雷达DAM散热器挤压成形有限元分析

文/韦管，程贤，魏学峰，邓攀宜，李金蒙，陈浩·合肥工业大学材料科学与工程学院

散热器作为雷达上的一个关键部件，其成形的好坏直接影响雷达的工作状态，通常采用挤压成形工艺，想要获得良好的成形效果有很大的难度。本文利用有限元软件Deform数值模拟技术对散热器成形过程的速度场、成形力、应变场进行了模拟分析。通过模拟结果可以指导散热器成形工艺方案的确定，优化挤压方案，成形出外形平整的散热器，为未来雷达用散热器研制提供一定技术参考。

军用雷达正向着大规模、高机动、高集成的方向发展，由于机动雷达具有“全天候、全天时”工作的特点，需要其在强辐射、高温等极端天气下稳定工作，这对雷达的成形工艺及结构性能提出了更高的要求。本文采用Deform数值模拟技术对某雷达DAM散热器进行了模拟分析，为实际产品成形提供了可靠依据。

产品结构特点

雷达DAM散热器属于不规则类锻件，通常采用挤压成形，其UG模型如图1所示，该结构单个散热片厚度极薄，仅有1.5mm左右，叶片间距较小，高厚比较大，在成形过程中底板与翅片金属的流动速度具有较大的差异，从而给成形带来了很大的困难。由产品结构特点可知，成形的关键在于如何保证散热片壁厚均匀，端部高度相一致。

Deform数值模拟技术介绍

Deform-3D软件是一款基于工艺模拟的有限元分析软件，可以提供金属成形过程中有价值的工艺分析数据，如温度场、应力应变场、载荷-位移曲线、损伤值等，因而广泛应用在锻造、冲压、轧制、镦粗等工艺分析中。Deform-3D软件具有强大的模拟分析引擎，在变形量超过设定值时能够触发自动网格重划分，优化网格系统，体积损失小，在成形领域具有较高的精度、可靠性及认可度。

图1 散热器产品UG模型

有限元模型建立

根据散热器UG模型，在UG里建立相关模具模型后，一同导入到Deform里进行模拟分析，整体有限元分析模型有正挤压、反挤压、侧挤压三种，如图2所示。由散热器结构特点可知，翅形部分金属流动要求比较高，采用正反挤压产品表面质量不佳，翅形易出现毛刺和充不满等现象，并且存在难脱模问题，而侧端挤压成形明显比正反挤压成形要更为容易。

图2 不同挤压方式下的有限元模型

使用侧面挤压成形时，散热器底板部分与下模接触面积小、受摩擦小、成形快；翅片部分与下模接触面积大、受摩擦大、成形慢。根据最小阻力定律，考虑在下模设置边槽，以调整阻力控制底板和翅片金属均匀流动，边槽的数量直接影响成形的效果，设置边槽后的两种模具结构如图3所示。分析模具结构易知，双边槽下模较单边槽下模而言，金属流动更为容易，所需载荷吨位更小，成形质量更佳，因此后续统一采用双边槽侧边挤压的方式分析雷达ADM散热器的成形性能。

图3 单(右)/双(左)边槽模具示意图

模拟过程分析

参数设置

⑴材料的选择。

由于铝合金同时具备密度低、阻尼性能好、比强度高、质量轻、易加工等优异性能，结合相关文献资料，选定模拟材料为6061铝合金。数值模拟设置中考虑计算量与分析精度，网格尽量细化，采用10～15万网格数。

⑵热边界条件。

设置环境温度为20℃，模具设置为解析刚性体，采用等温挤压的方式，将坯料和模具温度设置为400℃，挤压步长为0.1～0.3mm。

⑶摩擦条件。

坯料与模具间采用库伦摩擦模型，摩擦因子为0.12。

⑷运动条件设置。

模拟时，上模运动而下模静止，上模运动速度为2mm/s。

速度场的分析

成形过程的初始状态如图4所示。

成形过程的金属流线速度场分布如图5(a）～5(f） 所示。

对坯料成形过程的速度场进行分析，从图5(a）中可以看出，坯料变形初期，在上模的挤压下，坯料靠边槽附近的金属向上下两边槽运动，逐渐充满型腔。中部金属受下模翅片槽的挤压，先于上下两边流动，开始翅片成形，成形速度缓慢。当挤压过程进行到如图5(b）所示时，向上流动的金属接触到上边槽顶面受到阻力作用，金属向两边流动，进一步充满型腔以及进入下模凹槽。向下流动的金属还未及下边槽底部，继续流动。中部的金属一部分补偿下边槽，一部分进入下模翅片凹槽，继续翅片中部成形，成形速度仍缓慢。随着挤压行程的增加，金属逐渐充满下边槽并流向下模凹槽，直至坯料充满下模型腔后从下模挤出，成形过程结束。从整个成形过程来看，金属流动平稳，未出现折叠等缺陷，成形效果良好。

图4 成形初始状态

图5 成形过程速度场分布

成形过程中的载荷分析

成形过程中的载荷-位移曲线如图6所示。

图6 成形过程载荷-位移曲线

成形过程中的载荷-位移曲线分为三个阶段，第一阶段坯料受挤压作用开始向两边槽流动，载荷较小；第二阶段坯料金属流动到上边槽，受上边槽的阻力作用，载荷增大；第三阶段由于下边槽的槽口大于上边槽，金属充满下边槽时间有所延迟，受下边槽阻力落后于上边槽，载荷剧增，曲线产生第三个陡坡。当金属充满型腔后，散热器翅片及底板成形的载荷在34t左右波动，并趋于恒定。根据载荷-位移曲线可知整个过程成形力先逐渐增大，再趋于稳定，最大载荷在34t左右，成形吨位较为理想。

应变分布和折叠趋势分析

成形结束后锻件的等效应变场如图7所示，散热器应变较大部分主要集中在翅片中下部和底板处，此区域正是材料结构强度要求最高的区域，通过挤压后应变的累计，该区域组织得到细化，力学性能因此得到了强化，提高了散热器在户外恶劣环境工作的可靠性与稳定性。

图7 等效应变图及等效应变分布云图

散热器的折叠趋势如图8所示，由图可以看出，散热器整体变形协调性较好，折叠角度小，主要的小缺陷集中在挤出表面区域，最大折叠角为315°并未超过360°，翅片成形状况良好。

图8 散热器折叠趋势分布云图

基于上述研究，对雷达DAM成形模具进行合理设计，模拟成形结果如图9(左）所示，由于散热器结构端部出模后会发生翘曲等多余变形，实际产品所需部分为留在下模凹槽里变形受模具型腔限制的部分，后续需对端部翘曲部分及底部进行机加工，切除多余材料即可获得所需结构，如图9(右）所示。

图9 成形结果(左)及机加工后产品(右)

结论

本文利用Deform软件对雷达DAM散热器成形过程进行了数值模拟分析，结果表明，散热器成形过程中，由于其结构厚薄不均匀（翅片薄而底板厚），在摩擦的作用下翅片部位金属流动滞后，金属流动不均匀。在上模设计上下边槽，增加阻力调节金属流动后，金属流动平稳，成形缺陷较少，散热器整体成形状况良好。成形过程中的最大成形力在34t波动。厚薄不均的结构特征使得坯料在不同部位的变形程度差距较大，应变分区明显，但就翅片与底板单独来看，其应变分布较为均匀，达到了各区域的应变要求。