锯齿状翅片的犁削-挤压成形研究.doc

摘 要硕士学位论文锯齿状翅片的犁削-挤压成形研究摘 要本文以强化传热中常用的传统二维亚结构为基础，提出了一种新型的热功能表面结构锯齿状结构，该结构不但具有犁削槽、一次翅等亚结构，还具有锯齿状的微结构锯齿结构。锯齿状翅片能进一步增大比表面积，同时通过诱发附面层湍流实现强化传热。通过锯齿状翅片的成形机理分析，发现锯齿状翅片的成形经历了犁切、挤压、成翅和裂解四个阶段，在犁削挤压过程中，这四个阶段同时进行，在犁切进行的同时，发生翅片的挤压、成翅和裂解。通过对翅片顶端裂解机理分析，发现翅片裂解的根本原因在于剪切变形，其裂解过程经历了剪切断裂、滑移微裂和周期成翅三个阶段。研究了影响翅片成形的因素，了解了挤压角、挤压倾角、后角、刃宽和犁削挤压深度、犁削挤压速度对一次翅成形、裂解结构的成形的影响规律，并得到了这些参数的最佳范围。运用塑性力学理论分析了犁削挤压加工过程中的材料变形，利用有限元软件（deform-3D）建立了有限元模型，利用该模型模拟了犁削挤压加工过程，实现了犁削挤压过程的动态仿真，模拟了各刀具参数和运动参数对平均翅高的影响规律；模拟了犁削挤压力和应力场分布，为优化刀具结构提供了依据。最后对本文的研究结果和研究结论进行了总结。关键词： 锯齿状翅片 犁削挤压加工 有限元 刚塑性I华南理工大学硕士学位论文AbstractBased on traditional 2D substructure in heat strengthening, a new heat function surface structure denticular structure, is put forward. The very structure not only has such substructure as ploughed grooves and primary fin, but also has denticular micro-structure. The denticular structure fin can further augment specific area; meanwhile it can induce turbulent flow and realize strengthened heat transmission.The analysis of denticular fins forming theory help us better understand 4 steps of the fins formation, and they are: ploughing, extrusion, fins formation and cracking, furthermore, those four steps happens simultaneously. Analyzing the cracking theory on fins top, the paper attributes the basic cause of cracking to shear deformation, and cracking process consists of 3 steps, they are: shearing breakage, slipping crack and periodically generating fins.Through the experiments, the paper studies how extrusion angle, extrusion obliquity angle, clearance angle, cutters width, plowing-extrusion depth, and plowing-extrusion speed affect the formation of primary fin and cracking structure. The optimum ranges of the above parameters are obtained.Based on DEFORM-3D, the FEM model for plowing-extrusion