□ 鄒金虎 □ 龍志能 □ 萬(wàn)珍平 □ 湯 勇

1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640 2.廣州瑞立科密汽車電子股份有限公司 廣州 510663

1 設(shè)計(jì)背景

熱管是一種高效傳熱元件,熱管中的吸液芯結(jié)構(gòu)是影響熱管傳熱性能的關(guān)鍵因素。吸液芯按不同的結(jié)構(gòu)類型可分為溝槽型、粉末燒結(jié)型、絲網(wǎng)燒結(jié)型、纖維燒結(jié)型等[1]。溝槽型吸液芯在銅、鋁、不銹鋼或稀有金屬等材料表面加工出軸向微溝槽,以提供毛細(xì)壓頭及液體通道,溝槽的截面形狀包括矩形、梯形、燕尾形等。溝槽型吸液芯具有管壁薄、質(zhì)量輕、無(wú)接觸熱阻、滲透率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),符合導(dǎo)熱器件輕薄、小型化的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

溝槽型吸液芯熱管的加工方法主要有化學(xué)蝕刻、電火花加工、擠壓犁切、旋壓拉拔等。由于化學(xué)蝕刻和電火花加工存在成本高、工藝復(fù)雜等問(wèn)題,因此對(duì)于銅、鋁等常見(jiàn)金屬外殼溝槽型吸液芯熱管,通常采用擠壓犁切和旋壓拉拔的方法加工。文獻(xiàn)[3]通過(guò)擠壓犁切的方法,在小型圓熱管內(nèi)壁加工出微溝槽,并對(duì)擠壓犁切力進(jìn)行了研究。Li等[4]對(duì)擠壓犁切的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并研究了擠壓角度對(duì)成形質(zhì)量的影響。犁切的方法只能加工出較淺的溝槽,若要加工較深的溝槽,則需要多次拉拔,過(guò)程復(fù)雜,且可能破壞已成形的溝槽。為了一次性加工出大深寬比的溝槽型吸液芯熱管,文獻(xiàn)[5-6]提出采用鋼球高速充液旋壓拉拔的方法,并研究了加工參數(shù)對(duì)溝槽成形的影響。這一方法可以加工出齒槽較深且溝槽數(shù)較多的吸液芯熱管,但是需要專用設(shè)備進(jìn)行加工,并且只能加工單一直徑的溝槽管。若改變直徑,則需更換旋壓模具,加工成本高,并且操作過(guò)程復(fù)雜。這一方法的旋壓過(guò)程在密閉油腔中進(jìn)行,對(duì)密封性要求很高。此外,還需要額外的裝置對(duì)溝槽管進(jìn)行拉拔,設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

針對(duì)旋壓拉拔的加工特點(diǎn),筆者利用車床的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)了一套溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置。通過(guò)一套模具,即可旋壓拉拔出不同直徑的溝槽型吸液芯熱管。這一裝置對(duì)密封性無(wú)要求,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作,便于安裝和拆卸,可應(yīng)用于不同規(guī)格溝槽型吸液芯熱管的生產(chǎn)。

2 成形原理

溝槽沿溝槽管周向均勻分布,每個(gè)溝槽的形貌都相同,可以設(shè)計(jì)為矩形、三角形或梯形。溝槽管旋壓拉拔成形原理如圖1所示,溝槽是旋壓球旋壓、固定芯頭擠壓,以及溝槽管坯沿軸向拉拔共同作用的結(jié)果[7]。首先,逐漸增大旋壓球?qū)喜酃芡獗诘南聣毫?使溝槽管內(nèi)壁金屬發(fā)生塑性流動(dòng),進(jìn)入多齒芯頭的溝槽內(nèi)。然后,旋壓球繞溝槽管高速旋壓,成形的溝槽變得均勻。最后,將溝槽管向右勻速拉拔實(shí)現(xiàn)進(jìn)給,在溝槽管內(nèi)壁加工出軸向溝槽。整個(gè)成形過(guò)程只發(fā)生金屬塑性狀態(tài)下的體積轉(zhuǎn)移,是一種高材料利用率的加工方式。

