曾天賜

(朗德萬(wàn)斯照明(深圳)有限公司，廣東 深圳 518055)

引言

大多數(shù)物體在溫度變化下，其尺寸或者說(shuō)其體積也會(huì)隨之發(fā)生變化，這是我們生活中常常能看到物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是熱脹冷縮。熱脹冷縮是指物體受熱時(shí)會(huì)膨脹，遇冷時(shí)會(huì)收縮的特性。

固體材料的熱膨脹系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著溫度變化而變化，通常隨溫度升高而增大。這是因?yàn)楣腆w材料的熱膨脹與原子(粒子)的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)(非線性振動(dòng))有關(guān)，溫度升高原子的振動(dòng)幅度加大，原子間距增大，因此產(chǎn)生熱膨脹。

壓力保持不變時(shí)，由于溫度的改變，造成固體、液體和氣體發(fā)生長(zhǎng)度或體積變化的現(xiàn)象。膨脹的程度用膨脹系數(shù)表示。

線(體)膨脹系數(shù)即當(dāng)溫度升高1 K時(shí)，物體的長(zhǎng)度(體積)的相對(duì)增加量。

1 燈具結(jié)構(gòu)與質(zhì)量缺陷

在燈具的設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用中，常用到高分子材料做的外殼或光學(xué)零件，以及用鐵、鋁、銅等金屬及玻璃做的外殼或其他結(jié)構(gòu)件，最常見(jiàn)的是外殼采用鋁合金，在燈具內(nèi)部放著一個(gè)塑料光學(xué)片，這種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方式多應(yīng)用于各式各樣的辦公燈具或工業(yè)燈具，比如線性燈具和面板燈。

有些燈具設(shè)計(jì)公司追求外觀的美觀或是為了提高光學(xué)效率，但忽視了材料本身固有的材料特性，這些燈具類型在應(yīng)用場(chǎng)合或是在存儲(chǔ)運(yùn)輸過(guò)程中就發(fā)生了出乎他們意料的質(zhì)量缺陷。比如線性燈具，在溫度變化過(guò)程是出現(xiàn)了光學(xué)件間隙變大、材料移位重疊，如圖1所示；面板燈的光學(xué)件在膨脹過(guò)程中將燈珠壓壞，或是光學(xué)件拱起變形，如圖2所示。這些都是設(shè)計(jì)前期沒(méi)有考慮周全，到了后期就造成了經(jīng)濟(jì)損失和品牌形象受影響。

2 燈具常用材料及尺寸影響因素

在燈具設(shè)計(jì)過(guò)程中大多會(huì)優(yōu)先采用通用的材料，這類材料市場(chǎng)上都容易采購(gòu)，價(jià)格比較低廉，比如金屬材料中的冷軋板、鍍鋅板、鋁錠。此外，在高分子材料應(yīng)用方面，PC、PS、MS、PBT、PP等材料會(huì)根據(jù)市場(chǎng)的需求推出很多改性材料，比如提升光學(xué)性能、提高阻燃等級(jí)、增加沖擊強(qiáng)度、降低成本、抗UV黃化等。

LED燈具中，材料的使用溫度大多在100 ℃以內(nèi)，尤其是在70℃以內(nèi)(部分LED燈具和特殊照明的產(chǎn)品會(huì)稍高一些，本文主要以通用LED燈具為介紹對(duì)象)，如圖3所示，在相同的溫度下，高分子材料的線性膨脹系數(shù)受到溫度的影響比金屬的大。因此，我們著重研究燈具材料中的高分子材料。

圖3 常用燈具材料膨脹曲線

2.1 高分子材料的線膨脹系數(shù)影響

本文用德國(guó)耐馳DIL 402 PC熱膨脹儀對(duì)樣品分別測(cè)試，圖4所示是幾種常用的光學(xué)材料的膨脹曲線圖，可以看出有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

圖4 常用光學(xué)材料的膨脹曲線

1)同種原材料在不同的溫度下其線性膨脹系數(shù)是不一樣的；

2)同種材質(zhì)但不同牌號(hào)的材料其膨脹系數(shù)也不一樣；

3)同種材質(zhì)同種牌號(hào)但不同厚度的材料其膨脹系數(shù)也不一樣；

4)同種材質(zhì)同種牌號(hào)同種厚度但不同的表面處理其膨脹系數(shù)也不一樣(本例中為PC防眩擴(kuò)散板有棱鏡結(jié)構(gòu)處理，PC普通擴(kuò)散板為亮面處理)。

因?yàn)闊艟叩膽?yīng)用環(huán)境的差異性、燈具本身的散熱性能的差異化，工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)接合項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮這些材料在最高溫度下其尺寸膨脹量不會(huì)影響到燈具的照明性能。