process is set up;, which aids in simulating dynamic process of materials deformation, also the effects that processing parameters and cutters parameters have on fins mean height are simulated. And also, the distributions of stress and strain field have been simulated, which is advantageous for cutters optimization. At last, the author draws conclusions on the research result.Keywords：denticular fin; plowing-extrusion; FE; rigid-plasticII目 录目 录摘 要 IAbstractII第一章绪论 1 1.1 本课题的研究背景 1 1.1.1 微电子等领域突出的散热问题 1 1.1.2 表面热功能结构的发展趋势 21.2 表面结构及其加工方法的研究现状 21.3 锯齿状翅片的强化传热研究 61.4 犁削挤压加工工艺与一般切削加工的联系与区别 7 1.3 本课题的来源及内容 8第二章锯翅状翅片成形机理的分析 10 2.1 锯齿状翅片犁削-挤压试验 10 2.1.1 试验设备 10 2.1.2 刀具设计 11 2.2 锯齿状翅片成形试验结果与机理分析 132.2.1 锯齿状翅片形状分析 13 2.2.2 锯齿状翅片的成形过程 132.2.3 锯齿状翅片顶端裂解机理分析 152.2.3.1 剪切变形是翅片顶端裂解的根本原因 152.2.3.2 翅片顶端裂解的过程 152.3 影响锯齿状翅片成形的因素 172.3.1 一次翅高的影响因素 172.3.2 裂解结构高度的影响因素 22 2.4 本章小结 28第三章 犁削-挤压加工的有限元分析及建模 29 3.1 概述 29 3.1.1 有限元技术简介 293.1.2 金属加工有限元模拟的研究现状 303.1.3 Deform-3D简介 31 3.2 刚粘塑性有限元基本原理 32 3.2.1 金属塑性变形过程的力学基础 32 3.2.2 刚粘塑性有限元变分原理 343.2.3 刚粘塑性有限元矩阵方程 353.2.4 热传导基本理论 39 3.3 有限元建模 433.3.1 几何模型建立及网格划分 43 3.3.2 材料属性定义 443.3.3 翅片分离和断裂准则 473.3.4 边界条件的确定 493.3.5 模拟控制条件的设置 51 3.4 本章小结 52第四章模拟和试验结果分析 53 4.1 犁削挤压加工工艺过程模拟 53 4.2 平均翅高的影响因素模拟 53 4.3 犁削挤压力模拟与试验分析 584.3.1 试验装置 58 4.3.2 犁削挤压力模拟与试验结果分析 58 4.4 加工过程中的等效应力分布 614.5 加工过程中的等效应变分布 63 4.6 本章小结 63结 论 64参考文献 66攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果 70致谢 717第一章 绪 论第一章 绪 论1.1本课题的研究背景1.1.1微电子等领域突出的散热问题在现代工业领域，有很多专门用途的设备，它们的工作性能和工作效率取决于关键零件的结构和性能，如空气冷却器，热交换器的散热管，激光器热辐射表面，环保设备的过滤表面，螺纹表面等等。我们把这类起特定作用的表面统称为“功能表面”。这些表面大多数采用组装式结构（套装、镶嵌、钎焊、高频焊）、切削、滚压等方法加工。早在19世纪中期，Jone就提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程1-2，从此人们就开始了在传热管等传热材料上进行翅加工技术的研究。70年代出现能源危机，研究翅化管的加工技术及其强化传热机理有了进一步的发展，随着加工制造技术的不断进步，近20年来对强化换热元件的研究在化工、能源、制冷、航空、电子等工业部门有了很大的进展，各式各样的强化换热元件层出不穷，为提高传热效率作出了重要的贡献。