微圆热管旋压成形的夹具设计与制造

邵阳学院毕业设计（论文）1绪论1.1引言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,使得出现微电子芯片热流密度急剧增加而有效散热空间却日益狭小这一尖锐矛盾，导致芯片工作温度急剧增加，这将严重威胁到电子产品的安全与使用寿命。因此，对狭小空间内高热流密度电子设备的高效散热是亟需攻克的关键技术。目前，具有高导热率、良好等温性、快热响应、小尺寸而简单结构的微型热管已成为电子产品散热的理想导热元件。微型热管的传热性能主要取决于管内壁吸液芯结构，而沟槽吸液芯结构的微型热管则符合电子器件短小轻薄的发展方向。但其管内壁沟槽结构的加工是沟槽热管制造首要解决的问题，而传统的沟槽管犁削或旋压成形法加工均受到刀具加工等条件限制而不能制造尺寸较小的微型沟槽管，尤其是对于4mm以下的微型沟槽管若采用旋压直接成形将难以实现。因此，具有良好毛细吸液芯性能的微型沟槽管加工是制造微型沟槽热管时亟待解决的问题。热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到类似冰箱压缩机制冷的效果。具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向酌可逆性、可远距离传热、恒温特性(可控热管)、热二极管与热开关性能等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。由于其特殊的传热特性，因而可控制管壁温度，避免露点腐蚀。但价格相对较高。1.2微圆热管的基本特性及其工作原理1.2.1微圆热管技术的概述热管技术是1963年美国 LosAlamos国家实验室的G.M.Grover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。(1) 微型热管定义自1965年Cotter提出热管的概念以来，热管的结构经历了重力型、具有毛细芯的单根热管，到具有一簇平行独立微槽道的平板热管（微型热管阵列），进而发展到内部槽道簇之间通过蒸汽空间相互连通的微槽平板热管等结构形式的变化。而热管的尺寸也经历了从大到小的变化，特别是随着电子芯片发热量的增加以及散热空间的减小，要求的热管的尺寸也越来越小，以试图为各种小面积、高热流元件散热提供有效的手段。热管尺寸大小已经成为评价热管使用性能的一个重要指标，然而，根据热管的尺寸来区分热管的类别，到目前仍然没有一个权威的定义。相应于对尺寸很小的热管需求的不断增加和研究力度的不断加强，可对微型热管的定义却仍然很模糊。国外对微型热管的定义有两种：Cotter1和Peterson2将之定义为热管的水利学半径rh大于或等于热管中工质的汽液界面的毛细半径rc,而Chen3等则将微型热管定义为Bond数小于或等于2的热管。而国内文献则认为，直径为3mm左右的热管即为微型热管，有些文献则认为微型热管就是内径非常小的热管。为此，为叙述方便，考虑到大多数人可以接受的观点和实际的使用情况，从热管的制造角度考虑，特定义直径为3mm左右及以下的热管为微型热管。(2) 微型热管的应用由于微型热管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。主要体现在两个方面：电子冷却和生物学应用4。第一，电子冷却。Tuckerman和 Pease5在微电子机械热交换中的初始工作形成了微热管应用的基础。随着装置中计算能力和处理速度的提高以及结构尺寸的下降，在这些装置中产生的热量的有效去除已经变得越来越重要，因为过剩的热将导致在单独元件中将产生内应力。而风扇辅助的热枕需要电能而且降低电源寿命；一般的能散热的金属热枕又太大以至于不能装入到笔记本电脑中。两相热传递机构则是实现这种目的的有效选择，因此，微热管提供了一种高效、被动、紧凑的热传递方法。通过直径很小的微热管完全可以带走发生器所产生的高热流。热管散发热量到一个相对较大的空间，而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。第二，生物学中的应用。微沟槽热管的应用范围最近来已经从电子冷却延伸到生物学应用。可以设想，微热管可以在某种恒定温度下提供可控制的热流速度以匹配生物组织的热传导率，它也可以用来处理用其他方法不能处理的在身体某个部位存在的肿瘤组织。微热管导管也可以与其他支撑装置一道作冷冻应用。不久后，用于热管导管联结的温度控制机构已经被设计和制造出来6。1.2.2热管的工作原理及工作特点（1）热管的工作原理图1.1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，后者是通过自由电子的运动、分子的热运动而传递热量的，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1.2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图1.2 热源大小对于热沉温度分布关系示意图冷却方案，芯片至空气的平均热阻为17/W。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/W。