蔣志廣，許貞龍，張立建

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

熱沉是空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備的重要組成部分，主要用來提供冷黑環(huán)境。傳統(tǒng)熱沉有銅熱沉、鋁熱沉和不銹鋼管?銅翅片熱沉等。不銹鋼板式熱沉相比傳統(tǒng)熱沉具有低溫性能好、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)外航天器環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中。為使國(guó)內(nèi)空間環(huán)境模擬設(shè)備研制水平緊跟國(guó)際先進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，掌握不銹鋼板式熱沉高精度液壓脹形加工工藝技術(shù)意義重大。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所針對(duì)不銹鋼板式熱沉研制特點(diǎn)和難點(diǎn)，開展了激光成形技術(shù)、高性能密封保證技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，保證了熱沉的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，已經(jīng)在型號(hào)試驗(yàn)中成功應(yīng)用。

本文主要針對(duì)熱沉高精度成型技術(shù)難點(diǎn)開展研究，通過建立不銹鋼熱沉液壓脹形的有限元分析模型，對(duì)熱沉的充壓成形過程進(jìn)行工藝仿真研究，深入分析主要工藝參數(shù)對(duì)熱沉充壓成形的影響規(guī)律，得到合理的工藝參數(shù)，為試驗(yàn)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)熱沉高精度一次液壓脹形，進(jìn)一步提高熱沉加工制造水平。

1 有限元模型的建立

不銹鋼板式熱沉外形如圖1 所示，由2 個(gè)半圓筒形熱沉組合為圓筒狀。單個(gè)半圓筒形熱沉則由2 塊同尺寸的不銹鋼板邊界全部焊接，中間規(guī)律分布焊點(diǎn)接合后，再向其內(nèi)部充壓脹形形成流道。

圖1 不銹鋼板式熱沉Fig. 1 The bulging plate stainless steel heat sink

本文選取尺寸為800 mm×1500 mm 的半圓筒形熱沉進(jìn)行仿真研究，熱沉板厚度組合為2.5 mm+1.2 mm。首先利用ABAQUS 有限元分析軟件建立半圓筒形熱沉加工的毛料模型（見圖2），在考慮滾彎影響時(shí)需采用1/2 模型，即將原尺寸熱沉模型沿滾彎方向?qū)ΨQ切分為兩部分，取其一（尺寸為800 mm×750 mm）作為仿真模型。直徑800 mm 的半圓弧長(zhǎng)約為1260 mm，考慮滾彎時(shí)兩端所留的余量，取毛料長(zhǎng)度為1500 mm，則1/2 毛料模型的尺寸為1500 mm×750 mm。在不考慮滾彎的情況下，可采用1/4 模型，即將原尺寸1/2 模型再沿滾彎垂向?qū)ΨQ切分取其一，尺寸為630 mm×750 mm。

圖2 半圓筒形熱沉的毛料模型Fig. 2 Model of the workpiece for semi-cylindrical heat sink

2 熱沉成形影響因素仿真分析

2.1 滾彎預(yù)應(yīng)力的影響

半圓筒形熱沉是將焊接好的不銹鋼板先通過滾彎成形為半圓筒狀，再在半圓筒狀的零件內(nèi)進(jìn)行充壓脹形。滾彎的影響主要是使充壓成形過程在有預(yù)應(yīng)力的情況下進(jìn)行。為分析滾彎預(yù)應(yīng)力的影響，首先對(duì)半圓筒狀零件的滾彎過程進(jìn)行有限元仿真，得到滾彎后零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力；再將該應(yīng)力導(dǎo)入到充壓脹形過程中，使充壓在有預(yù)應(yīng)力情況下進(jìn)行，并與無預(yù)應(yīng)力充壓過程進(jìn)行對(duì)比。利用ABAQUS有限元分析軟件得到的仿真分析結(jié)果如圖3 和圖4所示，其中參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)得到材料的基本性能參數(shù)，以便建立材料的力學(xué)本構(gòu)模型。

圖3 滾彎預(yù)應(yīng)力對(duì)熱沉應(yīng)變分布的影響Fig. 3 Effect of the rolling prestress on the strain distributions in the heat sink

圖4 滾彎預(yù)應(yīng)力對(duì)熱沉厚度分布的影響Fig. 4 Effect of rolling prestress on the thickness distributions of the heat sink

