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热管 刀具 设计 制造

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微圆热管旋压刀具的设计与制造,热管,刀具,设计,制造

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邵阳学院毕业设计（论文）热管原理热管构造热管制作热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grov er发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成13(10负110负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程： (1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面； (2)液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发； (3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； (4)蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结： (5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源： (6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。热管的基本特性 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。 (1)很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。 (2)优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 (3)热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。 (4)热流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。 (5)热二极管与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。 (6)恒温特性(可控热管) 普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。 (7)环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。 (1)按照热管管内工作温度区分 管可分为低温热管(2730)、常温热管(0250)、中温热管250450、高温热管(450一1000)等。 (2)按照工作液体回流动力区分 热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。 (3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为铜水热管、碳钢。水热管、铜钢复合水热管、铝丙酮热管、碳钢荣热管、不锈钢钠热管等等。 (4)按结构形式区分 可分为普通热管、分离式热管、毛纫泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。 (5)按热管的功用划分 可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。 热管的相容性及寿命 热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。 (1)产生不凝性气体 由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。 (2)工作液体物性恶化 有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。 (3)管壳材料的腐蚀、溶解、工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。 热管制造 1 热管零部件及其加工 热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。 2 管壳 热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。 3 端盖 热管的端盖具有多种结构形式，它与热管舶连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑乎整质量容易保证。 旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。 4 吸液芯结构 吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型的结构作出简赂的介绍。 1管芯型式 一个性能优良的管芯应具有： (1)足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径 (2)较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率 (3)良好的传热特性，即有小的径向热阻 (4)良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。 管芯的构造型式大致可分为以下几类： (1)紧贴管壁的单层及多层网芯此类管芯 多层网的网层之间应尽量紧贴，网与管壁之间亦应贴合良好，网层数有l至4层或更多，各层网的目数可相同或不同若网层多，则液体流通截面大，阻力小，但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加如在近壁因数层用粗孔网，表面一层用细孔网，这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小，但并不能改善径向热胆大的缺点网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较告的毛细提升高度，但因渗透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力受到限制此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况，故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。 (2)烧结粉末管芯 由一定目数的金属粉末烧结在管内壁面而形成与管壁一体的烧结粉末管芯，也有用金属丝网烧结在管内壁面上的管芯。此种管芯有较高的毛细抽吸力，并较大地改善了径向热阻，克服了网芯工艺重复性差的缺点，但因其渗透率较差，故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小。 (3)轴向槽道式管芯 在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体国流通道，槽的截面形状可为矩形，梯形，圆形及变截面槽道，槽道式管芯虽然毛细压头较小，但液体流动阻力甚小，因此可达到较高的轴向传热能力，径向热阻较小，工艺重复性良好，可获得精确幼儿何参数，因而可较正确地计算毛细限，此种管子弯曲后性能基本不变，但由于其抗重力工作能力极差，不适于倾斜(热端在上)工作对于空间的零重力条件则是非常适用的，因此广泛用于空间飞行器。 (4)组合管芯 一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率为了有高的毛细抽吸力，就要选用更细的网成金属粉末，但它仍的渗透率较差，组合多层网虽然在这方面有所提高，可是其径向热阴大组合管芯跃能兼顾毛细力和渗透率，从而能获得高的轴向传热能力，而且大多数管芯的径向热阻甚小它基本上把管芯分成两部分。一部分起毛细抽吸作用，另一部分起液体回流通道作用。 制造工艺 如前所述，构成热管的三个主要组成部分是管壳、管芯和工质。在设计过程中，对答壳和管芯的材料进行合理的选择后就可以开始制作。通常热管的制造过程包括下面的工艺操作，并按一定的程序进行。 1、机械加工2、清洗3、管芯制作4、清洗5、焊接6、检漏7、除气8、检漏9、充装10、封接11、烘烤12、检验 实际制造的时候往往能达到20，甚至上百道的工序。这里只是最简单的一些必须工序。邵阳学院毕业设计（论文）任务书年级专业2008级机电一体化学生姓名刘志斌学 号0841127309课题名称微圆热管旋压刀具的设计与制造 设计(论文)起止时间2011年 12月25日至2012年5月18日课题类型 应 用 研 究课题性质模 拟一、 课题设计（研究）的目的和主要内容课题目的：使学生比较系统的复习大学期间所学的文化知识，使学生了解最新科技的发展方向，培养学生查阅科技文献的能力，培养学生的实际设计和制造能力。 课题内容：1、复习机械制图、金属工艺学、机械制造技术、数控机床与应用等课程内容； 2、查阅最新科技文献，了解圆热管的最新发展动态和使用情况； 3、对圆热管的旋压机进行设计；4、按期完成符合学校要求的毕业设计（论文）。二、 基本要求1、 主要内容收集、研究与本课题相关的资料；2、 按要求写出开题报告；3、 撰写格式、内容符合规范要求、不少于15000字的设计说明书。注：1、此表由指导教师填写，经各系、教研室主任审批，指导教师、学生签字后生效； 2、此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。三、课题研究已具备的条件（包括实验室、主要仪器设备、参考资料）1、学生及学校图书馆具有的相关资料；2、指导老师提供的相关资料；3、机械与能源工程系的实验设备；4、机械实习工厂的加工设备。四、 设计（论文）进度安排1、2011年12月05日-12月10日，完成选题；2、2011年12月11日-12月25日，完成开题报告；3、2012年03月12日-05月16日，完成设计计算和论文文本写作；4、2012年05月16日-05月18日，设计审修改、定稿、准备答辩；5、2012年05月18日-05月25日，毕业答辩。五、教研室审批意见教研室主任（签字） 年 月 日六、系审批意见系主任（签字） 单位（公章） 年 月 日指导教师（签字）： 学生（签字）：毕业设计(论文)课 题 名 称 微圆热管旋压刀具的设计与制造 学 生 姓 名 刘志斌 学 号 0841127309 系、年级专业 机械与能源工程系08机械类（机电一体方向） 指 导 教 师 赵 小 林 职 称 教 授 2012年5月18日 毕业设计(论文)附件课 题 名 称 微圆热管旋压刀具的设计与制造 学 生 姓 名 刘志斌 目 录1毕业设计（论文）任务书2毕业设计（论文）开题报告3毕业设计（论文）进度考核表4毕业设计（论文）评阅表5毕业设计（论文）附录 2012年5月25日毕业设计(论文)附录课 题 名 称 微圆热管旋压刀具的设计与制造 学 生 姓 名 刘志斌 目 录1中英文翻译 2012年5月25日毕业设计（论文）开题报告书课 题 名 称： 微圆热管旋压刀具的设计与制造 学 生 姓 名： 刘志斌 学 号： 0841127309 系、年级专业: 机械与能源工程系08机械类 (机电一体化方向) 指 导 教 师: 赵 小 林 2011年 12 月 25 日一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平课题来源：指导老师的省科技厅科研课题。 目的及意义：了解微圆热管旋压刀具的基本作用；明白微圆热管旋压刀具的基本工作方式；熟悉微圆热管加工工艺、了解圆热管技术在工业中的应用； 研究微圆热管的旋压刀具的设计制造方法；比较系统地复习大学期间所学的文化知识，了解最新科技的发展方向，培养查阅科技文献的能力，培养实际设计和制造能力国内外现状及水平：国内主要针对工业热管进行研究，而且主要是针对其性能进行研究，对微热管特别是其结构的研究文献报道较少。在国外小型圆热管的制造方法和技术都比较成熟了，在我们国内小型圆热管的制造方法和技术可以说的还在开发阶段，大部分的制造方法和技术都是自主开发研究的，国外这方面是保密的，国内对微热管旋压的设计未见任何的报道。相对来说我国目前在这一阶段处于一段空白时期。