▲圖1 溝槽管旋壓拉拔成形原理

在旋壓拉拔加工中,旋壓前后溝槽管管坯截面積的比值A(chǔ)/A1是旋壓量b的線性函數(shù),有:

A/A1=kb+1

(1)

式中:k為系數(shù),k=0.03 mm-1[8]。

(2)

(3)

式中:d為多齒芯頭直徑;a為多齒芯頭與溝槽管管坯徑向的間隙;D1、D2分別為旋壓前后溝槽管管坯的直徑;S為旋壓后每個(gè)齒的面積;m為多齒芯頭齒數(shù)。

D1=d+2t1+2a

(4)

D2=d+2t1+2a-2b

(5)

式中:t1為旋壓前溝槽管管坯的壁厚。

將式(2)～式(5)代入式(1),可得:

(6)

由式(6)可知,旋壓后的齒面積與參數(shù)b、m、d、a有關(guān)。當(dāng)溝槽管直徑、壁厚,以及多齒芯頭直徑、齒數(shù)確定后,獲得的溝槽齒形只與旋壓量有關(guān)。因此,在所設(shè)計(jì)的溝槽管旋壓拉拔一位式成形裝置中,只需要調(diào)節(jié)不同的旋壓量,就可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)溝槽管的加工。

3 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)上述旋壓拉拔成形原理,旋壓球繞溝槽管管坯做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),多齒芯頭定位在旋壓區(qū)且固定不動(dòng),溝槽管管坯沿X方向做拉拔運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)旋壓拉拔一體式成形裝置的設(shè)計(jì),需要使旋壓和拉拔運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行,筆者利用車床實(shí)現(xiàn)這一要求。車床卡盤通過(guò)旋壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)溝槽管管坯的旋壓,車床刀架通過(guò)拉拔結(jié)構(gòu)完成溝槽管管坯的軸向拉拔。此外,在車床主軸上設(shè)計(jì)定位結(jié)構(gòu),來(lái)實(shí)現(xiàn)多齒芯頭的軸向定位。

3.1 旋壓拉拔結(jié)構(gòu)

溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。旋壓結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)模、壓緊模、旋壓球、保持架組成,拉拔結(jié)構(gòu)由拉拔夾具組成。旋轉(zhuǎn)模由車床的卡盤夾緊并定位,保證旋壓結(jié)構(gòu)與車床主軸的同軸度。旋壓球有四個(gè),對(duì)稱布置,并由保持架限制位置,保證對(duì)溝槽管管坯的均勻旋壓。旋轉(zhuǎn)模和壓緊模通過(guò)45°斜面共同作用于旋壓球,旋轉(zhuǎn)模的斜面固定不動(dòng),沿X方向移動(dòng)壓緊模可以調(diào)節(jié)間距。此時(shí)四個(gè)旋壓球同步沿斜面移動(dòng),在徑向產(chǎn)生位移,從而實(shí)現(xiàn)旋壓直徑可調(diào),也確保旋壓量的一致性。

▲圖2 溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置結(jié)構(gòu)

工作時(shí),旋轉(zhuǎn)模和壓緊模隨車床卡盤轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)旋壓球在溝槽管管坯表面旋壓。溝槽管管坯產(chǎn)生塑性流動(dòng),進(jìn)入多齒芯頭齒中,形成溝槽。壓緊模對(duì)旋壓球的壓力由調(diào)節(jié)螺釘?shù)念A(yù)緊力實(shí)現(xiàn),在確定溝槽管的直徑后,通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘微調(diào)間距,可以調(diào)節(jié)壓緊模的壓力,進(jìn)而調(diào)節(jié)旋壓球?qū)喜酃芄芘鞯男龎毫俊＜僭O(shè)旋壓球剛接觸溝槽管管坯未旋壓時(shí),旋壓模和壓緊模之間的距離為T1,當(dāng)旋壓量為b時(shí),兩者距離為T,有:

ΔT=T1-T=2b

(7)