對(duì)比來看，滾彎的預(yù)應(yīng)力對(duì)板料充壓后的應(yīng)變分布和厚度分布影響都不大，因此在充壓成形的過程仿真中不必考慮滾彎預(yù)應(yīng)力的影響。

2.2 邊界壓緊力的影響

熱沉的邊界在充壓脹形過程中通過焊接或機(jī)械夾緊方式與限位模具（或框架）進(jìn)行固定。由于固定方式的不同，壓緊力會(huì)有所不同，對(duì)材料的約束能力亦有所差異，將導(dǎo)致成形過程中材料的流動(dòng)情況不同，進(jìn)而影響成形后的流道高度。

半圓筒狀熱沉在直邊采用板條壓緊，在板條上設(shè)置若干個(gè)施力點(diǎn)，在圓筒圓弧邊上設(shè)置若干個(gè)板塊作為圓周方向上的施力點(diǎn)。每個(gè)施力點(diǎn)分別施加不同的壓緊力，設(shè)摩擦系數(shù)為0.3。板條及板塊厚度設(shè)置為5 mm。槽鋼作為限位模具，厚度為5 mm。施加的外力分別設(shè)置為80 kgf、200 kgf、400 kgf 和1000 kgf，對(duì)應(yīng)的邊界摩擦力為24 kgf、60 kgf、120 kgf 和300 kgf。圖5～圖7 為不同邊界壓緊力對(duì)熱沉位移分布、應(yīng)力分布和厚度分布影響的仿真分析結(jié)果。【編者注：實(shí)際工程中常使用非ISO 單位，本文為避免換算后數(shù)據(jù)不圓整保留原數(shù)據(jù)單位，1 kgf=9.81 N】

圖5 不同邊界壓緊力對(duì)熱沉位移分布的影響Fig. 5 Influence of boundary compression forces on the displacement distributions of the heat sink

圖6 不同邊界壓緊力對(duì)熱沉應(yīng)變分布的影響Fig. 6 Influence of boundary compression forces on the strain distributions in the heat sink

圖7 不同邊界壓緊力對(duì)熱沉厚度分布的影響Fig. 7 Influence of boundary compressive forces on the thickness distributions of the heat sink

根據(jù)以上分析結(jié)果，分別選擇熱沉中部（I）、直邊中間（II）、圓弧邊中間（III）和零件邊角（IV）4 個(gè)區(qū)域提取充壓成形后的流道高度（特征提取點(diǎn)編號(hào)及區(qū)域位置參見圖8）。不同區(qū)域的流道高度及高度差計(jì)算結(jié)果如圖9 所示，可以看到：4 個(gè)區(qū)域中對(duì)邊界摩擦力較敏感的為直邊中間位置（區(qū)域II），表明在這個(gè)位置材料較容易向內(nèi)流動(dòng)，需要在此邊界施加1000 kgf 以上的約束力；而圓弧邊中間位置（區(qū)域III）幾乎不受邊界摩擦力大小的影響，這表明成形過程中只在圓弧邊界施加80 kgf 的約束力，圓弧邊就不會(huì)向內(nèi)有較大的縮進(jìn)，只需稍加約束以防止材料起皺即可。同時(shí)可以看到，熱沉成形的流道高度非常不均勻，出現(xiàn)了極嚴(yán)重的“起筋”現(xiàn)象。

圖8 流道高度特征提取點(diǎn)位置示意Fig. 8 Schematic diagram of feature positions for calculation of runner height

圖9 不同區(qū)域的流道高度及高度差Fig. 9 Runner height and height differences in different areas

2.3 焊點(diǎn)布局的影響

熱沉毛料上的焊點(diǎn)布局將直接影響成形后的流道高度。為消減半圓筒狀熱沉的“起筋”現(xiàn)象，嘗試改變焊點(diǎn)布局，將沿圓周方向的焊點(diǎn)每隔一列整體移動(dòng)原焊點(diǎn)間距的一半，使焊點(diǎn)布局由正方形變?yōu)榱庑?，如圖10 所示。

圖10 菱形布局的焊點(diǎn)Fig. 10 The diamond-shaped solder joint layout

圖11～圖13 為焊點(diǎn)布局改變對(duì)熱沉位移分布、應(yīng)力分布和厚度分布影響的仿真分析結(jié)果?？梢钥吹?，當(dāng)焊點(diǎn)為正方形布局時(shí)，熱沉內(nèi)壁的起筋現(xiàn)象比較規(guī)律，都是沿焊點(diǎn)的母線方向；而當(dāng)焊點(diǎn)布局改為菱形時(shí)，熱沉內(nèi)壁出現(xiàn)不規(guī)則的“起筋”現(xiàn)象，原來順暢的起筋通道被打斷，起筋的位置與走向也就不再規(guī)則。

