微型圆热管拉拔成形的受力及变形分析

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。1.2本文的主要研究内容与目的微型沟槽式圆热管具有很多的优点，用途极广。本文对微型圆热管的拉拔成形机理进行了研究，并基于实验研究和数值模拟方法，展开了微型热管拉拔成形的受力及变形分析研究工作。本文主要研究内容如下：1）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。2）微型圆热管拉拔成形的数值研究。主要包括有限元方法概述、微小型沟槽式圆热管拉拔成形有限元模拟。1.3国内外微型热管的应用现状与进展目前，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。1.3.1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Cotter1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Cotter21984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Wang3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Vafai4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 Zuo5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. Ma6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. Sheu7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Faghri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 Catton8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。1.3.2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。2 热管的基本概况2.1热管的基本定义热管技术是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，开辟了散热行业新天地。热管是由密闭真空容器、毛细结构与工作流体构成，将热管抽成真空后，加入适量的工作介质，然后密封。工作介质在管内维持饱和状态，一旦热管一端在外热源作用下受热，工作介质吸热汽化，所产生的蒸汽流向热管另一端放热凝结，将汽化潜热释放出来传给外热汇。而冷凝液在吸液芯毛细作用下回流至加热位置，重新进行蒸发，由此不断循环工作。一般热管内部往往加吸液芯结构以增大液体回流驱动力，较为常见的吸液芯结构有金属烧结芯、丝网烧结芯、内槽道芯等。热管是利用液体工质的相变传热，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 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 热管的基本工作热管工作的主要任务是从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移。完成这一转移有6个同时发生而又相互关联的主要过程。这6个过程9是： (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。2.4 热管的工作原理以及工作特点图2.1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2.1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2.2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2.2 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。2.5 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)导热性很高 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)等温性优良 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)。2.6 热管的分类由于热管的用途、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10有以下几种。2.6.1 按热管的运行温度分类(1) 低温热管 低温热管是指工作温度在4200K范围内的热管。用氦做工质，可以在4K以下温度工作。氢和氖可以在2030K范围内使用。温度再高一些，可用的工质有氮和氧。在100200K范围内常用的工质有甲烷、乙烷等。低温工质的特点是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。他们与一般的工程材料均能相容，但用氢作工质时需注意氢脆的问题。(2) 中温热管 中温热管是指工作温度在200700K范围内的热管。这是目前使用最广的一类热管。在此温度范围内，水的热性能最好，能在350500K温度下使用，缺点是与钢、铝等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容，而且其凝固点高，因此限制了它的使用。在500700K范围内合适的工质并不多，目前常用的是导热姆、联苯等。