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可以提高几十倍。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。（2）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）。 上图表示了热管管内汽-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（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，PcPl+Pv+Pg是热管正常工作的必要备件。1.3 微型热管技术的研究现状及其发展趋势1.3.1微型热管的国内外研究现状目前，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） 国外研究现状对于微热管研究，国外主要集中在管内蒸汽和液体流动的分析模型、数值模型以及微热管传热性能测试的研究。自1965年Cotter7提出热管的基本理论以来，其研究成果就逐渐成为热管研究基础，特别是Cotter1984年提出了微热管的完整概念，许多科研人员对微热管内部蒸汽和液体流动规律及传热机理进行探索和研究。实际上，微热管性能受多方面因素的综合影响，如微热管材料、工作液体物性参数和吸液芯结构等等，其中液体蒸发过程和蒸汽冷凝过程都离不开吸液芯结构，且冷凝端液体只有依靠吸液芯的毛细作用才能从冷凝端回流到蒸发端，吸液芯结构在微热管的工作循环起着极其重要的作用，因此直接影响到微热管的传热性能。许多研究人员对微热管的运行进行了理论和数值分析研究，但要获得整个微热管的运行分析解非常困难，因此建立了许多数值模型，其中一些复杂的数值模型既包括蒸汽流动也包括液体流动。Vafai和Wang8将液体流动、蒸汽流动、液汽流动耦合效应、非达西输运等结合起来，研究了对称平面形状（包括圆盘形状和扁平形状）微热管的广义三维分析模型。Zhu和Vafai9将液汽界面流动耦合和多孔吸液芯的非达西输运结合起来，建立了低温圆柱形微热管的二维分析模型，以预测蒸汽和液体的速度和压力分布。Valerie Sartre等10提出了预测微热管阵列传热的三维稳态模型，建立了三个耦合模型：微区域的求解方程、二维壁的导热和纵向的毛细两相流。Yuwen Zhang等11在微通道强迫对流冷凝条件下，使用VOF方法（流体体积法）数值模拟了水平微热管中和平行板之间由于冷凝引起的毛细阻塞现象。Z. Jon Zuo12建立了数值模型描述微热管蒸发器多孔吸液芯中液体和蒸汽流动，在各种热流条件下，对包括孔径分布、吸液芯渗透率和厚度的蒸发器设计参数进行计算，发现蒸汽体积率极度依赖孔径分布，这对确定蒸发器的热流极限是非常重要的。M. A. Hanlon和H. B. Ma13提出了一个二维模型预测烧结毛细结构的综合传热能力，模型考虑了吸液芯的热阻、毛细极限和最初核沸腾的情况，其数值解表明仅在吸液芯表面发生的薄膜蒸发在蒸发强化传热中起着重要的作用，其最大过热量是粒子半径、吸液芯孔隙率、吸液芯结构厚度和有效热阻的函数，并且对于最大传热量存在一个最优化厚度。Sung Jin Kim等14研究了沟槽吸液芯微热管的传热传质数学模型，考虑了液-汽界面剪切应力、接触角和初始灌注量的影响，并从理论上求解了稳态条件下的最大传热率和总热阻。Xiao Ping Wu等15建立了水平位置下圆柱形微热管蒸发段Le和冷凝段长度Lc之比的最优化模型和分析，对于微热管散热器常用的直径在46mm的微热管，计算分析结果表明最优长度比率为0.30.6，对于较大直径微热管则表明有较小的最优长度比率。R-Ha Ma和T.S. Sheu16通过理论方法分析和讨论了各种参数对三角形微沟槽（轴向湿润长度）毛细性能的影响，对三角形微沟槽建立了包括接触角影响在内的一维非线性微分方程和代数方程。R. H. Nilson等17推导了深度一致和宽度沿轴向递减的敞开式矩形微通道中蒸汽流动的分析解，结果证明了锥形通道比矩形或三角形横截面直通道具有更好的冷却能力。从理论分析和数值模拟中可以发现，影响微热管最重要的因素还是吸液芯结构，因此如何改善吸液芯结构，以获得微热管的最优传热性能，科研人员做出了很多有益的研究开发工作。为避免吸液芯通道中液体出现过热而产生沸腾极限现象，Khrustalev和Faghri18开发了一种倒弯月面型蒸发器扁平微热管，其中间部分是一个多孔板，蒸发段有横向的三角形槽和纵向的矩形槽，而绝热端和冷凝端无沟槽，实验结果证实了这种微热管的蒸发器壁能够承受高热流。Jinliang Wang和Ivan Catton19在沟槽表面覆盖有一层细孔结构来强化三角形沟槽的蒸发传热，这不仅仅提高了毛细压力，而且随着覆盖一层细孔结构的沟槽中液体弯月面的退缩，蒸发传热性能得到了极大地提高，通过与没有细孔结构的三角形沟槽的蒸发传热性能进行实验比较，其蒸发传热系数是后者的36倍。为减少汽液界面上的粘性剪切应力，Shung-Wen Kang等20开发出一种具有三层结构、允许液体和蒸汽流动隔开的径向沟槽微热管，通过实验估计，微热管在70%的灌注率下的性能更好。