（机械制造及其自动化专业论文）整体式散热片加工基础研究及装备设计.pdf

摘- t - 摘要 随着芯片的集成度、功率的日益提高以及产品的微型化，电子产品所 产生的热量大大增加，电子器件的冷却问题变得越来越突出。目前，成熟 的电子设备散热方式主要有：自然冷却、强迫空冷、液体冷却、冷板、相 变冷却、热管等。由于外形尺寸、加工成本及冷却剂泄露等因素的影响， 散热片仍是最经济、最可靠的散热方式。 目前散热片的制造方法主要有：挤压、焊接、铸造等，挤压散热片翅 片间距受模具强度的限制无法做到更密，与空气的实际换热面积受限制。 焊接散热片可以做到非常密集，但工艺复杂，翅片和基体之间存在接触热 阻。铸造散热片形状可以制造得复杂，满足空气动力学要求，但成本高。 依据当前散热器使用及生产中面临的种种问题，日本学者最早提出了利用 铲削的方法加工整体散热器。与上述散热片相比，整体式散热片具有加工 方便、设备成本低、产品翅片密度高和热阻低的优点。 依据整体式散热片的加工原理，本文首先在牛头刨床的基础上设计制 造了整体式散热片的实验平台，并进行了相关的实验。研究了切削速度、 切削角度、背吃刀量对散热器翅片加工质量的影响。以及不同切削速度、 切削角度、背吃刀量和切削宽度下切削力的变化的经验公式。为后面散热 片加工专机的设计打下了基础。 根据实验结果及整体式散热片的加工特点设计制造了一台专用的整体 式散热片加工机床。采用封闭式的刀架滑台结构，提高其刚性；可以方便 地对刀具倾角、高度进行调节。采用步进电机通过丝杠螺母机构带动工件 夹具完成进给，可大大提高进给的精度。采用p l c 控制机床的运行，可以 实现主动电机与步进电机之间的联动，控制机床工作台快进、快退、不同 距离的工进等。并能监测工件的加工过程，对工件进行自动切断。 关键词：散热片；机床设计；p l c ：铲削；铝材加工 广东工业大学硕士学位论丈 a b s tr a c t a bs t r a c t w i t hi m p r o v i n gi n t e g r a t i o na n dp o w e ro ft h ec h i pa n dm i n i a t u r i z a t i o no f p r o d u c t ，m o r ea n dm o r eh e a ti sp r o d u c e dw h e ne l e c t r o n i cp r o d u c t sa r ea tw o r k s oc o o l i n gp r o b l e mo fe l e c t r o n i cd e v i c e sb e c o m e sm o r ep r o m i n e n t a tp r e s e n t ， m a t u r et e c h n o l o g yf o re l e c t r o n i cc o o l i n gi n c l u d en a t u r ec o o l i n g ，f o r c e da i r c o o l i n g ，l i q u i dc o o l i n g ，p h a s ec h a n g ec o o l i n g ，h e a tp i p ea n ds oo n i n f l u e n c e d b ye x t e r n a ld i m e n s i o n s ，p r o c e s s i n gc o s ta n dc o o l a n tl e a k ，c o o l i n gf i ni so n eo f t h em o s te c o n o m i c a la n de f f e c t i v eh e a td i s s i p a t i o nm o d e b a s i cm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yn o wi n c l u d e e x t r u s i o n ，w e l d i n g ，c a s t i n g a n ds oo n f i nm a d eb ye x t r u s i o nc a n n o tb ei n t e n s i v eb e c a u s eo fd i es t r e n g t h ， a c t u a lh e a tt r a n s f e ra r e aw i t ht h ea i ri sl i m i t e d f i nm a d eb yw e l d i n gc a nb e i n t e n s i v e ，b u ti t sp r o c e s si sc o m p l e xa n dt h e r ei st h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e b e t w e e nt h ef i na n db a s e p l a t eh e a ts i n k c a s t i n gh e a ts i n kc a nb em a d ei nv e r y c o m p l e