3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律

程传峰，金 明，王项如，朱英霞，程一峰，盘朝奉，王 园

(1. 安徽新富新能源科技股份有限公司，安徽 安庆 246001)

(2. 安徽环新集团股份有限公司，安徽 安庆 246001)

(3. 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)

(4. 江苏大学 汽车工程研究院，江苏 镇江 212013)

1 前 言

目前，在航空航天、汽车、通讯、军工等领域，大量设备正向着微型化、高功率和结构高密度的方向发展[1]，因此工作时的热流密度远大于常规尺度的设备，如果散热不够理想，其工作性能和寿命会受到严重影响[2]。因此，传热性能优异且同时具备节能、降本、环保优势的薄壁多孔微小通道扁管被越来越多的研究者和制造厂商应用于微型化、高功率和结构高密度集成化设备的散热系统中。

薄壁多孔微小通道扁管是一种采用精炼铝棒，通过热挤压-熔焊工艺和表面喷锌防腐处理制造成形的薄壁多孔扁形管[3]。由于薄壁微小通道扁管具有十分突出的环保、增效、节能、降本4大优势，因此早在1996年就在汽车空调系统中获得应用。与传统的管翅式换热器相比，薄壁多孔微小通道扁管换热器的传热效率可以提高14%～33%。在获得相同制冷效果的前提下，所需制冷剂的量可减少35%[4]。

薄壁多孔微小通道扁管的结构精细复杂，加工制造难度较高，常用的材料主要有1050、1060、1100、1A97、3003、3F03、3102和3103铝合金[5，6]。

多孔微小通道的导热性能与流道的尺寸和横截面形状密切相关[7]，因此很多学者针对多孔微小通道扁管的空间结构展开了研究。夏国栋团队[8]和谢忱创[9]均研究发现，波形结构的薄壁多孔微小通道扁管能大大提高新能源汽车电池组的散热能效。最新的研究成果也表明，较之平行微小通道，波形微小通道能使流通的冷却液再循环和回流，进而强化扁管的能效传递，且相同工况下，波形微小通道扁管的温度分布更均匀[10-12]。

现有研究说明，多孔微小通道波形扁管将是解决新能源汽车锂电池组和机车电控元件这类发热密集、温度敏感型零部件恒温问题的绝佳材料[10，11]。然而由于缺乏薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工艺与技术，上述研究成果依旧停留在理论研究阶段，迫切需要对薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工艺展开研究。

李大永团队研究了多孔微小圆通道扁管[13]、多层平行流微小通道换热器[4]和折叠式薄壁多孔扁管[14]的绕弯成形能力。绕弯成形与本文研究的波形冲压同属管类的二次塑性成形工艺。李大永团队的研究结果表明：① 薄壁多孔微小通道扁管的弯曲半径和截面尺寸对绕弯成形结束后微小通道的截面变形有重要影响；② 截面变形是薄壁多孔微小通道扁管最为显著的弯曲成形缺陷，也是对其导热性能影响最严重的缺陷，且与常规管材不同的是，其通道的纵截面变形比横截面变形更显著。上述研究结果与工艺方法对本研究具有较好的借鉴意义，但是其研究对象接近板材，获得的数据与经验规律不能直接用于管材。

本文以适用于高密度集成化设备散热系统的3003Al-H14薄壁多孔微小通道扁管为研究对象，对其波形冲压工艺过程中成形尺寸对截面变形的影响规律展开了研究。本研究对波形微小通道的精确塑性成形发展具有很好的科研价值和技术指导意义。

2 建立3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压成形有限元模型

2.1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸与材料参数

3003Al-H14薄壁微小通道扁管的横截面存在“筋”与孔，孔的个数m通常很多。横截面宽度l远大于高度h，因此呈现扁状。管材壁厚t极薄，通常情况下t≤0.8 mm。如图1所示，薄壁微小通道扁管的成形尺寸参数还包括：横截面孔的内径宽度w，纵截面总长L，内弯曲面波形半径r(至弯曲中性层)，与外弯曲面波形半径R(至弯曲中性层)，参数值如表1所示。

表1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸参数值

图1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸示意图Fig.1 The geometric dimensions of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tube