Lanchao Lin等21开发了一种高性能微热管以冷却高热流电子器件，其吸液芯结构是在折叠式铜片翅上利用电火花技术加工出具有完全或部分敞开式沟槽的毛细流动通道，在110的工作温度下，冷凝端传热系数提高到120%部分敞开式沟槽毛细结构比完全敞开式沟槽毛细结构的更高些，若在集中加热方式下，可达到高于140W/cm2的热流。另外，Man Lee等22研究了一种集成微热管系统的设计和制造，其中包括加热器、热管阵列、温度和电容传感器； Yimin Xuan等为了强化蒸发过程，在微热管的加热表面上烧结了一层铜粉，结果表明加热表面的多孔烧结层能够强化蒸发过程和改善平板微热管性能。（2） 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；陆耶耶对一种新型圆板热管特性进行了模拟及研究。1.3.2微型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。Thermacore公司开发的倒弯月型微热管热传量达200W/cm2；Mallik等制造了一种蒸汽沉淀微热管阵列，该装置作为半导体装置的一部分，通过减小热源与热枕之间的热路径，能有效地起到热辐射的作用。他们利用计算机模型模拟和沉淀截面模型优化金属覆盖面，成功地预测了真空镀膜微热管（VDMHP）的横向剖面轮廓。采用IC工艺制成的微槽道热管平面阵列，其冷却功率一般可达200W/cm2；Kang等提出了一种半沟槽式微热管，在这种热管中，上半部分的蒸汽层通过一薄层与下半部分的液体层分开。通过在不同输入功率条件下的三种不同充液速度的实验，他们能估算晶片的性能。Lee等提出了一种微热管集成系统的设计与制造方法，该系统包括发热器、热管阵列、温度和电容传感器。他们用蚀刻、在沟槽上用由晶片压焊形成的氮化物隔膜覆盖沟槽以及来回蚀刻技术来制造热管。Barre等则应用一种各向异性的化学蚀刻方法和直接的硅晶片压焊技术来制作微热管。文献也介绍了采用化学刻蚀及焊接工艺制造的液汽腔相分离的铜基径向丝网式、沟槽式平板热管，并比较了二者的传热性能，认为沟槽式平板热管在制造方法及传热性能等方面均优于丝网型的；因制造工艺、成本等原因，到目前为止，用小型平板热管冷却微电子器件的研究报道较少，更未见有普及应用。已有研究人员对几何尺寸及形状不同的铜水微小型热管进行过实验研究，认为大深宽比的槽道能使热管具有更好的传热性能；更多的尖角和微型缝隙能提供更好的毛细动力；带有三维翅结构的热管导热系数在相同测试条件下比光滑重力热管高12个数量级。Moon等通过拉削制造出一种具有多边形横向截面的小型热管。这种微热管具有平的或凹的侧面允许工作液体在微热管的锲边产生的毛细力作用下流动。这种微热管通过拉削或挤压能够很容易地制造出来，而且，这种热管能够通过简单的结构改造而获得强大的毛细力以提供优良的冷却效果。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1.3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；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（如图1.4）。 图1.3 烧结式小型热管吸液芯结构 图1.4 小型热管及微沟槽表面总之，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。目前，国内外开发的沟槽式小型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，特别是因为加工中多齿芯头的存在，这种方法同样不能加工直径很小的微热管。也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，但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。由于微热管具有高导热率、良好的等温性、优良的热相应、结构简单、重量轻、无需额外电力驱动等优点,并且其导热率是最优良导热纯金属的几百倍,甚至上千倍,内壁具有复杂表面结构的超高性能微热管将成为目前高能耗和高热流密度芯片导热的理想元件，是解决当前微电子行业热危机的关键。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。随着电子散热要求越来越高和电子制造加工技术的进一步发展,体积更小、重量更轻和结构灵活的沟槽式超薄壁高性能微型热管将是国际上未来数年发展的趋势，更能适应未来日益严峻的电子散热需求。因此针对电子芯片超高性能薄壁微热管技术及生产装备的研究开发,不仅成为当前电子领域中芯片散热迫切解决的重要课题,而且对于促进信息化产业的发展和结构升级,提高电子产品的竞争力和高附加值,具有重要的战略意义。2微圆热管旋压成形技术的研究2.1引言旋压技术是一项具有悠久历史的传统技术，据文献记载最早起源于我国唐代，由制陶工艺发展出了金属的旋压工艺。到20世纪中叶以后，随着工业的发展和宇航事业的开拓，普旋工艺大规模应用于金属板料成形领域，从而促进了该工艺的研究与发展。在二十世纪中叶以后，普通旋压有了以下三个方面的重大进展：一是，普通旋压设备逐渐机械化与自动化，在20世纪50年代出现了模拟手工旋压的设备，即采用液压助力器等驱动旋轮往复移动，以实现进给和回程，因而减轻了劳动强度。