xs h a p e s t h a tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fa e r o d y n a m i c s ，b u ti t s m a n u f a c t u r i n gc o s ti sv e r yh i g h a sar e s u l to ft h ep r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o n a n dp r o d u c t i o no fh e a ts i n k ，i n t e g r a lc o o l i n gf i np r o c e s s i n gm e t h o db a s e do n b a c k i n g - o f fc u t t i n gw a sp r o p o s e db yj a p a n e s ee x p e r t s c o m p a r e dw i t ht h e h e a ts i n km e n t i o n e da b o v e ，i th a st h ea d v a n t a g eo fe a s y p r o c e s s i n g ，l o w e q u i p m e n tc o s t s ，h i g hf i nd e n s i t ya n dl o wt h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt om a c h i n i n gp r i n c i p l e o fi n t e g r a l c o o l i n gf i n ，f i r s t l y ，a n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o ri n t e g r a lc o o l i n gf i ni sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d o nt h eb a s i so fs h a p i n gm a c h i n ea n dr e l a t e de x p e r i m e n t a li sd o n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc u t t i n g s p e e d ，c u t t i n ga n g l e ，b a c kc u t t i n gd e p t ha n d p r o c e s s i n gq u a l i t yo fh e a ts i n ka r es t u d i e d a n dc h a n g el a wo fc u t t i n gf o r c e u n d e rd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r si ss u m m a r i z e d ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h ed e s i g no fp r o c e s sm a c h i n e a s p e c i a lm a c h i n et o o lf o ri n t e g r a lc o o l i n gf i ni sd e s i g n e do nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c i th a sh i g hr i g i d i t yb y u s i n gc l o s e d t o o lc a r r i e rs t r u c t u r e t o o ls l o p e a n g l ea n d h e i g h t c a nb e 广东工业大学硕士学位论文 a d j u s t e de a s i l y s c r e w n u tp a i r sd r i v e nb ys t e p p e rm o t o r i sa d o p ti nf e e d s y s t e m ，w h i c hc a ni m p r o v ef e e da c c u r a c yg r e a t l y t h e m a c h i n et o o li s c o n t r o l l e db yp l c ，t h ef u n c t i o n so ff a s tf o r w a r d ，f a s tb a c k w a r da n dd i f f e r e n t w o r k i n gf e e dc a nb er e a l i z e d i tc a nm o n i t o rt h em a c h i n i n gp r o c e s so fh e a t s i n k ，c