一款电脑CPU散热器的模具设计及有限元分析Word格式.docx
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1绪论1
2CPU散热器的分析2
2.1材料选择2
2.2成型工艺分析、选择2
2.3挤压件尺寸分析3
2.4挤压机吨位的选择3
2.5挤压模具的失效分析4
3CPU散热器的模具设计5
3.1CPU散热器模具的工作条件5
3.2模具材料的选择5
3.3分流孔数的选择及配置5
3.4下模的外形尺寸设计6
3.4.1下模的模孔形状及尺寸设计6
3.4.2模具外径D和厚度H的计算7
3.4.3选择模具的外形锥角β和模角8
3.4.5计算模具的工作带长度L8
3.4.6模具的入口处圆角半径r8
3.4.7模具的型孔出口尺寸d及空刀量h9
3.4.8下模设计效果图9
3.5上模设计10
3.5.1分流孔设计10
3.5.2分流桥结构10
3.5.3上模的效果图11
3.6模具的装配图11
3.7模具的强度校核12
3.7.1模具下模中悬臂部分的单位压力p13
3.7.2确定悬臂部分的受力F13
3.7.3计算悬臂的剪力13
3.7.4悬臂的弯曲应力14
3.7.5悬臂部分的剪切力合成14
3.8分流桥强度的校核15
3.8.1抗弯强度校核15
3.8.2抗剪强度校核15
4模具的有限元分析16
5结束语19
致谢20
参考文献21
1绪论
近年来,随着散热器在汽车、IT行业、家用电器、和机械加工等工业产品中的广泛应用,其需求量也在急剧增张[1]。
在我国,散热器主要还是以铝合金挤压成型为主,这是因为挤压成形的毛坯尺寸一致性好,精度高,生产周期短,效率高,并且成本也比较低,而且回收率也高,可以反复使用生产,经济环保。
挤压就是通过固定在压力机上的凸模,对模具模腔中的金属坯料施加压力,使之产生塑性变形,以获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的零件的一种加工方法。
显然,挤压是靠模具来控制金属材料的流动,以金属体积的大量转移来形成零件的一种塑性加工工艺。
由于挤压是在不破坏金属的前提之下,靠金属材料的塑性转移来成型所需零件形状和尺寸的零件。
这样就避免了切削加工所产生的大量金属切削,大大地节省了金属原材料。
而且采用挤压工艺来生产零件的效率非常高,特别对于大批量生产的零件,其生产效率比一般切削加工提高数倍,甚至可达数十倍,数百倍。
一台冷挤压机的生产效率相当于100台普通车床或10台数控车床的生产效率。
并且加工的零件精度也比较高,可达IT8~9级精度,最高可达IT7级,避免粗糙度可达3.2~0.2µ
m,仅次于精抛光表面。
因此用冷挤压工艺制造的零件,表面有时不需要再加工,或是仅需磨削加工,大大提高了加工效率。
对于形状复杂的零件,也是可以加工的。
有时复杂零件采用传统加工方法,既费时哟偶费力,还不能保证精度,甚至无法加工成型,而挤压工艺则可以一次挤压出符合要求的零件,精度也高。
此外,用挤压加工出来的零件还具备更好的力学性能。
因为一般机加工时,坯料的内部金属纤维都是往往被切断的,从而降低了零件的力学性能,进而使零件的适用寿命缩短。
挤压过程中,金属材料在三向应力状态下进行的塑性加工,形成后的材料组织致密,纤维流向连续,同时由于挤压后的材料产生了冷作硬化,使挤压件的强度大大提高,从而提供了用低强度钢来代替高强度钢的可能性。
从以上的诸多特点可以看出,挤压技术与目前的各种加工方法相比较,具有许多的突出优越性。
因此挤压技术,在各个生产领域代替切削加工、锻造和拉深工艺,得到越来越广泛的应用。
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
它是50年代首先在连续力学领域----飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法,随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
本文用PRO/R来分析热挤压模具零件,发挥了计算机在计算和处理数据方面的优势,使大量的计算由计算机来完成。
使计算的数据更加准确,节省了大量的人力。
2CPU散热器的分析
2.1材料选择
由于CPU散热器主要是用来散热的,对其形状精度要求不高,故对其材料选择时主要考虑其导热率、膨胀率、加工工艺性能及其经济因素。
经过认真综合分析,6063铝合金材料[2]是CPU散热器的最好选择,并且它是典型的挤压合金。
6063铝合金不仅具有优异的挤制性,可以挤压截面形状复杂的薄壁零件,而且在同类材料中热导率也比较高,达到218W/(m•K),并且耐腐蚀性很好,表面处理性能也良好。
2.2成型工艺分析、选择
挤压工艺是一种优质、高效、低消耗的少无屑加工工艺。
挤压分为冷挤压、温挤压和热挤压三种。
冷挤压是无切屑加工工艺,节约材料,生产效率高,精度高,但是所需要的变形抗力大,尤其是挤压较硬的材料时。
模具材料也有强度极限,变形抗力过大,就会损坏模具,得不偿失。
目前的一般冷挤压模具材料最大单位挤压力为2500~3000MPa,而本设计所采用的6063铝合金材料所需要的单位挤压力大于3000MPa,故冷挤压不适合加工,而温挤压因为挤压温度有所提高,材料的变形抗力也会有所降低,对模具的损害也大大降低,但是温挤压所获得的型材,其表面质量和尺寸精度都不高,也满足不了产品需求,故温挤压也不适合采用!
