沟槽式热管成形关键技术研究

徐华敏，蔡 锋，余 琪,2，潘春华，夏能军，黄 恺，戴志刚

（1.江西铜业加工事业部，江西 南昌 330096；2.中南大学机电工程学院，湖南 长沙 410083）

1 引言

热管由于其导热系数高、等温性能好、热响应快、体积小、结构简单、使用寿命长等特点，成为高热流密度电子产品的理想散热器件［1］，在微电子、航天航空及制冷等领域有着广阔的应用前景［2］。热管主要由管壁、吸液芯和工质三部分组成，依靠工质的相变（液相与气相间的转变）来传递热量［3-5］。热管的传热性能主要取决于热管内部的吸液芯结构，根据吸液芯的结构，可分为烧结式、沟槽式和复合吸液式三种类型［6］。沟槽式热管是在其内壁表面直接加工出微沟槽结构，管壳与吸液芯是一个整体，具有内壁薄、质量轻、热响应快、吸液芯不易损坏等优点［7］，是高度集成化、微型化电子元器件散热装置的首选。目前制备沟槽式吸液芯的加工方法主要有化学刻蚀、挤压犁切、旋压成形、化学刻蚀和电火花加工等［8-9］。其中旋压成形法所花费的设备费用少、成品精度高，符合大规模、低成本工业生产的要求［10］。以旋压成形法生产沟槽式热管与生产制冷元器件内螺纹铜管相比较，两者所采用的生产设备、工艺流程基本一致，即都采用连铸连轧铜管生产工艺［11］，但沟槽式热管生产的关键，在于水平连铸时氧含量的控制和旋压成形参数的设计。王焰磊［12］等研究发现：拉伸速度越大，微沟槽槽高逐渐减小；旋压球数量越多，沟槽质量更好。何中坚［13］等研究表明：在影响充液旋压加工沟槽式热管的三种关键性因素中，旋压当量直径和刀具与滚珠间相对位置是热管内微沟槽形状和尺寸的主要影响因素，拉伸速度对热管表面的粗糙度影响较大。许泽川［14］等建立了微小型薄壁内沟槽铜管钢球高速旋压缩径成形的三维弹塑性有限元模型，并对缩径过程的变形机理、应力应变分布和受载情况进行了分析。实际生产中，由于客户的需求和盘拉管尺寸的多样性，常常采用不同尺寸的盘拉管经过在线退火后生产同种规格尺寸的沟槽管。通过调整旋压成形的工艺参数对不同尺寸的来料加工成同种规格尺寸的沟槽管，对实际生产具有重要的指导意义。本文通过设计不同的工艺参数，将Φ11×0.45 和Φ12.7×0.42 铜管加工成Ф8×0.30×0.25-68 沟槽热管，研究了旋压成形工艺参数对沟槽热管齿型形貌的影响。

2 实验方法

实验所用材料为Φ11×0.45（1#样）和Φ12.7×0.4（2#样）无氧铜铜管，其主要化学成分如表1 所示。利用内螺纹成形机对无氧铜管进行沟槽加工，两种规格尺寸铜管的沟槽成形工艺参数如表2 所示。表2 中，各参数具体含义如下：来料管坯规格（Φ 外径×壁厚），成形管坯规格（外径×底壁厚×齿高-齿数），螺纹芯头（直径×齿深×齿顶角-齿数）。

表1 样品成分测试结果 ppm

表2 沟槽管成形工艺参数

待沟槽成形稳定后，截取样管截面进行打磨、抛光，并对抛光后的样品使用DM2500 金相显微镜观察沟槽的成形情况。利用美特斯Exceed Model E45 万能试验机和HV-5 显微维氏硬度计测试样品的力学性能。

3 结果与分析

3.1 成形工艺参数一

将Φ11×0.45 铜管按照表2 中的工艺参数加工后得到1#样品，截取4段样品进行齿形显微观察，结果如图1 所示。从图1 中可以看出，4 个样品均存在齿形不完整的情况，侧齿面存在粗糙不平、犬牙交错的现象（如图中箭头所示）。

