6063铝合金型材插箱的设计与验证

胡唐生

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

6063铝合金型材插箱的设计与验证

胡唐生

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

为了实现插箱的简单制造，提升插箱的屏蔽效能，插箱采用2种6063铝合金型材，铣切后拼装而成。文中介绍了型材和插箱的设计，给出了型材强度和化学成分检测结果，着重介绍了插箱的电磁屏蔽影响因素，实测和比对了2种插箱的屏蔽效能。结果表明型材插箱的屏蔽效能基本达到了3级要求。型材插箱继承了原有企标插箱的安装结构要素，实现了升级换代，能满足标准化、模块化、系列化的要求。

6063铝合金；型材；插箱；电磁屏蔽；屏蔽效能

引 言

插箱的标准有很多，如ATR、MCU、AMU、cPCI、VXI、VITA以及文献[1]中所规定的系列等。本文介绍了整体拼装结构的型材插箱，以之替换原有的企标插箱，以实现制造简单，满足“三化”要求，提升插箱的屏蔽效能，适应电子装备的环境使用性要求。

目前，多种总线的工业用插箱已经商品化，插箱的结构形式归纳起来有型材骨架结构、钣金件折弯结构和整体板材或型材拼装结构3种。虽然种类较多，但有的插箱难以满足GJB 150A—2009振动和冲击的环境适应性考核要求，电磁兼容测试的相关项目(如RE102等)也难以通过。

本文从型材的设计、制造、验证以及插箱的结构设计着手，综合分析了插箱屏蔽效能的影响因素，测量并对比了2种插箱的屏蔽效能，为空插箱屏蔽效能的量值提供参考。

1 型材设计和验证

插箱的型材采用6063铝合金高温成型过程冷却，然后进行人工时效处理，材料状态为6063-T5。6063铝合金属于低合金化的Al-Mg-Si系高塑性合金，具有以下特点：

1)有极好的热塑性和挤出性，可挤压成各种复杂截面的型材；

2)适中的热处理强度，加工性能极佳；

3)优良的可焊接性和耐腐蚀性，无应力腐蚀开裂现象；

4)加工后的表面光洁，易氧化、着色，电镀性良好。

1.1 型材设计

型材的结构尺寸如图1所示，有前面板型材和侧板与后面板型材2种类型。按“三化”要求，高度H分2U、3U、4U系列尺寸。设计时，型材的壁厚允许偏差、圆角半径允许偏差、平面间隙、弯曲度、扭拧度、室温力学性能、外观质量等按GB 5237.1—2008[2]中高精级的相关规定进行设计；型材的化学成分应符合GB/T 3190—2008[3]的规定；型材的力学性能应符合GB/T 6892—2000[4]的规定。

图1 型材的结构示意图

1.2 实验检测

6063铝合金的质量控制主要检测化学成分和力学性能。即使在文献[3]中规定的范围内，其化学成分的取值不同，得到的材质特性也会不同。当化学成分的范围很大时，其性能差异会在很大范围内波动，以致型材的综合性能无法控制。对型材样品进行了光谱分析检测，检测结果见表1；按GB/T 228.1—2010[5]进行了力学性能检测，结果见表2。检测结果表明型材的化学成分和力学性能均满足标准值要求。

表1 型材的化学成分分析 %

表2 型材的力学性能检测

2 型材插箱的结构设计

2.1 结构形式

型材插箱的结构形式由前面板、侧板、后面板通过固定条拼装而成, 如图2所示。与企标插箱(如图3所示)相比，型材插箱的结构简单，结构件少，通用性好，易加工，成本低。

图2 型材插箱的结构示意图

图3 企标插箱的结构示意图

2.2 模块化、标准化、系列化设计

GB 3047.4—86[1]规定了插箱的基本结构尺寸，如图4所示。根据表3中的插箱尺寸标准系列，对型材长度进行灵活裁剪，以满足插箱的“三化”设计要求。该插箱解决了不同平台(车载、机载、舰载)和不同类型单机(电源、接收机、发射机等)的插箱结构统一性问题，实现了共用型材插箱的目标。

图4 插箱的结构要素

表3 型材插箱系列尺寸

3 插箱的电磁屏蔽影响因素与屏蔽效能测试

3.1 插箱的电磁屏蔽影响因素

3.1.1 型材电导率和化学成分对电磁屏蔽的影响

电导率是物体传导电流的能力，电导率越大，其屏蔽效果越好。文献[6]和[7]介绍了时效热处理工艺对6063铝合金电导率的影响，通过控制时效温度和时间，可以实现电导率 ≥ 32 MS/m的要求。文献[8]介绍了铝合金中的微量化学成分对电磁屏蔽的影响，特别指出含铜量的大小对电磁屏蔽的效果影响最大。

3.1.2 型材表面处理对电磁屏蔽的影响

表面处理就是在基体表面上放上或生成一种材料。文献[9]对铝基材采用不同表面处理、表面接触电阻和压力的关系进行了研究。从图5中可以看出，表面电阻率从小到大的顺序为：铝上亮锡 < 铝上亮锡铅 < 铝上暗锡铅 < 铝上暗锡 < 铝上亮镍 < 铝上暗镍。屏蔽效能与电阻率成反比，锡工艺接触电阻很小，屏蔽效能最好，但成本却是最高的。一般情况下，化学导电氧化工艺是首选，它具有一定的防腐蚀性和导电性，与阳极氧化相比，可以大大降低表面接触电阻，防止电磁信号的干扰。