但是随着微电子及化工等领域，尤其是微电子领域对产品性能的无限追求，芯片集成度不断提高，带来致命的高热流密度，电子器件的冷却问题越来越突出。英特尔公司负责芯片设计的首席执行官帕特-盖尔欣格指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，到2005年芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015年就会与太阳的表面一样热。目前芯片发热区域（）上的功耗已超过105W，且未来有快速增加的趋势3。芯片产生的这些热量如果不能及时散出，将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代电子产品的关键科学问题之一。为了改善计算机元件的工作环境，保证计算机长时间连续稳定的工作及其延长其使用寿命，有效防止CPU芯片内部由于热量过多聚积而过热，其基本手段仍是在芯片表面贴附具有高导热系数和高热容量的金属散热器，将CPU内部产生的热量以热传导的方式引出到散热器翅片上，再借翅片与其周围空气的对流作用将热量传入气流中带走。可见，从材料导热性能、表面积大小和结构形状、外部对流换热的组织方式和强度等方面提高散热结构的效能是切实可行的4。在材料确定的情况下，合理的散热功能结构不仅在于增加比表面积和诱发湍流增加湍流掺混，更重要的是组织合理的对流形式（多尺度条件下主要是宏观结构起作用）。原来传统的单一尺度与简单形状的表面热功能宏观结构已经不能满足目前高热流密度散热要求，严重制约了高集成度芯片等产品性能的进一步提高，急需探索新的热功能表面结构以适应当前形势。1.1.2表面热功能结构的发展趋势微电子产品换热器件表面热功能结构按尺度来分，可分为表面宏观结构5-6、表面亚结构7-9和表面微结构10-11，表1-1列出了各种结构的尺寸范围以及作用。三种功能结构的尺度范围相互衔接，形成了尺度跨度达到三个数量级的复杂换热结构。表11 各种结构尺寸和作用Table.1-1 Size and action of the different structure结构分类尺度范围（mm）作用宏观结构1.0以上增大比表面积和组织换热气流的宏观流动亚结构0.11.0进一步增大比表面积，同时通过诱发附面层湍流实现强化传热微结构0. 10.03这一尺度的结构对气液相变传热具有显著的强化作用，但对于空气强制对流换热是否也具有同样的效果，尚有待进一步的研究目前高热流密度芯片采用的表面热功能结构呈现出从传统光滑表面或简单结构表面向多尺度多维亚结构及微结构发展的趋势，但对满足这种特定环境要求的多尺度多维热功能结构设计及制造的系统科学的理论及应用技术的研究还很不充分。系统科学地解决满足高热流密度散热要求的机电器件表面功能结构设计及其制造等关键技术问题，必将对我国微电子制造等相关产业的持续、稳步发展产生深远影响。本课题提出的锯齿状翅片是具有宏观结构、亚结构乃至微观结构复合的多维复杂翅结构表面。通过在工件表面加工出各种几何形状的三维翅结构，利用翅结构的诱导、互扰作用，形成特定范围表层湍流，促使气液充分混合，达到提高传热效率的目的，从而实现强化对流传热。1.2表面结构及其加工方法的研究现状目前对表面热功能结构的研究在向亚结构和微结构领域扩展，对微型换热器的研究也正在兴起9,11-15。根据检索的文献来看，关于表面热功能结构的研究主要侧重于简单表面宏观结构的传热分析和设计。例如，Vierendeels等对大温差矩形腔体中自然对流传热问题作了二维数值分析研究6。Ali等用二维模型研究了两平行平板间强制对流传热问题，研究表明在两平行平板间布置偏置平板（间断板）有利于提高对流散热效果，并对若干偏置板的布局进行了优化设计16。Nonino和Comini研究了有肋片的矩形散热通道的三维强制对流传热问题，用有限元法对散热通道中不同角度布置的肋片对旋涡形成的影响作了系统的分析和数值研究5。研究人员已经认识到散热表面上若干光滑矩形翅片的排列方向、间距、分布密度及翅片的高度都影响散热效果17-19，并开始尝试对这些几何参数进行优化设计18,20。