溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置的設計*

□ 鄒金虎 □ 龍志能 □ 萬珍平 □ 湯 勇

1.華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣州 510640 2.廣州瑞立科密汽車電子股份有限公司 廣州 510663

1 設計背景

熱管是一種高效傳熱元件,熱管中的吸液芯結構是影響熱管傳熱性能的關鍵因素。吸液芯按不同的結構類型可分為溝槽型、粉末燒結型、絲網燒結型、纖維燒結型等[1]。溝槽型吸液芯在銅、鋁、不銹鋼或稀有金屬等材料表面加工出軸向微溝槽,以提供毛細壓頭及液體通道,溝槽的截面形狀包括矩形、梯形、燕尾形等。溝槽型吸液芯具有管壁薄、質量輕、無接觸熱阻、滲透率高、結構穩定等優點,符合導熱器件輕薄、小型化的發展趨勢[2]。

溝槽型吸液芯熱管的加工方法主要有化學蝕刻、電火花加工、擠壓犁切、旋壓拉拔等。由于化學蝕刻和電火花加工存在成本高、工藝復雜等問題,因此對于銅、鋁等常見金屬外殼溝槽型吸液芯熱管,通常采用擠壓犁切和旋壓拉拔的方法加工。文獻[3]通過擠壓犁切的方法,在小型圓熱管內壁加工出微溝槽,并對擠壓犁切力進行了研究。Li等[4]對擠壓犁切的過程進行了數值模擬,并研究了擠壓角度對成形質量的影響。犁切的方法只能加工出較淺的溝槽,若要加工較深的溝槽,則需要多次拉拔,過程復雜,且可能破壞已成形的溝槽。為了一次性加工出大深寬比的溝槽型吸液芯熱管,文獻[5-6]提出采用鋼球高速充液旋壓拉拔的方法,并研究了加工參數對溝槽成形的影響。這一方法可以加工出齒槽較深且溝槽數較多的吸液芯熱管,但是需要專用設備進行加工,并且只能加工單一直徑的溝槽管。若改變直徑,則需更換旋壓模具,加工成本高,并且操作過程復雜。這一方法的旋壓過程在密閉油腔中進行,對密封性要求很高。此外,還需要額外的裝置對溝槽管進行拉拔,設備結構復雜。

針對旋壓拉拔的加工特點,筆者利用車床的旋轉和進給運動,設計了一套溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置。通過一套模具,即可旋壓拉拔出不同直徑的溝槽型吸液芯熱管。這一裝置對密封性無要求,結構簡單易操作,便于安裝和拆卸,可應用于不同規格溝槽型吸液芯熱管的生產。

2 成形原理

溝槽沿溝槽管周向均勻分布,每個溝槽的形貌都相同,可以設計為矩形、三角形或梯形。溝槽管旋壓拉拔成形原理如圖1所示,溝槽是旋壓球旋壓、固定芯頭擠壓,以及溝槽管坯沿軸向拉拔共同作用的結果[7]。首先,逐漸增大旋壓球對溝槽管外壁的下壓量,使溝槽管內壁金屬發生塑性流動,進入多齒芯頭的溝槽內。然后,旋壓球繞溝槽管高速旋壓,成形的溝槽變得均勻。最后,將溝槽管向右勻速拉拔實現進給,在溝槽管內壁加工出軸向溝槽。整個成形過程只發生金屬塑性狀態下的體積轉移,是一種高材料利用率的加工方式。

▲圖1 溝槽管旋壓拉拔成形原理

在旋壓拉拔加工中,旋壓前后溝槽管管坯截面積的比值A/A1是旋壓量b的線性函數,有:

A/A1=kb+1

(1)

式中:k為系數,k=0.03 mm-1[8]。

(2)

(3)

式中:d為多齒芯頭直徑;a為多齒芯頭與溝槽管管坯徑向的間隙;D1、D2分別為旋壓前后溝槽管管坯的直徑;S為旋壓后每個齒的面積;m為多齒芯頭齒數。

D1=d+2t1+2a

(4)

D2=d+2t1+2a-2b

(5)

式中:t1為旋壓前溝槽管管坯的壁厚。

將式(2)～式(5)代入式(1),可得:

(6)

由式(6)可知,旋壓后的齒面積與參數b、m、d、a有關。當溝槽管直徑、壁厚,以及多齒芯頭直徑、齒數確定后,獲得的溝槽齒形只與旋壓量有關。因此,在所設計的溝槽管旋壓拉拔一位式成形裝置中,只需要調節不同的旋壓量,就可以實現不同結構參數溝槽管的加工。