u t t i n go f ft h ew o r k p i e c ea u t o m a t i c a l l yw h e np r o c e s s i n gi sc o m p l e t e d k e y w o r d s ：h e a ts i n k ；m a c h i n e t o o l d e s i g n ；b a c k i n g - o f fc u t t i n g ；p l c ； a l u m i n u mp r o c e s s i n g i v 广东工业大学硕士学位论文 co n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) “i v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t 1 1 2c o o l i n gm e t h o d so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s 2 1 3d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fc o o l i n gf i n 3 1 3 1d e s i g nb a s i so fc o o l i n gf i n 3 1 3 2p r o d u c t i o nm a t e r i a l sa n dp r o c e s s i n go fc o o l i n gf i n 4 1 4r e s e a r c hs t a t u s 7 1 5r e s e a r c hc o n t e n t sa n dc h a p t e ra r r a n g e m e n t 9 1 5 1s o u r c eo ft h es u b j e c t 9 1 5 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t 9 c h a p t e r2m a n u f a c t u r i n go fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dm a c h i n i n g e x p e r i m e n t s 1 0 2 1p r o c e s s i n gt h e o r yo fi n t e g r a lc o o l i n gf i n 1 0 2 2d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 1 1 2 3m a t e r i a ls e l e c t i o no fc o o l i n gf i n 1 6 2 4m a t e r i a ls e l e c t i o na n dg e o m e t i cp a r a m e t e r so ft o o l 16 2 4 1m a t e r i a ls e l e c t i o no ft o o l 16 2 4 2g e o m e t i cp a r a m e t e r so ft o o l 17 2 5g e o m e t r i cr e l a t i o no ff i nf o r m i n g 18 2 6m a c h i n i n ge x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s 1 9 2 6 1e f f e c to ft o o la n g l eo nc u t t i n gf o r c ea n df i nq u a l i t y 19 2 6 2e f f e c to fc u t t i n gs p e e do nc u t t i n gf o r c ea n df i nq u a l i t y 2 6 2 6 3e f f e c to fb a c ke n g a g e m e n to fc u t t i n ge d g eo nc u t t i n gf o r c e a n df i nq u a l i t y 3 0 c o n t e n ts 2 6 4e f f e c to fc u t t i n gw i d t ho nc u t t i n gf o r c e 3 4 2 6 5a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 7 ：! 