二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施主要内容：1、 本文主要是微圆热管旋压刀具的设计与制造研究方法：2、 本文的研究方法是通过从各个方面查找资料和通过做实验来了解微圆热管旋压刀具的设计与制造准备采取的措施：1、查阅相关资料并收集相关资料；2、整理资料并初步写出论文；3、按照论文，理论联系实际；4、检查核对论文的可行性并使论文与实际误差尽量小；5、修改论文不足之处，然后定稿打印，出论文并准备答辩。三、现有基础和具备的条件现有基础： 我们已经学习的专业知识：机械制图，机械设计基础，机械制造技术基础，金属材料热处理，互换性与测量技术基础，金属工艺学，液压与气压传动，机电一体化技术。具备的条件：1、老师提供的相关方面的学术论文和相关的中内外文献资料；2、图书馆中所所藏有的图书资料；3、机械实习工厂的加工设备；4、三年来所学的教材；5、机械与能源工程系的设备。四、总的工作任务，进度安排以及预期结果1、2011年12月20日至12月25日搜集资料，完成开题报告； 2、2012年1月14日至1月23日了解微圆热管旋压刀具的性能作用以及材料的选取。3、2012年2月25日至3月1日通过比较与计算选出最合适的材料。4、2012年3月3日至3月20日对微圆热管旋压刀具进行设计，模拟制造，确定其可行性。 5、2012年3月21日至5月18日撰写毕业设计论文，毕业设计文件的打印、胶装； 6、2012年5月18日至5月25日毕业答辩。五、指导教师审阅意见指导教师（签名） 年 月 日 六、教研室审查意见教研室主任（签名） 年 月 日 七、系审查意见主管系领导（签名） 年 月 日 备 注邵阳学院毕业设计（论文）1.绪论1.1引言微型圆热管是一种利用介质的相变传热的装置，在相同情况下微型圆热管的导热性是铜的几百倍甚至上千倍。另外利用相变传热的另一个优点是，在导热的整个阶段微型圆热管都可以保持恒定的温度。现在对热管的研究越来越多，热管散发热量到一个相对较大的空间，在这个较大的空间里热流很小以至于可把笔记本电脑中的热量有效地散发到周围的空气中。由于在手提电脑中的空间限制和高热量，热管已经成为理想的高能芯片冷却装置。热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件1,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管自20 世纪60 年代问世以来，作为一种高效的传热元件迅速发展。我国于1984 年首次参加了日本的国际热管会议，并于1992 年成功地举办了第八届国际热管会议，而且举办了多次全国性热管会议，热管技术作为一种新兴的学科领域引起了各国的极大兴趣。近年来,随着电子科技的进步,许多电子产品不断地往高性能化、高功率化以及超薄、微型化发展,使得电子元件单位面积所产生的热量越来越高,同时电子产品的高集成度使其有效散热空间日趋减小，且许多场合散热空间是封闭或半封闭的，从而导致有效散热空间非常狭小而热流密度又非常高，这一尖锐矛盾导致微电子产品中的热控制成本急剧上升。具有高热流密度电子产品冷却问题成为当前或未来电子产品首要克服的关键问题。微电子产业是一个国家的基础性和战略性产业，其核心是高集成度芯片技术。在过去数十年间，IC芯片一直遵循摩尔定律快速进步。然而，到2004年，这一规律由于芯片热控制问题而遭遇挑战。2004年，Intel发布了采用90nm线宽的Prescott CPU，其耗电量在100W以上，3.06G功耗即达115W，Intel估计于2005年开始制造的65nm Tejas CPU发热量将达140W，甚至达到160W，热流密度达到100 W/cm2。如此高密度的热流如不及时散出去，将严重影响电子产品的性能和可靠性，甚至烧毁元器件，因此对芯片散热提出了极为严峻的挑战。2004年Intel所发表的技术瓶颈Technology WallThermal Wall说明，其CPU的发展暂时不再以提高操作频率为主而改以多功能整合方式取代2，就是因为散热问题无法解决。我国也在973计划2005年重要支持方向中设立了延长硅集成电路摩尔定律的重大专项。由此可见散热问题已从过去的次要因素而成为阻碍微电子技术进步的主要因素。1.2微热管基本原理、工作特点及其特性图1.1为热管的工作原理示意图。热管由三个基本部分组成：一是两端密封的容器图1.1热管工作原理图（管壳），多数做成圆管状；二是由多孔材料（金属网、金属纤维等）构成的吸液芯，覆盖在器壁的内表面；三是容器内充满一定数量的液体工作液体（工质）及其蒸气。将管内抽成一定的负压后再充以适量的工作液体，使管内壁的毛细吸液芯充满液体后加以密封。管壁的一端为蒸发段（加热），另一端为冷凝段（冷却），根据需要可在中间设置绝热段。当热管的一端受热时毛细吸液芯中的液体蒸发，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再由吸液芯的毛细力作用流回蒸发段，完成一个循环。如此循环不停，热量由热管的一端传至另一端，放给冷源。由此可见，当热管正常工作时，其内部进行着工质液体的蒸发、蒸汽的流动、蒸汽的凝结和凝结液的回流等四个工作过程，这四个过程构成了热管工作的闭合循环。热管的基本工作原理表明，热管内部的整个过程没有涉及任何机械运动部件，是在没有外部动力的情况下完成的，同时热管的导热是借助于饱和工质的汽化与凝结换热而实现的，这是一种相变换热即潜热交换过程，不仅传热强度很大，而且转传热量也可以很大。所以，热管的传热与一般固体以显著改变的方式传热有着质的不同，在数量上热管可以比一般固体导热大几个数量级，热管的导热能力不是一般导热器件或材料所能比拟的。通过分析可知，热管除了具有导热性能好、传热量大的特点外，还具有理想的等温性、热流密度的可调性以及传热方向的可逆性等特点，同时，它能适应各种类型的热源、能满足单向传热的环境要求即具有“热二极管”的作用、能设计成具有热开关等特性，此外还具有构造简单、重量轻、使用寿命长、故障率低等特点。综上所述，随着芯片功耗急剧增加，普通风冷散热器已接近强制对流换热能力的极限。影响风冷散热器效率的提高有两个因素。一是存在较大的扩散热阻，即由于CPU（热源）面积小于热沉而导致局部温度过高，热源大小与热沉温度分布关系示意图如图1.23所示。二是芯片至空气的平均热阻较大，如IBM4381多芯片组件采用的冲击空气冷却方案，芯片至空气的平均热阻为17。图1.2 热源大小对于热沉温度分布关系示意图如何降低这两个方面的热阻成为进一步提高散热效率的关键。采用热管可以解决这两个方面的问题。热管是一种高效率利用相变传热的热传导器，其热阻可以达到0.001。