某吊艙液冷機箱結(jié)構(gòu)及工藝設計

某吊艙液冷機箱結(jié)構(gòu)及工藝設計夏林勝;宮小北;華巍【摘要】隨著電子器件集成化、小型化的發(fā)展，電子設備封裝密度增大、體積縮小,熱流密度急劇增加.為了更好地實現(xiàn)電子器件的散熱，目前大多數(shù)航空機箱均采用強迫液冷散熱方式.文中以一種具有\(zhòng)"蛇形水道\”的某吊艙液冷機箱作為實例,從總體結(jié)構(gòu)設計、水道成形方式及總體工藝方案三個方面論述了某吊艙液冷機箱的設計制造過程，并最終完成某吊艙液冷機箱的加工生產(chǎn).【期刊名稱】《機械工程師》【年(卷)，期】2019(000)004【總頁數(shù)】3頁(P139-141)【關鍵詞】液冷機箱;液冷水道;深孔鉆;精密焊接【作者】夏林勝;宮小北;華巍【作者單位】安徽博微長安電子有限公司，安徽六安237000;安徽博微長安電子有限公司，安徽六安237000;安徽博微長安電子有限公司，安徽六安237000【正文語種】中文【中圖分類】V2430引言隨著電子技術不斷向集成化、高頻化、高功率的方向發(fā)展，電子設備也呈現(xiàn)出高性能、小型化、高集成化的發(fā)展趨勢［1］，這樣致使電子設備的熱流密度急劇上升。目前機箱的主要散熱方式有自然冷卻、強迫風冷和強迫液冷等冷卻方式。航空電子設備由于受到體積和質(zhì)量的限制，越來越多地采用強迫液冷的冷卻方式。液冷機箱就是通過水泵使冷卻液在機箱內(nèi)部水道中循環(huán)流動，將機箱內(nèi)部電子元器件所產(chǎn)生的熱量帶走，從而降低機箱內(nèi)部的溫度，保證電子元器件的正常工作。文中以一個多面水道貫通的吊艙液冷機箱為例，對其結(jié)構(gòu)形式及工藝技術進行分析研究。1液冷機箱總體結(jié)構(gòu)1.1總體結(jié)構(gòu)設計指標為了保證液冷機箱插件的插拔順暢及液冷機箱良好的散熱性，對液冷機箱的結(jié)構(gòu)尺寸精度、插件導軌的形位精度，以及背板的安裝定位精度等均提出較高的要求，如圖1所示。具體如下：1）液冷機箱插件同一側(cè)導軌的共面精度要求不大于0.1mm，插件兩側(cè)導軌的開檔尺寸公差要求不大于0.2mm；2）機箱外形要求各面的平面度及各面之間的平行度、垂直度均不大于0.2mm；3）機箱總體質(zhì)量要求不超過15kg（包含機箱箱體及內(nèi)部所有連接器、電纜、水接頭、把手），要求機箱進行減重設計，并能承受一定的振動沖擊載荷；4）能夠?qū)崿F(xiàn)插件的盲插，保證插件能夠準確、順利地插入背板；5）液冷水道在1.5MPa工作壓力下，不產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。圖1液冷機箱1.2液冷機箱結(jié)構(gòu)某吊艙液冷機箱為一個四面封閉式箱體，如圖2（a）所示，其外形尺寸（寬x高x深）為191mmx344mmx320mm。插件導軌、液冷水道與液冷機箱連成一體，液冷水道通過液冷機箱的側(cè)壁實現(xiàn)空間上的貫通，從而實現(xiàn)冷卻液在液冷機箱側(cè)壁中的循環(huán)流動，帶走電子元器件所產(chǎn)生的熱量。