毕业设计（论文）-微热管拉拔头成形装置设计【全套图纸】.doc

邵阳学院毕业设计（论文）1 绪论全套图纸，加1538937061.1 引言 随着电力电子装置正在向着功能越来越完善而体积越来越小的方向发展，在电力电子装置内部产生的高热流密度将会对装置的可靠性造成极大威胁。对电力电子装置失效原因的统计表明，由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于50，传热问题甚至成为电力电子装置向小型化方向发展的瓶颈。微热管则是随着微电子技术的发展而发展起来的一门新兴技术。随着电子元件集成密度的增加，其产生热量的散逸变得困难。电子元件除了对最高温度有要求外，对温度的均匀性也提出了要求。作为一项很有发展前景的技术，微型热管正是应用于电子元件中，以提高热量的导出率和温度的均匀化。由于其尺寸小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快，因此有着广阔的应用前景。 由于微热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能，微热管是传热领域的重大发明和科技成果，它将给人类社会带来巨大的实用价值。1.2 微热管拉拔加工的现状我们知道，沟槽式热管的传统加工方法有旋压成形法、犁削成形法；然而微型沟槽式热管的加工方法则有犁削(旋压)-拉拔成形法1。但是犁削(旋压)-拉拔成形法的机理还并不是太成熟。因为金属管材在拉拔的过程中会产生拉伤、撕脱现象；而且不管是犁削还是旋压法所加工出来的齿槽深度都有限，在经过几次拉拔之后，微热管各部分的变化幅度并不一致，其内部的微型齿槽结构也不是很理想，对毛细力影响很大。对微热管的拉拔加工我们一般是采用空拔1 的方法，即不采用内芯棒；这种拉拔工艺简单，拔制力小，容易控制。在空拔过程中，管材的壁厚会发生变化，拔后管材的直径有一定偏差(缩径现象)，如果控制不当，则会使成品管材尺寸精度受到很大的影响。所以在拉拔微热管时对拉拔模具的精度以及定位夹具的要求都很高，不容许出现任何的偏差。其实在微热管拉拔前还有着一道很重要的工序，那就是微热管拉拔头的成形。如果少了这道工序亦或是微热管的拉拔头加工得不够好，都将会对后面的拉拔过程造成很大的影响。可见微热管拉拔加工的现状并不是特别的理想，我们还有着很多的工作要做。1.3 课题来源与本文的主要研究内容1.3.1 课题来源 指导老师的省科技厅科研课题。1.3.2 本文的主要研究内容如前所述，沟槽式微型热管具有很多的优点，用途极广。但是，目前的小型热管沟槽表面光滑，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。如能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，则符合电子元器件轻薄短小化的发展趋势。针对沟槽式微热管拉拔成形还存在许多需要研究的问题特别是微沟槽成形机理的研究还有待加强的现实，本文对微热管的拉拔成形机理进行了研究，而且为了满足微热管拉拔的需要，并对微热管拉拔前的拉拔头成形装置做了一定的研究设计。本文主要研究内容如下：(1) 对热管的一些基本情况做具体的介绍，分析其工作原理、工作过程、传热极限等。 (2) 对沟槽式微热管的拉拔成形机理做了一定的分析，并对微热管的拉拔成形规律进行了研究； (3) 根据这些研究分析了微热管拉拔成形的过程及其加工的参数，以及一些常见误差对微热管拉拔质量的影响； (4) 设计了拉拔头成形装置。 2 热管的基本概况2.1 热管的基本定义热管是利用液体工质的相变传热4，具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可、恒温特性环境的适应性等优良特点，可以满足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修、噪音低和使用寿命长等要求，在微电子器件的散热和消除热点等领域有着广阔的应用前景，已在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。目前市场采用的微电子散热热管为外径6mm以上的圆热管，或者再通过弯曲、压扁等工艺形成合适尺寸。2.2 常用热管的规格热管规格如下：直径 mm 长度 mm 备注 3 90-280 圆热管 烧结 / 铜网 4 90-280 圆热管 烧结 / 铜网 5 90-300 圆热管 烧结 / 铜网 6 90-350 圆热管 烧结 / 铜网 8 100-400圆热管 烧结 / 铜网 10 200-800 圆热管 底座 铜网 25.4 100-150 圆热管 底座 烧结 / 铜网 T=3 90-280 压扁 烧结 / 铜网 T=4 90-280 压扁 烧结 / 铜网 T=5 90-300 压扁 烧结 / 铜网 附：热管折弯限制折 弯 规 格 管径（mm）最小折弯 R （mm）建议 R （mm）最小折弯角 建议弯角 3 9 12 90 120 4 12 16 5 15 20 6 18 24 8 24 32 9 27 36 9.35 28 37 2.3 热管的基本工作过程 当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段4。