的散热元件用型材的壁厚分布要求，同时有效平衡模芯两侧的受力，以降低挤压模具磨损和偏载，提高型材的成形精度和模具使用寿命。

本发明的第一目的是提供一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，采用以下方案：

包括模具，模具内设有分流孔、模芯和成形型腔，模芯两侧分别设有分流孔且两侧分流孔的截面积相异，模芯一端的模芯芯针探入工作带内，模芯芯针与工作带之间作为成形型腔，模芯芯针与厚壁侧工作带的间距大于模芯芯针与薄壁侧工作带的间距；模芯一侧的分流孔通过焊合室连通成形型腔的厚壁侧，而模芯另一侧的分流孔通过焊合室连通成形型腔的薄壁侧；分流孔远离焊合室的一端敞开，以连接沉孔，坯料能够通过入料口进入模具内部进行成形加工。

进一步地，所述模具包括相配合的上模和下模，分流孔和模芯均分布于上模，下模设有焊合室与工作带。

进一步地，所述模具顶端设有与分流孔连通的沉孔，分流孔靠近模芯一侧的内壁倾斜布置。

进一步地，所述模芯两侧分别设有1～2组分流孔，模芯两侧对应的分流孔数目相异，以使模芯两侧对应的分流孔的截面积相异，形成非对称布局的分流孔。

进一步地，厚壁侧设置两组分流孔，以保证足够的材料流入厚壁侧的成形型腔，每组分流孔由2～3个分流孔组成，且随型材宽度和微通道数量的增加，对应的分流孔数量也增加；薄壁侧设置一组分流孔，由3个分流孔组成，型材宽度越大，所需分流孔数量越多。

进一步地，相邻分流孔之间设有分流桥。

进一步地，所述模芯端部设有沿其长度方向依次间隔分布的多个模芯芯针，相邻模芯芯针之间形成引流槽。

进一步地，所述引流槽连通模芯两侧的焊合室，且延伸至模芯主体，分流孔依次连通焊合室和成形型腔。

进一步地，沿成形型腔轴向上，厚壁侧工作带的长度大于薄壁侧工作带的长度，焊合室内设有阻流块，以调节焊合室内材料流速。

本发明的第二目的是提供一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形方法，利用如上所述的一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，包括以下步骤：

对熔铸后的棒料进行均匀化处理后，根据需求进行锯切下料，获得一定长度的挤压用锭坯，然后将锭坯进行加热和保温；

预热模具并保温，将保温后的挤压用锭坯送入模具的入料口；

挤压用锭坯在模具内依次经过沉孔、分流孔、焊合室、模芯引流槽和成形型腔，最终由工作带末端成形为微通道偏置布局的散热元件用型材；

将微通道偏置布局的散热元件用型材进行冷却、校直、锯切。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前微通道偏置布局的散热元件用型材成形困难的问题，设置偏置布局的分流孔，对金属进行合理分流和流量分配，以适应微通道偏置布局的散热元件用型材的壁厚分布要求，同时平衡模芯两侧受力，以降低挤压模具磨损和偏载，提高型材的成形精度和模具使用寿命。

(2)利用非对称分布(偏置布局)的分流孔将金属分流，调整薄壁一侧金属的分配量，并减缓厚壁一侧材料的流速，使薄壁和厚壁能够等速流动，保证薄壁和厚壁处拥有合理匹配的金属流量进入焊合室，减少其差速流动导致的模具模芯偏移、型材焊合不良和成形质量差的问题。

(3)在型材挤压成形过程中，金属首先在沉孔内被导流，随后通过大小、角度、形状和位置不同的分流孔第一次分流，最后在上模分流孔底部和下模的焊合室中进行焊合，并填充模芯芯针之间的引流槽，最终，微通道偏置布局的散热元件用型材从工作带的末端(模口)被挤出，实现稳定的挤压成形，克服了难以通过挤压模具生产微通道偏置布局的散热元件用型材的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1或2中微通道偏置布局的散热元件用型材的结构横截面示意图；