Fujikura公司开发出的一种称为“仙人掌”式热管，芯片至空气的平均热阻仅为0.5/W；如热管蒸发段的平板面积与CPU面积一致，则可大幅降低扩散热阻。可见热管散热器的效率比普通风冷散热器的效率提高了几十倍。而且在狭小空间内需要远距离输运热量以便散热的场合如笔记本电脑，必须使用热管。因此，热管技术必将成为未来微电子芯片及其系统散热的主流。1.2.1热管的传热原理决定着热管有以基本特性：热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。 1）、很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。 2）、优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 3）、热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。 4）、热流方向酌可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。 5）、热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。 6）、恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。 7）、环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。 图1.2相关曲线图图1.2表示了热管管内汽-液交界面形状,蒸气质量流量,压力以及管壁温度 Tw 和管内蒸气温度 Tv 沿管长的变化趋势.沿整个热管长度,汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。 Pc(毛细压头是热管内部工作液体循环的推动力,用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降 ，Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降 ，Pl和重力场对液体流动的压力降(Pg可以是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。 因此，Pc Pl +P v +Pg是热管正常工作的必要备件。 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种： (1)按照热管管内工作温度区分 热管可分为低温热管(2730)、常温热管(0250)、中温热管250450)、高温热管(450一1000)等。 1.3 微型热管技术的研究现状及其发展趋势1.3.1微圆热管国外研究现状国外许多科研机构和科技工作者都先后对热管冷却技术进行了大量的研究, 取得了卓有成效的研究成果。早在1978 年Brost 等报道了西德成功研制出用于大功率半导体元件冷却的热管散热器, 它的重量仅为传统散热器的五分之一4；二十世纪八十年代Peterson 等研制了一种类似柔性热管的用于电子器件或多芯片模块的热管装置, 并在以后的研究报告中给出了有关的分析和实验, 并提出了不凝结气体的形成、轴向冷凝的阻塞以及由于小蒸发面积而产生的沸腾极限等一些问题5, 它不仅引起了人们的广泛注意和兴趣, 还促进了热管技术在该领域的深入研究和应用。目前，国外微热管产品的核心技术(产品的设计和开发)只被美日少数企业所掌握。国内企业在微热管产品的关键技术上本身并不具备自行设计、研发及生产能力，只有少数几个台资企业为美日大企业进行代加工。由于美日企业量产成本及目标市场的策略考虑，台资企业近年才获得美日大企业的技术转移，通过消化这些技术并开始自主研发，才逐步拥有了微热管生产的一些关键技术。但国内其它企业对于高性能微热管技术的研究还处于起步阶段，没有自己的关键核心技术，离大规模化生产具有一定的差距。1.3.2微圆热管国内研究现状国内主要针对工业热管进行研究，而且主要是针对其性能进行研究，对微热管特别是其结构的研究文献报道较少。国内南京化工大学热管技术开发研究院和浙江大学等研究机构对平板热管进行了研究和试验，李菊香5的研究得出热管式均热平板在厚度方向上布置的圆孔通道，其孔径越小，孔间距越小，工作表面上的最大温差越小；蒋金柱、庄骏6设计了一种高导平板热管，采用加强筋增强平板的承压能力，并通过实验发现接触传热温差是传热温差的主要部分；牟其峥等针对矩形流动通道的平板热管进行了传热性能的试验研究，同时对其建立了数值模型，采用CFD软件进行了计算，发现蒸汽流动呈抛物线型分布，并随流速的增加，在汽液交界面处会出现蒸汽局部回流现象。胡幼明7针对一种新型平板热管进行了理论建模分析及金属丝网表面沸腾的实验研究；陆耶耶8对一种新型圆板热管特性进行了模拟及研究。1.3.3微热管技术的发展趋势随着微电子产品不断地往高性能、高功率以及轻薄短小化发展，热管面临着如何进一步提高性能、减小体积以适应散热空间日益减小、热流密度不断提高的发展趋势的挑战。微型热管是解决这一难题的关键。微型热管制造是微型热管发展和应用的关键。微型热管的制造方法对于热管研究人员来说非常重要。对于热管的研究，研究者们已经把注意力的焦点放到了热管的制造、发展和性能测试上。几种关于把微型热管作为硅晶片或者镓砷晶片组成部分的制造方法早已经被提出。热管的热传导能力及热阻很大程度上取决于吸液芯结构。目前应用于微电子芯片散热的热管吸液芯有烧结式、沟槽式、铜纤维式和丝网式。烧结式吸液芯如图1.1所示，其最大的特点是毛细压力高。但该种热管弯曲后性能降低，要保持较高的毛细压力，毛细有效半径必须很小，液体渗透率就不会高，回流阻力大；为了减少回流阻力，就要增大吸液芯截面积，这样会增加径向热阻，而且导致热管直径较大。因此这种吸液芯适合于直径为610mm的热管及大型的工业热管，不适应于外径在35mm之间的微小型热管，更不适应于直径小于3mm以下的微型热管，否则不但液体回流阻力大，而且蒸汽通道太小，影响蒸汽流动，从而降低热流量，特别是其内部复杂的结构（烧结层）限制了其成为制造直径很小（如直径小于1mm）的微型热管的可能。铜纤维式和丝网式也存在着类似的问题。沟槽式微热管无吸液芯，弯曲后性能无变化，稳定可靠；有较大的蒸汽流动通道； 图1.1 烧结式小型热管吸液芯结构 图1.2 小型热管及微沟槽表面 液体回流阻力远远低于烧结式吸液芯。