如此循环往复，热量便从一端传到了热管的另一端！图2.1为热管的组成。 在这一热量转移的过程中，具体包含了以下六个相互关联的过程： (1) 热量从热源通过热管管壁和充满工作液吸液芯传递到液-气分界面上； (2) 液体在蒸发段的液-气分界面上蒸发的； (3) 蒸汽腔内的蒸汽是从蒸发段流向冷凝段； (4) 蒸汽在冷凝段内液-气分界面上凝结； (5) 热量是从液-气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源的； (6) 在吸液芯内由于毛细作用是冷凝后的工作液回流到蒸发段。图2.1 热管的组成附：毛细现象2.4 热管的工作原理及其工作特点 热管由三个基本部分组成4：一是两端密封的容器，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，覆盖在器壁内表面上组成；三是容器内充满着一定数量的液体工作液体(工质)以及其蒸气。将管内抽成一定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在加以密封。管壁的一端为蒸发段(加热)，另一端为冷凝段(冷却)，根据需要可以在中间设置绝热段。当热管的一端受热时毛细吸液芯中的液体发生蒸发，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量凝结成液体。液体再会由吸液芯的毛细力作用流回蒸发段，完成一个循环。如此循环的不停，热量由热管的一端传至另一端，放给冷源。由此可以见，当热管正常工作之时。其内部进行着的工质液体会蒸发、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。图2.1为热管的工作原理示意图。图2.2 热管工作原理图2.5 热管的基本特性热管就是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下的基本特性4： (1) 导热性很高 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变来传热，因此热阻很小，且具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属来相比，单位重量的热管可以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，它极有可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各因素的限制，存在着很多传热极限；热管的轴向导热性很强，径向上并无太大的改善(径向热管除外)。 (2) 等温性优良 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态的，饱和蒸汽的压力决定于饱和的温度，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 热管可以独立的改变蒸发段或冷却段加热面积，即以较小加热面积输入热量，而以较大冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小冷却面积输出热量。这样即可改变热流密度，解决一些其它方法难以解决的传热难题。 (4) 热流方向酌可逆性 一根水平放置着的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可以作为蒸发段，而另一端向外散热就成为了冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间上的温度展平，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者热开关，所谓热二极管就是只允许热流向着一个方向流动，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的时候，热管才开始工作，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不随加热量的变化而变，因此当加热量变化的时候，热管各部分的温度亦随之发生变化。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、随加热量的减少反而增加，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，实现温度上的控制，这就是热管的恒温特性。 (7) 环境的适应性 热管的形状可以随着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，热管也可做成分离式的结构，以适应长距离或冲热流体不能混合情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。