这一温区对于热能回收、化工过程有很大意义，但寻找合适的工质仍然是一个重要课题。(3) 高温热管 高温热管是指工作在700K以上的热管。用银作工质最高温度能达3000K。高温热管的工质均是液态金属。汞可在500K900K内使用，并具有良好的热力性能。汞在常温下是液态，所以比其他金属易充装，但汞有毒又不能很好的湿润吸液芯，所以没有得到广泛的应用。高温热管的传热能力比中温热管大的多，径向热阻比中温热管小的多，所能达到的最大径向热流密度也要高的多。2.6.2 按工作介质的组成分类按介质组成可分为：介质化学成分均一的但组分热管；介质为两种以上物质的混合物的多组分热管；以及管内除工质外同时还含有一定数量不凝结气体的充气热管。2.6.3 按外部结构分类从外部形态看，热管有很多式样，不同的形式是为了满足不同的需要。外部形式的多变性灵活性是热管得到广泛应用的一个重要原因。目前，在实际应用中出现的比较多的有以下几种：(1)圆柱形；(2)圆形；(3)星形；(4)长挠性形；(5)传热面积随着螺旋松开而改变的挠性螺线管形；(6)蒸汽室形；(7)平板形；(8)分离式热管。2.6.4 按凝液回流方式分类常见的是重力热虹吸管和靠毛细力工作的吸液芯热管，此外，还有应用在特殊场合下的离心力旋转式热管、静电力点流体动力热管、磁力磁流体动力热管、渗透力渗透式热管等。2.7 热管的相容性及寿命热管的相容性是指构成热管的各种结构材料之间，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气体或固体沉淀物。如果热管在工作温度范围内长期工作不发生上述现象，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。3 热管加工基本方法特点比较我们知道，目前热管成形加工方法有旋压成形、犁削成形和拉拔成形三种，这三种方法都具有各自加工特点，但旋压成形法、犁削成形法作为传统的加工方法，在具体实践加工中存在某些局限性，在一些小型沟槽式特别是微型沟槽式热管的加工中将无能为力。而作为微型热管加工的新方法即犁削（旋压）-拉拔复合成形法却可以弥补这些方面的不足。3.1旋压成形法特点根据旋压成形法的加工原理可知，该方法存在的些不足主要表现为：（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3-1示。 图3-1 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3-2所示。图3-2 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。3.2犁削成形法特点 根据犁削成形法的加工原理可知，该方法存在的些不足主要表现为： （1）多齿刀具结构形状复杂，设计、加工困难。多齿刀具的齿型是影响微沟槽成形的关键因素。如果多齿刀具设计加工不当，则不仅刀具易崩刃损坏，而且很难生成微细翅结构。 （2）加工质量对加工参数的依赖性也大。犁削速度太大，则容易拉断工件并影响刀具的使用寿命。同时，犁削成形的热管微沟槽的深度较小。 （3）工艺范围较窄。犁削法也只适宜于直径为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以下的微型热管同样由于受到多齿刀具的制造和使用的限制则无法加工。3.3拉拔成形法特点沟槽式微型圆热管加工的犁削（旋压）-拉拔复合成形法是在犁削的基础上进行的热管加工方法。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再进行空拉拔，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变化。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。更重要的是，通过多次的拉拔作用，可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，则几乎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。由于热管外表面的形成主要只受到模具内孔表面的影响，只要模具内孔表面光滑，则可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-拉拔成形法加工微型沟槽式热管时增加的设备也比较简单，操作也比较方便，效率高，用普通的车床或刨床经过简单的夹、模具配置即可加工。（5）在拉拔力的作用下，热管只是经过塑性流动后发生塑性变形，从而形成最终的需要的热管。在整个拉拔加工过程中，只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，因而材料利用率高。（6）在拉拔阶段，对加工参数的依赖性较弱。只要模具制造正确，则加工速度等参数对其质量影响不大。通过上述特点的比较，我们知道犁削（旋压）-拉拔复合成形法作为一种新的热管加工方法，具有优于旋压法和犁削法的加工特点，这将成为小型沟槽式特别是微型沟槽式热管行之有效的加工方法。4 管材拉拔实验研究4 1 管材拉拔壁厚变化机理分析图4-1 空拔管变形区应力图Fig.4-1 Stress chart of the drawing pipess area如图4-1所示，空拔时管材在拉拔力的作用下由于模具的约束作用将产生一定的变形，即管材的轴向尺寸增大和径向尺寸的减小，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。与之相对应，金属变形也是三维的，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，二者可由拉拔后管材伸长和管径减小知道。