而热挤压工艺,不仅能大大降低材料的变形抗力,而且所获得的成品表面质量及尺寸精度都比较好,是非常合适的加工工艺,故6063铝合金的挤压工艺采用热挤压工艺。
在相同条件下同一种材料的金属,根据金属流动方向与凸模运动方向的关系,可选择的正挤压、反挤压、复合挤压、减径挤压、径向挤压和墩压。
根据各种挤压的工艺特性及工艺要求和加工环境,综合分析考虑,正挤压是最优的选择。
对于挤压温度的选择,随着加热温度的增高,金属的塑性提高,更容易变形,但是金属坯料的加热温度必须严格控制在一定范围内。
因为金属坯料的加热温度过高,不仅会产生严重的氧化和脱碳,而且还可能出现过热和过烧现象,不仅影响零件的精度质量,还有损模具,降低模具的寿命。
热挤压的温度范围是指从挤压开始温度到终止温度之间的一段温度间隔。
此温度范围应保证被挤压金属坯料具有欧足够的塑性、较低的变形抗力和较为理想的金相组织。
热挤压生产中,一般是根据金属材料的种类,化学成分、坯料的尺寸和产品零件所要求的性能等来确定金属坯料的解热温度和挤压温度范围。
通常是将金属坯料的加热温度控制在比金属坯料的融化温度低150~250。
铝合金的热挤压温度一般在340~510之间,按经验,选择450为此模具的挤压温度[3]。
2.3挤压件尺寸分析
挤压件的尺寸会受到模具、挤压设备和加工工艺的影响。
其中受影响最大的是模具的弹性变量、温度变化、模具材料和模具的制造精度。
目前,大部分CPU散热器都是用纯铝或铝合金材料挤压成型的,本设计选用的挤压材料是6063铝合金,模角选择90°
挤压制品的最大外接圆直径为110mm,散热器壁厚均大于0.4mm,精度不高,均在在0.1~0.5mm,CPU散热器横截面图如图1所示,挤压件的重心位于图上两条坐标线的交点处,是典型的X行挤压件。
该散热器由214各齿,最短的齿,长为8mm,最长的齿,长度为24mm。
图1CPU散热器尺寸图
2.4挤压机吨位的选择
挤压比是以数值表示模具实现挤压的难以程度,一般来说,挤压比数值在10~150之间都是可以适用的。
挤压比低于10的,挤压制品的机械性能低;
反之过高超过150数值,挤压制品容易出现表面粗糙以及角度偏差等缺陷。
故挤压比的确定尤为重要,为了能选择更为合适的挤压设备。
制定合理的加工工艺,进而设计最为理想的模具,要精确计算挤压比。
挤压比λ是挤压前锭坯充满挤压筒时的断面积与挤压后制品断面积总和的比值,可按公式(2-1)计算。
(2-1)
式中λ——挤压比;
F——挤压筒断面积,mm²
;
f——挤压制品断面积,mm²
要确定挤压筒的断面积,就要首先确定挤压筒的内径,挤压筒的内径可用公式(2-2)确定。
(2-2)
式中——挤压筒内径,mm;
——挤压制品的最大外接圆直径,mm。
又知挤压内径为110mm,依据经验系数取0.8,计算得挤压筒的内径为150mm,进而计算得挤压筒断面积F=17671.46mm²
。
又有PROE中得出的挤压制品的截面面积1293.44mm²
,将此数值和挤压筒内径数值一并带入公式(2-1)中求得挤压比λ为
由挤压制品的截面面积和挤压比数值,选取6.3MN的挤压机[4]。
2.5挤压模具的失效分析
当模具零件在加工中产生了过量变形、断裂破换、表面损坏等现象后,将丧失其原有的功能,达不到预期的要求,或变得不安全不可靠,以至于不能继续加工生产,这就统称为模具失效。
模具的失效主要是冲击破裂、塑性变形、黏附撕坏以及过早磨损。
而模具达到寿命以后的磨损就属于正常失效,冲击破坏、塑性变形及黏附撕坏都是在正常寿命以内的,是产品缺陷失效。