而且，沟槽式铜基热管的吸液芯结构是在管内壁直接加工成形，其特点是重量轻，符合电子器件轻量化的发展趋势，不存在接触热阻，热响应快，尤其不存在烧结式吸液芯毛细压力提高3mm-6mm的光滑壁面梯形槽沟槽式圆热管，他们已开发出的直径6mm沟槽式小型热管一般为55沟槽、槽深约为0.2mm；华南理工大学现在制造技术研究所也通过高速充液旋压成形的方法开发出了直径为6mm的沟槽式小型热管，其热管沟槽数为6080、槽深约为0.2mm。同时液体回流阻力增大的矛盾。美国的Thermacore、Noren和日本的Furukawa、Fujikura以及Hitachi等公司正相继针对微电子行业开发外径。总之，尽管铜基小型热管在市场上已有较广泛应用，但由于国际企业竞争和商业技术保密等原因，适合光电芯片散热的微小型热管大规模低成本化加工技术与机理研究的报道极少。当前微小型热管的研究和应用还面临多方面困难：如微小型热管内部结构需要进一步优化；加工制造过程中对微热管的尺寸、形状、工质的充装量等的精确控制还面临很大的困难;一些微细结构的加工费用比较昂贵等9。目前，国内外开发的沟槽式圆热管的内部沟槽大多采用铜管高速旋压成形。旋压拉伸法制作的异型铜管用作手提计算机CPU散热的热管，管材外径3毫米6毫米，管内均匀分布4055条沟槽，沟槽深，尺寸精度高，具有良好的导热性能，并且由于管壳与吸液芯是一个整体，热管的刚性好，且工艺较简化，生产率较高。但是，其内壁微沟槽表面光滑，对性能影响极大的毛细压力不够、难以支持较高的回流量，尤其是冷凝端低于蒸发端放置时也会严重影响到热管性能，同时，小型热管的外表面质量较差，而且，设备也限制了小型热管外径尺寸变化的灵活性，因此限制了沟槽式小型圆热管的广泛使用，特别是有的小型热管沟槽是在管内壁直接加工成形，表面光滑，毛细压力同样不够，虽然热管的外表面质量没有因为加工而得到破坏，其外径尺寸也不易改变，其应用同样受到了限制，而且，同样由于加工刀具存在的原因，它也不能加工直径很小的微热管。总之，随着电子产品以及其它产品散热要求越来越高和电子制造等技术的进一步发展，传热能力大、体积更小、重量更轻和结构灵活的沟槽式超高性能薄壁微型热管将是国际上未来数年电子散热技术以及其它领域的散热技术的发展方向。因此，超高性能薄壁微型热管技术的研究开发，不仅成为当前电子领域中芯片散热等迫切需要解决的重要课题，而且对于促进微电子产业以及其它相关产业的发展和结构升级，提高产品的竞争力和附加值，都具有重要意义。1.4课题来源与本文的主要研究内容1.4.1课题来源指导老师的省科技厅科研课题1.4.2本文主要研究内容如下：1）微型热管加工的新方法即旋压（犁削）-拉拔复合成形法的研究。通过对两种沟槽式小型热管的加工方法即旋压成型法和旋压法的加工原理、加工质量、加工范围等方面的分析对比，总结其各自的特点，并通过分析指出，旋压（犁削）-拉拔法是小型沟槽式特别是微型沟槽式热管行之有效的加工方法。2）圆热管内壁微沟槽犁削成形机理与犁削成形实验研究。主要包括金属犁削成形概述、微沟槽犁削成形实验研究、小型圆热管内壁微沟槽犁削成形刀具设计、小型圆热管内壁微沟槽犁削成形加工。3）微型沟槽式圆热管拉拔成形机理与拉拔成形研究。主要包括管材拉拔成形概述、管材拉拔成形模具刀具的设计、管材拉拔成形实验研究以及微型沟槽式圆热管拉拔成形研究10。2 圆热管的旋压成形方法与研究2.1引言由前所述，利用内部工质的相变来实现电子器件的散热是一种高效的冷却技术，热管的特点决定了其必将成为未来微电子芯片及其系统散热的主流。微型热管由于具有很多的优良特性，因此，微型热管的应用已经越来越广泛，除了应用于电子冷却领域外，它还在生物学领域得到了应用。然而，国外微热管产品的核心技术(产品的设计和开发)只被美日少数企业所掌握，国内企业在微热管产品的关键技术上本身并不具备自行设计、研发及生产能力，只有少数几个台资企业为美日大企业进行代加工。随着微电子产品不断地往高性能、高功率以及轻薄短小化发展，热管面临着如何进一步提高性能、减小体积以适应散热空间日益减小、热流密度不断提高的发展趋势的挑战。沟槽式铜基热管的吸液芯结构重量轻、不存在接触热阻、热响应快，尤其不存在烧结式吸液芯毛细压力提高的同时而液体回流阻力增大的矛盾。但是，目前的小型旋压成形热管的沟槽表面光滑，毛细压力不够，限制了其应用，而且，目前的沟槽式热管制造方法也不适宜于用来加工直径很小的微热管。因此，研究出一种微热管的制造方法使沟槽式微热管的制造切实可行，提高沟槽式微热管的毛细力，在不增加重量和体积的前提之下，提高热管的性能，已是微热管设计制造的关键。为此，本章在对原有的沟槽式热管加工方法的加工原理以及加工特点分析的基础上，通过对沟槽式微热管制造以及管材拉拔成形的研究基础的分析提出了沟槽式微热管制造的新方法即犁削（旋压）-拉拔复合成形法。2.2沟槽式圆热管旋压成形法的特点分析2.2.1旋压成形法的原理微沟槽热管的加工过程如下：用拉拔工作台上的夹具夹持住铜管的一端，铜管的另一端悬空；高频电机带动旋压套圈以2高速旋转，套圈内的钢球绕铜管滚动，管内衬有带沟槽的多齿芯头，管材在拉拔力作用下前进，从而实现旋压成形。旋压机内部安装有定位模、旋压球（34个旋压球均布在滚道内）等。图2.1(a)所示为旋压加工原理图11。多齿芯头安放在铜管内部，由刀杆长度来确定其轴向位置，芯头轴向位置在加工过程中需保持不变。加工过程中，根据所需加工的微沟槽的尺寸及形状，确定芯头与旋压球的位置关系（包括径向与轴向尺寸的关系），选择相应的轴向拉拔速度、旋压速度和减薄量，使铜管和多齿芯头在旋压球的作用下作相对运动，产生局部塑性变形，进而加工出均匀的大深宽比微沟槽。整个加工过程如图2.1(b)所示。1旋压套圈；2旋压球；3铜管；4多齿芯头；1旋压球公转转速；2旋压器转速；3旋压球自转转速（a）旋压加工原理图1芯头固定台；2旋压机；3铜管；4拉拔工作台（b）旋压加工过程图2.1 微沟槽旋压加工过程示意图12微沟槽成形过程的实质是铜管内壁金属在多齿芯头、旋压球及轴向拉力的连续拉拔挤压作用下的局部塑性变形过程。沟槽成形过程主要包括两个阶段13，首先由多齿芯头在铜管内壁挤压出微沟槽，然后在拉拔力与旋压力的作用下微沟槽进一步成形。在旋压球的作用下，多齿芯头的齿顶挤进铜基管内壁，随着减薄量的增加，挤压量也增大，导致金属流动渐增，并处于复杂的应力、应变状态下，产生剧烈的塑性变形；随后，金属因挤压隆起形成翅片和微沟槽，在工件和芯头的相对运动下，不断地挤压隆起，周而复始，即加工出连续的微沟槽。选择合理的参数可保证微沟槽加工的连续性并获得接近最佳截面形状的微沟槽。图2.2所示为微沟槽旋压成形的几何模型。