式中:ΔT為旋轉(zhuǎn)模和壓緊模間距的減小量。

可見(jiàn),間距的變化量是旋壓量的2倍,對(duì)旋壓量起到放大的作用,便于實(shí)現(xiàn)對(duì)旋壓量的精確控制。

根據(jù)以上關(guān)系,可以對(duì)旋轉(zhuǎn)模和壓緊模的間距進(jìn)行標(biāo)定,從而精確控制旋壓量的大小。

在旋壓結(jié)構(gòu)中,旋壓球?qū)喜酃芄芘鞅砻嫘龎?溝槽管管坯右端受拉力,左側(cè)為自由端,金屬表面向左塑性流動(dòng),與溝槽管管坯進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向相反,可以視為滾珠旋壓加工中的正旋[9-10]。正旋時(shí),金屬?gòu)较蚝椭芟蚴軌簯?yīng)力,軸向受拉應(yīng)力。相比于反旋,正旋時(shí)金屬向坯料自由端流動(dòng)時(shí)受到的阻力較小,不會(huì)產(chǎn)生堆積,縱向失穩(wěn)的可能性也較小,旋壓精度更高。

為了利用車床沿軸線拉拔溝槽管管坯,在溝槽管管坯右端安裝拉拔夾具。拉拔夾具通過(guò)兩個(gè)半圓柱面和溝槽管管坯配合夾緊,不會(huì)對(duì)溝槽管管坯造成破壞。在拉拔夾具后端連接刀架,由刀架帶動(dòng)溝槽管管坯完成軸向拉拔進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

在溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置中,旋壓球采用GCr15軸承鋼制造,保持架采用黃銅制造,旋轉(zhuǎn)模和壓緊模采用45號(hào)鋼制造。在安裝時(shí),旋壓球和多齒芯頭處涂抹機(jī)械油,可以減小旋壓力和拉拔力,同時(shí)有助于減小旋壓加工過(guò)程中的溫升。

3.2 多齒芯頭及其定位結(jié)構(gòu)

根據(jù)溝槽管的內(nèi)徑、所需溝槽的形貌及數(shù)量,可以對(duì)多齒芯頭進(jìn)行設(shè)計(jì),確定多齒芯頭的直徑、齒數(shù),以及齒的高度和寬度。多齒芯頭采用W18Cr4V高速鋼材料制造。多齒芯頭的齒形尺寸微小,對(duì)加工質(zhì)量的要求很高,采用慢走絲線切割,可以保證多齒芯頭的加工精度[11]。

采用線切割加工出的多齒芯頭如圖3所示,多齒芯頭直徑分別為9.9 mm和15.8 mm,齒數(shù)分別為64和100,齒寬分別為255 μm和240 μm,齒高為345 μm。

在溝槽管加工過(guò)程中,多齒芯頭被定位在旋壓區(qū)軸線處不允許轉(zhuǎn)動(dòng),并且要承受拉拔過(guò)程中溝槽管管坯與多齒芯頭間的摩擦力作用。按照以上要求,設(shè)計(jì)多齒芯頭定位結(jié)構(gòu),如圖4所示。

▲圖3 多齒芯頭▲圖4 多齒芯頭定位結(jié)構(gòu)

芯頭桿通過(guò)兩端的軸承座和軸承定位在車床主軸上,使多齒芯頭和旋壓結(jié)構(gòu)保持同軸。調(diào)節(jié)芯頭桿的軸向位置,使多齒芯頭處于旋壓區(qū),用鎖緊螺母鎖緊芯頭桿。為了防止芯頭桿跟隨車床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而破壞溝槽的成形,左端的軸承座需連接車床外殼。加工過(guò)程中,芯頭桿受到的軸向力可以通過(guò)軸承傳遞到車床主軸上,避免對(duì)車床外殼造成破壞。

4 試驗(yàn)

通過(guò)筆者設(shè)計(jì)的溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置,對(duì)不同直徑的溝槽管進(jìn)行旋壓拉拔試驗(yàn),驗(yàn)證溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置的可行性,并研究拉拔進(jìn)給速度、旋壓量等工藝參數(shù)對(duì)成形的影響,得出合適的加工參數(shù)。溝槽管管坯的材料為鈮。

