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1 型材断面结构特征分析
图1所示为一款典型的太阳花散热器铝型材断面。型材断面面积为7 773.5 mm2，共有40 个散热齿，齿间形成的悬臂最大开口尺寸为4.46 mm，经计算，齿间的舌比为15.7。同时在型材中心部位具有较大的实心面积，面积为3846.5 mm2。
图1 型材断面图
从型材的形状特征来看，齿与齿之间均可认为是半空心型材，散热器型材就是由多个半空心型材所组成。因此，在模具结构设计时，关键是考虑如何保证模具的强度[1]。虽然对于半空心型材，目前行业开发了多种成熟的模具结构，如遮盖式分流模[2]、切割式分流模[3]、吊桥式分流模[4]等，但对于由多个半空心型材组成的产品，这些结构都是无法适用的。传统的设计仅从材料方面来考虑，而在挤压成型中，对强度影响最大的是挤压过程中的挤压力，而金属成形过程是产生挤压力的主要因素[5]。由于太阳花散热器型材的中心实体面积很大，在挤压过程中极容易造成该区域的金属流速过快而对齿间悬臂的头部产生附加的拉应力，从而导致齿间悬臂的断裂。所以，在设计模具结构时，应着重考虑通过调整金属流速与流量来达到降低挤压力、改善齿间悬臂受力状态的目的，从而提高模具的强度。
2 模具结构形式与挤压机能力的选择
2.1 模具结构形式
对于图1所示的太阳花散热器型材，尽管不具有空心部位，但必须采用如图2 所示的分流模结构。与传统的分流模结构不同的是，其金属的焊合室放置在上模，同时在下模中采用镶块结构[6]，其目的是降低模具成本和缩短模具制造周期。上模及下模套均可通用，能够重复使用。更重要的是，模孔镶块可独立加工，可以更好地保证模孔工作带的准确性。将下模镶嵌内孔设计成台阶式，上半部分与模孔镶块的配合采用间隙配合，双面间隙值为0.06 ～0.1 mm；下半部分则采用过盈配合，双面的过盈量为0.02 ～0.04 mm，这样有利于保证同轴度而且便于装配，使镶嵌配合更加紧凑，同时又可避免采用热装过盈配合时导致模具变形。
图2 模具结构示意图
2.2 挤压机能力的选择
挤压机能力的选择，一是确定合适的挤压筒内径和挤压机在挤压筒断面上的最大比压，以满足金属成形时的压力[7]；另一方面是确定合适的挤压比和从成本选择合适的模具尺寸规格。对于太阳花散热器铝型材，挤压比不能太大，主要是挤压力与挤压比成正比，挤压比越大挤压力就越大，这对太阳花散热器铝型材模具是极为不利的。经验表明，太阳花散热器铝型材挤压比小于25 最为合适。对于图1 所示的型材，选择挤压筒内径为ϕ 208 mm 的20.0 MN 挤压机，经计算，挤压机的最大比压为589 MPa，是一个较为合适的数值。比压过大，模具承受的压力就大，对模具的寿命不利；比压过低又不能满足挤压成形的要求。经验显示，比压在550 ～750 MPa范围可较好兼顾各种工艺要求。经计算，挤压系数为4.37。模具尺寸规格选择ϕ 350 mm×200 mm（外径×厚度）。
3 模具结构参数的确定
3.1 上模结构参数