2.2 3003Al-H14微小通道薄壁扁管的材料本构模型

为了获得材料的应力-应变曲线，将3003Al-H14薄壁微小通道扁管沿横截面宽度方向切割为完全相同的3部分，分别作为拉伸试样进行了拉伸实验。实验按照国标GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》进行，拉伸速度设置为1 mm/min。拉伸后的试样断裂状态如图2所示。

图2 3003Al-H14薄壁微小通道扁管拉伸断裂试样照片Fig.2 Fracture state of the tensile specimen of the 3003Al-H14 thin-walled micro-channel flat tube

拉伸实验获得的真应力-应变曲线如图3所示，材料力学性能参数如表2所示。

表2 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的材料力学性能参数

图3 3003Al-H14微小通道扁管拉伸真应力-应变曲线Fig.3 The ture stress-strain curve of the tensile test of the 3003Al-H14 micro-channel flat tube

采用各向同性硬化模型描述3003Al-H14材料的应力应变关系。其屈服条件f如公式(1)所示：

(1)

其中，s为偏应力，εp为等效塑性应变，硬化参数A、K和n的取值来自图3中应力应变曲线拟合，结果如表2所示。

2.3 3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压-回弹有限元模型

所有的截面变形数据都取自回弹发生之后，所以建立了3003Al-H14微小通道薄壁扁管的波形冲压-回弹有限元模型。该模型包括冲压成形和回弹2步，分别采用动态显示算法和静态隐式算法，如图4所示。冲压过程的结构包括上模、下模和扁管这3部分，如图4a所示。扁管与上模接触的成形面为内弯曲面，与下模接触的成形面为外弯曲面。扁管与上、下模之间的摩擦条件，均为机械油润滑。扁管的网格采用S4R壳单元。

图4 薄壁微小通道扁管波形冲压-回弹有限元模型：(a)冲压过程，(b)回弹过程Fig.4 The finite element model of corrugated stamping-springback processes of thin-walled micro-channel flat tube：(a) stamping process，(b) springback process

采用3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压实验验证所建有限元模型的可靠性。模拟边界条件设置和实验条件对比如表3所示。

表3 模拟条件设置和实验条件对比

图5对比了模拟和实验获得的薄壁微小通道扁管波形冲压件。由图5a和5b可知，所建立的有限元模型可以准确模拟管坯横、纵截面的起皱状态、截面变形状态。图5c对比了某一特定纵截面上的截面变形率预测情况与实验数据，发现有限元模拟的平均预测误差为16.82%，最大预测误差为24.32%，均在合理误差范围内。综上，认为所建3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压-回弹有限元模型能够较为可靠地预测扁管冲压过程中的截面变形。

图5 薄壁微小通道扁管波形冲压的实验和模拟结果对比：(a) 实验截面变形状态，(b) 模拟截面变形状态，(c) 代表纵截面PC上截面变形率的模拟预测值和实验值对比Fig.5 Comparisons of experimental and simulative results of corrugated stamping of thin-walled micro-channel flat tubes：(a) experimental wrinkle state，(b) simulative wrinkle state，(c) comparison of the simulative and experimental values of the cross-section deformation rate on the representative longitudinal section PC

3 3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压的截面变形描述及模拟研究条件

本研究中截面变形量(率)的取值来自两横、两纵四条代表截面，其位置和截面上的节点编号如图6所示。可以看到代表横截面PP1是波峰横截面，CC1是波谷横截面；代表纵截面PC是位于边缘孔对称线上的纵截面，P1C1是位于中央孔对称线上的纵截面。由于肋板的截面变形量非常小，因此横、纵截面上代表节点i的选取皆对应于各孔的对称线，如图6所示。

图6 代表横截面PP1、CC1和代表纵截面PC、P1C1的截面位置，及其截面上的节点编号顺序Fig.6 The representative cross sections PP1，CC1 and the representative longitudinal sections PC，P1C1，and the node number sequence on the sections

(2)

(3)

其中，Δh为截面变形量，h1为微小通道薄壁波形扁管冲压成形后的截面高度，i为代表截面上的节点编号。

为了揭示3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压的成形尺寸-截面变形作用规律，结合实际生产中所需扁管的成形尺寸，设置模拟研究范围如表4所示。表4中的基础值是1.3节中的实验设置值，也是模拟研究的基础数据。成形尺寸包括截面高度h、管坯壁厚t、内弯曲面波形半径r，以及内、外面相对弯曲半径r/R的同步缩放系数β。其中β的含义如式(4)：