目前，带有柱状翅片的散热结构是解决紧凑散热空间中高热流密度问题的一种新的途径21-24。上述工作主要针对简单表面宏观结构（也有文献将宏观结构或亚结构称为翅片或肋片）进行了理论分析与设计，但还不足以解决量级的高热流密度问题10-11。此类问题不仅需要根据具体散热环境的要求、结合外部对流形式，设计热功能表面的宏观结构，还要进一步采用表面亚结构甚至微结构来强化传热，同时按热功能需求设计宏观结构、亚结构乃至微结构形状和几何参数，佐治亚理工学院等在表面宏观结构和亚结构（叠加在宏观结构表面）方面做了许多有益的工作25。国内在宏观结构表面的亚结构和微结构机械加工生成机理与关键技术方面也进行了研究7-8, 26-27。针对具有亚结构和微结构的翅片，研究提出了一些加工方法。现归纳概述如下：1) 二维翅片结构二维翅片结构是在原材料表面生成连续的亚结构翅片，其加工方法主要有两种：挤压犁削法和劈切挤压法，这两种方法本质上都是挤压和无屑切削的复合加工方法。从刀具与工件的相对运动来看，它们与普通外螺纹车削并无差异，但它们使用的是专用刀具（如图1-1），该刀具的“前刀面”由两个曲面构成，其横截面是一个尖劈。处在进给方向那边的曲面对金属进行挤压，使金属产生塑性变形而形成凸起的金属“鼓包”。工件转过一圈后，刀具的尖劈刃对上一圈形成的鼓包进行犁削，把鼓包一分为二，就像轮船的流线型船头把水分开一样。其工作原理如图1-2所示，刀具作旋转运动，坯料管作平行直线运动或者刀具作直线平行移动，坯料管作旋转运动。刀具将管表面金属劈切开后，随着挤压量的增加，金属沿径向和轴向流动，通过径向和轴向挤压使金属塑性变形形成翅片。这些工艺通过挤压产生塑性变形以无屑加工方式形成外翅片，所形成的外翅片高度远大于吃刀深度，且具有较高的加工效率。2) 三维翅片结构三维翅片结构与二维结构的主要区别在于三维结构是单翅、不连续的，主要采用滚压翅成形。滚压翅成形是一种塑性加工方式，其加工过程分两个步骤：首先用滚刀对工件进行一次滚压，在材料表面形成端面如锯齿状或梯形的连续翅片，如图1-3所示的二维翅结构。然后把工件旋转90角再滚压一次，形成如图1-4所示的三维结构。图1-1 二维翅片加工的刀具示意图Fig.1-1 Schematic diagram of chopping-extrusion tool图1-2 二维翅片加工模型Fig.1-2 Model of chopping-extrusion process图1-3 一次滚压翅Fig 1-3 The fin of first rolling图1-4 滚压翅形状Fig. 1-4 Shape of rolling machining fin滚压翅成形加工时材料变形太大，得到形状比较理想的翅片比较困难，且滚压翅成形的滚压速度低，加工效率低下。此外，由于加工时易产生加工硬化、金属塑性流动性变差等，二次滚压时的难度增大，而且滚压力大，成翅困难。另外，还出现了一种正犁削点翅成形加工方法。它是利用刀具的往复运动，像锄土一样，在材料表面“锄”出高于原材料表面的点翅，其加工是间歇性的非连续过程，图1-5为点翅外观形状。 图1-5 点翅外观形状Fig.1-5 the dot-fin shape正犁削点翅成形的成翅质量较高，能得到“点翅”状翅结构，而且操作简单，容易实现，是一种可行的加工方法。但是正犁削点翅成形，其加工是间歇性的非连续过程，生产效率不高，并且“点翅”状翅结构的翅高及表面结构（如比表面积）也还不理想。本课题提出的锯齿状翅片是包括二维和三维结构的复合翅片结构，在二维连续翅结构上叠加具有不连续特征的三维微观翅结构，以期进一步强化表面传热功能。而且利用犁削挤压工艺一次成形，具有加工简单，效率高等特点。1.3 锯齿状翅片的强化传热特性研究锯齿状翅结构是具有宏观结构、亚结构乃至微观结构的多维复杂翅结构，其表面的宏观结构和亚结构，增大了比表面积，其强化传热效果是很明显的；对于微观结构，这一尺度的结构对气液相变传热具有显著的强化作用，通过在翅结构上生成这一微尺寸，加大了翅结构的表面粗糙度，有利于增强材料表面的润湿性，从而提高部件的传热效率。但对于空气强制对流换热是否也具有同样的效果，尚有待进一步的研究。零件经表面处理后，可使润湿性能得到较大的提高28。 