图2为本发明实施例1或2中模具结构的纵剖面示意图；

图3为本发明实施例1或2中模具分流孔的俯视图；

图4为本发明实施例1或2中上模模芯的多个模芯芯针排列结构示意图；

图5为本发明实施例1或2中下模工作带示意图；

图中，1.沉孔；2.第一主桥；3.第二主桥；4.三孔分流孔；5.中间分流孔；6.两孔分流孔；7.模芯；8.焊合室；9.工作带；10.阻流块；11.凸台；12.凹槽；13.定位孔；14.螺纹孔；15.微通道偏置布局的散热元件用型材。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1至图5所示，给出一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置。

如图2所示的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，用于加工微通道偏置布局的散热元件用型材，如图1所示的微通道偏置布局的散热元件用型材15，通过成形装置对坯料进行加工，得到微通道扁管型材，经过校直、锯切后得到微通道偏置布局的散热元件用型材15，并通过进一步机加工，获取微通道偏置布局的散热元件，能够应用于设备内部的元器件的散热，比如应用于空调变频器、二极管等，作为散热结构将元器件产生的热量进行传输，提高元器件的散热效率。

如图2所示，微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置包括模具，模具内设有分流孔、模芯7和成形型腔，由于微通道偏置布局，型材一侧的厚度远大于另一侧的厚度，坯料在挤压杆的推动下，首先经沉孔流入三组分流孔，这三组分流孔设置在模芯两侧，其中，第一组包括三个分流孔，其与焊合室连通，形成型材薄壁侧成形用材料的流经路径型腔，另外两组分流孔分别包含两个和三个分流孔，这两组分流孔分别与焊合室连通，形成型材厚壁侧成形用材料的流经路径型腔。在模芯芯针与模具工作带9之间的空腔构成成形型腔，在此成形型腔内，模芯芯针与厚壁侧工作带9之间的间距远大于模芯芯针与薄壁侧之间的间距，厚壁侧的工作带9长度大于薄壁侧的工作带9长度，模芯的系列芯针头部探入工作带9内，探入部分长度不超过厚壁侧模具工作带9的长度。材料流经分流孔和成形型腔，形成微通道偏置布局的散热元件用型材15，再经过处理后可以得到内部微通道偏置布局的散热元件。

具体的，如图2所示，微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置包括模具，在本实施例中，模具为挤压模具，对铝合金棒料进行挤压成形，模具分为上模和下模。以上模和下模形成整体模具为例进行介绍，可以理解的是，在其它实施方式中，还可以对模具进行其它方式的拆分、组合。

如图2所示，模具内设有模芯7和成形型腔，模芯7一端的模芯芯针探入成形型腔内，模芯芯针与厚壁侧工作带9的间距大于模芯芯针与薄壁侧工作带9的间距，使模芯芯针在成形型腔内形成偏置布置，小间距侧作为如图1中微通道偏置布局的散热元件用型材15薄壁一侧的成形位置，大间距侧作为微通道偏置布局的散热元件用型材15厚壁一侧的成形位置，变形材料经过成形型腔后，能够形成壁厚不均匀的微通道偏置布局的散热元件用型材15。模芯7连接上模且成形型腔分布于下模，下模上设有焊合室8与工作带9。

模芯7两侧分别设有分流孔，位于同一侧的分流孔形成分流路径，模芯7作为两侧分流孔的分隔界限，模芯7一侧的分流孔通过焊合室8连通模芯芯针一侧的成形型腔，对应成形微通道偏置布局的散热元件用型材15的薄壁一侧，模芯7另一侧的分流孔通过焊合室8连通模芯芯针另一侧的成形型腔，对应成形微通道偏置布局的散热元件用型材15的厚壁一侧；成形型腔远离焊合室8的一端敞开，以连接沉孔，坯料能够通过入料口进入模具内部进行成形加工。

如图3所示，每组分流孔包括至少两个分流孔，模芯7两侧对应的分流孔数目相异，以使模芯7两侧对应的分流孔的截面积相异，在模芯两侧形成不同的材料流量，并且，为了对材料进行分流，首先，分流通道入料口连通模具端面预设沉孔1，分流孔之间设有分流桥。