图5 铝基材上电镀层的电阻与压力关系

3.1.3 结构形式对电磁屏蔽的影响

插箱的电磁屏蔽主要是减少缝隙泄露，屏蔽设计的关键是如何保证屏蔽的完整性，使整个屏蔽体表面为导电连续，主要通过增加缝隙深度、减少缝隙长度来实现。

型材插箱的缝隙主要是盖板与型材的接触缝隙。在型材设计时，缝隙深度即图1中的型材宽度W不能无限增大。对于一般单排固定的螺钉，W比较合适的是15 ～ 20 mm。如果再增大，屏蔽效能就提高得非常小。W的设计值为18 mm。

缝隙长度的减少主要通过增加盖板上螺钉的数量来增加固定点来实现。固定点间距不是缝隙长度，不能按教科书的理论计算值来设计，否则会影响其维修性。为了进一步减小缝隙长度的影响，型材上设计了安装导电衬垫的安装槽，其安装形式如图6所示。

图6 盖板与机壳间安装示意图

3.2 插箱的屏蔽效能测试

按文献[10]的要求对型材插箱和企标插箱进行了专业性的测试。为了更有对比性，测试条件如下：

1)2种插箱的表面处理均为导电氧化；

2)2种插箱的外形和内部空间尺寸相同；

3)型材插箱上未安装导电衬垫，与企标插箱一致。

测试结果如图7所示，型材插箱在100 kHz ～30 MHz的屏蔽效能为40 dB以上；在30 MHz ～230 MHz的屏蔽效能绝大部分在40 dB以上，有些超过60 dB；在230 MHz ～1 000 MHz的屏蔽效能绝大部分在30 dB以上，有些超过50 dB。对比GJB 5240—2004中屏蔽效能分级的数值[10]，型材插箱的屏蔽效能等级超过2级，基本达到3级。企标插箱的屏蔽效能等级在1级～2级之间。试验结果表明，型材插箱的屏蔽效果明显，其屏蔽效能高出企标插箱20 dB左右。

图7 两种插箱的屏蔽效能

4 结束语

为了插箱的简单制造和较高的屏蔽效能，以型材设计为基础，以试验验证为依据，实现了插箱的更新换代。该型材插箱已批产了千套以上，单机的环境试验和电磁兼容试验表明该插箱设计有效。本文在型材和插箱电磁屏蔽的设计及影响因素方面进行了介绍，并给出了屏蔽效能的实测值。关于型材的化学成分、表面处理工艺对屏蔽效能影响的具体量值还有待进一步研究、测试、对比。

[1] 姜兴森. GB 3047.4—1986 高度进制为44.45的插箱、插件的基本尺寸系列[S]. 中国标准出版社, 1986.

[2] 卢继延. GB 5237.1—2008 铝合金建筑型材第1部分：基材[S]. 中国标准出版社, 2008.

[3] 吴欣凤. GB/T 3190—2008 变形铝合金及铝合金化学成分[S]. 中国标准出版社, 2008.

[4] 吴正德. GB/T 6892—2000 工业铝及铝合金热挤压型材[S]. 中国标准出版社, 2000.

[5] 高怡斐. GB/T 228.1—2010 金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法[S]. 中国标准出版社, 2010.

[6] 张建平. 时效处理对6063铝合金力学性能和电导率的影响[J]. 特种铸造及有色合金, 2013, 33(3):87-88.

[7] 石峰. 6063铝合金导电轨的电导率与生产工艺关系的研究[J]. 轻合金加工技术, 2009, 37(10):42-43.

[8] 梁德才.铝合金材料中微量金属对电磁屏蔽的影响[J]. 电子机械工程, 2006, 22(4):15-17.

[9] NAKAUCHI E. Contact surface resistivity: its effect on shielding effectiveness[C]// 2004 International Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2004.

[10] 蒋全兴. GJB 5240—2004 军用电子装备通用机箱机柜屏蔽效能要求和测试方法[S]. 总装备部军标出版发行部, 2004.

胡唐生(1971-)，男，高级工程师，主要从事结构设计工作。

声 明

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Design and Verification of 6063 Aluminum Alloy Profile Subrack

HU Tang-sheng

(The36thResearchInstituteofCETC,Jiaxing314033,China)

Two types of 6063 aluminum profiles are cut short and assembled together to form a subrack for easy manufacture and enhanced shielding effectiveness. The design of profiles and subrack is introduced in this paper. The test results of tensile strength and chemical composition of the profiles are given. The factors affecting electromagnetic shielding effectiveness are described in detail. The shielding effectiveness of two types of subracks is measured and compared. The results show that the shielding effectiveness of the subracks has almost met 3-level requirement. The profile subrack has characters of inheritance and variability and meets the requirement of standardization, modularization and serialization.

6063 aluminum alloy; profile; subrack; electromagnetic shielding; shielding effectiveness

2013-10-10

TN957.8

A

1008-5300(2014)01-0023-03