产品缺陷失效,主要原因是模具材料质量差,强度不够,结构设计不合理,模具加工工艺和热处理工艺不合适,热挤压工艺和模具使用不当等,造成的模具在适用过程中过早损坏[5]。
其中最主要的原因是模具材质、加工工艺和模具使用不当以及模具结构不合理。
而这些因素中又以热处理工艺的影响最大,其次是模具材质和模具使用不当。
3CPU散热器的模具设计
3.1CPU散热器模具的工作条件
由于6063铝合金采用的加工方法是热挤压加工,所以模具要长时间承受高温高压、冷热交替、反复循环应力的作用,并且还要承受冲击载荷、偏心载荷的作用,以及高温高压下的剧烈摩擦,工作条件十分恶劣,因此,对模具材料的要求很高。
主要有高的硬度值和强度、较高的耐热性导热性、很高的稳定性、持久的耐磨性、较强的抗反复循环应力性能、并且还要具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性能以保障加工零件尺寸的精准度,对于模具本身来说,还要具有良好的加工性能。
3.2模具材料的选择
常用的挤压模具钢材料是铬系和钨系热作模具钢,还有铬钼系、钨钼系和铬钼钨系等热作模具钢。
最适合于制作热挤压模的材料有3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、4Cr5W2VSi等中碳中铬模具钢,以前较长一段时间,一直采用3Cr2W8V钢,其耐热性较好,但是这种钢韧性低,耐磨性能较差,抗热疲劳低,脆性大,难以避免脆裂失效。
目前常采用的4Cr5MoSiV1钢具有很好的韧性和强度配合,很好的高温强度与抗回火稳定性的配合,其抗氧化性也较好,能适应急冷急热的工作条件,非常适用于制作热挤压模具。
故本设计选取4Cr5MoSiV1钢[6]作为模具的材料。
3.3分流孔数的选择及配置
一般来说,挤压筒大,模孔数多,挤压速度快则生产效率高,但模孔数过多,挤压制品长度参次不次,容易产生扭拧、波浪等缺陷,制品容易缠绕。
此外,为了防止制品表面擦伤和扭伤,模孔的数目也不宜过多。
由于本款CPU散热器的形状是X形的,根据挤压制品的形状综合考虑,下模模孔数选择为4,下模模孔由于主要是进料并保证表面质量的,故选择模孔为1即可。
型材的横断面形状和尺寸是合理配置模孔的重要因素之一,根据相对于坐标轴的对称程度可将型材分为三种:
即横断面对称与两个坐标轴的型材,这种型材对称性好,第二种是横断面不对称的型材,这种型材对称性差,故结构性能也相对而言比较弱一点;
第三种横断面对称于一个坐标轴的型材,这种型材相对上一种好些。
下模由于就一个模孔,采用传统的中心重合方式。
而上模,由于本款CPU散热器是X型的,并且模孔数为4,属于第一种型材,故设计出的模具业采用对称于两个坐标轴的莫孔配置。
模具的中心与挤压制品的中心重合。
这样设计的模具在使用中,金属流能很好的均匀分布,即能减少对模具的不平衡挤压,也能提高产品的表面质量。
上模的模孔(中间四个扇形即为模具孔,周围四个圆孔是用来定位和固定的)配置如图2所示
图2分流孔配置图
3.4下模的外形尺寸设计
3.4.1下模的模孔形状及尺寸设计
型材模孔尺寸主要与被挤压合金型材的形状、尺寸及其横截面尺寸公差等因素有关,此外还要考虑型材断面的各个部位几何形状的特点及其在挤压和拉伸过程中的变化。
在生产中一般按公式(3-1)计算,即:
(3-1)
式中A——模孔尺寸,mm;
——型材断面的公称尺寸,mm;
——对于边缘较长的型材,考虑由于拉力作用而使型材部分尺寸减少的系数;
——考虑到拉伸矫直时尺寸缩减的系数;
——型材的温度变化收缩量;