具体的，在本实施例中，上模顶部设置沉孔1；上模沉孔1底部连通有贯穿上模下表面的分流孔。在本实施例中，以分流孔数量为八个为例；在上模上设置两支主桥，分别为第一主桥2、第二主桥3，第二主桥3与模芯7相连作为固定模芯7的结构。

在第一主桥2和第二主桥3的分隔下，形成多组分流孔，分别为三孔分流孔4、中间分流孔5和两孔分流孔6；模芯7位于上模中间分流孔5和三孔分流孔4底部，同时，模芯7位于第二主桥3的底部。

如图2和图5所示，下模在对应上模分流孔底部位置设置有焊合室8和工作带9；模芯芯针探入工作带9内，模芯芯针与工作带9之间形成成形型腔，能够将从焊合室8流出的材料进行成形，在模芯7与工作带9的作用下形成微通道偏置布局的散热元件用型材15。可以理解的是，下模上设置的工作带9是微通道偏置布局的散热元件用型材15成形时对应的外工作带，而模芯芯针本身作为内工作带，在本实施例中，工作带9指的是下模上设置的外工作带，为了便于区分，用模芯芯针直接表示内工作带。

厚壁侧工作带9周围设置阻流块10，阻流块10位于焊合室8内，对设置位置处的材料流动进行阻流，从而调节焊合室8内不同位置处的材料流速。

材料经沉孔和分流孔预分流后，在焊合室内汇聚于模芯处，经引流槽第二次分流，材料在焊合室内焊合，最终流入成形型腔。如图2和图3所示，上模的下部设置圆形凸台11，下模的顶部对应位置处设置圆形凹槽12，方便上模和下模的装配；同时，上模的下表面凸台11内设置一对斜对角的定位销，下模凹槽12对应的位置处设置定位孔13，通过定位销和定位孔13的配合，实现上模和下模的组装定位。上模的下表面与定位销同直径外圆位置处设置一对螺纹孔14，下模凹槽12相对应的位置处也设置螺纹孔14，通过螺纹连接件配合螺纹孔14，实现上模和下模的装配。

如图2所示，上模和下模组合后的模具外形呈圆柱形，对于上模的沉孔1和分流孔分布，在本实施例中，沉孔1的侧壁与上模的端面垂直，即沉孔1轴线与上模轴线平行或共线。沉孔1的深度可以设置为25mm，在其它实施方式中，根据需求，可以对沉孔1深度进行调整。

对于模具的规格，在本实施例中，模具的外形尺寸为圆柱形，材料为H13模具钢，挤压上模高度100mm，挤压下模高度为60mm，外形尺寸均为280mm。

其中，上模和下模利用上模凸台11和下模凹槽12实现过盈配合。挤压上模凸台11的直径为270mm，高度为10mm；挤压下模凹槽12的直径为270mm，深度为10mm。

其中，如图3所示，挤压上、下模通过定位销和定位孔13进行定位；挤压上、下模通过螺栓实现进一步紧密配合，螺栓规格为M16。将装配好的上模、下模放入模套中，然后再将模垫放入模套中。模套与模具、模垫的配合为间隙配合。

模套顶部设置螺纹孔，通过螺纹孔连接吊钩，利用起重机将装配好的模具吊起，最终，将其放置在挤压机的模架中。模套内部和模具外部设置相应的定位装置，以使挤压型材的出口能够摆正。

对于分流孔，如图2所示，沿轴向上，其靠近沉孔1一端的截面积小于另一端的截面积，便于材料在模具内充分流动，形成顶端小、底端大的结构。对应的三组分流孔为偏置布局，即三组分流孔不呈中心对称，以便于适应微通道偏置布局散热元件用型材的成形，使材料分布随散热元件用型材的微通道偏置布局而变化。

