溝槽式熱管成形關(guān)鍵技術(shù)研究

徐華敏，蔡 鋒，余 琪,2，潘春華，夏能軍，黃 愷，戴志剛

（1.江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096；2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

1 引言

熱管由于其導(dǎo)熱系數(shù)高、等溫性能好、熱響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等特點，成為高熱流密度電子產(chǎn)品的理想散熱器件［1］，在微電子、航天航空及制冷等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［2］。熱管主要由管壁、吸液芯和工質(zhì)三部分組成，依靠工質(zhì)的相變（液相與氣相間的轉(zhuǎn)變）來傳遞熱量［3-5］。熱管的傳熱性能主要取決于熱管內(nèi)部的吸液芯結(jié)構(gòu)，根據(jù)吸液芯的結(jié)構(gòu)，可分為燒結(jié)式、溝槽式和復(fù)合吸液式三種類型［6］。溝槽式熱管是在其內(nèi)壁表面直接加工出微溝槽結(jié)構(gòu)，管殼與吸液芯是一個整體，具有內(nèi)壁薄、質(zhì)量輕、熱響應(yīng)快、吸液芯不易損壞等優(yōu)點［7］，是高度集成化、微型化電子元器件散熱裝置的首選。目前制備溝槽式吸液芯的加工方法主要有化學(xué)刻蝕、擠壓犁切、旋壓成形、化學(xué)刻蝕和電火花加工等［8-9］。其中旋壓成形法所花費的設(shè)備費用少、成品精度高，符合大規(guī)模、低成本工業(yè)生產(chǎn)的要求［10］。以旋壓成形法生產(chǎn)溝槽式熱管與生產(chǎn)制冷元器件內(nèi)螺紋銅管相比較，兩者所采用的生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程基本一致，即都采用連鑄連軋銅管生產(chǎn)工藝［11］，但溝槽式熱管生產(chǎn)的關(guān)鍵，在于水平連鑄時氧含量的控制和旋壓成形參數(shù)的設(shè)計。王焰磊［12］等研究發(fā)現(xiàn)：拉伸速度越大，微溝槽槽高逐漸減小；旋壓球數(shù)量越多，溝槽質(zhì)量更好。何中堅［13］等研究表明：在影響充液旋壓加工溝槽式熱管的三種關(guān)鍵性因素中，旋壓當(dāng)量直徑和刀具與滾珠間相對位置是熱管內(nèi)微溝槽形狀和尺寸的主要影響因素，拉伸速度對熱管表面的粗糙度影響較大。許澤川［14］等建立了微小型薄壁內(nèi)溝槽銅管鋼球高速旋壓縮徑成形的三維彈塑性有限元模型，并對縮徑過程的變形機理、應(yīng)力應(yīng)變分布和受載情況進行了分析。實際生產(chǎn)中，由于客戶的需求和盤拉管尺寸的多樣性，常常采用不同尺寸的盤拉管經(jīng)過在線退火后生產(chǎn)同種規(guī)格尺寸的溝槽管。通過調(diào)整旋壓成形的工藝參數(shù)對不同尺寸的來料加工成同種規(guī)格尺寸的溝槽管，對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過設(shè)計不同的工藝參數(shù)，將Φ11×0.45 和Φ12.7×0.42 銅管加工成Ф8×0.30×0.25-68 溝槽熱管，研究了旋壓成形工藝參數(shù)對溝槽熱管齒型形貌的影響。

2 實驗方法

實驗所用材料為Φ11×0.45（1#樣）和Φ12.7×0.4（2#樣）無氧銅銅管，其主要化學(xué)成分如表1 所示。利用內(nèi)螺紋成形機對無氧銅管進行溝槽加工，兩種規(guī)格尺寸銅管的溝槽成形工藝參數(shù)如表2 所示。表2 中，各參數(shù)具體含義如下：來料管坯規(guī)格（Φ 外徑×壁厚），成形管坯規(guī)格（外徑×底壁厚×齒高-齒數(shù)），螺紋芯頭（直徑×齒深×齒頂角-齒數(shù)）。

表1 樣品成分測試結(jié)果 ppm

表2 溝槽管成形工藝參數(shù)

待溝槽成形穩(wěn)定后，截取樣管截面進行打磨、拋光，并對拋光后的樣品使用DM2500 金相顯微鏡觀察溝槽的成形情況。利用美特斯Exceed Model E45 萬能試驗機和HV-5 顯微維氏硬度計測試樣品的力學(xué)性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 成形工藝參數(shù)一

將Φ11×0.45 銅管按照表2 中的工藝參數(shù)加工后得到1#樣品，截取4段樣品進行齒形顯微觀察，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，4 個樣品均存在齒形不完整的情況，側(cè)齒面存在粗糙不平、犬牙交錯的現(xiàn)象（如圖中箭頭所示）。