圖11 菱形焊點(diǎn)布局下的熱沉位移分布Fig. 11 The displacement distributions on the heat sink with diamond-shaped solder joint layout

圖12 菱形焊點(diǎn)布局下的熱沉應(yīng)變分布Fig. 12 The strain distributions in the heat sink with diamond-shaped solder joint layout

圖13 菱形焊點(diǎn)布局對(duì)熱沉厚度分布的影響Fig. 13 The thickness distributions of the heat sink with diamond-shaped solder joint layout

同樣在前述的4 個(gè)不同區(qū)域提取流道高度，每個(gè)區(qū)域中選3 個(gè)位置，每個(gè)位置都是在兩個(gè)焊點(diǎn)的中間。菱形焊點(diǎn)布局下不同區(qū)域流道高度的仿真計(jì)算結(jié)果如圖14 所示，可以看到，如果沒有“起筋”現(xiàn)象的發(fā)生，菱形布局的流道高度要比正方形布局的情況下更加均勻，尤其是兩層鋼板的厚度差較大時(shí)流道成形效果更加理想。

圖14 菱形焊點(diǎn)布局下不同區(qū)域的流道高度及高度差Fig. 14 Runner height and height difference in different areas with diamond solder joint layout

3 脹形壓力與流道高度的關(guān)系

流道是在內(nèi)壓力的作用下成形的，流道高度與脹形壓力有著直接的關(guān)系，因此脹形壓力是熱沉充壓成形時(shí)的一項(xiàng)重要工藝參數(shù)。為確定并優(yōu)化這一參數(shù)，仿真計(jì)算不同邊界約束條件下流道高度與脹形壓力之間的關(guān)系。

圖15 為不銹鋼板式熱沉2 層板厚度組合為2.5 mm+1.2 mm 時(shí)，脹形壓力對(duì)熱沉位移分布影響的仿真分析結(jié)果。圖16 為從4 個(gè)區(qū)域提取的特征點(diǎn)流道高度。從區(qū)域Ⅱ的位移分布以及位置點(diǎn)4 的脹形壓力?流道高度曲線上，可以看到該區(qū)域比其他區(qū)域的流道高度要大很多，這是由于該區(qū)域在直邊緣附近，材料在壓力作用下內(nèi)縮到該區(qū)域，但受剛性模具限制很難進(jìn)一步向內(nèi)部其他區(qū)域流動(dòng)。這對(duì)熱沉的整體成形質(zhì)量不利，因此對(duì)直邊附近材料流動(dòng)進(jìn)行合理約束十分必要。

圖15 脹形壓力對(duì)熱沉位移分布的影響（厚度組合2.5 mm+1.2 mm）Fig. 15 The influence of bulging pressure on the displacement distributions of the heat sink (thickness combination 2.5 mm+1.2 mm)

圖16 不同區(qū)域的流道高度?脹形壓力曲線Fig. 16 Curves of runner height vs. bulging pressure of flow path in different areas

脹形壓力與流道高度大致呈線性關(guān)系，提取幾組對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1 所示。不同熱沉需要不同的流道高度，可參考表中數(shù)據(jù)選擇加工時(shí)的脹形壓力。

表1 脹形壓力–流道高度關(guān)系Table 1 Relationship between bulging pressure and runner height

4 結(jié)束語

本文針對(duì)大型不銹鋼板式熱沉成形技術(shù)難題，為掌握高精度液壓脹形技術(shù)，通過建立不銹鋼熱沉液壓脹形有限元分析模型，對(duì)不銹鋼板式熱沉液壓脹形工藝進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，分析滾彎預(yù)應(yīng)力、邊界壓緊力、焊點(diǎn)布局對(duì)熱沉成形的影響規(guī)律，得出了熱沉脹形壓力與流道高度的關(guān)系，可為熱沉的生產(chǎn)工藝過程提供指導(dǎo)。研究成果已成功應(yīng)用于KM8、KM7A 等空間環(huán)境模擬設(shè)備的熱沉研制中，為我國(guó)探月工程、火星探測(cè)、載人航天、北斗導(dǎo)航等重大型號(hào)研制任務(wù)的順利進(jìn)行發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。