文：重庆慧鼎华创信息科技有限公司 宋成猛
摘 要：本文介绍了5G基站散热器客户材料的发展及导热率需求，并且总结了压铸散热器壳体的基本特征；分析了压铸机的选择办法，并且从压铸成型5G基站的特征，通过计算分析了压铸工艺分别对压铸速度，顶出力，压铸定模板厚度的需求，建议压铸机提供商从压铸机设计阶段给予考虑。
关键词：铝合金；压铸机；顶出力；压射速度；定模板厚度
2019年被认为是5G发展元年，主流运营商纷纷加速5G网络部署。全球主要国家2020年左右将陆续实现5G商用。目前，系统设备方面，5G基站与核心网设备的技术研发与产业化日趋成熟，符合商用主要功能要求的系统设备已研发完成；终端设备方面，5G时代终端呈现多元化特征，包括手机、室内和室外客户终端设备等，以后还将拓展到可穿戴设备、无人机、工业设备等多种领域。
铝的密度为2.71Kg/dm3，导热系数为237W/(m·K)，耐腐蚀性能好，被广泛应用在航空航天，汽车，通信等行业。压铸件的尺寸精度较高，只需经过少量机械加工即可装配使用，有的压铸件可直接装配使用。其材料利用率约60%-80%，毛坯利用率达90%。由于高速充型，充型时间短，金属液凝固迅速，压铸作业循环速度快。在各种铸造工艺中，压铸方法生产率最高，适合大批量生产。因此，5G基站散热器壳体都采用压铸工艺成型。
1、5G通信基站散热器产品特征
图1所示，是目前5G通信机体散热器的产品结构示意图。从图中可以看出，该产品具有散热片薄，叶片深，通常叶片小端厚度为1-1.2mm；
2、对应5G基站各种吨位压铸机基础信息
通过收集 A，B，C，D，E 等国内压铸机相关技术参数，如表3所示，压铸机尾端尺寸示意图如附图2所示。
3、产品对压铸机的诉求
对于5G散热器而言，随着产品尺寸的增加，但是重量并不增加，大吨位产品倾向于生产产品壁薄，尺寸大，对压铸机提出了以下新的要求，而为了保证叶片的成型，需要更高的内浇口速度，传统工艺在40m/s的内浇道速度，我们在实际生产过程中，需要60-70m/s 的内浇道速度，为了能够保证内浇道速度，我们一般都会选择更大直径的压室。按照投影面积计算，需要4000吨左右的压铸机。同时，这类产品为了保证少变形，通常都会在定模侧增加定模顶出，需要增加顶出弹簧，顶出板，也会增加模具定模厚度150-250mm，造成定模厚度一般在300-450之间。
3.1 对压射速度诉求
总所周知，ADC12是被广泛运用于压铸行业的铝合金，该合金的Si含量接近Al-Si合金的共晶点（如图3所示），材料的液相线和固相线温度比较低，材料的流动性能好，比较适合于压铸工艺；随着5G技术的发展，对导热率的要求越来越高，一般导热率要求在 160W/m×K以上，ADC12 材料只有100W/m×K导热率，无法满足要求；ENAC-44300（AlSi12（Fe））通过热处理后也只能达到150W/m×K，在 ENAC-44300（AlSi12（Fe））基础上优化的 AlSi11（Fe）材料，可以达到160W/m×K 的需求。这些材料的合金元素含量愈来愈低，从而合金的流动性变差。在模具设计时，为了减少浇道对铝液充填时的阻力，必然将内浇道的截面积增加，各种材料的压射比如表4所示（压室截面积/内浇道截面积）。
一般内浇道的速度基本上都保持在30-70m/s，因此在内浇道截面积增大的同时，为了保证内浇道速度在工艺范围内，需要压铸机有更高的压射速度，在空打时，速度能够到达9-10m/s，在实际带负荷压射过程中，压射速度要达到5-7m/s。
3.2 对顶出力的诉求
5G基站散热器壳体外观示意图（图1）。通常为了实现更好的散热性能，都会把散热齿做得比较高，一般要求在80-120mm，最小厚度在1-1.2mm，为了实现更好的散热性能，采用压铸成型是一种低成本的方案，模具设计过程中，一般都把散热齿设计在动模，在顶出过程中需要更大的顶出力，才能保证更好的顶出。顶出力计算公式如下：
F = S × L × P(μcosα − sinα)
S 为需要顶出形状的周长（mm）
L 为产品脱离模具的安全距离，一般取15mm
P 为单位面积的抱紧力，铝合金 10-12MPa(取 12MP)
μ 为摩擦系数，经验数据为0.2-0.25（本文中取0.25）
α 为拔模斜度，一般为0.75-1.5°（本文拔模斜度取1°）
5G基站长度500mm，产品宽度1000，散热齿长度800mm，散热片高度为120，散热片个数37片，拔模斜度1°。
顶出力F=0.8×0.01×2×37×12×100000×（0.25×cos1°-sin1°）=1634KN。为了保证能够有效顶出，那么压铸机的顶出力就要设定在2000KN左右，如果散热齿长度在1000mm，那么通过相同方案计算，顶出力为2042KN。
3.3 对压铸机定模板厚度的需求
图1所示，压铸机定模板厚度必将影响到压室尾端的长度，如表3所示，是各种品牌压铸的尾端长度，从表中可以看出，随着压铸机吨位的增加，定模板厚度会逐步随之增加。根据经验公式，内浇道的截面积计算方法如下：
W/Ag=7-10
W：为通过内浇道的重量（产品重量+溢流道重量，单位g）
Ag：内浇道的截面积（单位mm2）
由于5G基站散热器采用高导热材料，内浇道面积取下限7；
根据表4，高导热材料冲头和压室截面积比取12，由此我们对基站进行计算，得到需要 3900 吨合模力（如表5所示），只有选择4000吨或者4500
吨的压铸机。计算得到需要的压室大小为φ210左右。
图4是压室产品安装连接的剖面示意图，压室充满度，是评价压铸工艺窗口大小比例重点指标，最佳的充满度范围在30%-40%之间，充满度过度低，造成铝液温降过快，压室内部气体过多，容易产生内部缺陷和外部缺陷；充满度过高，在压室过程中，铝液容易抖动翻卷，造成卷起，内部气孔增加。
压室充满度=浇铸铝液的体积/有效压室长度的体积
由于料饼的厚度在 30-50，而冲头搭接长度和料饼厚度相当，因此压室有效长度基本等于压室长度（等于定模厚度+压室尾部长度）；铝液密度一般取2.5kg/dm3；接着上面计算的案例，选择4000-4500两款压铸机进行计算充满度（压室尾端长度分别630,870），定模厚度取300mm，计算结果如表5所示。分别是27.5%和24.34%，没有达到30%的水平。如果将压室尾端长度缩短，也就是定模板厚度降低到530，压室充满度就可以提高到33%，因此对于压铸机厂商而言，需要在对定模板的结构进行轻量化，减薄，减重。
4、结束语
1）从压射系统充填的角度，需要更高的压射速度，压射能力在7m/s以上；
2）从顶出力的角度分析，需要有更高的顶出力，设计值在2000-2500KN之间；
3）从压室充满度的角度，需要对定模板减薄，对于4000吨左右压铸机而言，最好能够保证压室尾端长度在550左右。