二是，在20世纪6070年代出现了能单向多道次进给的、电器液压程序控制的半自动旋压机。三是，由于电子技术的发展，于20世纪60年代后期，国外在半自动旋压机的基础上，发展了数控和录返式旋压机。这些设备的快速发展将旋压工艺带进了中、大批量化的生产中。强力旋压是上世纪五十年代在普通旋压的基础上发展起来的，最早是在瑞典、德国被用于民间工业(例如，加工锅皿等容器)。由于旋压工艺的先进性、经济性和实用性，且该工艺具有变形力小，节约原材料等特点，在近四十年中，旋压技术得到了长足的发展，不仅在航空航天领域，而且在化工、机械、轻工等民用工业中都得到了广泛应用。目前，旋压技术已日趋成熟，已经成为金属压力加工中的一个新的领域。近20年来，旋压成形技术突飞猛进，高精度数控和录返旋压机不断出现并迅速推广应用，目前正向着系列化和标准化方向发展。在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国己生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备己基本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样，应用范围日益广泛。我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比有较大差距。但近年来取得了较大发展，许多产品精度和性能都接近或达到了国外较先进水平。国内许多研究所(如北航现代技术研究所、黑龙江省旋压技术研究所、长春55所等)已经研制出了性能较好的旋压机。本章主要是在原有的热管加工方法的加工原理以及加工特点分析的基础上，对热管旋压成形技术进行一个系统的介绍与了解，更多的熟悉和了解旋压成形技术的原理，特性与应用。2.2旋压技术的定义和分类旋压是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚挤等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，将金属筒坯、平板毛坯或预制坯用尾顶顶紧在旋压机芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使材料产生逐点连续的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件。旋压工艺的加工原理如图2.1。图2.1 旋压示意图1.芯模2.毛坯3.尾顶4.旋轮根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两种。 普通旋压简称普旋。传统观点认为，普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变，成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。 普通旋压的基本方式有：拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋)和扩径旋压(扩旋)等三种。 拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法。如图2.2（a）示。它是由普通旋压中最主要和应用最广泛的成型方法。毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。图2.2普通旋压示意图根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两种。 普通旋压简称普旋。传统观点认为，普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变，成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。 普通旋压的基本方式有：拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋)和扩径旋压(扩旋)等三种。 拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法。如图2.2（a）示。它是由普通旋压中最主要和应用最广泛的成型方法。毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。图2.3强力旋压示意图剪切旋压指的是不改变毛坯的外径而改变其厚度，以制造圆锥等各种轴对称薄壁件的旋压方式(锥形变薄旋压)。这种成型方法的特点是旋轮受力较小，半锥角和壁厚互相影响，材料流动流畅，表面光洁和成型精度高，并且能较容易地成型拉深旋压难于成型的材料。 筒形变薄旋压是指旋轮紧压在与芯模同时旋转的管状毛坯上并沿管坯轴向运动而制出薄壁长筒件。这种旋压过程始终遵循金属材料体积不变的原则，有如图2.4示两种旋压方式，即材料的流动方向与旋轮的移动方向一致的正旋（b）以及材料的流动方向与旋轮的移动方向相反的反旋（a）。