2.6 热管的传热极限热管虽然是一种传热性能极好的元器件，但也不可能无限的加大热负荷，其传热能力的上限值会受到一种或几种因素的限制，如毛细力、声速、携带、冷冻启动、连续蒸气、蒸气压力以及冷凝等，因而构成热管的传热极限(或叫工作极限)。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等都有关，限制热管传热量的极限类型是该热管在某种温度下各传热极限的最小值所决定的。具体的来讲，这些极限主要有（如图2.4所示）：图2.3 热管的传热极限 从上图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限以及声速极限。而在高温下则应防止出现毛细极限以及沸腾极限。故热管的工作点必须选择在包络线的下方。2.7 热管的相容性及寿命热管的相容性是指构成热管各种结构材料之间，以及结构材料和工质之间，在长期工作过程中是否发生化学、电化学及物理反应，使壳体及管芯遭受腐蚀，或使工质分解，并在密闭壳体内形成不凝性的气体或固体的沉淀物。如果热管在工作温度范围内长期工作不发生上述所讲的现象，或虽发生上述现象但后果不致影响热管的正常工作，则称之为相容。相容性在热管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，长期的工作寿命以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，有效的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并且使用。 影响热管寿命的因素很多种，总的归结起来，造成热管不相容的主要形式有三方面，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 由于工作液体与管壁材料之间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了气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至造成失效。 (2) 工作液体物性恶化 有机工作介质在一定的温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不太稳定，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最容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的流动，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，使热管的传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度的下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全的失效。这类现象最常发生在碱金属高温热管中。3 沟槽式微热管拉拔成形机理分析3.1 微热管拉拔时管材壁厚变化机理分析微热管空拔时管材在拉拔力的作用下会由于模具的约束作用将产生一定变形，即管材的轴向尺寸增大和径向尺寸上的减小，也就是说产生变形区内的金属将受到三个方向应力的作用，其中轴向应力L为拉应力，径向应力r和周向应力t为压应力。与此相对应，金属变形是三维的，即轴向变形L、周向变形t和径向变形r，其中轴向变形L的值为正，周向变形t的值为负，二者可以由拉拔后管材伸长和管径减小而知道。但径向变形r的符号和大小却是受各种因素的影响，可能是正的，是零，或者是负的。当r为正时，管壁增厚，r为零时壁厚不变，r为负时管壁减薄1 。如图3.1所示为空拔时管材变形区应力图。图3.1 空拔时管材变形区应力图根据塑性力学公式，径向变形量1为： (3.1) D塑性模数由上式推出：当时，r0，则管壁减薄；当时，r0，则管壁不变；当时，r0，则管壁增厚；所以只要是影响r、t和L的大小和它们三者之间相互关系的因素都会影响拉拔时壁厚的变化。3.2 微热管拉拔成形原理工作时，将拉拔模具安装在固定的机架上，先加工出微热管拉拔前的拉拔头，即使微热管的一端直径小于拉拔模具小端直径，再将微热管从拉拔模具大端处向小端处穿过拉拔模具，由牵引装置夹紧拉拔头并带动热管小端运动，当热管从拉拔模具的大端穿过拉拔模具的小端后，在拉拔模具的冷挤压作用下，就会形成尺寸基本上等于拉拔模具的小端直径的热管。如图3.2所示为微热管拉拔成形原理图1。图3.2 微热管拉拔成形原理图3.3 沟槽式微热管拉拔成形的特点 沟槽式微型圆热管加工的犁削(旋压)-拉拔复合成形法5是在犁削的基础上进行的热管的加工方法。其加工方法的优越性如下：(1) 由于犁削(旋压)-拉拔方法是在犁削或旋压的基础上对热管进行空拉拔，在拉拔模具的挤压作用下，铜管内壁会进一步产生塑性变形，可使管壁金属的结构和性能发生很大的变化。