零件表面的润湿状况可通过测定表面与液体的接触角，即通过接触相的界面张力相互关系来确定，如将一滴液体滴于固体表面，便会形成一液滴，见图1-6，并且在液相和固相间产生一个润湿角（又称接触角），界面张力gs、gL、Ls同时作用于o点。只有当界面作用力相互抵消，才能使o点保持平衡，即 （1-1）当gsLs, gs ，90时，称为部分润湿；当=180时，称为完全不润湿，如图1-7所示。 ogsLsgL气体液体固体图1-6 接触角与界面能量的关系Fig.1-6 Relation of contact angle and boundary energya)b)c)d)图1-7 接触角与润湿 的关系/()：a)0 ； b)90 ； d)180Fig. 1-7 Relation of contact angle and wetting式（1-1）适用于理想光滑表面，Wenzel29指出，当给定的几何面糙化后，必具有较大的真实面积，可用粗糙因子r表示实际粗糙表面Ar与理想光滑表面A的差异，即 （1-2）设粗糙表面的接触角为r，它与理想光滑表面的接触角间的相互关系为： （1-3）式（1-3）中，r总大于1，所以粗糙表面的cosr总比理想光滑表面的cos大，亦即当90时，表面糙化将使接触角变小，由此可见，零件表面糙化处理可提高其润湿性能。因此利用犁削挤压加工在材料表面形成具有糙化特征的裂解翅结构，可使零件的传热效率得到提高。1.4犁削挤压加工工艺与一般切削加工的联系与区别就工件与刀具的相对运动来说，犁削挤压与传统刨削加工并无差异。但传统刨削加工用的是刨刀，而犁削挤压工艺用的是专用刀具（如图1-8）。由于刀具形状差异，两种工艺的被加工表面成形机理存在着差异。刨削是通过切削方式切去多余的金属形成所需的表面，而犁削挤压是通过挤压产生塑性变形，以无屑加工方式形成翅片，所产生的翅片高度远大于吃刀深度。但就其变形本质来说，仍然属于金属切削加工，产生的翅片仍属于切屑范畴，只不过翅片不离开工件基体而已。图1-8 犁削挤压加工刀具示意图Fig. 1-8 Schematic diagram of plowing-extrusion tool 1.5课题来源及研究内容本课题为国家自然科学基金资助项目（项目编号：50436010）及国家自然科学基金资助项目（项目编号：50375055）、广东省自然科学基金资助项目（项目编号：04105942）。本课题就是在纯铜材料表面探索和研究锯齿状翅结构的加工方法，研究翅片成形的机理并分析影响翅成形的因素，以便为生产优质高效的表面功能结构提供技术参考和理论依据；同时分析犁削挤压加工过程材料的塑性变形，利用有限元方法，建立有限元模型。本课题的研究内容包括以下几个方面：1) 在普通机床上利用犁削挤压工艺加工锯齿状翅结构，分析锯齿状翅片成形机理，探索影响翅结构成形的因素，分析这些因素对翅结构的作用规律，研究有利于成翅的加工用量和刀具参数的最佳范围；2) 在分析被加工材料塑性力学基础上，利用有限元分析软件（Deform3D）建立有限元模型，通过刀具运动模拟犁削挤压过程，并对模型进行模拟计算，完成对犁削挤压过程的动态数值模拟；3) 应用该软件的后处理器提取计算结果，对犁削挤压过程中的翅片平均高度与各刀具参数和运动参数之间的关系进行模拟，分析加工过程中犁削挤压力的变化过程，并通过试验验证；从理论角度分析加工过程中材料的应力场和应变场。第二章 锯齿状翅片成形机理分析 第二章 锯齿状翅片成形机理分析表面热功能结构通过增加比表面积、加强湍流以及增强表面润湿性能来改善表面结构的传质传热性能。然而，这三个方面都跟表面结构的高度有着紧密的联系。为此本章将采用犁削挤压机械加工方法在铜表面进行翅成形试验，分析锯齿状翅片成形机理，以及影响翅结构高度的因素，对翅结构的生成控制、刀具结构设计以及有限元的模拟都有着重要的意义。2.1锯齿状翅片犁削挤压试验研究2.1.1试验设备试验在普通刨床上进行，刨床型号为B6050B；刀具材料为高速钢(W18Cr4V)；1-刀具 2-刨床 3-工件 4-翅片 5-工作台图2-1 犁削挤压加工示意图Fig.2-1 Schematic diagram of plowing-extrusion process工件材料为纯铜板。加工过程中，材料固定装夹于工作台上，刀具沿y轴作直线运动，在材料表面犁切、挤压起突出的翅片，其加工示意如图2-1所示。