图1 1#沟槽管成形齿形图

根据齿形显微图统计，1#样品 a～d 四段齿形参数（底壁厚、齿高）如图2 所示。1#样品底壁厚为0.31±0.024mm，齿高为0.22±0.017mm，平均齿顶角为13.33°。对1#a～d 4 个样品进行拉伸和硬度测试，发现按照1#样品工艺参数成形的沟槽管的平均拉伸强度为385MPa，平均硬度为98.32（HV0.5）。

图2 1#沟槽管成形齿形参数

3.2 成形工艺参数二

将Φ12.7×0.42 铜管按照表2 中的工艺参数加工后得到2#样品，截取4 段样品进行齿形显微观察，结果如图3 所示。从图3 中可以看出，2#样品a～d四段齿形填充均比较理想，齿形更加饱满，出现了明显的齿顶圆弧齿顶。与1#样品相比，2#样品侧齿面未出现粗糙不平的情况，较1#样品更加平整。

图3 1#沟槽管成形齿形图

根据齿形显微图统计，2#样品a～d 四段齿形参数（底壁厚、齿高）如图4 所示。2#样品底壁厚为0.32±0.016mm，齿高为0.24±0.012mm，平均齿顶角为12.74°。与1#样品相比，2#样品与1#样品底壁厚度相差不大，但2#样品不同段的底壁厚度更加均匀。从样品的齿型形貌来看，2#样品较1#样品的齿顶角小，齿形高。一般来说，增加齿高和降低齿顶角会使铜管内表面换热效果增强，有利于提高沟槽管的传热性能。因此，可以预见2#沟槽管表现出较1#沟槽管具有更优异的传热性能。

图4 2#沟槽管不同段的成形齿形参数

3.3 成形工艺分析

图5 为内螺纹成形机的原理示意图［15］，沟槽管的成形工艺主要包括游动芯头拉拔、高速滚珠旋压和定径空拉工序。其中滚珠旋压工序是沟槽成形工艺的关键，旋压工艺是否合理直接影响铜管沟槽齿型和内外表面的质量。

图5 旋压成形原理示意图

图6 所示为旋压成形时螺纹芯头的受力分析。成形过程中，芯头表面的摩擦力f2和成齿脱模时齿槽摩擦力f1在轴向上的分力形成摩擦合力f，该合力与芯杆的约束力Fx 相互抵消，实现了螺纹芯头在轴向上的平衡。此外，由于旋压力N 的作用，分别在齿槽两侧产生挤压力n1和n2，两者大小相等，方向相反，亦相互抵消；而在横截面上，脱模时的齿槽摩擦力f1在周向上的分力则与芯头旋转时的表面摩擦力f3平衡，两者满足以下关系式［16］：

图6 旋压成形过程中螺纹芯头受力情况［7］

式中：N 为旋压力；α为齿顶角；β为螺旋角；S 为成齿一侧面积；S*为芯头外表面与管坯直接接触的面积；μ，μ*分别为齿槽内和芯头外表面的粗糙度，随着使用时间的长短略有变化。

根据上述螺纹芯头在旋压加工时的受力情况可以发现，当螺旋角β为0°时，脱模时的齿槽摩擦力f1在轴向上的分力为0，则没有力与芯头旋转时的表面摩擦力f3平衡，此种情况在旋压成形过程中螺纹芯头不能保持动态平衡，容易出现断管等现象。因此，需要增加一定压力，保持旋压过程中螺纹芯头的动态平衡，以实现旋压成形的稳定拉拔过程。对比分析两种成形工艺参数，2#样品采用直径更大的钢球和更高的旋模比，加工成形过程中的压力更大，因此表现出更好的齿高，成型效果更优异。

4 结论

增加钢球的直径和提高旋模比，可以使旋压成形过程中管坯径向压力更大，有助于解决沟槽管0°螺旋角难以稳定成形、拉拔断管、齿高偏低的加工难题。通过对沟槽式热管工艺参数的研究，能经济、方便地制造出散热性能更加优异的小型沟槽管，拓宽了铜管在电子、新能源和航空航天等领域的应用。