M——型材公称尺寸的允许误差,mm。
又有公式(3-2)计算型材的温度变化收缩量。
(3-2)
式中——型材的温度变化收缩量;
、——分别为锭坯和模具的加热温度,;
、——分别为被挤压型材和模子材料在挤压温度下的线性膨胀系数。
又有6063铝合金在450温度下的线性膨胀系数为23.4,以及4Cr5MoSiV1钢在400温度下的线性膨胀系数12.2,计算得型材的温度变化收缩量:
=23.4450-12.2400=5.65x
进而计算得模孔的大小:
A=112.3315mm
归整到精度0.1mm,取A=112.3mm。
3.4.2模具外径D和厚度H的计算
模具外径取决于挤压制品的断面形状、最大外接圆直径、合金品种,对于断面形状简单的管、棒及扁口断面型材,模具外径D可根据经验公式(3-3)确定。
(3-3)
式中D——模具外径,mm;
——挤压制品的最大外接圆直径,mm;
计算得模具的外径尺寸:
D=(1.25~1.45)120=150~174。
选取中间值为模具的外径尺寸即D=160mm。
模具的厚度H取决于被挤压金属的变形抗力。
如果模支撑厚度调整适当,使模具不承受挤压应力引起的弯曲应力的作用,则模具的厚度就可以减薄。
从经济的角度出发,应在保证强度要求的条件下,使模具的厚度最薄。
在挤压设计中,通常用挤压筒内径做基本参数,来确定模具的厚度H,其关系为公式(3-4):
(3-4)
式中H——模具的厚度,mm;
——挤压筒内径,mm。
选取经验系数0.22计算,得到的模具厚度H=1500.22=33mm。
在模具的系列厚度20、25、30、40、50、60、70、100中,选取模具厚度为40mm。
3.4.3选择模具的外形锥角β和模角
按模具的安装方式的不同,挤压模有不同的外形结构,主要有圆柱形、带倒锥、带正锥三类。
带倒锥的挤压模在操作时是顺着挤压方向放到模具支撑中的,锥角为3°
~10°
,一般为6°
,带正锥的挤压模在操作时是顺着挤压方向放到模具支撑中的,为了便于安装和取出,锥角不能太小,否则模具从支撑中难以取出来,但也不能太大,以免挤压过程中从支撑中掉出来,一般正锥锥度在1°
30′~4°
之间。
综合考虑,本设计选择带正锥结构形式的挤压模最为合适,其锥角β选择为0°
模角是指挤压模的轴线与其工作端面指教构成的夹角,其大小直接影响挤压制品的表面质量、挤压力及金属流动状况模角小于50°
时,金属流动均匀,挤压力相应较低,能延长模具的使用寿命,但因其挤压死区变小,会使挤压制品表面质量下降。
平模的墨迹哦是90°
,挤压死区大挤压消耗大,但可以阻止锭坯表面杂质、氧化皮等的流入而使其表面质量恶化。
挤压铝型材和棒料时,多使用平面模,故本设计的模角选择为90°
3.4.5计算模具的工作带长度L
工作带也称定径带,是指模具的有效工作部分,由这一部分决定挤压制品的形状和尺寸。
调整工作带的长度,可以均衡金属的流动状况。
模具工作带对于流过其表面的金属有一定的阻碍作用,因而金属的流动趋势是在中心部分比边部快;
壁厚不等的型材,在壁厚的部分金属流动得快。
在流动快的部分可增加工作带的长度来均衡金属流动。
工作带长度过短,模具工作部分磨损就会加剧,如不能及时更换,将导致挤压制品超差和扭曲变形;
工作带过长,易年黏附金属,而使挤压制品表面质量下降,与此同时,由于摩擦力增加挤压力也随之提高。
由于管、棒、型材规格繁多,工作条件各异,很难用数学公式来确定工作带的长度。
选定工作带长度L为6~8mm。
3.4.6模具的入口处圆角半径r