2.1.2刀具设计为保证加工过程能够连续进行，加工刀具的刃宽不可过大，通常取 12 mm，且需刃磨得较为锋利。刃宽过大，在加工过程中部分金属材料容易脱离基体；若过小，则刀具容易断裂，且因为被挤起的金属太小，难以成翅。另外在加工过程中尽量少屑或者无屑，这就要求顶刃特别锋利。犁削挤压加工所用刀具主要参数包括挤压角、挤压倾角、后角和刃宽。刀具刀尖结构示意如图2-2所示：挤压面顶刃后刀面图2-2 加工刀具刀尖示意图Fig2-2 Schematic diagram of plowing-extrusion tool为了确定各刀具参数，按以下方法设定坐标系：以刀尖为原点O，犁削挤压速度方向为Y方向，过原点垂直于水平面的方向为Z方向，过原点垂直于YOZ面方向为X方向。在此坐标系下定义刀具各角度参数，并设定刀具角度参数均为锐角。如图2-3所示，挤压面与YOZ面的夹角，在XOZ面的投影为挤压倾角，挤压面与YOZ面的夹角，在XOY上的投影为挤压角。后刀面与XOY面的夹角，在YOZ面上的投影为刀具后角。本试验选择的刀具是两边对称。两挤压面之间距离的一半为刃宽ba。刀具实物见图2-4，显而易见，刀具几何参数的选择是犁削挤压加工的关键。成形机理试验各刀具参数和犁削挤压参数如下：挤压角，25；挤压倾角，2；后角，10；刃宽，0.8mm；速度，0.051mm/s；深度，0.4mm。图2-3 刀具角度示意图Fig2-3 Schematic diagram of plowing-extrusion tool angle顶刃后刀面图2-4 犁削-挤压刀具Fig2-4 The plowing-extrusion tool2.2试验结果及成形机理分析2.2.1锯齿状翅片分析图2-5 翅片侧面形貌Fig.2-5 Fin profile appearance图2-5是锯齿状翅片的侧面形貌图，可以看到，在原来光滑表面上生成了具有犁削槽、一次翅和裂解结构的复杂表面。本文把一次翅片高度定义为金属基体表面与裂解翅底端之间的距离（如图2-5所示），用h表示。一次翅片高度是衡量翅片质量的重要参数。翅片越高，比表面积越大，越有利于传热。将裂解结构高度（又称裂解翅高）定义为裂解结构底部到裂解结构高度顶部的距离（如图2-5所示），用hc表示。同时定义锯齿状翅片的平均高度为裂解翅高的一半与一次翅高之和，用hj表示，因此hj= h + hc /2。2.2.2锯齿状翅片的成形过程为了更好的说明成形机理，建立与刀具相似的犁削挤压坐标系，以犁削挤压速度方向为坐标系y轴，正方向跟速度方向一致；垂直于水平面且朝上为z轴正方向；与以上两个轴所构成的平面垂直的方向为x方向（如图2-1所示）。锯齿状翅片犁削挤压成形是通过犁切、挤压成形、摩擦撕裂成翅，使被加工工件表层金属经过挤压、犁切的一次变形直接转变成与母体连成一体的“整体翅片”，是一种挤压和无屑或微屑犁削的复合加工方法，其原理涉及到切削加工和金属塑性加工领域。从锯齿状翅片的生成过程来看，其加工过程可分为四个阶段：1) 犁切阶段当刀具开始接触到材料表面时，刀具顶刃逐步切入金属基体内，表面金属被切开。2) 挤压阶段当表层金属切开后，挤压面开始对金属进行挤压。随着挤压量的增加，刀具作用于金属表面的x向、y向挤压力渐增，导致金属受到x向、y向挤压后流动渐增，并处于复杂的应力、应变状态之下，产生剧烈而复杂的变形。3) 层积成翅阶段在达到一定的挤压量后，金属在挤压下经过了充分的塑性流动和变形。表层金属在两侧挤压面x向挤压下产生很大的塑性变形，金属因挤压而隆起形成翅片。在刀具的不断进给过程中，已挤起金属由于加工硬化的作用，对新挤起金属来说相当于一封闭边界，使得新挤起金属沿阻力小的z轴正方向流动30，最后二者互相挤压叠合形成一次翅片。4) 裂解阶段 随着刀具对金属的进一步挤压，金属的变形越来越严重，加上加工硬化的影响，持续发生塑性变形的抗力越来越大，导致刀具挤压面对接触金属的摩擦激增。由于翅顶部位较薄，随着刀具的前行，在摩擦力的作用下，该部位裂开并且裂纹逐渐向翅根部位延展。由于翅片是从翅顶到翅根逐渐增厚，当裂纹向翅根延伸至一定程度，摩擦力难以撕裂翅片，裂解不能继续进行，翅片在刀具挤压面滑移一段距离后，摩擦力重新撕裂翅片顶部，此时在原来翅片的基础上又形成了一个裂解翅。