溝槽式熱管成形關鍵技術研究

徐華敏，蔡 鋒，余 琪,2，潘春華，夏能軍，黃 愷，戴志剛

（1.江西銅業加工事業部，江西 南昌 330096；2.中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

1 引言

熱管由于其導熱系數高、等溫性能好、熱響應快、體積小、結構簡單、使用壽命長等特點，成為高熱流密度電子產品的理想散熱器件［1］，在微電子、航天航空及制冷等領域有著廣闊的應用前景［2］。熱管主要由管壁、吸液芯和工質三部分組成，依靠工質的相變（液相與氣相間的轉變）來傳遞熱量［3-5］。熱管的傳熱性能主要取決于熱管內部的吸液芯結構，根據吸液芯的結構，可分為燒結式、溝槽式和復合吸液式三種類型［6］。溝槽式熱管是在其內壁表面直接加工出微溝槽結構，管殼與吸液芯是一個整體，具有內壁薄、質量輕、熱響應快、吸液芯不易損壞等優點［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刻蝕、擠壓犁切、旋壓成形、化學刻蝕和電火花加工等［8-9］。其中旋壓成形法所花費的設備費用少、成品精度高，符合大規模、低成本工業生產的要求［10］。以旋壓成形法生產溝槽式熱管與生產制冷元器件內螺紋銅管相比較，兩者所采用的生產設備、工藝流程基本一致，即都采用連鑄連軋銅管生產工藝［11］，但溝槽式熱管生產的關鍵，在于水平連鑄時氧含量的控制和旋壓成形參數的設計。王焰磊［12］等研究發現：拉伸速度越大，微溝槽槽高逐漸減小；旋壓球數量越多，溝槽質量更好。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鍵性因素中，旋壓當量直徑和刀具與滾珠間相對位置是熱管內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、應力應變分布和受載情況進行了分析。實際生產中，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過在線退火后生產同種規格尺寸的溝槽管。通過調整旋壓成形的工藝參數對不同尺寸的來料加工成同種規格尺寸的溝槽管，對實際生產具有重要的指導意義。本文通過設計不同的工藝參數，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，其主要化學成分如表1 所示。利用內螺紋成形機對無氧銅管進行溝槽加工，兩種規格尺寸銅管的溝槽成形工藝參數如表2 所示。表2 中，各參數具體含義如下：來料管坯規格（Φ 外徑×壁厚），成形管坯規格（外徑×底壁厚×齒高-齒數），螺紋芯頭（直徑×齒深×齒頂角-齒數）。

表1 樣品成分測試結果 ppm

表2 溝槽管成形工藝參數

待溝槽成形穩定后，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性能。

3 結果與分析

3.1 成形工藝參數一

將Φ11×0.45 銅管按照表2 中的工藝參數加工后得到1#樣品，截取4段樣品進行齒形顯微觀察，結果如圖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，側齒面存在粗糙不平、犬牙交錯的現象（如圖中箭頭所示）。

圖1 1#溝槽管成形齒形圖

根據齒形顯微圖統計，1#樣品 a～d 四段齒形參數（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，發現按照1#樣品工藝參數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

3.2 成形工藝參數二

將Φ12.7×0.42 銅管按照表2 中的工藝參數加工后得到2#樣品，截取4 段樣品進行齒形顯微觀察，結果如圖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，出現了明顯的齒頂圓弧齒頂。與1#樣品相比，2#樣品側齒面未出現粗糙不平的情況，較1#樣品更加平整。

圖3 1#溝槽管成形齒形圖

根據齒形顯微圖統計，2#樣品a～d 四段齒形參數（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，可以預見2#溝槽管表現出較1#溝槽管具有更優異的傳熱性能。

圖4 2#溝槽管不同段的成形齒形參數

3.3 成形工藝分析

圖5 為內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鍵，旋壓工藝是否合理直接影響銅管溝槽齒型和內外表面的質量。

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，分別在齒槽兩側產生擠壓力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時的表面摩擦力f3平衡，兩者滿足以下關系式［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。

根據上述螺紋芯頭在旋壓加工時的受力情況可以發現，當螺旋角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平衡，容易出現斷管等現象。因此，需要增加一定壓力，保持旋壓過程中螺紋芯頭的動態平衡，以實現旋壓成形的穩定拉拔過程。對比分析兩種成形工藝參數，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，因此表現出更好的齒高，成型效果更優異。

4 結論

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的研究，能經濟、方便地制造出散熱性能更加優異的小型溝槽管，拓寬了銅管在電子、新能源和航空航天等領域的應用。