Dw1铜管基管外径；Dw2热管外径；Dd芯头齿顶直径；D旋压球直径；t0旋压前壁厚；t1旋压后壁厚；ap减薄量；W微沟槽宽度；微沟槽深度；L0芯头位置尺寸；F拉拔力；n0旋压器转速；n1旋压球自转转速图2.2 微沟槽旋压成形的几何模型122.2.2 旋压成形法的加工特点沟槽式圆热管加工的旋压成形法采用最常用的紫铜管作为微沟槽管的基管。紫铜熔点为1083，密度为8.9103kg/m3，为面心立方晶格，具有良好的导电性、导热性和耐蚀性以及优良的塑性，延伸率大于30%，易于热压或冷压力加工。旋压成形方法的优越性如下：（1）与硅的微加工相比，采用高速充液旋压法在铜管内壁加工微沟槽所用的设备简单，操作方便，投资少、效率高。（2）在多齿芯头与旋压球的挤压作用下，铜管壁会产生塑性变形，这不但使管壁的形状和尺寸发生了改变，而且使管壁金属的结构和性能也发生了变化。实验结果表明，加工后晶粒变细且呈纤维状延伸，表面纤维状晶体未被切断而只受挤压，流线分布合理，流动性能得到了强化，铜管结构致密，其强度极限和屈服极限增大，抗疲劳强度、耐磨性和耐蚀性显著提高，能充分发挥金属材料的潜在塑性。（3）内壁面的金属在多齿芯头与旋压球的压力作用下，经过复杂的塑性流动后发生塑性变形，从而形成最终的内壁面微沟槽。在整个微沟槽的加工过程中，只发生金属在塑性状态下的体积转移，而不需要部分地切除金属，因而材料利用率高。（4）旋压成形法能加工出沟槽数较多（采用高速充液旋压最多可达80齿）、齿槽较深且齿形排列规范整齐的小型热管。华南理工大学现代制造技术研究所采用高速充液旋压成形法加工出的小型热管如图2.3所示。图2.3 旋压成形热管12当然，根据旋压成形法的加工原理可知，该方法也存在着某些不足，主要表现为：（1）刀具加工要求高。刀具的齿型及其在旋压成形过程中的位置是影响微沟槽成形的关键因素。刀齿尖锐无圆角、刀具位置不适当，则刀具易崩刃损坏。（2）加工质量对加工参数的依赖性大。旋压器转速2、拉拔速度f、减薄量ap、工作温度是影响翅片成形的重要加工参数。提高旋压器转速可以提高被加工管的表面质量；在多齿芯头与旋压球的联合挤压作用下，过高的拉拔速度会使紫铜管表层金属产生较大的应变速率并使铜管壁变薄，从而导致金属变形过大，铜管断裂，使加工无法连续进行；减薄量过小则沟槽深度变小，过大则易导致断管并产生铜屑；高速旋压加工时工作温度场要保持稳定，在保证工作温度一定的情况下，拉拔速度对铜管表面质量有显著影响，如果拉拔速度太快则热管表面就会产生明显的波纹，其原理如图2.4所示。图2.4 波纹产生原理图（3）热管性能一般。微型热管内沟槽表面与芯头之间由于仅仅只有挤压变形，因而其表面比较光滑，毛细力较底。（4）工艺范围较窄。旋压成形法只适宜于直径为6mm左右的小型沟槽式圆热管加工，对于直径较小的热管则很困难，特别是对于直径3mm以下的微型热管由于受到芯头制造和使用的限制则几乎无法加工。3微圆热管旋压刀具的设计与制造3.1刀具加工原理采用充液增压方法, 配合多齿刀具和高速钢球旋压工艺加工微热管内壁沟槽。钢球旋压成形微沟槽的过程见图113, 该成形过程有三个主要特点: 加工的微热管具有直径小、壁薄、微沟槽数目多等特点; 加工过程中复杂的塑性变形会产生大量的热, 并伴随剧烈的颤振;多齿刀具形状较为复杂, 具有多几何参数变量。利用钢球旋压替代旋轮旋压可以简化旋压设备, 由于钢球都处于一个保持架上, 故各个钢球的球心位于同一个平面上, 因此可以保证薄壁小直径件的精密、高效加工。1. 刀具 2. 铜管 3. 旋压球图1 微沟槽成形过程示意图已有学者注意到在塑性加工过程中,模具与被挤压表面可建立稳定的动压油楔，但其研究均从润滑角度出发, 未能将同时存在的流体楔动压效应成形机理发展成为一种新的加工概念, 且未能将油楔挤压的独特优势加以利用。在已进行的充液增压钢球旋压微沟槽实验中, 充液增压工艺能减小拉拔阻力、提高拉拔铜管的表面质量, 即可以有效解决加工过程中的冷却、润滑和缓解颤振问题。多齿刀具的磨损和破损直接影响刀具寿命、生产成本、加工效率和加工质量, 同时,成形过程中的力、热、振动等也都与刀具密切相关, 因此, 研究多齿刀具的设计、制造、使用方法与破损机制具有十分重要的意义。在高速旋压球和多齿刀具联合挤压下, 刀齿劈开毛坯铜管( 基管) 内壁表面金属。在拉拔力的作用下, 随着压下量的增加, 金属沿轴向和径向流动, 金属在轴向的塑性变形使得铜管延伸变长, 在径向的变形形成翅片与微沟槽。图214 所示为变形前铜管基管和变形后的沟槽管轴向截面和横截面的金相显微组织。试样为A单相, 还有少量的Cu2O 夹杂物。从试样的平面显微组织可看出,晶粒有明显的拉长和变形, 试样的晶粒已接近纤维状; 在试样横向截面显微组织中也有明显的沿凸齿分布的流线型组织, 而且晶粒变细, 这种组织有利于增强热管的耐腐蚀性能。( a) 基管轴向 ( b) 沟槽管轴向截面显微组织 截面显微组织 ( c) 基管横向 ( d) 沟槽管横向截面显微组织 截面显微组织图2 基管与沟槽管管壁横截面与轴向截面显微照片143.2旋压成型刀具材料的选择(1)刀具材料应具备的性能在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和强烈的摩擦，刀具区产生很高的温度，受到很大的应力15。在加工余量不均匀的工件或断续加工时，刀具还受到强烈的冲击和振动，因此刀具材料16应具备以下基本要求：高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须比工件材料的硬度高，一般都在60 HRC以上。耐磨性是指材料抗磨损的能力。一般说来，刀具材料的硬度越高、晶粒越细、分布越均匀，耐磨性就越好。有足够的强度和韧性 切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振动，刀具必须具足够的抗弯强度和。一般说来，刀具材料的硬度越高，其和值越低，这两个方面的性能常常是矛盾的。一种好的刀具材料，应根据它的使用要求，兼顾以上两方面的性能并有所侧重。耐燃性高 耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能，也包括刀具材料在高温下抗氧化、粘结、扩散的性能，故耐热性有时也称为热稳定性。良好的耐热性是衡量刀具材料切削性能的一项主要指标。良好的工艺性能 作为刀具材料除具备上述性能外，还应具备一定的可加工性能，如切削加工性、可磨削性、热处理性能、焊接工艺性、锻造性能及高温塑性变形性能等。经济性 经济性也是评价刀具材料切削性能的一项重要指标。