如此周而复始，可由犁削挤压工艺一次加工出锯齿状翅结构功能表面。通过图2-5翅片侧面的微观形貌可以看到细小的加工痕迹，从而为分析其变形机理提供依据。由于刀具犁切、挤压作用，金属表面形成犁切槽。加工过程中金属发生塑性变形，犁切槽中原来的金属材料沿着刀具挤压面发生塑性流动。由最小阻力定律可知：材料将向z轴正向流出，形成一次翅结构。一次翅在流动过程中，在刀具挤压面的摩擦力作用下裂开，裂纹逐渐向翅片根部扩张，形成裂解结构。与工件原始表面相比，由于在原始的平面结构上加工出了复杂的槽、一次翅、裂解结构组合形成多维翅表面结构，表面积大大增加。需要说明的是：犁切、挤压、成翅和裂解四个阶段同时进行。2.2.3翅片顶端裂解机理分析 2.2.3.1剪切变形是翅片顶端裂解的根本原因图2-6 a）是翅片电镜扫描图，b）是裂解结构顶部放大200倍的电镜扫描图。从b）图能够很明显的看到在翅顶裂解部位有许多参差不齐的抛物线形的韧窝。这种韧窝的产生是因为：外力作用下，材料强烈滑移，造成位错堆积，在一次翅片顶部，产生许多显微空洞，这种空洞在剪切应力作用下不断长大、聚集连接，并同时产生新的微小空洞，最终导致一次翅断裂，形成如图所示的断裂区。在图2-6 c) 裂解结构根部的形貌图中，也可以看到大量类似韧窝。显见在犁削挤压加工过程中，在一次翅顶部发生了剪切型的延性断裂，形成了裂解结构。因此，剪切应力是翅片顶端裂解的根本原因。2.2.3.2翅片顶端裂解的过程由于摩擦力的作用，翅片顶部撕裂，并往翅片中部扩展，但翅片也逐渐增厚，变形抗力增大，当摩擦产生的作用力不足以继续破坏翅片的时候，刀具继续沿翅片滑移。刀具在下一个部位继续对翅片产生摩擦撕裂作用，形成一个裂解结构，如此周而复始，产生一组裂解结构。从裂解结构的生成过程来看，裂解结构的生成呈周期性变化，其每个周期的变化过程均存在如下三个阶段：1) 剪切撕裂阶段刀具对被加工金属的作用和金属切削时类似，挤压面对于一次翅来说相当于切削刀具的前刀面，而一次翅相当于切屑。但是该过程要比切削过程复杂的多，切削厚度严重不对称，一次翅顶部很薄，越靠近根部越厚。同时，材料的加工硬化致使被加工金属的塑性变差，脆性增强，在挤压和摩擦的综合作用下，翅片开始发生剪切变形。由于翅顶部位最薄，首先在该部位裂开，随着刀具的前行，裂纹逐渐向翅根部位扩展。当剪切变形达到一定程度时，金属强度增大，剪切裂解难以往翅根方向继续进行，金属材料停留在刀具挤压面上，此时裂解翅开始形成。2) 滑移微裂阶段在滑移阶段，一方面随着裂解结构和一次翅在刀具挤压面上滑移，另一方面在z轴负方向上，一次翅片发生微小的剪切变形。因为剪切阶段金属材料堆积在刀具挤压面上，难以发生剪切撕裂，裂解结构开始沿挤压面流出。随着刀具继续前行，刀具对翅片的作用力增大，翅片再一次沿z轴负方向断裂，但其断裂的尺寸远小于剪切阶段的撕裂。实际加工中，裂解结构流出与翅根方向的微小撕裂同时进行，当裂解结构前端滑出刀具挤压面的时候，形成了一次翅根部颈缩（如图2-6 c）。放大200倍如图2-7放大200倍如图b）a)图撕裂区犁切方向翅弯曲b)图一次翅基体复合翅撕裂区犁切方向 c) 图图2-6 裂解结构形貌Fig.2-6 Crack configuration sectionb)根部形貌 c)顶部形貌b) Crack configuration top section c) Crack configuration bottom section3) 周期成翅阶段当裂解结构前端滑过刀具挤压面后，由于加工硬化以及滑移阶段的工件材料堆积，摩擦产生的拉力不足以继续使材料失效，裂解结构在挤压面上沿速度方向持续成长至一定长度。之后，在摩擦的作用下，翅片重新进入剪切阶段，形成一个完整的裂解结构，同时一个新的裂解结构开始形成。如此周而复始，就形成了如图2-7所示的周期性的裂解结构。 图2-7 翅结构功能表面Fig.2-7 Fin structure2.3影响锯齿状翅片成形的因素2.3.1一次翅高的影响因素1) 刀具挤压角的影响试验条件：刀具：挤压倾角0，后角10，刃宽0.8mm；犁削挤压深度：0.4mm；犁削挤压速度：0.051m/s。挤压角是影响一次翅成形的因素之一。从试验的效果来看，它有一个合理的取值范围：介于30与35之间。