2.2 高分子材料的吸水特性

PMMA等透明特性的高分子材料，常被用到燈具中的光學(xué)系統(tǒng)中，表1是幾種常用的高分子材料的吸水率。因?yàn)橛袠O性側(cè)甲基的存在，PMMA有較明顯的吸水性。

表1 常用光學(xué)材料吸水率

以PMMA為例子，PMMA的吸水性隨著周圍環(huán)境濕度的增加而增加，而且隨著吸潮的時(shí)間增加而增加，并呈現(xiàn)出吸潮前期增加為劇烈增加，隨后速度變緩慢；吸水率在干燥時(shí)會(huì)下降，前期變化較快，后面變緩；在吸水過(guò)程中，其尺寸與吸水率呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。

在以往觀念中，制品成型的尺寸多是受到成型機(jī)的加工工藝影響較大，比如擠出成型機(jī)的機(jī)頭溫度、擠出壓力、滾輪的速度等，后續(xù)加工受制于切割和拋光的精度。但從上述幾點(diǎn)，我們看到了這些塑料的尺寸變化還會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化、線性膨脹系數(shù)不同而引起的尺寸變化，并且有些吸潮性明顯的材料，其尺寸還受到環(huán)境濕度的影響。

3 預(yù)設(shè)的理論環(huán)境溫度

受環(huán)境溫度濕度的影響，不同規(guī)格的高分子材料的尺寸會(huì)隨之發(fā)生變化，在第2節(jié)中，我們測(cè)得不同規(guī)格的高分子材料在不同的溫度下和濕度下材料的尺寸變化量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有些人會(huì)以產(chǎn)品的最高使用溫度來(lái)驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)值,比如有些廠家定義室內(nèi)燈具的最高環(huán)境溫度是40 ℃，戶外燈具的最高環(huán)境溫度是50 ℃，但實(shí)際上最惡劣條件下的溫度，其變化范圍還受到貨運(yùn)存儲(chǔ)的影響。

3.1 集裝箱海運(yùn)時(shí)的溫度變化

文獻(xiàn)[10]中研究了從2004年4月到2006年1月這一段時(shí)間內(nèi)從日本到歐洲的荷蘭、美國(guó)西海岸城市波特蘭市、美國(guó)內(nèi)陸城市孟菲斯的三條路線共160個(gè)集裝箱中的溫度濕度變化。

正常的運(yùn)輸包括三個(gè)不同的階段：第一階段為從集裝箱的裝箱到集裝箱的裝船時(shí)間，包括公路運(yùn)輸和短時(shí)間的倉(cāng)儲(chǔ)；第二階段是海運(yùn)的時(shí)間；第三階段是集裝箱的卸載、清關(guān)、倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間。

文獻(xiàn)[10]中研究表明：

1)在三條海運(yùn)線路中，最高溫度57 ℃發(fā)生在七月份從日本到孟菲斯的路線中，而最低溫度-29 ℃發(fā)生在一月份的同一條路線中。在這三條路線中，從日本到孟菲斯的路線中的溫濕度變化最為顯著。但是從這條變動(dòng)最明顯的線路捕獲的數(shù)據(jù)中可以看出，85%的集裝箱溫度低于48 ℃，而有70%的集裝箱溫度高于0 ℃。即大多數(shù)的海運(yùn)環(huán)境中的溫度變化在0～48℃之間，只有最冷和最熱的月份的數(shù)據(jù)會(huì)超出這個(gè)范圍。

2)最高的相對(duì)濕度是96%，發(fā)生在八月份從日本到波特蘭的路線中。

3)海運(yùn)這一段路程中的溫濕度變化比出海之前和到時(shí)港之后的要緩和，并且從中看出同一航運(yùn)中，集裝箱在船上的不同位置，其溫度變化是不同的。同一集裝箱，擺放在集裝箱不同位置，其溫度變化也是不一樣的。

4)一般情況下集裝箱中的溫度下降會(huì)導(dǎo)致濕度的上升，但到了一定的點(diǎn)之后，濕度會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，但是如果溫度繼續(xù)下降的話，濕度也會(huì)下降。

3.2 集裝箱外觀顏色的溫度影響

集裝箱的溫度主要由箱體內(nèi)外的熱交換決定，而且較大的集裝箱表面積有較良好的傳熱性能。除了太陽(yáng)輻射，外部空氣溫度、風(fēng)和降水也對(duì)溫度有影響。在太陽(yáng)輻射下，當(dāng)環(huán)境溫度約為25 ℃，涂成棕色的集裝箱內(nèi)部的空氣溫度上升到50 ℃，而涂有白色油漆的集裝箱的影響沒(méi)有那么大，大概在38 ℃左右。