但径向变形r的符号和大小却受各种因素的影响，可能是正，是零，或者是负。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。根据塑性力学，径向变形量为： （4-1）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的大小和她们三者之间相互关系的因素都会影响拉拔时壁厚的变化。其中管材的几何尺寸S/D值是一个主要的影响因素。根据作用在单位环上力的平衡条件（图4-2所示），r和t有如下关系：或 （4-2）图4-2 空拔管单位环受力图Fig.4-2 Stress stood by the drawing pipe因为ZS/D小于1，r和t又都是压应力，其值带负号，所以就绝对值而言，r始终小于t。随着管材S/D值的增加，r/t值也增加，当满足条件时，空拔后管壁将减薄。相反，S/D值较小时，空拔后管材容易出现增壁现象。因此，S/D值必然存在一个临界值（S/D）临。大于这个临界值时，管壁减薄；等于这个临界值时，壁厚不变；小于这个临界值时，管壁增厚。许多研究都一致认为，在不同的道次加工率的情况下，这个临界值有个范围，一般在0.160.21之间。4 2 管材拉拔成形模具设计4.2.1拉拔成形模具的作用在作者提出的微型热管的制造方法中，拉拔作为微型热管特别是微热管壳体制造的最后一道工序，它要保证微热管的最终不同要求的外径尺寸和内部结构，同时还要提高微热管的外表面质量。4.2.2拉拔模具设计制造应注意的事项微型热管拉拔采用的是无芯棒冷拉拔（空拔）。由于管材内壁无约束条件102，易于产生不均匀周向变形，即使采用同轴度较好的精密模具，只要工件存在微量的壁厚公差，这种变形就会发生。周向变形虽然有助于壁厚均化，但它又是诱发管材纵裂纹产生的主要根源，因此，在进行拉拔模具设计时，要充分考虑工件的尺寸精度、模具形状、摩擦条件等因素，特别是，在微热管拉拔过程中，还要充分考虑拉拔道次以保证壁厚等结构参数在允许的范围内变化。4.2.3 拉拔成形模具设计空拔主要有锥形模空拔（苏式模）和弧形模空拔（中式模）两种。某种尺寸的苏式模具和中式模具的结构如图4-3所示。两种模都是由入口锥、工作带、出口锥三部分组成。不同之处是：苏式外模入口锥的母线为直线；中式外模入口锥的母线为曲线，入口锥角较小，拔制变形区较长，接触面积大。两种模具的使用特点103如下：在相同条件下，使用苏式模具比用中式模具的拔制力小20%25%，因此用苏式模具可以选用较大的变形量。苏式外模的定径带比较窄，在定径带中发生粘钢和粘氧化铁皮的可能性比中式外模小，因而产生划道缺陷的可能性小，拔制的钢管外表面光洁。与此相反，中式模具拔制的钢管内表面比较光洁。 (a)苏式模具 (b)中式模具 图4-3 空拔模具结构 Fig.4-3 Structure of the hollow drawing mould苏式模具加工比较容易，并且内模可调头使用，利用率高。用苏式模具拔制，钢管管尾的壁厚不均较管头严重；用中式模具拔制，钢管管头的壁厚不均较管尾严重。根据两种模具的不同特点，作者在进行铜管空拔时采用苏式模具。模具材料及加工：拉拔模有硬质合金模和钢模两种，为节省成本，作者选用钢模即模具材料使用45钢。模具的加工路线为机加工、粗抛光、渗硼淬火、细抛光。空拔管最佳模角：在冷拔管材的模具设计中，拉模压缩带的模角是主要设计参数之一，实践表明104，角过小，将使坯料与模壁的接触面积增大；角过大，将使金属在变形区中的流线急剧转弯，导致附加剪切变形增大。因此，角存在着一最佳区间，在此区间内拉拔力最小。在生产实践中，对于管材拉拔的模角一般设计为12。作者在进行模具设计时，模角也定为12。某种规格的拉拔模具立体图如图4-4所示。 （a）轴侧图 (b)剖面图图4-4 空拔模具立体图Fig.4-4 Three-dimensional diagram of the hollow drawing mould4 3 管材拉拔成形实验4.3.1 管材拉拔成形应注意的几个问题管材拉拔的润滑在金属拉拔过程中会产生拉伤、撕脱现象，为避免此等现象，确保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底的表面层。此外，线材沿着模面发生变形时，形成高压、高温、且不断产生新生表面。如果有润滑剂存在，则其中的极性物质吸附在新生表面上，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区域，则可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，除了要正确选择拉模材料外，要尽可能地改善线材的表面性质，必须使用性能良好的润滑剂。为此，在购买实验材料时，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下工作，因而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清洁，并能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润滑剂105。管材的残余应力消除在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。较大的残余应力会导致管棒材在加工变形过程中开裂，或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为截面形状变化指数Q值106，则有： （4-3）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，将发生再结晶过程，可彻底消除残余应力，同时材料的强度和硬度也大大降低。4.3.2管材拉拔成形实验实验数据的获取与计算在管材空拔过程中，影响壁厚变化的因素非常多，如管料材质、几何尺寸、硬化状态和模具形状等。