挤压角既不可太小，也不可太大，如果挤压角太小则不能挤起足够的金属来形成翅片，影响到翅高；太大则刀具不锋利，材料变形太大，容易把挤起的金属带走而成了切屑，翅高反而减小。图2-8是挤压角与一次翅高的关系曲线图。由图可以看出，挤压角的值在合理的取值范围内时，其大小对翅高的影响不大。当挤压角小于30时，翅高随着挤压角的增大而迅速增大，这是因为挤压角的增大，挤起的金属也增多，从而引起翅高的增大。当挤压角大于30时，随着挤压角增大，翅高增长速度减小，这是因为挤压角增大，导致刀具变得不锋利，在加工过程中，材料变形剧烈，挤压金属的量增大了，但是只有一部分材料向z轴正方向变形，另外一部分材料被挤出工件，成为切屑；另一方面，挤压角过大，刀具的受力增大，刀具磨损更剧烈，这对刀具材料的强度和耐磨性都提出了更高的要求。图2-8 挤压角与一次翅高之间的关系Fig.2-8 Relationship between plowing tool and continuous fin height2) 挤压倾角的影响图2-9 挤压倾角与一次翅高的关系Fig.2-9 Relationship between extrusion inclination angleand continuous fin height试验条件：刀具：挤压角25，后角10，刃宽0.8mm；犁削挤压深度：0.4mm；犁削挤压速度：0.051m/s。图2-9给出了挤压倾角对翅高的影响曲线，在04范围内，一次翅高随着挤压倾角的增大而增大，这是因为挤压倾角的增大，参与变形的金属材料也增多，沿z轴正方向流动的材料也增多，翅高因此而增大。随着挤压倾角的进一步增大，挤压面作用于一次翅的压力增大，严重阻碍了翅的生长，翅高反而开始减小。故挤压倾角的最佳范围为26。图2-10 后角与一次翅高的关系Fig.2-10 Relationship between tool orthogonal clearanceand continuous fin height3) 后角的影响试验条件：刀具：挤压角25，挤压倾角0，刃宽0.8mm；犁削挤压深度：0.4mm犁削挤压速度：0.051m/s。试验表明：后角的最佳范围为02。随着后角的增大，参与犁削挤压加工的刀具体积减小，因而挤起金属的量也相应减少，翅高也随之减小。图2-10显示了后角对一次翅高的影响，一次翅高随着后角增大而减小。另外从图中可以看出，一次翅高下降幅度并不大，说明后角对一次翅高的影响相对较小。4) 刃宽的影响试验条件： 刀具：挤压角25，挤压倾角0，后角0；犁削挤压速度：0.051mm/s；犁削挤压深度：0.4mm。随着刃宽的增加，参与变形的金属增多，其翅高也随之增大。图2-11显示了一次翅高随刃宽的变化关系。刃宽越大，一次翅高越大。但是刃宽过大，金属变形剧烈，容易出现切屑。在试验过程中，当刃宽ba = 1.4时，已经开始产生切屑。在本试验条件下，刃宽一般取值小于1.2。图2-11 刃宽与一次翅高的关系Fig.2-11 Relationship between tool width and continuous fin height5) 犁削挤压速度的影响试验条件：刀具：挤压角25，挤压倾角0，后角10，刃宽0.8mm；犁削挤压深度：0.4mm 试验结果表明，犁削挤压速度在低速范围内取值较好，因为在加工刀具的挤压作用下，过高的挤压速度会使紫铜表层金属产生较大的应变速率，从而导致金属变形抗力过大难以发生塑性变形。图2-12表明了犁削挤压速度对翅高的影响规律。随着犁削挤压速度的增大，一次翅高先增大后减小。为了获得较高的一次翅片，最佳速度范围为0.093m/s0.144m/s。6) 犁削挤压深度对翅高的影响试验条件：刀具：挤压角25，挤压倾角0，后角10，刃宽0.8mm；犁削挤压速度：0.051m/s。图2-13显示了犁削挤压深度对翅高的影响规律。由图可以看出，一次翅高随着挤压深度的增加而增大。主要是犁削挤压深度越大，发生变形的金属就越多，沿挤压面流出成翅的金属也就越多，所以有利于增大翅片的高度。但是由于受加工刀具强度的限制，犁削挤压深度并非越大越好，深度太大，刀具容易断裂。一般取值在0.20.4mm。图2-14为犁削挤压时挤压深度为0.4mm时放大54倍扫描电镜翅片。图2-12 犁削挤压速度与翅高的关系F