加工后晶粒会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会增大，抗疲劳强度、耐磨性和耐蚀性会显著的提高，能充分发挥金属材料的潜在塑性。更加重要的是，通过多次的拉拔作用后，可以在原犁削出的热管沟槽内部生成更加丰富的翅状结构，大大提高毛细力。(2) 工艺范围较宽，只要配备适当的模具和刀具，则可以加工出尺寸范围较宽的热管。(3) 加工出来的热管表面质量好，由于热管的外表面的形成主要只受到模具内孔表面的影响，只要模具的内孔表面光滑，则可以保证热管的外表面光整。(4) 与单一旋压成形法相比，采用旋压-拉拔成形法加工出微型沟槽式热管时增加的设备也会比较简单，操作比较方便，但效率高，用普通的车床或刨床经过简单的夹、模具配置即可以加工。(5) 在拉拔力的作用下，热管是经过塑性流动后发生的塑性变形，从而形成最终需要的热管。在整个拉拔加工的过程中，只会发生金属在塑性状态下的体积转移，而没有任何的金属切削运动，因而材料利用率很高。(6) 在拉拔阶段，对加工参数的依赖性会较弱，只要模具制造得正确，则加工速度等参数对其质量影响不是很大。当然，根据犁削(旋压)-拉拔法的加工原理可知，该方法同样也会存在着一些不足，主要表现为：刀具参数的确定不易。当加工微型热管，特别是需要经过多次的拉拔成形的热管，由于微热管需要经过多次复杂的拉拔加工，材料则需要经过多次的复杂挤压塑性变形，就在目前研究水平的前提下，很难以准确确定刀具在犁削时的刀具几何参数，以确保最后形成的微型热管的几何参数最优化。3.4 本章小结本章主要对沟槽式微热管拉拔成形机理进行了分析。通过对管材壁厚的机理以及微热管拉拔原理的分析，我们知道，在微热管的拉拔过程中，我们不能用一般的金属切削加工理论来分析管材的拉拔变形，而只能用管材的塑性变形理论来分析其成形机理。沟槽式微热管的拉拔成形相比于其他的加工方法，比如：旋压成形法和犁削成形法，具有得天独厚的优势，旋压和犁削成形方法只能够加工直径6mm左右的热管，而对于直径小于6mm的微热管基本上无能为力，下一章我们将对微热管拉拔成形规律，以及拉拔过程和加工参数做具体的研究。4 微热管拉拔成形规律实验研究4.1 引言 根据上两章所讲，我们知道，微热管制造是微热管发展和应用的关键。采用传统的高速旋压成形和犁削方法加工出的沟槽式吸液芯具有壁薄、重量轻等特点；特别是犁削方法采用的多齿刀具可以在小型圆热管内壁上，加工出一种新颖的翅结构微沟槽；而且这种组合犁削微沟槽能显著改善热管毛细极限，但不管是旋压法还是犁削法，由于受到加工刀具组件制造的限制因素，这两种方法都只适宜于加工直径6mm左右甚至直径更大的热管，它们很难或不可能加工直径小于3mm的微热管因此。为进一步改善微热管内部沟槽的毛细结构、提高毛细力；特别是为了制造直径较小的微热管，必须在犁削或旋压的基础上采用拉拔法对已经加工成的沟槽式热管进行了进一步的加工。但微热管拉拔不同于一般的管材拉拔，通过拉拔工艺，它不仅要保证热管外径尺寸、壁厚变化、外表面质量和材料组织及性能的要求；而且要保证微热管的内部形状以及微细结构的要求。因为我们制作热管的材料一般是选择质量优良的无缝紫铜管，所以我们在确定好拉拔模具类型的基础上，研究与微热管材料相同的空铜管的拉拔成形过程和规律，并对微热管的加工参数进行的实验研究。4.2 微热管拉拔成形规律研究如图3.1所示，在管材金属进入模具的导向锥之前；由于后段材料悬空，没有力的作用，这部分的金属是没有什么变形的；当进入拉拔区以后，在模具作用力的轴向分力和轴向拉拔力的作用下，金属材料就会产生轴向流动；同时，在模具作用力的径向分力作用下，金属同时会向径向流动，这样就会引起材料轴向尺寸上的增加和径向尺寸上的减小。4.2.1 微热管拉拔时结构尺寸变化规律从图3.1可知，轴向应力为拉应力，径向和周向应力和均为压应力。同一横断面径向应力的值在管材与模孔接触处最大；沿管壁逐渐减小，至内壁时为零。公式(3.1)表明，径向应力的绝对值总是小于周向应力的绝对值，管材越薄，两者的差值越大。在管材的同一断面上，从外表面到内表面，与差值也逐渐加大。与之间的关系应该遵循Von Mises5屈服条件，或以其简化形式表示则为： (4.1)式中 考虑中间主应力影响的系数，材料单向拉伸时的屈服应力。相应的，在各应力的作用下，管材产生纵向延伸应变和周向压缩应变，至于径向应变的符号，则取决于轴向应力与周向应力之比。轴向拉应力产生伸长变形，使管材壁厚减薄。而周向压应力使金属向阻力最小的方向流动，管材壁厚增加。如果由拉应力引起的减薄量大于由压应力引起的增厚量，则管材壁厚变薄，反之增厚。拉应力与压应力之比取决于拉伸过程的参数和管材的几何形状。另外需要注意的是，沿着管材变形的轴向长度方向将逐渐的加大。这是因为：第一，管材的断面积将会逐渐缩小；第二，金属加工冷作硬化，变形抗力会逐渐增加；第三，管材与模具接触时的表面积会越来越大，因此需要克服的摩擦力也会加大。4.2.2 刀具几何参数与加工方法对微热管拉拔质量的影响通过对旋压和犁削成形后的热管经过多次拉拔候的SEM图5进行了分析，可以知道，经过旋压的热管，其齿厚与槽宽基本上是相等的。