通过第一主桥2和第二主桥3将分流孔分为三组，两侧分流孔的外侧壁垂直于上模端面，内部侧面向模芯7倾斜，第一主桥2和第二主桥3的分流桥具有不同的宽度和高度。

另外，如图3所示，第一组分流孔，三孔分流孔4呈对称分布，两边分流孔为腰形，中间的分流孔为方形状；第二组分流孔，两孔分流孔6为腰形；第三组分流孔，中间分流孔5为长条形。

同时，所有的分流桥侧边都进行倒角处理，其中，中间分流孔5添加分流桥目的是将材料进行分流，并进一步增加模具和模芯7的强度。

如图2、图4和图5所示，在上模与下模配合后，共同形成微通道偏置布局的散热元件用型材15成形的成形型腔。模芯7端部设有沿长度方向依次间隔分布的多个模芯芯针，相邻模芯芯针之间形成引流槽；引流槽连通模芯7两侧的焊合室8，且延伸至模芯7的主体。

模芯7本体的尺寸沿远离成形端的方向逐渐增大，使得模芯7横截面上受到的拉应力由成形端向模芯7本体的方向逐渐减小，能有效防止模芯7被折断，提高模芯7的寿命，从而提高模具寿命。

如图2至图5所示，在本实施例中，模芯7连接上模，并且包括多个等间距分布的模芯芯针，设置25个模芯芯针，形成如图4所示的模芯端部结构。其中，焊合室8的深度选为12mm。

如图2所示，上模的分流桥高度低于上模高度，上模的分流孔在挤压上模的底部通过焊合室8相互连通，为了更好地将材料分配至微通道偏置布局的散热元件用型材15的薄壁一侧处，且为避免微通道偏置布局的散热元件用型材15的厚壁处材料流动过快，上模分流孔的下部位置通过焊合室8互相连通，且通过模芯芯针之间的引流槽为铝合金材料横向流动提供通道。

在本实施例中，沿成形型腔轴向上，靠近模芯7的一侧的工作带长度小于远离模芯7一侧的长度，从而形成如图5所示的不等长工作带9，焊合室8内设有阻流块10，以调节焊合室8内材料流速。阻流块10的高度为5mm，可以理解的是，阻流块10的长度、高度和位置可根据坯料流动过程中的需求进行调整，调节后的材料流动过程能够满足成形需求。

具体的，如图5所示，对应微通道偏置布局的散热元件用型材15薄壁的一侧工作带9较短，长度为4mm。对应微通道偏置布局的散热元件用型材15厚壁的一侧工作带9较长，长度为6mm。当然，工作带9的长度也可以根据实际的成形时的需求进行调整。

实施例2

本发明的另一典型实施例中，如图1至图5所示，给出一种偏置布局的散热元件用型材成形方法，利用如实施例1中的一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置。

包括以下步骤：

对熔铸后的棒料进行均匀化处理后，根据需求进行锯切下料，获得一定长度的挤压用锭坯，然后将锭坯进行加热和保温；

预热模具并保温，将保温后的挤压用锭坯送入模具的入料口；

挤压用锭坯在模具内依次经过沉孔1、分流孔、焊合室8、模芯引流槽和成形型腔，最终由工作带末端成形为微通道偏置布局的散热元件用型材15；

将微通道偏置布局的散热元件用型材15进行冷却、校直、锯切。

具体的，将加热的铝合金棒料在带式炉中加热到合适的温度，通过传输装置，将加热好的棒料运送至挤压筒中；设定挤压速度，挤压杆开始移动，坯料在挤压筒中先被镦粗后被挤入模具。

首先，挤压锭坯接触上模中的沉孔1，材料首先被沉孔1导流，材料填满沉孔1后继续流动，然后，材料被分流孔和分流桥分离为8股；被分流的铝合金材料汇聚于分流桥底部，开始填充模芯7芯针之间的间隙和焊合室8；最后，材料经模芯7和挤压下模工作带9的成形型腔中被挤出，最终形成微通道偏置布局的散热元件用型材15。

