陳澤中， 李文傳， 李 響， 李 鑫

（上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093）

隨著半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，電子元件得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而隨著電子元件體型越做越小，其中能耗增大和散熱困難已成為核心問(wèn)題[1]。有研究表明，一些軍事用途的電子器件，每平方厘米每秒產(chǎn)生1 kJ的熱量，甚至更高[2]。Mithal[3]研究發(fā)現(xiàn)，電子元件的溫度在超出規(guī)定工作溫度10～20 ℃時(shí)，電子元件的故障率會(huì)急速上升。為了能及時(shí)散熱，很多人采用肋片、微型風(fēng)扇等空氣冷卻方式，但散熱效率很低，無(wú)法滿足發(fā)熱量很高的電子元件的散熱需求。在此背景下，用微槽道制成的散熱器因其具有高表體比以及良好的散熱效率，在對(duì)散熱量要求大和空間要求苛刻的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用[4]。此類微槽道尺寸很小，只有幾十至幾百微米，目前這種微型零件的制造方法有：超精密機(jī)械加工、微細(xì)加工、微放電加工以及連續(xù)擠壓加工等。但是這些加工方法由于存在著成本高、選材苛刻、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，難以廣泛應(yīng)用。而微成形技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、成形精度高、成形成本低、成形性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)有越來(lái)越多的研究者將其應(yīng)用于微槽道的制造之中[5-6]。方文利等[7]研究發(fā)現(xiàn)微槽道的結(jié)構(gòu)尺寸較小，在微成形過(guò)程中存在尺寸效應(yīng)。Xu等[8]在研究晶粒尺寸和試樣尺寸對(duì)高純鋁微成形的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著試樣尺寸的增大以及晶粒尺寸的減小，材料的流動(dòng)應(yīng)力呈降低趨勢(shì)。由于微槽道要求成形后具有較低的殘余應(yīng)力，如果采用平時(shí)工業(yè)上常用的冷擠壓，所需成形力大，成形較為困難。而如果采用等溫成形的方式，所得零件幾乎無(wú)殘余應(yīng)力，微觀組織均勻，表面質(zhì)量好，成形精度高，而且還有利于延長(zhǎng)模具壽命[9-10]。廖國(guó)防等[11]在研究航空接頭鍛件等溫鍛壓成形工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)鍛造相比，等溫鍛造工藝大幅度降低了鍛件的變形抗力，提高了鍛件的流動(dòng)性和成形性能，從而有效提高了鍛件變形的均勻性，減少了應(yīng)力集中，獲得了晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)良的成形件。

本文以某款筆記本電腦冷卻系統(tǒng)中的微槽道為研究對(duì)象，首先對(duì)1050鋁合金拉伸試樣進(jìn)行退火處理，測(cè)得1050鋁合金試樣在不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。將鋁合金矩形微槽道三維模型導(dǎo)入Deform-3D軟件中進(jìn)行仿真模擬分析，研究摩擦因數(shù)、擠壓速度以及槽道寬高比這些關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)微槽道等溫?cái)D壓成形的影響，為鋁合金矩形微槽道擠壓工藝和模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

采用導(dǎo)熱性、可加工性以及耐腐蝕性優(yōu)異的1050鋁合金進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，其化學(xué)成分如表1所示，根據(jù)GB/T 228.2—2015金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)拉伸試樣，并使用線切割機(jī)切出6個(gè)拉伸試樣以備試驗(yàn)所需。為獲得比較細(xì)小的等軸晶粒，同時(shí)避免拉伸過(guò)程中出現(xiàn)的變形不均勻，在做高溫拉伸試驗(yàn)前先對(duì)拉伸試樣進(jìn)行熱處理：將試樣在箱式電阻爐中加熱到390 ℃，保溫1 h，隨爐冷卻至室溫。隨后使用Zwick100 kN高溫材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為0.01 s-1，溫度分別為450，400和350 ℃，所得材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 1050鋁合金不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-strain curves of 1050 aluminium alloy at different temperatures

2 微擠壓模型

本文研究的矩形微槽道涉及到的基本尺寸參數(shù)如下：槽寬0.4 mm，槽高0.4 mm，槽道總長(zhǎng)8.0 mm，筋寬0.4 mm，槽道數(shù)14。使用UG NX10.0軟件建立微槽道的三維模型，如圖2（a）所示。將拉伸試驗(yàn)獲得的1050鋁合金流動(dòng)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及材料基本參數(shù)輸入到Deform-3D軟件的材料特性中，建立本構(gòu)模型[12]。1050鋁合金微槽道擠壓成形模擬的有限元模型如圖2（b）所示。在擠壓成形模擬中，不考慮模具的變形，模具材料屬性設(shè)為剛體，成形溫度設(shè)為450 ℃。

圖2 1050鋁合金零件三維模型以及等溫微擠壓有限元模型Fig.2 3D-model of 1050 aluminium alloy part and finite element model of isothermal micro-extrusion