（a） (b)图2.4流动旋压示意图根据旋压轮是否在同一截面上还可将强力旋压分为错距旋压（图2.5）和同步旋压。图2.5错旋压示意图2.3微圆热管的旋压成形技术的特点分析旋压是综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点的少、无切削的先进加工工艺，广泛地应用于回转体零件的加工成形中。是根据材料的塑性特点,将毛坯装卡在芯模上并随之旋转，选用合理的旋压工艺参数，旋压工具（旋轮或其他异形件）与芯模相对连续地进给，依次对工件的极小部分施加变形压力,使毛坯受压并产生连续逐点变形而逐渐成形工件的一种先进塑性加工方法。2.2.1旋压成形技术的加工原理旋压成形技术的加工原理我们以微沟槽热管为例。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2.6(a)所示为旋压加工原理图。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2.6(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2.6 微沟槽旋压加工过程示意图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，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2.7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2.7 微沟槽旋压成形的几何模型2.2.2 旋压成形技术的加工特点旋压成形技术的加工特点主要表现为以下几个方面：（1）在旋压过程中，旋轮（或钢球）对坯料逐点施压，接触面积小，单位压力可达250350公斤力/毫米2以上，对于加工高强度难变形材料，所需总变形力较小，从而使功率消耗大大降低。（2）坯料的金属晶粒在三向变形力的作用下，沿变形区滑移面错移，滑移面各滑移层的方向与变形方向一致，因此，金属纤维保持连续完整。由于金属晶格结构应变，旋压制品的强度、硬度、抗拉强度和屈服极限都有所提高。（3）强力旋压可使制品达到较高的尺寸精度和表面光洁度。在旋压过程中，旋轮不仅对被旋压的金属有压延的作用，还有平整的作用，因此制品表面光洁度高，一般可达56，最好的可达89，经过多次旋压可达10。 （4）制品范围很广。根据旋压机的能力可以制作大直径薄壁管材、特殊管材、变截面管材以及球形、半球形、椭圆形、曲母线形以及带有阶梯和变化壁厚的几乎所有回转体制件，如火箭、导弹和卫星的鼻锥和壳体；潜水艇渗透密封环和鱼雷外壳；雷达反射镜和探照灯外壳；喷气发动机整流罩和原动机零件；液压缸、压气机外壳和圆筒；涡轮轴、喷管、电视锥、燃烧室锥体以及波纹管；干燥机、搅拌机和洗涤机的转筒；封头、车轮和气瓶；以及超宽度7米左右、长9米左右的板材（即将旋压的大直径管材剖开压平而成）。（5）同一台旋压设备可进行旋压、接缝、卷边、缩颈、精整等加工，因而可生产多种产品。同时产品规格范围大。（6）坯料来源广，可采用空心的冲压件、挤压件、铸件、焊接件、机加工的锻件和轧制件以及圆板作坯料，能旋压有色金属、黑色金属以及含钛、钼、钨、钽、铌一类难变形的合金金属。 （7）在旋压过程中，由于被旋压坯料近似逐点变形，因此，其中任何夹渣、夹层、裂纹、砂眼等缺陷很容易暴露出来。这样旋压过程也附带起到了对制品的自动检验的作用。（8）金属旋压与板材冲压相比较，金属旋压能大大简化工艺所使用的装备，一些需要多次冲压的制件，旋压一次即可制造出来。降低了模具制造成本。下面以沟槽式圆热管加工为例来更好的了解旋压成形技术的加工特点，主要表现为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2.8所示23。图2.8 旋压成形热管当然，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）芯头加工要求高。芯头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、芯头位置不适当，则芯头易崩刃损坏。其加工刀具如图2.9所示。图2.9 旋压成形刀具（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2.10所示。图2.10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。2.4微圆热管旋压成形技术的国内外发展状况2.4.1旋压成形技术的发展简介旋压技术作为一种先进的工艺加工方法与我国古代的陶瓷制坯作业相似，并有源于中国之说。据文献记载，我国远在公元前3500年至4000年的殷商时代就已采用旋压制作陶瓷制品；至今我国陶瓷器的加工仍保留了旋压技术的特点。这种制陶工艺发展到约十世纪初就孕育出了金属普通旋压工艺，当时将金属（如银、锡和铜等）薄板旋压成各种瓶、罐、壶和盘等容器（或装饰品）。我国唐代银碗的表面有旋压痕迹，这充分表明我国的普通旋压成形技术可追溯到唐代。这项技术，1314世纪先传到欧洲。1840年前后，旋压技术又由约旦传到美国。最古老旋压设备主要是由人力驱动，使用棒形工具使坯料成形。