7 s u m m a r y 3 9 c h a p t e r3t h eo v e r a l ld e s i g no fm a c h i n et 0 0 1 4 1 3 1b a s i cr e q u i r e m e n t so fm a c h i n et 0 0 1 4 1 3 2b a s i cp r i n c i p l ed e s i g n 4 1 3 3o v e r a l lp r o g r a m d e s i g n 4 3 3 4s u m m a r y 4 5 c h a p t e r4m e c h n i c a ls t r c u t u r ed e s i g na n dm e c h i n c a la n a l y s i s 4 6 4 1m e c h n i c a ls y s t e mc o m p o n e n t s 4 6 4 1 1s t r u c t u r a ld e s i g no fb e d 4 6 4 1 2s t r u c t u r a ld e s i g no fc u t t i n gs y s t e m 4 7 4 1 3f e e ds y s t e md e s i g n 5 0 4 1 4p o w e ra n dt r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n 5 8 4 1 5c o o l i n gs y s t e md e s i g n 5 9 z i 2m a i nc o m p o n e n t sc h e c k 6 0 4 i ：! 1b e dc h e c k 6 0 4 2 2w r o r k t a b l ec h e c k 6 2 z i 2 3t o o ls u p p o r tc h e c k 6 3 4 2 4s c r e w - n u tp a i r sc h e c k 6 4 z 1 3 s u m m a r y 6 5 c h a p t e r5c o n t r o ls y s t e md e s i g n 6 6 5 1g e n e r a lp r i n c i p l e so fc o n t r o ls y s t e m 6 6 5 2c o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o n 6 6 5 3c o n r o lc i r c u i to fm o t o r 6 7 1 ；4s t e p m o t o rd r i v e rs l e c t i o na n dc o n n e c t i o n 6 8 1 ；5p r o x i m i t ys w i t c hs l e c t i o n 7 0 5 6p l cs l e c t i o na n dp r o g r a md e s i g n ：7 0 5 6 1p l ci n t r o d u c t i o na n df u n c t i o nr e q u i r e m e n t 7 0 5 6 2p l ct y p ed e t e r m i n a t i o n 7 1 i 广东工业大学硕士学位论文 5 6 3p l ci oa d d r e s sa l l o c a t i o na n dw i r i n gd i a g r a m 7 1 5 6 4p l cp r o g r a md e s i g n 7 2 5 7s u m m a r y 7 6 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s 7 7 r e f e r e n c e s 7 8 p u b l i c a t i o nd u r i n gp o s t g r a d u a t es t u d y 8 2 d e c l a r a t i o n 8 3 c o p y r i g h ta u t h o r i z a t i o ns t a t e m e n t 8 4 a c k n o w l e d g m e n t 8 5 x 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖记 1 1 研究背景和意义 电子工业正成为21 世纪第一大产业，电子工业的水平与规模己成为衡 量一个国家综合国力的重要标志之一。到2 0 0 4 年我国电子信息产业销售收 入达到2 6 5 万亿元，对g d p 增长的贡献率达13 9 。2 0 10 年全行业销售 收入达到7 8 万亿元，同比增长2 9 5 ，约占全国g d p 的7 。2 0 11 年产 业发展仍是机遇与挑战并存。预计全年电子信息制造业增加值增长约15 。 因此国家在“十二五规划中己将电子信息产业作为整个经济发展的重要 组成部分。 当今电子工业正处在飞速发展的道路上，电子设备出现高速度、高密 度、微型化的发展趋势。单以中央处理器c p u 为例，过去数十年的研发才 使其频率达到lg h z ，而从本世纪初到现在，短短五年多的时间，处理器 的最高频率已经突破4 g h z 大关。晶体管数量的增加大大提升了处理器的 执行效率，但随之而来的问题就是功耗及发热量直线上升【。 