3 模擬結(jié)果分析

3.1 擠壓速度對(duì)擠壓成形的影響

圖3為矩形微槽道在不同擠壓速度下的等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。從圖3（a）中可以看出，當(dāng)擠壓速度為0.01 mm/s時(shí)，矩形微槽道的等效應(yīng)變大部分區(qū)域達(dá)到了2.25左右，最大值為6.74，矩形微槽道變形充分且較均勻。從圖3（b）中可以看出，當(dāng)擠壓速度增加至0.1 mm/s時(shí)，矩形槽道的等效應(yīng)變大部分區(qū)域達(dá)到了4.39左右，最大值為13.2。在矩形槽道的邊緣及板筋處，等效應(yīng)變達(dá)到了8.78以上。由此可見(jiàn)隨著擠壓速度的增大，等效應(yīng)變變大，變形的不均勻性增加。從圖3（c）中可以看出，當(dāng)擠壓速度為0.1 mm/s時(shí)，等效應(yīng)力大部分區(qū)域?yàn)?3.0 MPa左右，最大等效應(yīng)力為28.0 MPa。從圖3（d）中可以看出，當(dāng)擠壓速度為0.1 mm/s時(shí)，等效應(yīng)力大部分集中在30 MPa左右，板筋和邊緣處等效應(yīng)力達(dá)到了40.5 MPa以上，最大等效應(yīng)力高達(dá)60.7 MPa。可見(jiàn)隨著擠壓速度的增大，等效應(yīng)力顯著增加，應(yīng)力集中更為明顯，成形質(zhì)量下降。究其原因，主要是由于當(dāng)擠壓速度增大時(shí)，材料沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)回復(fù)，材料變形抗力增大，應(yīng)變?cè)龃?，成形不均勻性增加?/p>

3.2 摩擦因數(shù)對(duì)擠壓成形的影響

圖4為在450 ℃，擠壓速度為0.01 mm/s，不同摩擦因數(shù)下等效應(yīng)變和等效應(yīng)力云圖。從圖4（a）中可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.1時(shí)，大部分區(qū)域等效應(yīng)變?cè)?1.56～3.12，最大應(yīng)變?yōu)?4.68。從圖 4（b）中可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)增大到0.2時(shí)，大部分區(qū)域等效應(yīng)變?cè)?.31～6.63，最大等效應(yīng)變達(dá)到了9.94，是摩擦因數(shù)為0.1時(shí)的兩倍多。可見(jiàn)隨著摩擦因數(shù)的增大，等效應(yīng)變顯著增大，變形的不均性增加。從圖4（c）中可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.1時(shí)，大部分區(qū)域的等效應(yīng)力為9.0 MPa左右，最大等效應(yīng)力為27.1 MPa。從圖4（d）中可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.2時(shí)，大部分區(qū)域的等效應(yīng)力為13.0 MPa左右，最大等效應(yīng)力為39.1 MPa。隨著摩擦因數(shù)的增大，等效應(yīng)力增大，成形質(zhì)量下降。

上述模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著摩擦因數(shù)的增大，材料成形時(shí)的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都有所增大。因此在對(duì)1050鋁合金微槽道進(jìn)行微擠壓時(shí)，要使用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑以降低凸凹模與坯料之間的摩擦力，從而得到表面精度比較高的零件，還可以延長(zhǎng)模具的使用壽命。

3.3 槽道寬高比對(duì)擠壓成形的影響

有研究表明，微槽道的寬高比越大，換熱性能越好[13]，但關(guān)于不同寬高比對(duì)微擠壓成形影響的研究并不多。本文在不考慮體積影響的情況下，設(shè)計(jì)了3組不同寬高比的矩形微槽道擠壓試驗(yàn)見(jiàn)表2，模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著寬高比的增大，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)寬高比為4時(shí)，板筋處出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)力集中顯現(xiàn)，致使所得零件出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象。因此在進(jìn)行1050鋁合金矩形微槽道微擠壓成形時(shí)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)膶捀弑取?/p>

3.4 最優(yōu)參數(shù)組合模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)之前的模擬結(jié)果及分析，選取以下參數(shù)組合：擠壓速度為0.01 mm/s，摩擦因數(shù)為0.1，寬高比為1（寬和高均為0.4 mm），進(jìn)行1050鋁合金微槽道擠壓成形模擬試驗(yàn)，模擬結(jié)果如圖6所示。大部分區(qū)域等效應(yīng)變?yōu)?.283，最大的等效應(yīng)變?yōu)?.848，大部分等效應(yīng)力為6.82 MPa，整個(gè)槽道的平均填充率達(dá)到了98%以上，擠壓力也很?。ㄗ畲?30 N）。相比之前的幾組模擬試驗(yàn)，本次微擠壓成形過(guò)程中材料變形的均勻性顯著增加，成形過(guò)程更加穩(wěn)定，零件成形質(zhì)量顯著提高。

圖3 矩形微槽道在不同擠壓速度下的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Equivalent stress and strain cloud pictures of rectangular microchannels at different extrusion speeds

圖4 在450 ℃，擠壓速度為0.01 mm/s時(shí)，不同摩擦因數(shù)下等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Equivalent stress and strain cloud pictures obtained at 450 °C, extrusion speed of 0.01 mm/s and different friction coefficients

圖5 不同寬高比下等效應(yīng)力和等效應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Equivalent stress and strain cloud pictures at different width-height ratios

表2 3組不同槽道寬高比數(shù)據(jù)Tab.2 Three groups of different width-height ratios

圖6 最優(yōu)參數(shù)下等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D、槽道填充率以及凸模行程-載荷圖Fig.6 Equivalent stress and strain cloud picture, channel filling rate and punch travel-load diagram

4 結(jié) 論

（1）隨著擠壓速度的增大，等效應(yīng)變?cè)龃?，等效?yīng)力顯著增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，成形質(zhì)量下降。隨著摩擦因數(shù)的增大，等效應(yīng)力增大，等效應(yīng)變顯著增大。而隨著槽道寬高比的增大，等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，同時(shí)板筋處出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)力集中顯現(xiàn)，所得零件表面精度降低。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果分析選取了最優(yōu)參數(shù)組合（擠壓速度為0.01 mm/s，摩擦因數(shù)為0.1，寬高比為1）進(jìn)行1050鋁合金微槽道擠壓模擬試驗(yàn)，模擬結(jié)果如下：材料的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力都明顯小于之前的模擬結(jié)果，材料的流動(dòng)均勻性更好，同時(shí)矩形微槽道的填充率達(dá)到了98%以上，零件表面精度提高。