（1）分流孔的数量与布置。对于太阳花散热器型材分流模，分流孔的数量是越多越好。对于类似圆形状的型材，传统的分流孔一般选择3 ～4个，这样的结果是分流桥宽度较大，一般大于20 mm时焊合缝的数量少了。但在选择模孔工作带时，处于分流桥底的模孔的工作带必须要取得短一些。在工作带的选择还没有精确的计算方法的条件下，自然会造成桥底下的模孔与其它部位因为工作带差异而在挤压时不能达到流速完全一致，而这种流速的差异会对悬臂产生附加的拉应力而导致散热齿的偏折。因此，对于齿数密而多的太阳花散热器挤压模，保证各个齿的流速一致是相当关键的。分流孔数量增加，分流桥数量将随之增加，金属的流速与流量分配将越均匀。这是因为，分流桥数量增加，分流桥的宽度则可相应减小。实践数据表明，当分流桥的宽度小于或等于14 mm，处于分流桥底的模孔金属流速与相邻部位（非桥底部位）模孔的金属流速的差异可以忽略不计，即工作带的选择可以忽略分流桥的因素而取一样的长度。这样所有的散热齿对应的模孔均可以遵循在同一压力圆上取得相同的工作带，从而确保各个齿间流速均匀一致。根据这一原则，分流孔一般取6 个或8 个，甚至更多。当然对于一些大型的太阳花散热型材，上模同样可以按照分流桥宽度≤14 mm 的原则进行分流孔的布置。不同的是，要增设前置分流板来进行金属流量的预分配和调整。前置分流板的分流孔数量与布置可按传统方式进行。
另外，在布置分流孔时，应考虑利用上模对散热齿悬臂的头部进行适当的遮挡，避免金属直接冲击悬臂的头部进而改善悬臂的受力状态。齿间的悬臂头部被遮挡部分可取悬臂长度的1/5～1/4。分流孔布置如图3所示。
图3 上模分流孔布置示意图
（2）分流孔的面积关系。由于散热齿的根部壁厚小而且离中心远，同时与中心的实体面积相差悬殊，是金属最难成型的部位。因此，太阳花散热器型材模具设计中的一个关键是，要尽可能使中心实体部位流速慢而保证金属首先充满齿的根部。为达到这样的效果，一方面是工作带的选择，更重要的是分流孔面积的确定，主要是中心部位对应分流孔的面积确定。试验及经验值表明，中心分流孔面积S1 与外部单个分流孔面积S2 满足下列关系时，效果最好：
另外，中心分流孔的有效金属流道应比外部分流孔的金属有效流道长20～25 mm，这个长度也考虑了修模的余量和可能性。
（3）焊合室的深度。太阳花散热器型材挤压模与传统分流模不同，其金属的焊合室必须取在上模，这是为了保证下模模孔镶块加工的精度，特别是工作带的准确性。对比传统的分流模，太阳花散热器型材分流模的焊合室深度要增加，挤压机能力越大，焊合室深度增加值就越大，增大值为15～25 mm。如采用20 MN 挤压机，传统的分流模的焊合室深度为20～22 mm，而太阳花散热器型材分流模的焊合室深度则应选择35～40 mm，这样的好处在于金属充分焊合并大大减轻悬臂的受力。上模焊合室结构如图4所示。
图4 上模焊合室结构示意图
3.2 模孔镶块的设计
模孔镶块的设计，主要包括模孔尺寸、工作带、镶块的外径与厚度等。
（1）模孔尺寸的确定。模孔尺寸的确定可按传统的方式进行，主要是考虑合金热加工的缩放率。
（2）工作带的选择。工作带选择的原则是，首先是要保证齿根最底部位的金属供应要充足，使齿根最底部位的流速较其他部位快。所以齿根最底部位的工作带应取最短，可取值0.3～0.6 mm，其相邻部位工作带增加0.3 mm，然后按同心圆原则向中心每10～15mm依次递增0.4～0.5 mm；其次是中心最大实体处工作带不宜超过7 mm，否则工作带长度相差过大，对铜电极的加工以及电火花加工工作带时会产生较大的误差，这种误差容易引起挤压过程中齿偏折断的现象。工作带如图5所示。
图5 工作带示意图