3.3 集裝箱露天堆放的溫度影響

文獻(xiàn)[12]中研究了福建省福州市7月份露天堆放的集裝箱內(nèi)部溫度，可以看到位于集裝箱最上層的中間位置，其最高溫度為71.9 ℃, 其次是溫度是60.8 ℃。

3.4 理論溫度設(shè)定

從上我們可以得知產(chǎn)品如果走海運(yùn)，其最高溫度可以達(dá)到60 ℃，最低溫度可以達(dá)到-30 ℃；如果再考慮到集裝箱的碼頭存儲(chǔ)，最高溫度將會(huì)有達(dá)到70 ℃。如果按燈具標(biāo)稱的最高使用環(huán)境溫度(室內(nèi)燈具40 ℃，戶外燈具50 ℃)來(lái)驗(yàn)證是不夠的。

3.5 理論數(shù)據(jù)驗(yàn)證

因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮，把明顯影響到產(chǎn)品零部件尺寸的因素疊加進(jìn)來(lái)驗(yàn)證，其涉及的因素主要有零部件的加工公差、材料的線性膨脹量、易吸水材料的吸水膨脹量。我們可以用公差分析法和有限元分析法加以驗(yàn)證。

G為間隙；A、B分別長(zhǎng)度基本尺寸；a、b、c、d分別為尺寸上下公差

間隙G與外殼和光學(xué)件的尺寸鏈如圖5所示，其尺寸鏈表示式可以用式(1)～式(4)來(lái)描述。

高溫環(huán)境下：

GHmax=(A+a+ΔLa)-(B+(-d)+ΔLb+[Δh])

(1)

GHmin=(A+(-b)+ΔLa)-(B+c+ΔLb+[Δh])

(2)

低溫環(huán)境下：

GLmax=(A+a-ΔLa)-(B+(-d)-ΔLb+[Δh])

(3)

GLmin=(A+(-b)-ΔLa)-(B+c-ΔLb+[Δh])

(4)

其中GH、GL為高低溫下的尺寸差；A、B為零件的基本尺寸；a、b、c、d為尺寸上下公差；ΔLa、ΔLb為線膨脹量；Δh為吸水膨脹量。

2)材料熱膨脹量表達(dá)方程。燈具中所用到的這些高分子材料、金屬材料，往往根據(jù)會(huì)實(shí)際需求在原材料的基礎(chǔ)上加上各種填充劑，以實(shí)現(xiàn)不同的用途，例如塑料常用到無(wú)機(jī)填充劑(如碳酸鈣、陶土、滑石、硅藻土、二氧化硅、云母粉、石棉、金屬、金屬氧化物等)和有機(jī)填充劑(如熱固性樹脂中空球、木粉、粉末纖維素等)。不同的原材料，填加不同的填充劑，再加上填充的劑量不同、生產(chǎn)工藝的不同，造成終端的產(chǎn)品特性不同，其熱膨脹系數(shù)也會(huì)有所差別。因此，材料在使用之前要先測(cè)試其物理特性。

表2 燈具材料熱膨脹量dL/Lo

從表2得出尺寸變化量dL/Lo的回歸方程如下：

dL/LoMS-1#=0.3777+0.08049ΔT-0.000267

ΔT2+0.000006ΔT3

(5)

dL/LoMS-2#=0.4283+0.08533ΔT-0.000038

ΔT2+0.000001ΔT3

(6)

dL/LoPC-L=0.4518+0.08398ΔT-0.000154

ΔT2+0.000001ΔT3

(7)

dL/LoPC-P=0.3958+0.08478ΔT-0.000355

ΔT2+0.000001ΔT3

(8)

dL/LoPmma=0.3970+0.06948ΔT-0.000855

ΔT2+0.000004ΔT3

(9)

dL/LoPP=0.5980+0.1199ΔT-0.001455ΔT2+0.000014ΔT3

(10)

dL/LoPS-1#=0.4191+0.08640ΔT-0.000092

ΔT2+0.000001ΔT3

(11)

dL/LoPS-2#=0.3509+0.07671ΔT-0.000317

ΔT2+0.000003ΔT3

(12)

dL/LoAl=0.1271+0.02254ΔT-0.000106

ΔT2+0.000003ΔT3

(13)

3)PMMA吸水膨脹率。PMMA的吸水膨脹率如表3所示。

表3 PMMA吸水膨脹率

從表3可以得到PMMA的吸水膨脹率的回歸方程如下：

δ=0.01729+0.000135Rh+0.000033Rh2

(14)