冷卻液從右側(cè)進水口進入箱體液冷水道，在右側(cè)中進行分流，一部分進入右側(cè)板蛇形水道，然后再通過底板的水道進入左側(cè)板，進而通過出水口流出；另一部分通過頂板水道進入左側(cè)板的蛇形水道中，最后也通過出水口流出，從而形成冷卻液的循環(huán)，并最終將插件所產(chǎn)生的熱量帶走，具體循環(huán)過程如圖2（b）所示。2液冷機箱總體工藝方案2.1總體工藝方案目前液冷機箱的主要成形方式有精密鑄造成形、整體加工成形以及連接成形。圖2液冷機箱三維圖及液冷水道循環(huán)示意圖1） 精密鑄造成形。通過將水道事先預埋在砂型中，然后將液體金屬澆注到液冷機箱的鑄型模具中，冷卻后通過其它方式將水道型模去除后獲得液冷機箱及其水道。精密鑄造成形具有鑄件尺寸大小不受限制、水道密封性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，但存在成品率低、水道易堵塞、水道內(nèi)部不光滑、流阻大等缺點。2） 整體加工成形。首先利用鍛造加工出液冷機箱的整體毛坯，然后對其內(nèi)外形結(jié)構(gòu)尺寸進行機械加工，再利用深孔鉆或其它加工方式在機箱側(cè)壁精加工出相互貫通的液冷水道，最后采用焊接方式將液冷水道進行局部封堵，從而實現(xiàn)液冷水道在空間上的貫通與循環(huán)。整體加工成形具有精度高、表面質(zhì)量好、機箱整體剛強度高等優(yōu)點；但加工過程中占用的設備資源較多，從而造成加工周期長、成本高。3） 連接成形。液冷機箱中所采用的連接成形方法主要有機械連接、焊接連接及膠接連接。由于液冷機箱要求具有一定的密封性、防電磁屏蔽，并能承受一定的抗振動沖擊，所以在實際生產(chǎn)中多采用焊接連接方式。連接成形雖然使液冷機箱的機械加工難度有所降低，也便于減輕機箱的質(zhì)量；但增大了機箱的總體結(jié)構(gòu)設計難度，需要對結(jié)構(gòu)、工藝進行全面考慮，同時對工藝控制過程也提出了更為嚴苛的要求。通過對目前幾種液冷機箱加工制造方法的分析與比較，同時結(jié)合我公司加工制造能力，決定采用連接成形作為該液冷機箱的總體工藝方案。2.2水道成形設計2.2.1液冷水道的成形方式液冷水道是液冷機箱的關鍵所在，是實現(xiàn)液冷機箱散熱功能的重要結(jié)構(gòu)形式。目前液冷水道的成形方式主要有：1）深孔鉆+兩端焊接蓋板。即利用深孔鉆，將液冷板兩端鉆通，再在端面焊接蓋板，將兩兩水道進行密封連接，從而形成液冷水道。具體如圖4（a）所示。2）銑削+端面焊接蓋板。即利用銑削加工在液冷板上將液冷水道加工而成，再在端面焊接蓋板，從而形成密封的液冷水道。具體如圖4（b）所示。2.2.2焊接方式比較由于液冷機箱中的冷卻液工作壓力較高，所以對水道蓋板的焊接工藝和焊縫強度要求較高。目前主要采用真空釬焊、攪拌摩擦焊和真空電子束焊對液冷水道進行焊接［1,3］。圖4液冷水道形成方式1） 真空釬焊。就是在真空環(huán)境中進行釬焊。真空釬焊對結(jié)構(gòu)設計限制少，而且溫度場均勻，零件變形很?。坏僮饕?guī)程要求較高，而且釬焊的接頭強度較低，質(zhì)量也很難保證，同時由于釬焊過程中有釬料引入，容易對后續(xù)的防腐埋下隱患。2） 攪拌摩擦焊。利用攪拌頭與被焊材料之間的相互接觸摩擦所產(chǎn)生的熱量，將焊件端部加熱到熱塑性狀態(tài)，然后攪拌軸間迅速加壓頂鍛，形成牢固接頭的一種壓焊方法［7］。攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量高度一致，焊縫缺陷少，焊縫致密性強，防滲漏性好，各種力學性能優(yōu)良，能夠有效保證流道強度；但對薄零件存在施焊困難問題，而且由于焊縫處表面留存有焊接產(chǎn)生的毛刺及摩擦痕跡，造成焊接蓋板加工余量較大，從而使焊后機箱的精加工量增大。3） 真空電子束焊。利用聚集的高速電子束，轟擊置于真空環(huán)境的焊件，將電子束的能量施加于工件使金屬熔化而實現(xiàn)焊接。電子束焊穿透能力強，焊縫深寬比較大，可達到50：1。焊縫深寬比大對連接強度和密封性極為有利，而且真空電子束焊焊縫的熱影響區(qū)小、零件變形小，同時真空條件對鋁類零件的焊接極為適合；但對接頭處的加工及裝配要求較為嚴格，其尺寸精度要求高，給加工成形帶來了一定的難度。真空釬焊、攪拌摩擦焊和真空電子束焊的焊接特性比較如表1所示。通過對上述三種焊接方式的比較，并結(jié)合對液冷機箱結(jié)構(gòu)的分析，選定采用銑削+真空電子束焊焊接蓋板來實現(xiàn)液冷水道的成形。表13種焊接方法特性比較？2.3總體工藝流程由于機箱在制造過程中存在機加、焊接等大量復雜工序，而機加、焊接過程中產(chǎn)生的應力容易使機箱產(chǎn)生變形，從而造成機箱的結(jié)構(gòu)尺寸無法滿足設計使用要求。為了避免和減小應力所造成的變形，目前主要采用的方式有以下2種：1）先焊接后加工。先預先考慮焊接過程中的變形，利用對零件進行放量將焊接變形量進行補償，然后通過精加工來實現(xiàn)導軌、夕卜形等結(jié)構(gòu)加工。此方法存在加工尺寸準確、工藝流程簡化的優(yōu)點，但無法滿足機箱的減重設計，同時造成加工成本高（導軌只能采用慢走絲加工）、加工周期長等缺點。2）先加工后焊接。先通過機械加工將大部分的結(jié)構(gòu)尺寸加工完成，然后通過設計專用工裝來限制機箱的焊接變形，再通過熱處理、振動時效或自然時效等去應力方法釋放焊接應力，從而減小焊接變形，最后再通過局部精加工，使之滿足設計使用要求。此方法工藝過程較為復雜，但縮短了加工周期，降低了加工成本。圖5液冷機箱工藝流程圖圖6某吊艙液冷機箱實物圖通過上述分析比較，最終采用先加工后焊接的工藝流程。液冷機箱的詳細工藝流程如圖5所示。采用上述結(jié)構(gòu)形式及工藝方法的某吊艙液冷機箱已完成生產(chǎn)制造，并已開始進行相關的性能測試，如圖6所示。3結(jié)語文中以一種多面水道的某吊艙液冷機箱作為實例，對機箱的總體結(jié)構(gòu)設計、水道成形方式及總體工藝方案進行了論述，確定了采用連接成形的總體結(jié)構(gòu)方案，并對水道成形方式及焊接方法進行了比較分析，決定采用銑削+電子束焊的方式來成形水道；最后總結(jié)了總體工藝流程。［參考文獻］【相關文獻】［1］ 朱麗娜，梁寧.一種航空液冷機箱集成制造工藝技術［J］.電子機械工程,2013,29(6):60-64.［2］ 斯坦伯格.電子設備冷卻技術［M］.北京:航空工業(yè)出版社,2012.［3］ 平麗浩,黃普慶，張潤逵，等.雷達結(jié)構(gòu)與工藝:下冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2007.［4］ 張婭妮，陳菲爾，田灃.機載電子設備冷卻散熱技術的發(fā)展［J］.航空計算技術,2012,42(4):113-116.［5］ 楊冬梅，徐德好.液冷令板的研究［J］