然而在经过多次拉拔之后，槽的宽度则会变得很小；但齿的宽度虽然也有变化，从大初步变小，但变化的幅度则远没有齿槽那么大。也正因为两者的变化幅度是不一样；，所以，后面将无法在把拉拔进行下去。而经过犁削的热管，其齿厚与槽宽是不一致的。同样在经过多次拉拔之后，齿槽和齿厚不等宽，即齿槽宽度小于齿厚时；通过拉拔变形后齿与齿趋近的趋势会更加的明显；同时，由于犁削时的齿槽深度较小，拉拔后热管的内部结构很不理想。4.2.3 刀具定位误差对微热管拉拔质量的影响对于热管内部某单一部分而言，如果形状或尺寸是不均匀的，将也会引起拉拔的缺陷，在犁削或旋压热管时，由于刀具周向定位的不准确（有转角变化），犁削或旋压加工出的热管内齿在轴向则会有扭曲的现象产生。当进行拉拔时，由于各部分受到的轴向力会不同（有分力存在）。由于各部分的截面形状一样，因此，各部分在不同截面上受到的拉应力也是不一样的，各部分的拉伸变形幅度也将不一样。当经过多次拉拔后，热管内部齿部分就会变成了很明显的节齿状。在旋压加工过程中，由于刀具周向定位的不准确（刀具周向转动），从而导致加工出来的齿在轴向产生严重的扭曲变形，即齿的轮廓线在轴向不为直线而是曲线形状。因此在经过三次拉拔之后，热管内齿就变成了明显的节状齿。4.2.4 犁削或旋压热管质量对微型热管拉拔质量的影响原始犁削或旋压成形的热管质量，即热管的外表面圆度误差对拉拔成形的热管质量有着更加明显的影响。当原始犁削或旋压成形的热管存在圆度误差的时候，在拉拔“均壁”效果的作用下，它不仅影响拉拔后热管的内表面质量；同时还会加大外表面的圆度误差，甚至在经过多次的拉拔后还会使热管的外表面形成相应的微沟槽；在旋压成形后，热管的外表面存在着的圆度误差，同时内齿轴向也存在直线度误差；当进行了前两次拉拔之后，热管的外表面已经出现了凹陷的现象；第三次拉拔之后的热管的外表面的沟槽将会越来越明显，而相应的内表面则会向内凸出。外内壁分别产生凹凸的部位则是在沟槽处，即原始犁削成形热管中管壁向内凹陷处。产生这种现象的原因是：在管材拉拔过程中，在拉拔模具的力的作用下，工件与模具内壁接触处就会产生周向的压应力，在周向应力的作用下，材料就会产生塑性变形从而周向收缩，这样就迫使未与模具内壁接触的部分热管向内凹陷。通过对这些实验的分析，充分说明了犁削或拉拔时的刀具定位误差对微热管拉拔质量有着重大影响。4.3 微热管拉拔成形过程中加工参数的分析4.3.1 实验数据的获取与计算在管材空拔的过程中，影响壁厚变化的因素非常的多，比如管料材质、几何尺寸、硬化状态和模具形状等。但以往的资料大多数是以研究钢质管材为主，前面我们虽然对铜管拉拔壁厚的变化进行了研究，但其所用材料的牌号不明；而且其研究的对象是厚壁管材；为此，必须针对实验用的铜管材料进行拉拔壁厚的变化的研究。在此实验过程中，由于所用的管料材质、硬化状态和模具都是一致的；因此，可简单地分析在拉拔过程中的管材几何尺寸变化对壁厚变化的影响规律。进行在空拔管的生产中有两类壁厚计算问题：第一类是已知的空拔前圆热管的外径D0、壁厚S0和空拔后圆管的外径DH，求空拔后管子的壁厚SH；第二类是已知的空拔后圆热管的外径DH、壁厚SH和空拔前圆管的外径D0，求空拔前的壁厚S0。显然，这里是属于第一类的。 表4.1 直径从6毫米到4毫米的空拔数据 单位：mm序号拔前长度拔后长度拔前壁厚拔后壁厚减径量增壁量13247.50.40.2692-0.131231.545.50.40.2772-0.12333247.50.40.2692-0.131431.545.50.40.27720.12353245.70.40.282-0.1263955.60.40.2812-0.11973347.80.40.2762-0.124平均值0.276-0.124从6mm空拔到4mm空拔数据及计算结果如表54.1所示。即6mm空拔到4mm时，拔前壁厚与直径之比值S01/D01=0.0666，减径量的平均值D01=2mm，增壁量S01=-0.124mm。同理可以求得如下空拔数据及计算结果：从4mm空拔到3.5mm时；S02/D02=0.069，D02=0.5mm，S02=-0.017mm；从4mm空拔到3.6mm时；S03/D03=0.069，D03=0.4mm，S03=-0.021mm；从3mm空拔到2.5mm时；S04/D04=0.071，D04=0.5mm，S04=-0.059mm；从2.5mm空拔到2.2mm时；S05/D05=0.062，D05=0.3mm，S05=-0.025mm；从2.2mm空拔到1.5mm时；S06/D06=0.059，D06=0.7mm，S06=-0.031mm；从4mm空拔到3mm时；S08/D08=0.069，D08=1mm，S08=-0.073mm。4.3.2 增壁值与减径量的数学模型的建立根据上面的实验数据的计算结果，可以作出减径量与增壁值1 ., 6 之间的关系图，见图4.1所示。图4.5 增壁值与减径量的关系从图4.1可以看出，减径量与增壁值之间的关系可以近似为一条直线，因此可设回归方程为：式中a、b为待定系数，有下列方程组确定。 (4.2) (4.3)列表4.2计算方程系数5，代入上两式，再联立求解可得回归方程 (4.4) 表4.2 方程系数nXiYiXi2XiYi12-0.1244-0.24820.5-0.0170.25-0.008530.4-0.0460.16-0.01840.5-0.0590.25-0.029550.3-0.0250.09-0.007560.7-0.0310.49-0.021771-0.0731-0.0735.5-0.3756.33-0.41124.3.3 回归公式分析从上面得出的回归公式(4.4)可以知道，当时，即针对所研究的材料而言，只要拉拔时的减径量大于0.072，则铜管壁厚就将会减小。为此，我们设计的系列模具的定径尺寸(单位为mm)依次为：4，(3.5)，3.2，2.6，1.9，1.6，1.27，1.05，0.96和0.84。4.3.4 微热管犁削(旋压)-拉拔成形尺寸参数不管是经过犁削还是旋压加工成的直径6mm的热管，依次经过五次拉拔所得的尺寸参数如下： (1) 犁削(旋压)后的6mm微热管； (2) 经一次拉拔成形的4mm微热管； (3) 经二次拉拔成形的3.5mm微热管； (4) 经三次拉拔成形的2.6mm微热管； (5) 经四次拉拔成形的1.9mm微热管； (6) 经五次拉拔成形的1.6mm微热管。 我们还将在下一章根据这五次拉拔的尺寸数据，作为微热管拉拔前的拉拔头成形装置研究设计的数值依据。4.4 管材拉拔成形应注意的几个问题4.4.1管材拉拔的润滑在金属拉拔过程中将会产生比较严重的拉伤、撕脱现象，为了避免此等现象3，确保拉拔时相对运动的表面处于外摩擦作用状态是非常重要的。这就需要在接触部位上有一层比材料内部抗剪强度要低的表面层。此外线材沿着模面发生变形时，形成高压、高温、且不断产生新生的表面。如果有润滑剂的存在，则其中的极性物质吸附在新生的表面上，当润滑剂的压力增至拉模与线材的接触压力时，随着线材进入拉模拉拔变形的区域时，则可以保持模具与线材间较低的摩擦应力。为了减少拉拔中摩擦磨损的影响，除了要在正确的选择拉模材料外，还要尽可能地改善线材的表面性质，必须使用性能更加良好的润滑剂。为此，在购买实验材料的时候，我们选择的是质量优良的无缝紫铜管；由于金属拉拔时处于高温高压力状况之下工作，因此要求润滑剂必须同时起着润滑剂和冷却剂的双重作用；还必须使拉拔过程保持微热管的清洁，并且能够冲掉接口上的金属粉末，防止模口堵塞。因此，在铜管材拉拔成形过程中，作者采用了3%7%高脂低皂化合物的溶液作为拉拔时的润滑剂3。4.4.2管材的残余应力消除在热管棒材拉拔变形生产过程中，由于受变形区外摩擦的影响。将使其制品产生变形的不均匀性，因而在管棒材内部形成了自相平衡的残余应力。较大的残余应力将会导致管棒材在加工变形的过程中开裂；或者在使用中与周围介质作用，发生应力腐蚀开裂。将管材拉拔变形前后截面形状尺寸之比定义其为截面形状变化指数Q值6，则有： (4.5)式中 D0，T0分别表示管材拉拔前的外径与壁厚，D1，t1分别表示管材拉拔后的外径与壁厚。该式也表示了管材减径变形与减壁变形之比，较好地反映了管断面变形的不均匀性。当Q1，减径变形大于减壁变形，当Q1，两者相等，也称比例变形，当Q1，减壁变形大于减径变形，Q值越小，减壁变形越大。从上可知，对于空拉管材，随拉拔道次的减少，道次变形程度增大，其变形前后截面变化指数Q1，必导致不均匀变形增大，使制品残余应力亦增大。相反增加空拉拔道次则有利于降低残余应力。为此，对铜管材加工，实行的270低温退火可基本消除残余应力。进一步提高退火温度，将发生再结晶的过程，可以彻底消除残余应力，同时材料的强度和硬度也大大降低。4.5 本章小结在分析了拉拔成形研究现状的基础上，本文主要研究了微热管拉拔成形的规律。以及微热管在拉拔过程中工艺的要求和特点，并且对微热管拉拔头的成形装置进行设计，打下了坚实的数值基础。我们了解到微热管拉拔不同于一般的热管材拉拔，通过拉拔工艺，它不仅要保证热管外径尺寸、壁厚变化、外表面质量和材料组织及性能的要求。特别是在要保证微热管的内部形状及微细结构的要求，即不仅要保证热管内部的齿沟结构满足微型热管的设计要求又要保证具有更加丰富的毛细结构。针对铜管材拉拔成形时影响因素较复杂的特点，特别是没有任何热管拉拔研究基础的实际。作者在提出首先进行空铜管的拉拔成形实验。在分析拉拔成形机理的基础上，对铜管材拉拔的模具类型进行选择；在分析铜管材拉拔需要注意的问题的基础上进行了铜管材拉拔成形实验，并且根据大量实验数据的分析、处理、计算，用回归分析方法确定了铜管材拉拔过程中增壁值与减径量之间的数学关系。设计出了系列拉拔模具，为微型热管拉拔奠定了一定的理论基础和实验基础。根据本章所得出的一些结论以及实验的数值，在下一章我们将依照这些对微热管拉拔前的拉拔头成形装置做具体的设计研究。5 微型热管拉拔头成形装置设计5.1引言由上两章可知，热管经犁削（旋压）加工后的热管直径大概在6mm左右，甚至直径比6mm更大。但我们为了进一步改善微热管内部沟槽的毛细结构、提高毛细力，特别是为了制造直径较小的微热管，必须在犁削或旋压的基础上采用拉拔法对已加工成的沟槽式热管进行进一步的加工。