表1 i 高低温时部分元件失效率及比值 t a b l ei - if a i l u r er a t eo fs o m ec o r n p o n e n t si nh i g ha n dl o wt e r n p e r a t u r e 基本失效率( 失效次数10 6 小时) 元器件名称t 高低温失效比率 高温( 9 0 i6 0 )低温( 4 0 ) 晶体管 0 0 6 40 0 0 812 0 8 ：1 玻璃和陶瓷电容0 0 0 2 90 0 0 0 98 53 2 ：l 变压器和线圈 0 0 0 2 6 7o 0 0 l4 52 7 ：l 电阻( 碳膜电阻)0 0 0 6 30 0 0 0 25 03 0 ：1 集成电路芯片 0 5lo 0 0 6 85 0 7 5 ：l 热失效己成为高集成度电子设备的主要失效形式。研究表明，单个半 导体原件的温度升高l0 。c ，系统的可靠性降低5 0 ，表1 一l 为电子元件的 失效率随温度的变化。对目前高集成度芯片而言确保高热流密度条件下电 子设备热量能及时排出，是其设计必须考虑的一个重要方面。若不对其热 性能进行深入的研究，并采取相应的措施，将严重影响高集成度电子设备 广东工业大学硕士学位论文 的热可靠性。因而研究怎样更好的把电子设备上产生的热量散发出去已成 为电子制造业一个迫切需要解决的问题。 1 2 电子设备冷却方式 目前电子设备的冷却方式主要有以下几类：自然冷却技术、强迫冷却 技术、蒸发冷却技术和其他冷却技术( 如热管、热电制冷等) 。 1 自然冷却技术自然冷却是通过热传导、对流和辐射的作用将电子 设备产生的热量散发到周围的空气中，以达到冷却目的。对于自然对流冷 却，最常用的是挤压成型或冲压成型的矩形直肋散热器。自然冷却是目前 最简单、最经济的电子设备冷却方法，而且散热的可靠性很高，但散热量 不大，一般用于热流密度不大的设备。 ，e = 乏= = 习 觚阳。胁一4 山删一鼬s 破 图i i 风冷散热原理图卜2 液冷散热器 f i g 1 - ip r i n c i p l eo fa i rc o o l i n gf i g i - 2l i q u i dc o o l i n g 2 强迫冷却技术强迫冷却技术是利用通风机和泵，驱使工作流体流 经发热表面，把热量带走的一种冷却方法。在电子设备中，强迫风冷( 图 1 1 ) 的能力比自然散热大十倍左右，而强迫液冷( 图1 2 ) 的散热能力比 风冷还要大十倍以上。但是，强迫冷却系统与自然冷却系统相比较，成本、 噪声和复杂性增加了。对强迫液冷系统而言，尺寸和重量也都增加了。因 此，从可靠性角度而言，强迫冷却系统不如自然散热系统。 3 蒸发冷却技术电子设备用的蒸发冷却技术通常包括两种形式：直 接浸没式蒸发冷却技术和间接式蒸发冷却技术。直接浸没式蒸发冷却技术 是将电子功率器件直接浸没于冷却剂，利用器件工作时发出的热量直接加 热冷却剂并使其沸腾。在冷却剂由液相变为气相的过程中吸收汽化潜热， 第一章绪论 以达到控制器件温升的目的。间接式蒸发冷却技术是各类功耗电子器件不 与冷却剂直接接触，电子器件耗散的热量以导热的形式传给冷却剂。 4 热管技术热管实质上是一种具有密封结构的空心管。管内含有吸 液芯，其作用是蒸发时传递含有大量热量的液体以及冷凝时将液体带回起 点。热管的工作过程是在没有外部动力，没有机械运动零件，没有噪声的 情况下完成的，而且设计极为简单有效，传递的热量比固态金属大几百倍。 因此热管在电子设备冷却技术领域得到了广泛的应用。但是热管具有传热 极限，有时还存在起动困难的问题。 5 热电制冷技术热电制冷是建立在帕尔贴效应基础上的一种电制冷 方法，其制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。它具有无噪声和 震动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂等优点。热电制 冷技术在恒温和功率密度大的系统中得到了广泛应用，同时还可以用来冷 却低温超导电子器件。但是它又具有制冷量小和制冷系数低的缺点。故热 电制冷设计和使用的关键是提高该制冷器能效比及其经济性来克服其不足。 电子设备冷却方式选择的主要依据是根据电子设备发热密度即单位面 积发热功率或单位体积发热功率来选择的1 2 】，除需要具备很强的散热能力 之外，电子设备的工作特点决定了其冷却系统还需满足可靠性、性价比、 集成三个方面的要求。液体冷却技术、相变冷却技术和其他冷却技术，由 于受到技术和制造成本的限制，仍局限应用于少量高热流密度的高端电子 设备中或仅在实验室内进行研究，而不能得到广泛的应用。因此，利用散 热片的自然或强迫风冷技术仍是电子设备冷却最经济最可靠的手段。 1 3 散热片设计与制造 1 3 1 散热片设计基础 我们通常把散热片视为一个整体，认为“散热”是其主要功能，其实 不然，根据功能进行细分，散热片要具有吸热、储热和散热的功能。相应 的散热片的设计也要考虑三方面的内容： ( 1 ) 吸热吸热代表热量由发热设备至散热底部的传导过程，是整个 散热过程的开始。对发热密度高的电子设备而言，高效的吸热设计更有利 于热量的传导。而吸热设计是否高效，则取决于吸热底部的材质、储热能 3 广东工业大学硕士学位论文 力及散热片的加工工艺。 ( 2 ) 导热翅片是散热片与周围环境进行热交换的主要场所，无论热 辐射还是热对流均依靠翅片完成。因此，要迅速散发散热器底部吸收井储 存的热量，就必须将热量传导至翅片的每个部分，以增大热交换面积。