后来又借助于水利和蒸汽动力驱动。初级阶段，主要用于薄壳零件的批量生产；因受限于操作者技术的熟练程度和体力，发展受到制约。我国早期的工艺品制胎和铜铝制品曾采用手工旋压成型。电动机的出现，使得旋压机的主轴可以采用电机驱动，进而旋压工具也由原来的木质擀棒逐渐改用金属旋轮，使得旋压技术有了重大的突破，其应用范围和加工能力大大地扩大和提高。在18世纪60年代末期，德国出现了第一个金属旋压技术的专利。2.4.2旋压成形技术的国内外发展现状（1）国外发展状况国外在旋压领域不但拥有先进的设备而且掌握了成熟系统的旋压技术。如德国LEIFELD公司的ST56-75NC三轮强力旋压机可完成各种高精度薄壁筒形件多种曲母线的旋压。美国最大400T双轮立式旋压机可对任意合金筒形件进行加工，对某些精密件收口壁厚公差可达士0. 38mm，表面粗糙度Ra3.2。日本东芝机械公司的高效率旋压机将液压仿形与数控相结合来热旋各种形状的高压气瓶。另外，国外特别是美国、日本、德国等许多发达国家的旋压技术日臻完善，不论在设备设计与制造、理论与工艺研究、旋压技术的应用等方面都有很大的发展。我国的旋压技术始于六十年代初期，经过几十年的努力，我国在旋压技术设备和旋压工艺理论基础研究方面（如旋压过程的应力-应变有限元分析、新工艺新方法及理论的探索研究）取得了很多的进展，使得旋压技术应用日益广泛，但仍不能适应我国国民经济发展的需要，特别是在理论研究方面至今仍然是一个薄弱环节，这已成为影响我国高档设备使用效率和旋压工艺进一步推广应用的制约因素。因此，加强旋压成形技术的理论研究，建立系统的基础性资料，是我国旋压技术发展中的一项重要内容。（2）国内发展状况我国旋压技术发展始于20世纪60年代初期，先后有北京有色金属研究总院、北京航空工程研究所、中国兵器工业第五五研究所、北京航空航天大学等单位率先开展旋压技术工艺和设备的研究。随后，兵器、航空、航天、核工业、汽车等行业也陆续开展了旋压技术研究与开发。据不完全统计，当前全国从事旋压技术的单位不断增加，拥有旋压设备近千台，从事旋压技术的人员数以千计。目前、大型旋压设备国产数量与进口数量趋于相当。国外技术先进的国家，其旋压技术已日臻成熟。国内旋压技术近年来发展迅速，随着对外引进和自主创新能力的提高，与国外先进国家旋压技术的差距正在缩短。我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比，无论是在产品种类、尺寸精度、设备能力和自动化程度等方面，还是在工艺理论研究方面还都有一定的差距。诸多科技工作者正在致力于该项研究工作，近20年来取得了较大发展，许多产品精度和性能都接近或达到了国外先进水平。国内少数高等院校，如哈尔滨工业大学、北航、西工大等，以及一些有实力的研究所已在研制CNC旋压机、并进行理论探讨和开发新工艺。尤其在近几年中，我国一些工厂从国外引进了先进的数控旋压机，使我国的旋压技术日趋成熟。国内许多研究所(如北航现代技术研究所、黑龙江旋压技术研究所、长春55所等)已经研制出了较稳定可靠的多种类型的旋压机，在国内市场已有一定份额，但部分机种仍依赖于进口。3夹具设计概述3.1夹具概念夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受加工或检测并保证加工要求的机床附加装置，简称为夹具。在我们实际生产中夹具的作用是将工件定位，以使加工工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。3.2夹具的主要功能在机床上加工工件的时候，必须用夹具装好夹牢所要加工工件。将工件装好，就是在机床上确定工件相对于刀具的正确位置，这一过程称为定位。将工件夹紧，就是对工件施加作用力，使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧，这一过程称为夹紧。从定位到夹紧的全过程，称为装夹。3.3夹具的分类夹具的种类很多，形状千差万别。为了设计、制造和管理的方便，往往按某一属性进行分类。3.3.1按夹具的通用特性分类目前中国常用夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等五大类。（1）通用夹具 通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具。其优点是适应性强、不需要调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。这类夹具已商品化。如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等。采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而减低生产成本。其缺点是夹具的加工精度不高，生产力较低且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批量生产中。（2）专用夹具专用夹具是针对某一工件的某一道工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。特点是针对性强。适用与产品相对