众所周知，我们在进行微热管的拉拔生产时，拉拔头的制造工序是必不可少的。对于6mm左右的铜管要加工出其拉拔头，所需要的力并不是很大，所以我们一般采用两种比较传统的方法进行加工。一种方法是用普通的锻锤对铜管的一端进行锻打；另一种方法是采用虎口钳、平口钳等工具，对铜管的一端进行挤压。在锻锤上锻制拉拔头工作效率低，劳动条件差；采用虎口钳等工具手工加工拉拔头，不仅效率低，而且容易使人产生疲劳。所以本章我们将参考金属棒料拉拔辗头工序的辗头机2(图5.1为D75型辗头机)，来设计一种加工方法简单，装置小巧效率又相对要高很多的微热管辗头机。这种微热管辗头机不仅可以采用手动来控制加工，而且可以采用电机进行自动控制加工，本章我们只介绍采用手动控制加工拉拔头的微热管辗头机设计方案。图5.1 D75型辗头机5.2 微热管辗头机加工原理分析 辗头工艺实质上是一种特殊的辊锻工艺2，而微热管辗头机就是一种专用的辊锻机。它是利用两个加工有型槽的辗辊进行方向相反的旋转，使拉拔热管的头部在辗辊型槽中产生塑性变形。型槽相当于锻模型腔，使热管头部直径变小，长度增长。从而获得微热管拉拔时能穿过拉拔模孔，便于拉拔模具夹持所需的形状和尺寸。这一过程，属压缩类应变。该微热管辗头机采用的送料方式为逆向送料方式，其送料及辗头过程如图 5.1所示。图5.1 送料及辗头过程5.3 微热管辗头机的机座结构类型 由于所加工微热管的直径在6mm左右，再者通过参考第四章中的图4.15，我们知道微热管拉拔头的加工所需的辗压力也不是很大，所以设计的装置相对而言会比较小。虽然微热管辗头机不需要有太高的刚度，而且所承受的载荷也不大，但我们在这里依旧采用双支承结构，两个辗辊用滚动轴承支承于两个直立的支承侧板2上。根据辗头工艺要求，两辗辊中心距不需调节，也不需行角度调整，这样，其结构相对而言就要简单得多了，两个支承侧板直接焊接固定于机座底上。机器机身为组合装配闭式结构，有较好的刚度。其机座和侧板均采用低碳钢Q1957，因为两辗辊工作速度很慢，对强度的要求不是很高，所以能够很好的满足要求。如图5.2所示为机座示意图。图5.2 机座示意图5.4 传动原理及其工作特点5.4.1 传动原理对于微热管辗头机的机械传动部分的设计，我们并没有分几级传动，而是通过对微热管拉拔头辗头所需力的大小进行考虑，直接采用手摇装置对其辗头提供动力。传动路线为：手动摇柄辗辊。传动原理如图5.3所示。图5.3 传动原理图5.4.2 工作特点在传动时，上下辗辊转速相等，转向相反，但上下辗辊应同步转动，这是对微热管辗头机的基本要求，为此，这里我们采用一对标准齿轮。因为是采用手摇装置，所以我们的工作转速可快可慢，但为了保证微热管拉拔头的质量，我们建议采用慢速对微热管进行的辗头。为了对微热管达到辗头的效果，我们必须采用圆形的偏心型槽，才能使制造出来的拉拔头达到拉拔工序应有的要求。工作时我们只需在两辗辊转动到偏心型槽最大状态时将微热管需辗制段送进辗辊，然后摇动手柄进行辗头即可。5.5 辗辊尺寸设计本节所要设计的两个辗辊是微热管辗头机的关键零件。根据第四章中所介绍的拉拔模具大小和拉拔夹具的长度尺寸，然后考虑到微热管辗头机辗头时会造成微热管一定程度的拔长，最后我们将所需辗头部分的微热管长度定为60mm。再者辗头时，只是用到了辗辊的一半周长，所以利用公式： (5.1)计算得：R=19mm；所以取辗辊直径为2R=38mm。我们知道，要得到一定尺寸的微热管，必须要经过多次的拉拔。而每次拉拔的模具尺寸肯定是不一样的，所以每次拉拔时都需要对微热管进行辗头，以获得拉拔所需的不同拉拔头。然而，不管是旋压还是犁削，所加工出的微沟槽在经过5次以上的拉拔之后，由于齿槽的深度有限，这会大大的减弱内部结构的毛细能力。所以，考虑到以上所述因素，我们仅在直径为38mm的辗辊上分布5个半圆形偏心型槽，如图5.4所示，每个型槽的半径R以及偏心距E各不相同。以适应辗制不同直径微热管拉拔头的要求。图5.4 上辗辊示意图辗头过程可近似为小送进量拔长（与轧制相同），此过程中微热管会轴向伸长和径向压缩。为了使其能顺利咬入，并使辗制时微热管能顺利咬入辗辊型槽，辗辊型槽的R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10及偏心距 E 等参数都经过计算，并进行了生产实际试验，最终确定其尺寸。此外上下两辗辊每个对应型槽的尺寸参数完全相同，上下合型。 计算数据参考4.3.4小节中微热管犁削(旋压)-拉拔成形五次拉拔的尺寸参数，分别得出的每次拉拔后微热管的直径参数1如下： (1) 旋压后的6mm微热管； (2) 经一次拉拔成形的4mm微热管；(3) 经二次拉拔成形的3.5mm微热管； (4) 经三次拉拔成形的2.6mm微热管； (5) 经四次拉拔成形的1.9mm微热管； (6) 经五次拉拔成形的1.6mm微热管。考虑到上下两偏心型槽的最大开度要能够使得上一次拉拔后的微热管伸入，为辗制拉拔头做准备；并且辗制后的微热管拉拔头同样要能够满足下一次拉拔的需求，既拉拔头能够伸入拉拔模具，而且还留有余量供拉拔夹具夹持。