吸 热底部与翅片间的结合方式和连接面积对散热器导热能力有重大影响。 ( 3 ) 散热从本质上看，散热片的吸热、导热设计都是为散热服务的。 不论是被动的空冷散热器，还是需要风扇强制对流的主动散热器，翅片的 职责都是通过与周围环境( 空气) 的接触进行热交换，翅片的设计与加工 工艺构造出散热设计的重点所在。 自然，散热片的设计存在许多难题。如翅片越多、表面积越大，与空 气的接触面自然也就越广，因而能获得更好的热交换效果。但是过于密集 的翅片会增加风阻，影响空气流通，增加散热片的制造难度，提高制造成 本。因此优秀的翅片设计，往往是多个互相矛盾的因素间取得最佳平衡的 结果。 目前散热片的设计己渐渐趋向极限，空气冷却方式将无法满足需求， 未来的散热片设计将结合其他散热原件及方式如热管、水冷等，使得散热 设计更为弹性化及多样化，不论如何，散热片由于其低廉的成本、易于加 工、安装方式灵活可靠等优点，仍然是使用最广泛的散热设备【3 i 。高效能 散热片的设计可配合c f d 分析软件做整体分析，以了解气流及传热状况， 不必迷信复杂形状的散热片，简单板翅型散热片做横切等加工就可取得不 错的效果。 1 3 2 散热片生产材料与加工工艺 散热片材料的选择和加工工艺对散热片的散热性能的影响有很大的关 系。材料的选择上从最开始的铝到铜，发展到现在的铜铝结合，加工工艺 也有挤压工艺、折叶工艺、塞铜工艺、回流焊接工艺等。 传统散热片材料为铝，铝的热传导性可达2 0 9 w m k ，加工特性佳， 成本低，因此应用非常广。而由于散热片性能要求越来越高，因此对于散 热片材料热传导性能的要求也更为殷切，各种高传到性能材料的需求也越 来越高。铜的热传导率位3 9 0w m k ，比铝的传导率增加7 0 ，而缺点 4 第一章绪论 是重量是铝的三倍，而且更难加工，成本更高。但是当散热器的应用场合 更加注重于传导特性时，铜通常可作为铝的替代品。此外，铜制散热片的 底部具有更高的热扩散效率，可降低热阻。 作为一种常用的散热器加工材料，其最重要的性质应该是：良好的热 传导性、易加工性、低重量、低热膨胀系数、低毒性以及低成本。许多新 材料如碳为基材的化合物、金属粉末烧结，化合的钻石以及石墨等，虽然 其物理特性高于铝，但是价格也贵了许多倍。表1 2 为不同散热片材料性 能比较。 表1 2 散热片材料性能 t a b l e l 一2m a t e r i a lp r o p e r t yo fc o o l i n gf i n 热膨胀系数( p p m ) 热传导系数( w m k ) 纯铝 2 3 2 0 9 纯铜 l73 9 0 铜钼合金 7 2l9 5 铜2 0 钨8 0 72 5 0 铜石墨合金 2 3 5 0 a l s i c6 5 8 01 8 0 2 l o 硅3 3 4 2 l5 0 许多散热片的设计由于忽略了加工工艺的概念，使得研发产品的可靠 度及成本成为最后量产的障碍。由制造方式来看，散热片的制造工艺可分 为下面几种： ( 1 ) 挤压散热器的挤压工艺历史已非常悠久，现在一半以上的散热 器都是采用挤压工艺制造的，所以挤压工艺已经相当成熟。挤压工艺的优 点在于技术成熟，成本较低。不过随着电子芯片电流密度的不断增大，其 缺点也逐渐暴露出来，由于受模具强度的限制散热器翅片的密度比较低， 不能满足飞速发展的电子设备的散热要求。所以在未来的主流电子设备散 热器上，挤压工艺的散热器将成为历史。 ( 2 ) 折页折叶工艺的基本做法是采用金属折叶。它可以让有效散热 面积随着叶片的增加而增加。但是与挤压工艺相比，折叶工艺显得比较复 5 广东工业大学硕士学位论文 杂，很多厂家对金属折叶和底部紧密接触都做得不是很好。所以折叶工艺 一般应用于高端散热器的制造上。 ( 3 ) 塞铜塞铜工艺是一种铜铝结合工艺，一般是将铜片嵌入到铝制 底板中。由于铝制散热器底部的厚度有限，嵌入铜片的体积也受到限制。 增加铜片的主要目的是加强散热器的瞬间吸热能力，由于与铝制基板的接 触面积有限，所以大多数情况下，这种铜铝散热器比铝制散热器的散热效 果好不了太多，而且在接触不良的情况下，甚至会妨碍散热。 ( 4 ) 回流焊接一般应用于采用铜材料的散热器上，其加工原理是将 一片片薄的铜片制作成翅片，并且与底座进行很好的连接，这个原理就是 焊接技术。回流焊接就是通过计算机对焊接的温度和时间参数进行精确设 定，从而使焊膏和被焊接的金属充分接触。这种加工工艺可以用来制造翅 片密度非常高的散热器，但是由于其复杂的加工工艺，一般应用于高端散 热器的制造上。另外，由于其翅片和基体之间存在焊接热阻，严重影响其 散热性能的提高。 ( 5 ) 铸造将熔化的金属加压到金属模中，以产生精确尺寸的原件。 此技术可生产高密度的针状散热片。模具费用比较高，故只适合大批量的 生产。工件凝固时产生的气孑l ，对散热片的散热性能有很大影响。 ( 6 ) 锻造锻造散热片是用非常高的压力敲击的方式将金属材料压入 模中使翅片成型，可能遇到的工艺上的问题是材料会阻碍在模具中，使得 散热片翅片高度不一。热锻造比较容易，而冷锻造可制造较密集，强度较 高的散热片。锻造散热片的优点包括高强度、低表面粗糙度以及材质的均 一性。另外锻造方式生产的散热片具有较高的高宽比。 ( 7 ) 切削这是一种新的散热片加工技术，翅片用特殊刀具直接在金 属块上切削而成。