(4)

表4 模拟研究成形尺寸值

4 结果与讨论

4.1 3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压的截面变形分布特征

图7给出了使用表4基础模拟研究数据的情况下，薄壁微小通道扁管的截面变形率分布情况。从图7可以看出：① 代表横截面PP1(波峰)和CC1(波谷)的截面变形率δh分布趋势完全一致，边缘孔的变形最为严重，其它孔的变形率相对较小且基本一致。② 代表纵截面PC(边缘孔纵截面)和P1C1(中央孔纵截面)的截面变形率δh分布趋势完全一致，呈现两端点高、中央段低的波动分布趋势。以上说明，薄壁微小通道扁管的截面变形情况复杂，横、纵截面变形分布规律差异较大。由于横截面PP1的平均截面变形率要高于CC1，纵截面PC的平均截面变形率要高于P1C1，因此将PP1和PC截面作为后续研究对象。

图7 代表横截面PP1、CC1和代表纵截面PC、P1C1的截面变形率Fig.7 Distributions of the section deformation rate of the representative cross sections PP1，CC1 and the representative longitudinal sections PC，P1C1

4.2 截面高度对截面变形率的作用规律

图8a给出了不同截面高度h下的波峰横截面变形情况。可以看出当横截面的宽度不变时，h值越大，横截面的中空度越高，截面刚度越差，因而变形程度越大。当h达到2.5 mm时，由于筋的折弯并不显著，整体横截面尚能保持一定的形状精度，但边缘孔率先出现了较为显著的截面塌陷，这是由于边缘孔的材料流动较之其它孔要自由。而当h=4 mm时，筋发生显著的弯折，导致整体横截面塌陷严重。当h=7 mm时，孔的截面刚度进一步变差，筋的弯折加剧，整体的横截面塌陷也愈加严重，如图8a和8b所示。

图8 不同截面高度(h)下扁管截面变形情况：(a) 不同h下的波峰横截面对比图，(b) h=7 mm时的扁管截面变形图Fig.8 Sectional deformation of flat tubewith different section heights(h)：(a) comparison of cross-sections of wave crests with different h，(b) cross-section deformation of flat tube with h=7 mm

图9 不同截面高度(h)下的扁管截面变形率(δh)分布和平均截面变形率变化趋势：(a) PP1截面的δh分布，(b) PC截面的δh分布，(c) PP1和PC截面的随h的变化趋势Fig.9 The section deformation rate (δh) distributions and average section deformation rate varation trends of flat tubes with different heights (h)：(a) δh distribution of PP1 section，(b) δh distribution of PC section，(c) variation trends of PP1 and PC sections with h

4.3 壁厚尺寸对截面变形率的作用规律

图10 不同管壁厚度(t)下的扁管截面变形率(δh)分布和平均截面变形率变化趋势：(a) PP1截面的δh分布，(b) PC截面的δh分布，(c) PP1和PC截面的随t的变化趋势Fig.10 The section deformation rate (δh) distributions and average section deformation rate variation trends of flat tubes with different wall thicknesses (t)：(a) δh distribution of PP1 section，(b) δh distribution of PC section，(c) variation trends of PP1 and PC sections with t

4.4 内外面相对弯曲半径对截面变形率的作用规律

图11 不同内弯曲面波形半径r下的平均截面变形率变化趋势Fig.11 Variation trends of average section deformation rate with wave radius r of inner curved surface

图12 r/R=10/6时，平均截面变形率随同步缩放系数(β)的变化趋势：(a) PP1和PC截面的随β的变化趋势，(b)不同β下的波峰横截面对比Fig.12 Variation trends of average section deformation rate with synchronous zoom factor (β)，when r/R=10/6：(a) variation trends of PP1 and PC sections with β，(b) comparison of cross-sections of wave crests with different β

5 结 论

(1)薄壁微小通道扁管的截面变形情况复杂，横、纵截面呈现完全不同的截面变形分布趋势。波峰横截面和波谷横截面的截面变形情况基本一致，即：边缘孔的截面变形量通常较大，其余孔的截面变形相对较小且基本一致。边缘孔纵截面和中央孔纵截面的截面变形率分布趋势基本一致，呈现波峰、波谷高，中间段低的波动特点。