综上所述，我们选取： 上辗辊偏心型槽最大状态时的半径分别为：R1=6.5/2=3.25mm; R2=4.5/2=2.25mm; R3=4.0/2=2.0mm; R4=3.0/2=1.5mm;R5=2.5/2=1.25mm。 上辗辊偏心型槽最小状态时的半径分别为：R6=3.5/2=1.75mm; R7=3.0/2=1.5mm; R8=2.0/2=1.0mm; R9=1.5/2=0.75mm; R10=1.0/2=0.5mm。辗辊直径为38mm，而每一个偏心型槽都必须与辗辊中心有一个偏心距。所以我们根据上面选取的上辗辊偏心型槽最大状态和最小状态时的半径大小，经过计算可以得到每一个偏心型槽的偏心距E，如下所示：E1=(R1-R6)/2=(3.25-1.75)/2=0.75mm;E2=(R2-R7)/2=(2.25-1.5)/2=0.375mm;E3=(R3-R8)/2=(2.0-1.0)/2=0.5mm;E4=(R4-R9)/2=(1.5-0.75)/2=0.375mm;E5=(R5-R10)/2=(1.25-0.5)/2=0.375mm。因为上下两辗辊是完全合型的，所以其对应的尺寸参数也应完全相同，在这里不再对下辗辊做过多的累述。虽然上下辗辊是两端支撑的长轴，但我们采用的是双支撑结构，再者微热管拉拔头的辗制并不需要多大的力，所以辗辊受力状况良好，有较好的刚度和强度。但考虑操作的方便，这里我们将型槽由R较大的到R较小的依次排列在辗辊上。辗辊所受载荷不大，不需要有太大的刚强度7。但为了保证运动的平稳，支承轴颈应该有比较高的尺寸精度和形位公差要求，以保证所需的运动精度、运动平稳性。虽然只是辗制铜管拉拔头，但辗辊还应有较好的耐磨性，较高的硬度和韧性。5.6 齿轮的设计我们知道齿轮的主要作用是将一根轴上的动力传递给另一根轴，并能根据要求改变另一根轴的转速和旋转方向9。根据微热管辗头机辗辊部分的结构要求，我们这里选用的齿轮只需要能够实现动力的传递，并且能够保证上下辗辊转动方向相对就行。通过学习过的知识和查阅资料，然后考虑到成本以及生产的方便，最终决定设计标准的直齿轮，精度等级为88。根据本章前面所讲的内容，选用直齿轮的具体计算数据如下： 模数；齿数；分度圆直径；齿顶高； 齿根高； 齿高；齿顶圆直径；齿根圆直径df=d-2*hf=33mm；齿距；因为两辗辊尺寸参数一样，并且转速也一样，所以选用的两标准直齿轮参数也是完全一样的。则有：中心距。齿轮与辗辊轴用普通平键连接即可;然后考虑到齿轮承受的轴向力几乎可以忽略不计，所以齿轮的轴向定位我们采用双圆螺母进行定位。5.7 滚动轴承的选用滚动轴承是一种支撑轴的标准部件，它具有结构紧凑，摩擦力小，机械传动效率更高，使用寿命长等优点。滚动轴承的种类很多，但其构造大致相同，一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成9。对于微热管辗头机的辗辊轴与两支承板之间的支承，我们选用标准的深沟球轴承。使用时，外圈装在机座的两支承板上固定不动，内圈随辗辊轴一起转动。根据辗辊的尺寸大小，我们选用6002型深沟球轴承(GB/T 276-1994),其具体参数如下：内径；外径；宽度。之所以选择深沟球轴承是因为，深沟球轴承是最具代表性的滚动轴承，用途及其的广泛。适用于高转速甚至是极高转速的运行，而且非常的耐用，无需经常维护。该类轴承摩擦系数小，极限转速高， 结构简单，制造的成本低，易达到较高的制造精度。尺寸范围与形式是变化多样的，应用在精密仪表、低噪音电机、汽车、摩托车及一般机械等行业，是机械工业中使用最为广泛的一类轴承。主要承受径向负荷，也可承受一定的轴向负荷。选取较大的径向游隙时，轴向承载能力会增加，承受纯径向力时接触角将为零。有轴向力作用时，接触角会大于零。一般采用冲压浪形的保持架，车制实体保持架，有时也采用尼龙架。深沟球轴承装在轴上之后，在轴承的轴向游隙范围内，可限制轴或外壳两个方向的轴向位移，因此可在双向作轴向的定位。此外，该类轴承还具有一定的调心轴承能力，当相对于外壳孔倾斜210时，它仍能正常工作，但对轴承寿命有一定的影响。深沟球轴承保持架多为钢板冲压浪形保持架，大型轴承多采用车制金属实体保持架。深沟球轴承是最常用的滚动轴承，它的结构简单，使用方便。主要用来承受径向载荷，但当增大轴承径向游隙的时候，具有一定的角接触球轴承的性能，可以承受径、轴向联合载荷。在转速较高又不宜采用推力球轴承的时候，也也可用来承受纯轴向载荷。与深沟球轴承规格尺寸相同的其它类型轴承比较，此类轴承摩擦系数相对较小，极限转速高。但不耐冲击，不适宜承受重载荷。完全能够满足微热管辗头机的要求，其外圈定位我们采用弹性挡圈进行定位。5.8 其他相关零部件的设计5.8.1 键的选用键主要是用于轴和轴上零件(如齿轮、带轮等)间的周向连接，以传递扭矩，是一种可拆卸连接。在装配时，也只需在轴上和轮毂孔内均加工出键槽，将键放入轴槽内，再对准轮毂槽，将其推入即成9。相比于金属棒料的拉拔头辗制，微热管拉拔头的辗制并不是一个很费力的过程。因此对于齿轮的设计，我们也只是选择设计的标准直齿轮。所以键的选用我们这里选用普通平键，而对于普通平键的有