由于散热器翅片和基体是同一种材质，所以在散热器内 部不会存在接触热阻。目前的加工工件仅限于6 0 6 3 铝等较软的铝合金，铜 的切削还处于试验阶段。由于切削深度可以相当低，翅片的厚度可以较薄， 可以设计较轻性能较高的散热片。 ( 8 ) 机械加工即由机械加工的方式将材料从金属块中移除以形成翅 片的形状。最常用的方法是在c n c 机床上采用一组切割锯，以切出翅片的 几何形状。由于加工时容易造成翅片的破坏或卷曲，因此需要二次加工。 6 第一童绪论 优点是容易实现自动化，因此未来仍有使用空间。 1 4 国内外研究现状 近些年以来，电子设备散热量显著增长，许多工程师认为散热片技术 已经达到其散热极限。尽管如此，事实表明未来将可以克服现在散热片的 散热极限。到目前为止，国内外开展的关于提升散热片散热性能方面的研 究工作主要集中在新的冷却技术和散热片结构的改进上，对散热片加工工 艺的创新方面的研究比较少。 1 国外研究现状几十年以来，很多研究人员致力于散热器优化方面 的研究。k e r n 和k r a u s t 4 】对散热器翅片进行优化设计。k r a u s t 5 】总结过去六 十五年( 19 2 2 19 8 7 ) 里扩展表面技术的发展情况。b a r c o h e n l 6 】对自然对流中 肋片的厚度进行优化。b a r c o h e n 和j e l i n e k t 7 1 论述了以使用最少材料为目标 来优化纵向长方形肋片的过程。l e u n g 和p r o b e r t t 8 1 用实验测量的方法得到 竖直长方形肋片的最优间隔。l e e t 9 】提出确定肋片间流速的简单方法。y e h 和c h a n g t l 0 1 对纵向对流翅片的排列进行优化，包括长方形翅片、凸抛物线 形翅片、三角形翅片和凹抛物线形翅片。s p a r r o w t l l 卜i ”】和k n i g h t t l 4 】等人致 力于强迫风冷中散热器的换热特性及结构优化的研究。b e j a n 和m o r e g a 通 过最小化散热片的热阻对其进行优化设计。m i n a k a m i 和1 w a s a k i 通过试验 建立散热片形状和压降的关系，说明了随着散热片高度的增加，引起热传 导率的增加和压降的减小【1 5 】。以上散热器优化方法都是在给定基本几何尺 寸、翅片面积和常物性参数的基础上进行研究的。 s h a u k a t u l l a h 等人【1 6 1 对针形翅片散热器在任意流动条件下进行优化研 究。t e e r t s t r a 等人f 1 7 】做大量实验来预测强迫风冷中板翅式散热器的平均导 热率。k o u 等人ds 考虑翅片项端散热损失，在单个肋片横截面积一定的情 况下，优化肋片高度和数量。最近，c u l h a m 和m u z y c h k a i ”】发展b e j a n 的工 作将联合粘度扩散压降影响应用到板翅式散热器的优化中。 国外的一些散热器厂家对散热器的翅片和翅片基底进行了一些改进设 计。为了增大翅片的散热面积以及增强散热器通道内流体的扰动加拿大的 r t h e t a 公司将翅片的纵截面设计成波浪型1 2 0 ，为了增强翅片基底的导热 能力，日本的a l p h a 公司将采用在铝基底中嵌入铜板的技术1 2 1 1 ，利用铜的 广东工业大学硕士学位论文 高导热率将安装在基底上的集中热源产生的热量扩散到整个基底面上。 2 国内研究现状近几年，一些国内研究人员也开始从事散热器优化 方面的研究。万珍平等【2 2 1 提出散热器的犁切，挤压成型工艺能获得更好的散 热效果。袁启龙，李言1 2 3 1 24 1 ，汤勇【2 5 】，夏伟 2 6 1 提出了切削一挤压，挤压犁削， 劈切一挤压翅片管新工艺。谢少英f 2 7 l 以给定材料体积下散热量最大为目标函 数，并考虑空间、制造方面的限制，建立了比较符合工程实际的散热器优 化设计数学模型，进而利用复合形法对模型进行求解，得出了在一定边界 条件及约束条件下，散热量最大的散热器结构尺寸。韩宁等人t 2 s 以散热器 与环境间的热阻最小为目标函数，采用复合形法对型材散热器进行了结构 优化。王坚和徐国华1 2 9 在对航空电子设备散热器进行数值热场分析的基础 上，运用最优化理论对隐式目标函数的优化问题进行了讨论。陈建芳和张 双喜1 3 0 l 以金属热强度为结构优化目标函数，利用m a t l a b 对一种矩形肋片进 行了散热数值计算，通过对计算结构的分析得出了该肋片的最佳肋高尺寸。 付桂翠 3 1 】等人例从使用角度介绍了功率器件的热设计及散热器的优化设计 方法，开发了相应的设计软件，并结合实例进行了分析。余晓玲等【3 2 l ，【3 3 1 提出了一种矩形翅片与钉柱结合的复合型散热片，通过在挤压散热器的中 间增加钉柱起着扰动气流的作用，研究结果表明：在相同的风速下，翅柱 式散热器散热效果明显好于板翅式散热器。 1 5 本文研究内容与章节安排 1 5 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目：新型高效散热器瓦楞状翅片表 面加工成型机理及控制研究 1 5 2 课题主要研究内容 本论文的主要研究内容包括以