但以往的资料大多是以研究钢质管材为主，资料100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、硬化状态和模具都一致，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：第一类是已知空拔前圆管的外径D0、壁厚S0和空拔后圆管的外径DH，求空拔后管子的壁厚SH；第二类是已知空拔后圆管的外径DH、壁厚SH和空拔前圆管的外径D0，求空拔前的壁厚S0。显然，这里属于第一类。 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4-1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；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，可作出减径量与增壁值的相关图，见图4-5。图4-5 增壁值与减径量的关系Fig.4-5 Relationship of the increased thickness and the decreased dia.从图4-5可看出，减径量与增壁值之间的关系近似为一条直线，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。 （4-4） （4-5）列表4-2计算方程系数，代入上两式，再联立求解可得回归方程 （4-6）表4-2 方程系数nXiYiXi2XiYi12-0.1244-0.24820.5-0.0170.25-0.008530.4-0.0460.16-0.01840.5-0.0590.25-0.029550.3-0.0250.09-0.007560.7-0.0310.49-0.021771-0.0731-0.0735.5-0.3756.33-0.4112回归公式分析从上面得出的回归公式（4-6）可知，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。44 微型沟槽式圆热管拉拔成形441 微型热管拉拔成形机理分析在拉拔过程中，我们不能用一般的金属切削加工理论来分析材料的拉拔变形，而只能用材料的塑性变形理论来分析其成形机理。如图4-1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，金属材料就会向轴向流动，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的增加和径向尺寸的减小。 热管拉拔时结构尺寸变化规律从图4-1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4-2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。与之间的关系遵循Von Mises屈服条件，或以其简化形式表示则为： （4-7）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。图4-6为某热管经过拉拔后的截面尺寸变化图。 (a) (b) (c)图4-6 微热管拉拔截面尺寸变化图Fig 4-6 Section dimension change of the micro heat pipe after drawing图4-6(a)为旋压后的原始热管，12齿，外径为6mm，其余尺寸可从图上看出或算出；图4-6(b)为经过一次拉拔后形成的热管，其外径尺寸为3.5mm，(图中所测量的齿厚尺寸明显错误，通过简单的计算可知实际为344.7m)；图4-6(c)为经过第二次拉拔后形成的热管，其外径尺寸为2.6mm。根据上图测量得到的尺寸，再考虑到由于存在明显的测量误差（如图图4-6(b)中的齿厚与齿高尺寸），在进行计算调整后各部分的尺寸如表4-3所示。可算得各尺寸的变化率如表4-4所示。表4-3 拉拔热管结构尺寸 单位：m热管直径齿槽宽度内齿厚度壁厚尺寸内齿高度69724104801683.53913453401582.6239292300150表4-4 拉拔热管结构尺寸变化率（%）拉拔道次齿槽宽度内齿厚度壁厚尺寸内齿高度140.2384.0770.8394.05261.1384.7588.0394.93从表4-4可看出，当热管直径在拉拔后尺寸变小时，在壁厚尺寸变小的前提下，热管截面的各部分尺寸都逐步变小，但各部分的变化幅度并不一致。齿槽宽度与内齿厚度在所有的拉拔过程中都会变小，但变化幅度不同，其中，热管的齿槽宽度减小的幅度大而齿厚减小的幅度则小很多。其原因是：在拉拔过程中，热管横截面受到周向压应力的作用，在周向压应力的作用下就会产生周向压缩变形，因此，各部分的尺寸都会减小，但是，齿槽与内齿在热管中所处的径向位置不同，齿槽处在半径值较大的地方，而内齿则处在半径值较小的地方，在半径值较大的地方所受到的周向压应力较大，而在半径值较小的地方所受到的所受到的周向压应力较小，因此，齿槽尺寸在热管拉拔的时候其减小值就较大，相反，齿厚的减小值则较小，而且，越接近齿顶，其减小值越小。为此，在设计犁削刀具即在犁削热管的时候，为保证拉拔后的热管具有均匀的齿槽结构和获得矩形内齿，必须保证犁削出来的齿槽宽度大于齿厚尺寸，同时要保证犁削出来的热管内齿形状为梯形，以便在经过拉拔变形后能获得理想的微热管内部结构。热管壁厚尺寸和内齿高度尺寸都减小，说明在这两道次的热管拉拔中热管所受到的拉应力超过了周向压应力。根据式4-7可知，热管此时在径向压应力的作用下就会产生压缩变形。而在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，因此，处在径向不同位置的不同部分，其变形也不相同。由于内齿处在内壁处，因此，其径向压缩变