3 裝置設計

根據上述旋壓拉拔成形原理,旋壓球繞溝槽管管坯做旋轉運動,多齒芯頭定位在旋壓區且固定不動,溝槽管管坯沿X方向做拉拔運動。為了簡化設備結構,實現旋壓拉拔一體式成形裝置的設計,需要使旋壓和拉拔運動同時進行,筆者利用車床實現這一要求。車床卡盤通過旋壓結構實現對溝槽管管坯的旋壓,車床刀架通過拉拔結構完成溝槽管管坯的軸向拉拔。此外,在車床主軸上設計定位結構,來實現多齒芯頭的軸向定位。

3.1 旋壓拉拔結構

溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置結構如圖2所示。旋壓結構由旋轉模、壓緊模、旋壓球、保持架組成,拉拔結構由拉拔夾具組成。旋轉模由車床的卡盤夾緊并定位,保證旋壓結構與車床主軸的同軸度。旋壓球有四個,對稱布置,并由保持架限制位置,保證對溝槽管管坯的均勻旋壓。旋轉模和壓緊模通過45°斜面共同作用于旋壓球,旋轉模的斜面固定不動,沿X方向移動壓緊模可以調節間距。此時四個旋壓球同步沿斜面移動,在徑向產生位移,從而實現旋壓直徑可調,也確保旋壓量的一致性。

▲圖2 溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置結構

工作時,旋轉模和壓緊模隨車床卡盤轉動,帶動旋壓球在溝槽管管坯表面旋壓。溝槽管管坯產生塑性流動,進入多齒芯頭齒中,形成溝槽。壓緊模對旋壓球的壓力由調節螺釘的預緊力實現,在確定溝槽管的直徑后,通過調節螺釘微調間距,可以調節壓緊模的壓力,進而調節旋壓球對溝槽管管坯的旋壓量。假設旋壓球剛接觸溝槽管管坯未旋壓時,旋壓模和壓緊模之間的距離為T1,當旋壓量為b時,兩者距離為T,有:

ΔT=T1-T=2b

(7)

式中:ΔT為旋轉模和壓緊模間距的減小量。

可見,間距的變化量是旋壓量的2倍,對旋壓量起到放大的作用,便于實現對旋壓量的精確控制。

根據以上關系,可以對旋轉模和壓緊模的間距進行標定,從而精確控制旋壓量的大小。

在旋壓結構中,旋壓球對溝槽管管坯表面旋壓,溝槽管管坯右端受拉力,左側為自由端,金屬表面向左塑性流動,與溝槽管管坯進給運動方向相反,可以視為滾珠旋壓加工中的正旋[9-10]。正旋時,金屬徑向和周向受壓應力,軸向受拉應力。相比于反旋,正旋時金屬向坯料自由端流動時受到的阻力較小,不會產生堆積,縱向失穩的可能性也較小,旋壓精度更高。

為了利用車床沿軸線拉拔溝槽管管坯,在溝槽管管坯右端安裝拉拔夾具。拉拔夾具通過兩個半圓柱面和溝槽管管坯配合夾緊,不會對溝槽管管坯造成破壞。在拉拔夾具后端連接刀架,由刀架帶動溝槽管管坯完成軸向拉拔進給運動。

在溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置中,旋壓球采用GCr15軸承鋼制造,保持架采用黃銅制造,旋轉模和壓緊模采用45號鋼制造。在安裝時,旋壓球和多齒芯頭處涂抹機械油,可以減小旋壓力和拉拔力,同時有助于減小旋壓加工過程中的溫升。

3.2 多齒芯頭及其定位結構

根據溝槽管的內徑、所需溝槽的形貌及數量,可以對多齒芯頭進行設計,確定多齒芯頭的直徑、齒數,以及齒的高度和寬度。多齒芯頭采用W18Cr4V高速鋼材料制造。多齒芯頭的齒形尺寸微小,對加工質量的要求很高,采用慢走絲線切割,可以保證多齒芯頭的加工精度[11]。

采用線切割加工出的多齒芯頭如圖3所示,多齒芯頭直徑分別為9.9 mm和15.8 mm,齒數分別為64和100,齒寬分別為255 μm和240 μm,齒高為345 μm。

在溝槽管加工過程中,多齒芯頭被定位在旋壓區軸線處不允許轉動,并且要承受拉拔過程中溝槽管管坯與多齒芯頭間的摩擦力作用。按照以上要求,設計多齒芯頭定位結構,如圖4所示。