δ為尺寸膨脹率，Rh為濕度。

4 分析

4.1 公差分析法

首先定義產(chǎn)品裝配的環(huán)境溫度，LED組裝車間一般都是恒溫恒濕的無(wú)塵車間，溫度一般設(shè)定在25 ℃；而零部件加工車間的環(huán)境大多比較惡劣，很多是開(kāi)放式的車間，其環(huán)境溫度跟當(dāng)天的氣溫一起波動(dòng)，因此需要廠家對(duì)車間的環(huán)境進(jìn)行控制，當(dāng)環(huán)溫波動(dòng)比較大時(shí)還需對(duì)切割尺寸進(jìn)行修正補(bǔ)償，特別是長(zhǎng)度比較大的光學(xué)件。然后分別分析高溫下和低溫的裝配間隙，最高溫度需要考慮貨物的出貨方式及可能遇到的最高倉(cāng)儲(chǔ)溫度，要求理論推算的最大間隙不會(huì)因?yàn)殚g隙過(guò)大而導(dǎo)致零部件的脫落，外觀要求高的區(qū)域應(yīng)不致其產(chǎn)生不良外觀缺陷；并且要求在最小間隙下燈具可以正常工作，不會(huì)產(chǎn)生明顯的外觀缺陷或其他的安全隱患。

以1 200 mm的線性燈結(jié)構(gòu)為例，鋁殼內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度為1995±0.5 mm,PMMA光學(xué)件為1995±1 mm,驗(yàn)證其尺寸合理性。

文獻(xiàn)[10]中，海運(yùn)過(guò)程中溫度在30℃左右時(shí)，濕度為70%左右，在表3中查得PMMA的吸水膨脹率δ為0.175%，得知吸水尺寸膨脹量Δh為3.75 mm。

從第3節(jié)得知集裝箱的溫度為70℃左右，溫差ΔT=45℃,代入式(9)、式(13)，得知

dL/Lo(PMMA)=4.89%，則ΔL(PMMA)=5.84 mm

dL/Lo(6063)=1.2%，則ΔL(6063)=1.44 mm

-30℃左右，溫差ΔT=55℃，則ΔL(PMMA)=7.33 mm，ΔL(6063)=1.85 mm。

在70 ℃材料干燥緩慢排出水分和-30 ℃下Δh可忽略不計(jì)，代入式(1)～式(4)，得到結(jié)果如下：

高溫環(huán)境下，

GHmax=(A+a+ΔLa)-(B+(-d)+ΔLb+[Δh])=-2.9 mm

GHmin=(A+(-b)+ΔLa)-(B+c+ΔLb+[Δh])=-5.9 mm

低溫環(huán)境下，

GLmax=(A+a-ΔLa)-(B+(-d)-ΔLb+[Δh])=-6.98 mm

GLmin=(A+(-b)-ΔLa)-(B+c-ΔLb+[Δh])=-3.98 mm

將吸水尺寸膨脹量Δh對(duì)比高溫和低溫下的4個(gè)極限公差，分別得知GHmin和GLmax的比值更大，因此產(chǎn)品需保證在高溫下需要吸收5.9 mm的膨脹量，在低溫下需保障6.98 mm的間隙不會(huì)有安全隱患。

4.2 有限元分析

利用計(jì)算機(jī)CAE軟件(Computer Aided Engineering)，比如ANSYS、ABAQUS等，給材料賦予材質(zhì)特性，可以有效、方便地對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行分析，模擬出尺寸干涉、受力情況等，并可以實(shí)時(shí)優(yōu)化改良。材料需要事先測(cè)試，再將其物理參數(shù)代入計(jì)算，有限元分析如圖6所示。

圖6 計(jì)算機(jī)有限元分析

5 結(jié)論

燈具在裝配過(guò)程中或終端安裝場(chǎng)合下，其環(huán)境溫度大多跟理論設(shè)計(jì)值比較接近，容易被設(shè)計(jì)者關(guān)注到，但產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程和倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，其環(huán)境溫度波動(dòng)比較大，不確定因素也比較多，尤其是在露天碼頭長(zhǎng)時(shí)間堆放時(shí)的情況下，具有一定概率的潛在性的損壞影響。因此設(shè)計(jì)時(shí)有必要考慮到最惡劣的環(huán)境溫度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中加入防范的容錯(cuò)設(shè)計(jì)措施。另外，需要對(duì)零部件加工時(shí)的環(huán)境溫度、零部件裝配時(shí)的環(huán)境溫度、燈具應(yīng)用的環(huán)境溫度進(jìn)行溫度差異對(duì)比，零件的理論設(shè)計(jì)尺寸和零件檢測(cè)尺寸應(yīng)定義出環(huán)境溫度。此外，還應(yīng)考慮到集裝箱運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程的環(huán)境溫度，當(dāng)其超出理論設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)有防錯(cuò)機(jī)制，以保障LED燈具產(chǎn)品的正常使用。