如果模具工作带与工作端的连接处为尖棱角,挤压过程中易出现裂纹或压秃、压堆现象,从而改变模孔尺寸和精度,进而导致难以保证挤压制品的尺寸精度。
制作入口圆角可以防止塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少金属流入工作带时的非接触变形,同时也减少高温挤压时模子棱角被压秃或压堆,从而保证挤压制品的精度尺寸。
但圆角增大了摩擦面积,会引起挤压力升高,所以圆角也不能过大。
综合被挤压金属的强度、挤压温度、制品断面积等因素,选取模口入口处圆角半径为0.4mm[7]。
3.4.7模具的型孔出口尺寸d及空刀量h
空刀是指模具型孔出口端尺寸大于模孔尺寸的部分,空刀太小,容易划伤制品表面,太大容易造成工作带压塌,使模具强度降低,一般按公式(3-5)计算。
(3-5)
式中d——模孔出口尺寸,mm;
——型孔宽度,mm;
Δ——余量(模孔尺寸越小,所加工余量越小,模孔处强度越小,余量越小),mm。
根据经验选取余量大小为4mm,继而得模具型孔出口尺寸d=36mm。
合理地选择空刀结构,既可以保证模具强度,又能使模具加工容易,同时使制品能顺利流出模孔。
对于型材挤压模,应根据型材的不同部位,选用不同形式的模孔空刀。
由于本设计的模具壁厚小于2mm,采用容易加工的直空刀结构,便可满足要求。
3.4.8下模设计效果图
如图3和图4所示
图3下模立体图
图4下模尺寸图
3.5上模设计
上模起着分流的作用,能大大减小金属流对模具内薄壁的挤压,增长模具的寿命。
3.5.1分流孔设计
分流孔的形状、面积大小及其不同的排列方式,都会影响挤压制品的质量、挤压力和模具寿命。
因此,分流孔的设计在模具中的而设计的重要性。
分流孔按其截面形状,有圆形、腰子行、扇形和异性四种。
由于扇形分流孔的金属流动较为均匀,形状也简单,下模的分流模孔设计选择扇形。
四个扇形所构成的圆应与上模设计的流出口大小相等,再根据挤压制品的具体形状尺寸,综合分析,合理规划数据,得出分流孔的结构形状[8]。
3.5.2分流桥结构
分流桥的结构直接影响压制品的质量和挤压力。
从加大分流比和降低压力来考虑,桥的宽度可以选择小些,但从满足金属流动均匀性来考虑,又要选择大些。
按经验公式(3-6)来计算
(3-6)
式中B——分流桥宽度,mm;
b——型孔宽度,mm。
选取分流桥宽度为16mm。
分流桥的截面形状一般采用矩形倒角或近似水滴形。
矩形倒角有利于金属流动,也便加工,而水滴形更有利于金属流动,但加工没有矩形倒角简单。
考虑加工的难度性,采用矩形倒角的分流桥截面。
矩形倒角截面形状的分流桥,底部斜角一般在30°
~45°
之间取值,由于该CPU散热器的形状复杂,故取斜角为30°
,桥底圆弧半径取桥宽的上1/5。
为了增加桥的强度,桥墩处通常做成圆角,圆角半径取8~15mm,这里选取圆角半径为5mm。
上模的高度与下模的厚度相等,都为40mm。
3.5.3上模的效果图
如图5所示
图5上模立体图
3.6模具的装配图
本设计所设计的模具,实体装配如图6所示,装配图如图7所示。
图6模具实体装配图
图7模具装配图
3.7模具的强度校核
模具的强度计算,主要是验算抗剪强度[9]。
其强度条件为公式(3-7):
(3-7)
式中——悬臂的剪应力,MPa;
p——模具所承受的最大单位压力,Mpa;
——模具的受力面积,mm²
;
——模具受剪面积,mm²
[]——许用剪应力,[]≈(0.5~0.6)[σ]。
3.7.1模具下
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