▲圖3 多齒芯頭▲圖4 多齒芯頭定位結構

芯頭桿通過兩端的軸承座和軸承定位在車床主軸上,使多齒芯頭和旋壓結構保持同軸。調節芯頭桿的軸向位置,使多齒芯頭處于旋壓區,用鎖緊螺母鎖緊芯頭桿。為了防止芯頭桿跟隨車床主軸轉動而破壞溝槽的成形,左端的軸承座需連接車床外殼。加工過程中,芯頭桿受到的軸向力可以通過軸承傳遞到車床主軸上,避免對車床外殼造成破壞。

4 試驗

通過筆者設計的溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置,對不同直徑的溝槽管進行旋壓拉拔試驗,驗證溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置的可行性,并研究拉拔進給速度、旋壓量等工藝參數對成形的影響,得出合適的加工參數。溝槽管管坯的材料為鈮。

4.1 試驗裝置

旋壓拉拔試驗如圖5所示。將多齒芯頭及其定位結構安裝至車床主軸上,用車床卡盤夾緊旋壓結構。將溝槽管管坯放入旋壓結構內,調節好旋壓量。用拉拔夾具連接溝槽管管坯和車床刀架。選定轉速及拉拔進給速度后,開啟車床,即可以實現溝槽管的旋壓拉拔成形。

4.2 溝槽形貌

不同直徑溝槽管加工出的溝槽如圖6所示,外徑為18 mm、12 mm,壁厚為1 mm的溝槽管管坯,加工出的溝槽截面在顯微鏡下的形貌如圖7所示。結果顯示,外徑為18 mm的溝槽管管坯,溝槽寬度為245 μm,槽高為340 μm,壁厚變為570 μm;外徑為12 mm的溝槽管管坯,溝槽寬度為260 μm,槽高為340 μm,壁厚變為500 μm。成形后壁厚不同是因為各自多齒芯頭與溝槽管管坯的間隙不同,外徑18 mm溝槽管管坯與多齒芯頭的間隙更大,因此成形后壁厚也更大。在合適的加工參數下,兩種直徑溝槽管管坯加工出的溝槽都能與各自多齒芯頭形貌相吻合,溝槽齒規則且成形飽滿,管外表面較為光滑。

▲圖5 旋壓拉拔試驗

▲圖6 不同直徑溝槽管溝槽加工結果

4.3 工藝參數影響

根據旋壓拉拔試驗結果,旋壓工藝參數會影響溝槽的成形。筆者在車床主軸轉速為210 r/min,旋壓量為0.5 mm的條件下,研究拉拔進給速度對溝槽成形的影響,結果如圖8所示。試驗表明,拉拔進給速度由0.1 mm/r提高到0.62 mm/r的過程中,溝槽深度逐漸增大至多齒芯頭的齒槽深度,此后繼續提高拉拔進給速度,溝槽深度保持不變。拉拔進給速度對溝槽寬度的影響較小,因此深寬比變化趨勢與溝槽深度相同。此外,拉拔進給速度也會影響溝槽管外表面的粗糙度,拉拔進給速度為0.41 mm/r、0.88 mm/r、1.24 mm/r時溝槽管外表面形貌如圖9所示。由圖9可見,拉拔進給速度越高,溝槽管外表面的滾珠壓痕越明顯,溝槽管成形后的外表面質量越差。

▲圖7 溝槽截面顯微鏡形貌▲圖8 拉拔進給速度對溝槽成形影響▲圖9 不同拉拔進給速度下溝槽管外表面形貌

在拉拔進給速度為0.62 mm/r,旋壓量為0.5 mm的條件下,車床主軸轉速對溝槽成形的影響如圖10所示。試驗表明,車床主軸轉速提高到360 r/min的過程中,溝槽深度逐漸增大至多齒芯頭的齒槽深度,繼續提高轉速,溝槽深度基本不變。整個過程中,溝槽寬度基本保持不變。

▲圖10 車床主軸轉速對溝槽成形影響

多齒芯頭位置和旋壓量也會影響溝槽成形。多齒芯頭處于旋壓區時,溝槽成形最佳;偏離旋壓區時,溝槽深度會減小。旋壓量主要影響溝槽深度,進而影響深寬比,因此精確控制旋壓量是保證溝槽成形質量的關鍵。當車床主軸轉速為1 120 r/min,拉拔進給速度為0.62 mm/r時,加工出的溝槽管中溝槽形貌較規則,溝槽管外表面較光滑,并且生產效率較高。

5 結束語

筆者設計了用于加工溝槽型吸液芯熱管的溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置,通過雙斜面結構實現溝槽管旋壓加工直徑的可調,并實現了多齒芯頭的定位。對不同直徑溝槽管進行旋壓拉拔試驗,驗證了溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置的可行性。同時研究了拉拔進給速度、車床主軸轉速等工藝參數對溝槽成形質量的影響,得出了合適的工藝參數。