（3）镶块的外径与厚度。模孔镶块的厚度对于传统的分流模来说就是下模的厚度，但对于太阳花散热器模具而言，若模孔的有效厚度过大，型材在挤压出料时容易碰撞到模具而导致偏齿和刮伤甚至塞齿现象，这些都将会使齿折断。另外，模孔厚度过长，在电火花加工过程中，一方面加工时间长，另一方面也容易产生电蚀偏离现象，同样容易导致挤压时的偏齿现象。当然，模孔厚度过小又不能保证齿的强度。所以综合考虑这两方面因素，经验表明，下模模孔镶块厚度一般取40～50 mm 为宜；而模孔镶块的外径以模孔最大边缘到镶块外圆距离25～30 mm为最佳。对于图1所示的型材，模孔镶块的外径和厚度分别取225 mm 和50 mm。模孔镶块如图6所示，图中D为实际尺寸，名义尺寸是225 mm。其外形尺寸极限偏差按照下模内孔进行配作，保证单边间隙在0.01～0.02 mm范围。模孔镶块如图6所示。下模放置的模孔镶块内孔公称尺寸是225 mm，以其实际测得的尺寸按单边间隙在0.01～0.02 mm原则进行模孔镶块行配作，可得到模孔镶块的外径为D，但为了安装方便，模孔镶块外径在进料端可在0.1 mm 范围内适当减小，如图中所示。
图6 模孔镶块图
4 模具制造的关键技术
太阳花散热器型材模具在机加工方面与普通的铝型材模具并没有太大的差别，明显的区别主要体现在电加工方面：
（1）线切割方面要防止铜电极的变形。由于用于电火花加工的铜电极自重大，齿部又太小，以及电极自身材质较软、刚性差、线切割产生局部的高温等因素造成电极在线切割过程中容易变形。用变形的铜电极加工工作带和空刀时就会产生偏齿，极容易导致模具在加工过程中报废，所以在线割过程中就要防止铜电极的变形。主要预防措施有：①线切割前将铜块用磨床磨平；②线切割开始时要用百分表校垂直；③线切割时先从齿部起刀，最后切割壁厚大的部位；④每割一段时间，用废钼丝将已经割好的部位填塞住；⑤线切割完毕后，再用线割机将割好的铜电极沿长度方向割去约4 mm 的一小段。
（2）电火花加工方面与普通模具有较明显的不同。电火花加工在太阳花散热器型材模具加工中相当重要，即使设计再完美，电火花加工稍微有一点欠缺就会导致整个模具报废。电火花加工不像线切割那样对设备有较大依赖性，它很大程度上要依赖于操作人员的操作技术和熟练程度。
电火花加工主要注意以下五点：①电火花加工电流。电火花初加工可以采用7～10 A电流，缩短加工时间；精加工时采用5～7 A 的电流，采用小电流的目的是获得良好的表面；②保证模具端面的平面度和铜电极的垂直度。模具端面平面度差或者铜电极的垂直度不够，就难以保证电火花加工后的工作带长度跟设计的工作带长度一致，易发生电火花加工不下去甚至将齿的工作带打穿。因此，加工前要用磨床将模具两端面平面磨平，使其达到精度要求，同时还要用千分表校正铜电极的垂直度；③要保证空刀间隙均匀。初加工时每打0.2 mm 就要仔细观察电火花加工后的齿两侧的间隙，根据间隙对铜电极进行调整，直到齿两侧间隙相等。两侧间隙不相等，加工后模具齿部空刀就会不均匀，工作带长度也会产生很大偏差。加工过程中操作工人要每加工3～4 mm就检查一次空刀是否偏位，如果偏位较大，依靠后续的调整就难以纠正过来；④及时排除电火花加工过程中产生的残渣。电火花放电腐蚀会产生大量的残渣，要及时将残渣清理干净，否则到后面由于残渣高低不等就会造成工作带长度不一；⑤模具在电火花加工前必须进行退磁。
5 挤压结果对比
对图1所示型材采用传统分流模和采用本文提出的新设计方案模具进行试模与挤压跟踪，所得结果对比如表1所示。
表1 模具结构与挤压结果对比
从对比结果可以看出，模具结构对模具寿命的影响很大，采用新方案设计的模具有明显的优势，大大提高了模具的寿命。