圖1 1#溝槽管成形齒形圖

根據(jù)齒形顯微圖統(tǒng)計，1#樣品 a～d 四段齒形參數(shù)（底壁厚、齒高）如圖2 所示。1#樣品底壁厚為0.31±0.024mm，齒高為0.22±0.017mm，平均齒頂角為13.33°。對1#a～d 4 個樣品進行拉伸和硬度測試，發(fā)現(xiàn)按照1#樣品工藝參數(shù)成形的溝槽管的平均拉伸強度為385MPa，平均硬度為98.32（HV0.5）。

圖2 1#溝槽管成形齒形參數(shù)

3.2 成形工藝參數(shù)二

將Φ12.7×0.42 銅管按照表2 中的工藝參數(shù)加工后得到2#樣品，截取4 段樣品進行齒形顯微觀察，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，2#樣品a～d四段齒形填充均比較理想，齒形更加飽滿，出現(xiàn)了明顯的齒頂圓弧齒頂。與1#樣品相比，2#樣品側(cè)齒面未出現(xiàn)粗糙不平的情況，較1#樣品更加平整。

圖3 1#溝槽管成形齒形圖

根據(jù)齒形顯微圖統(tǒng)計，2#樣品a～d 四段齒形參數(shù)（底壁厚、齒高）如圖4 所示。2#樣品底壁厚為0.32±0.016mm，齒高為0.24±0.012mm，平均齒頂角為12.74°。與1#樣品相比，2#樣品與1#樣品底壁厚度相差不大，但2#樣品不同段的底壁厚度更加均勻。從樣品的齒型形貌來看，2#樣品較1#樣品的齒頂角小，齒形高。一般來說，增加齒高和降低齒頂角會使銅管內(nèi)表面換熱效果增強，有利于提高溝槽管的傳熱性能。因此，可以預(yù)見2#溝槽管表現(xiàn)出較1#溝槽管具有更優(yōu)異的傳熱性能。

圖4 2#溝槽管不同段的成形齒形參數(shù)

3.3 成形工藝分析

圖5 為內(nèi)螺紋成形機的原理示意圖［15］，溝槽管的成形工藝主要包括游動芯頭拉拔、高速滾珠旋壓和定徑空拉工序。其中滾珠旋壓工序是溝槽成形工藝的關(guān)鍵，旋壓工藝是否合理直接影響銅管溝槽齒型和內(nèi)外表面的質(zhì)量。

圖5 旋壓成形原理示意圖

圖6 所示為旋壓成形時螺紋芯頭的受力分析。成形過程中，芯頭表面的摩擦力f2和成齒脫模時齒槽摩擦力f1在軸向上的分力形成摩擦合力f，該合力與芯桿的約束力Fx 相互抵消，實現(xiàn)了螺紋芯頭在軸向上的平衡。此外，由于旋壓力N 的作用，分別在齒槽兩側(cè)產(chǎn)生擠壓力n1和n2，兩者大小相等，方向相反，亦相互抵消；而在橫截面上，脫模時的齒槽摩擦力f1在周向上的分力則與芯頭旋轉(zhuǎn)時的表面摩擦力f3平衡，兩者滿足以下關(guān)系式［16］：

圖6 旋壓成形過程中螺紋芯頭受力情況［7］

式中：N 為旋壓力；α為齒頂角；β為螺旋角；S 為成齒一側(cè)面積；S*為芯頭外表面與管坯直接接觸的面積；μ，μ*分別為齒槽內(nèi)和芯頭外表面的粗糙度，隨著使用時間的長短略有變化。

根據(jù)上述螺紋芯頭在旋壓加工時的受力情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺旋角β為0°時，脫模時的齒槽摩擦力f1在軸向上的分力為0，則沒有力與芯頭旋轉(zhuǎn)時的表面摩擦力f3平衡，此種情況在旋壓成形過程中螺紋芯頭不能保持動態(tài)平衡，容易出現(xiàn)斷管等現(xiàn)象。因此，需要增加一定壓力，保持旋壓過程中螺紋芯頭的動態(tài)平衡，以實現(xiàn)旋壓成形的穩(wěn)定拉拔過程。對比分析兩種成形工藝參數(shù)，2#樣品采用直徑更大的鋼球和更高的旋模比，加工成形過程中的壓力更大，因此表現(xiàn)出更好的齒高，成型效果更優(yōu)異。

4 結(jié)論

增加鋼球的直徑和提高旋模比，可以使旋壓成形過程中管坯徑向壓力更大，有助于解決溝槽管0°螺旋角難以穩(wěn)定成形、拉拔斷管、齒高偏低的加工難題。通過對溝槽式熱管工藝參數(shù)的研究，能經(jīng)濟、方便地制造出散熱性能更加優(yōu)異的小型溝槽管，拓寬了銅管在電子、新能源和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。