结合实施例1中微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，对上述方法进行详细介绍。

步骤(1)：采用熔铸方式对偏置布局的散热元件用型材15所用的3003铝合金进行铸造，得到一种Φ152mm的棒状铸坯，其成分的质量百分数为Si 0.421％，Fe 0.13％，Cu<0.05％，Mn<0.05％，Mg 0.59％，Zn<0.1％，Ti<0.05％，Cr<0.05％，其余为Al的铝合金。

步骤(2)：将上述获得的直径为Φ152mm的3003铝合金棒料，放置在热处理炉中进行600℃610 66450℃63 6的均匀化处理。其中，从600℃到450℃的冷却速率为150℃16，均匀化处理完后，坯料在空气中自然冷却。通过锯切下料，获得所需长度的挤压用锭坯，其中，坯料的尺寸为Φ1526400mm，挤压比为5.83。

步骤(3)：将均匀化后的坯料放入带式炉中加热至515～535℃，保温2～36。

步骤(4)：将挤压模具放入井式炉中加热至500～520℃，保温3～4h，挤压筒加热至420～430℃，并保温3～4h。将加热后的挤压用锭坯通过传送装置放入挤压筒中进行挤压，控制挤压速度为2.5～3.5mm1s。坯料经过模具后在模口处成形为微通道偏置布局的散热元件用型材15，利用牵引机将挤出模口的型材进行牵引和风冷。

步骤(5)：挤压结束后，利用拉伸校直机对型材进行拉伸校直，其拉伸量为2～3％，最终，将其切割成所需长度的散热元件用型材。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，包括模具，模具内设有分流孔、模芯和成形型腔，模芯两侧分别设有分流孔且两侧分流孔的截面积相异，模芯一端的模芯芯针探入工作带内，模芯芯针与工作带之间作为成形型腔，模芯芯针与厚壁侧工作带的间距大于模芯芯针与薄壁侧工作带的间距；模芯一侧的分流孔通过焊合室连通成形型腔厚壁侧，模芯另一侧的分流孔通过焊合室连通成形型腔薄壁侧；分流孔远离焊合室的一端敞开，以连接沉孔，坯料能够通过入料口进入模具内部进行成形加工；

所述模具顶端设有与分流孔连通的沉孔，分流孔靠近模芯一侧的内壁倾斜布置；

模芯本体的尺寸沿远离成形端的方向逐渐增大；

所述模具厚壁侧对应设置两组分流孔，以保证足够的材料流入厚壁侧的成形型腔，每组分流孔由2-3个分流孔组成，且随型材宽度和微通道数量的增加，对应的分流孔数量也增加；薄壁侧对应设置一组分流孔，由3个分流孔组成，型材宽度越大，所需分流孔数量越多。

2.如权利要求1所述的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，所述模具包括相配合的上模和下模，分流孔和模芯均分布于上模，下模设有焊合室与工作带。

3.如权利要求1所述的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，相邻分流孔之间设有分流桥。

4.如权利要求1所述的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，所述模芯端部设有沿长度方向依次间隔分布的多个模芯芯针，相邻模芯芯针之间形成引流槽。

5.如权利要求4所述的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，所述引流槽连通模芯两侧的焊合室，且延伸至模芯主体，分流孔依次连通焊合室和成形型腔。

6.如权利要求1所述的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，沿成形型腔轴向上，厚壁侧工作带的长度大于薄壁侧工作带的长度，焊合室内设有阻流块，以调节焊合室内坯料流速。

7.一种微通道偏置布局的散热元件用型材成形方法，利用如权利要求1-6任一项所述的微通道偏置布局的散热元件用型材成形装置，其特征在于，包括以下步骤：

对熔铸后的棒料进行均匀化处理后，根据需求进行锯切下料，获得一定长度的挤压用锭坯，然后将锭坯进行加热和保温；

预热模具并保温，将保温后的挤压用锭坯送入模具的入料口；

挤压用锭坯在模具内依次经过沉孔、分流孔、焊合室、模芯引流槽和成形型腔，最终由工作带末端成形为微通道偏置布局的散热元件用型材；

将微通道偏置布局的散热元件用型材进行冷却、校直、锯切。

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