有些刀具材料虽然单位成本较高，但因使用寿命长，分摊到每一个零件上的刀具成本不一定高。(2)刀具材料种类及材料选择刀具材料种类虽然很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。下面对高速钢、硬质合金、陶瓷及其他超硬刀具材料进行介绍。高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢有很高的强度，抗弯强度为一般硬质合金的23倍；韧性也高，比硬质合金高几十倍。高速钢的硬度在63 HRC以上,且有较好的耐热性，在切削温度达到500650时，尚能进行切削。高速钢可加工性好，热处理变形较小，目前常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等）。高速钢刀具可以加工从非铁金属到高温合金的各种材料。硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成形后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金中的金属碳化物熔点高、硬度高、化学稳定性与热稳定性好，因此硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，加工效率高且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、端铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。陶瓷和超硬刀具材料陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度进行切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及表面粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为800012000 HV，密度为3.483.56g/。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等金刚石刀具不适于加工刚及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为65008000 HV，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基本材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成分及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在30004500 HV间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。另外，由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好，速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床夹具工件刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。陶瓷、金刚石、立方氮化硼等刀具材料虽然具有很好的综合性能，但由于材料价格昂贵，而被加工材料为材质较软的铜材，因此，不考虑使用上述刀具材料。涂层刀具具有高的抗氧化性和抗粘结性因而具有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力，涂层具有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力和切削温度，可大大提高刀具耐用度，但由于涂层刀具成本较贵，一般也很少应用。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，其切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度也很高，但与高速钢相比，硬质合金的强度低得多，断裂韧度也较差，不能象高速钢刀具那样能够忍受大切削振动和冲击负荷。此外，硬质合金的工艺性较差。高速钢具有较高的热稳定性，高的强度，具有一定的硬度和耐磨性，特别是其刀具制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，特别适合用于复杂刀具的制造。由于旋压刀具结构非常复杂,故采用具有较好综合性能的W18Cr4V(简称W18)作为刀具材料。3.2.1刀具形状与微沟槽截面形状的关系在充液钢球旋压成形中,刀具的齿形对微沟槽的截面形状起决定作用。刀齿的前刀面具有劈切作用,刀齿挤压进铜管壁内后,在旋压力和拉伸力的综合作用下又对微沟槽起定形的作用,因此,多齿刀具齿形参数设计和刀具几何形状设计是刀具设计的关键。另外,刀具两端面圆弧角度的设计也是必要的,否则,刀具在工作过程中刀齿的受力状况会变差,实验中取端面圆弧半径R=0.3mm。图3.1为多齿刀具形状及其加工的沟槽横截面形状扫描电镜图。 (a)梯形截面齿形刀具及其加工的沟槽管 (b)曲线截面齿形刀具及其加工的沟槽管图3.1刀具形状及其加工的微沟槽截面形状扫描电镜图173.2.2 刀具位置对微沟槽壁面形状的影响刀具位置对微沟槽壁面形状的影响在微型多齿刀具和钢球旋压加工微沟的过程中, 刀具的工作位置对微沟槽的壁面形状及沟槽走向有着直接的关系。在图1 所示的ox y 坐标系中, 设刀具前刀面中心在x 轴的坐标为L 0 , 实验发现: 当0 L 0 3. 0mm 时, 加工的微沟槽为直齿矩形光滑壁面; 当- 0. 5mm L0 0 时, 加工的微沟槽为直齿阶梯状壁面; 当- 1. 0mm L 0 3. 0mm 时, 也可以加工出直齿光滑壁面微沟槽, 但拉拔力较大, 在具体应用时还要综合考虑刀具的总长度。图6 为刀具处于不同工作位置时加工出的微沟槽的扫描电镜图。 ( a) 直齿光滑壁面微沟槽( b) 直齿梯状壁面微沟槽图6 刀具在不同工作位置时加工的微沟槽壁面形状17图6刀具在不同工作位置时加工的微沟槽壁面形状173.3旋压多齿刀具结构设计多齿刀具的设计基于以下两个原则：确保加工过程连续、正常地进行为此，根据目标热管外径为60mm，铜管基管外径为70mm、壁厚为04045mm的要求，设计芯头外径为5.6mm；同时，要保证多齿芯头与旋压球的相对位置正确，确保芯头相对4个钢球形成的最小当量直径处的径向与轴向尺寸满足一定的几何关系，通常可取芯头端面距离最小当量直径处的轴向尺寸为0mm，也可以越过最小当量直径处12mm；另外，芯头顶部刃口需具有小的圆角过渡，圆角半径可取为0.3mm芯头距离旋压球最小当量直径处越近，受到的旋压力越大，芯头寿命就越短，易导致芯头崩刃或被挤压钝化芯头的形状与工作位置直接影响微沟槽的壁面形状与结构，而且周向要留有自由度，否则会导致铜管内壁面金属脱离基管或产生毛翅，使微沟槽残缺。获得较优结构形状的微沟槽根据传热学理论及热管性能试验结果，较优的微沟槽形状为矩形或倒梯形在塑性变形过程中，金属在旋压球和挤压刃部的劈切挤压作用下，于多齿芯头的齿槽间成形为使金属流出顺畅并获得较佳的沟槽形状，芯头本身的沟槽形状也应该是矩形或接近倒梯形的。此设计中取初始小型圆热管外径D0为7mm，壁厚t为0.42mm，微沟槽个数n、微沟槽名义深度hp及沟槽宽度则根据微热管优化理论以及旋压后需要形成的微小型热管尺寸确定。微沟槽横截面如图4.2所示（即旋压出的内齿结构形状近似于矩形最好为梯形）。图3.2 微沟槽横截面图设计内齿结构形状为梯形，其原因，主要考虑到微型热管制造在后续的拉拔工序中的变形规律要求，拉拔道次越多即需要最后成形的微热管直径越小，则微沟槽制造的相应刀具的齿顶和齿根的厚度差别越大。其二是为了刀具加工的方便（可使用一般的铣削加工和磨削加工）；根据上述微沟槽旋压机理的研究和微型热管加工特点的分析，微型热管旋压成形用多齿刀具前端设计成锥面，起到导向作用，便于刀具在管内的进给。主体为圆柱面，这是和微型热管的结构相适应的。刀具的刀齿数目和宽度则根据旋压后需要成形的微小型热管的微沟槽要求确定。刀具单个刀齿的几何角度与形状则根据上述旋压机理的分析确定。设计出的某种刀具形状（60齿）如图3.3所示。刀齿部分采用淬火18热处理，HRC为60。 (a) 刀具结构 (b)横截面图 图3.3多齿刀具图3.4为CAD绘制的该旋压刀具的平面图图3.4刀具平面图3.4 多齿刀具的寿命研究多齿刀具的磨损和破损直接影响刀具寿命19、生产成本、加工效率和加工质量，同时，成形过程中的力、热、振动等也与芯头密切相关。因此，研究多齿刀具的使用方法与破损机制具有重要的意义。 （1）实验平台 本实验在自行研制的钢球高速旋压机上进行，实验用多齿刀具采用上文中所加工的刀具，刀具表面硬度为 HRC5862，刀具材料选 GCr15 轴承钢、W18Cr4V 高速钢。旋压机的旋压速度 8000r/min，拉拔速度 305mm/min，下压量0.45mm，轴向沟槽管出模温度小于 50，30号机油充液增压冷却、润滑，工件材料为紫铜管。 实验观察分析设备： 采用日本 JSM-6380A扫描电镜和 IM小型工具显微镜对多齿刀具表面形貌进行分析。 （2）多齿刀具的磨损与破损分析 在充液钢球高速旋压过程中，金属发生塑性变形后在多齿刀具齿顶面及齿槽内流动，刀齿要承受此塑性流动带来的摩擦应力和接触应力，同时，也要承受因钢球的高速旋转带来的大小和位置不同的机械冲击及塑性变形带来的高温加热。 GCr15多齿刀具选用 GCr15轴承钢做芯头材料，主要是考虑其具有高的弹性极限和接触疲劳强度。但试验证明，GCr15轴承钢的强度较低，其退火态屈服强度一般在353382 Mpa之间，淬火加回火时的屈服强度一般在 16671814 Mpa之间， 不能承受在较高温度下微沟槽成形时的机械冲击。 采用GCr15轴承钢多齿刀具加工微沟槽时， 刀具在受到反复的热应力、摩擦应力和接触应力作用后，容易在距刀具表层一定深度下的材料的内部产生接触疲劳裂纹源，当机械冲击造成的应力超过芯头材料的许用应力时，将会导致断齿或压溃。因此， 其失效形式表现为刀齿折断或压溃， 如图3.5所示。 同时， 也对硬度分别为 HRC58、HRC60和 HRC62的三把 GCr15轴承钢多齿刀具进行了成形微沟槽试验， 发现硬度的变化对GCr15轴承钢刀具的耐用度没有显著影响。 W18Cr4V多齿刀具选用 W18Cr4V高速钢做刀具材料，主要是考虑到 W18Cr4V高速钢过热敏感性好，具有更高的强度、红硬性和耐磨性，其抗弯强度达 3.5Gpa。W18Cr4V 高速钢刀具在成形微沟槽的过程中，其失效形式如同其他金属切削方式的刀具正常磨损规律类似，主要表现为磨损。经过多组试验后，用工具显微镜测量 W18Cr4V 高速钢刀具在加工前与加工后的外径尺寸，结果发现尺寸基本没有变化，说明刀具磨损量极小。图 3-6为W18Cr4V 高速钢刀具（已加工过300米长的沟槽管）的电镜图。 a）断齿 b）压溃 图3.5GCr15 刀具失效形式电镜图 20图3.6 W18Cr4V 刀具电镜图 20 （3）多齿刀具耐用度实验结论 试验结果表明，多齿刀具的损坏形式主要表现为磨损和破损，其损坏形式随刀具材料的不同而不同。 当采用 GCr15 轴承钢刀具加工圆热管内壁微沟槽时，加工 35 米长的轴向沟槽管后，就会出现断齿现象，刀具寿命短，其失效形式主要是断齿与压溃。 当采用 W18Cr4V 高速钢刀具加工轴向沟槽管时，加工 300 米的轴向沟槽管后仍然能继续使用，刀齿磨损量不足 0.01mm，磨损量极小，刀具寿命长，其失效形式主要表现为磨损。图3.7所示为两种材料的多齿刀具的耐用度对比图。 图3.7 刀具耐用度对比 本章小结( 1) 充液高速钢球旋压加工过程中, 微型多齿刀具的齿型决定微沟槽的截面形状, 刀具的工作位置影响沟槽壁面形状及沟槽走向。刀具失效形式随刀具材料不同而不同, 也受刀具工作位置的影响。( 2) 当采用GCr15 加工圆热管内壁微沟槽时, 刀具的失效形式主要是断齿与压溃。主要是因为高速钢球旋压过程中带来的机械冲击、接触应力和铜管壁发生塑性变形中产生的大量热使刀齿受到的综合应力超过了刀具材料的许用应力,致使刀具断齿、压溃, 且刀具寿命短。( 3) 当采用W18Cr4V 刀具加工圆热管内壁微沟槽时, 刀具的失效形式主要表现为磨损, 且磨损量小、刀具寿命长。4 旋压刀具的制造 常规金属切削刀具已具备成熟的加工工艺规范可按照标准进行批量化的高效制造。而微型刀具特征尺寸微小，结构强度相对较低，无法采用常规方式加工。 目前，对特征尺寸小于0.1mm的刀具,国内外主要采用聚焦离子束溅射和电火花磨削等特种加工方法进行刀具制备21。聚焦离子束加工精度较高，但设备复杂、昂贵，刀具加工速度慢，使用成本很高，不适应微型刀具批量化制造的要求。 电火花磨削技术主要适应于轴类零件的加工，