4.1 試驗(yàn)裝置

旋壓拉拔試驗(yàn)如圖5所示。將多齒芯頭及其定位結(jié)構(gòu)安裝至車床主軸上,用車床卡盤夾緊旋壓結(jié)構(gòu)。將溝槽管管坯放入旋壓結(jié)構(gòu)內(nèi),調(diào)節(jié)好旋壓量。用拉拔夾具連接溝槽管管坯和車床刀架。選定轉(zhuǎn)速及拉拔進(jìn)給速度后,開(kāi)啟車床,即可以實(shí)現(xiàn)溝槽管的旋壓拉拔成形。

4.2 溝槽形貌

不同直徑溝槽管加工出的溝槽如圖6所示,外徑為18 mm、12 mm,壁厚為1 mm的溝槽管管坯,加工出的溝槽截面在顯微鏡下的形貌如圖7所示。結(jié)果顯示,外徑為18 mm的溝槽管管坯,溝槽寬度為245 μm,槽高為340 μm,壁厚變?yōu)?70 μm;外徑為12 mm的溝槽管管坯,溝槽寬度為260 μm,槽高為340 μm,壁厚變?yōu)?00 μm。成形后壁厚不同是因?yàn)楦髯远帻X芯頭與溝槽管管坯的間隙不同,外徑18 mm溝槽管管坯與多齒芯頭的間隙更大,因此成形后壁厚也更大。在合適的加工參數(shù)下,兩種直徑溝槽管管坯加工出的溝槽都能與各自多齒芯頭形貌相吻合,溝槽齒規(guī)則且成形飽滿,管外表面較為光滑。

▲圖5 旋壓拉拔試驗(yàn)

▲圖6 不同直徑溝槽管溝槽加工結(jié)果

4.3 工藝參數(shù)影響

根據(jù)旋壓拉拔試驗(yàn)結(jié)果,旋壓工藝參數(shù)會(huì)影響溝槽的成形。筆者在車床主軸轉(zhuǎn)速為210 r/min,旋壓量為0.5 mm的條件下,研究拉拔進(jìn)給速度對(duì)溝槽成形的影響,結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)表明,拉拔進(jìn)給速度由0.1 mm/r提高到0.62 mm/r的過(guò)程中,溝槽深度逐漸增大至多齒芯頭的齒槽深度,此后繼續(xù)提高拉拔進(jìn)給速度,溝槽深度保持不變。拉拔進(jìn)給速度對(duì)溝槽寬度的影響較小,因此深寬比變化趨勢(shì)與溝槽深度相同。此外,拉拔進(jìn)給速度也會(huì)影響溝槽管外表面的粗糙度,拉拔進(jìn)給速度為0.41 mm/r、0.88 mm/r、1.24 mm/r時(shí)溝槽管外表面形貌如圖9所示。由圖9可見(jiàn),拉拔進(jìn)給速度越高,溝槽管外表面的滾珠壓痕越明顯,溝槽管成形后的外表面質(zhì)量越差。

▲圖7 溝槽截面顯微鏡形貌▲圖8 拉拔進(jìn)給速度對(duì)溝槽成形影響▲圖9 不同拉拔進(jìn)給速度下溝槽管外表面形貌

在拉拔進(jìn)給速度為0.62 mm/r,旋壓量為0.5 mm的條件下,車床主軸轉(zhuǎn)速對(duì)溝槽成形的影響如圖10所示。試驗(yàn)表明,車床主軸轉(zhuǎn)速提高到360 r/min的過(guò)程中,溝槽深度逐漸增大至多齒芯頭的齒槽深度,繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速,溝槽深度基本不變。整個(gè)過(guò)程中,溝槽寬度基本保持不變。

▲圖10 車床主軸轉(zhuǎn)速對(duì)溝槽成形影響

多齒芯頭位置和旋壓量也會(huì)影響溝槽成形。多齒芯頭處于旋壓區(qū)時(shí),溝槽成形最佳;偏離旋壓區(qū)時(shí),溝槽深度會(huì)減小。旋壓量主要影響溝槽深度,進(jìn)而影響深寬比,因此精確控制旋壓量是保證溝槽成形質(zhì)量的關(guān)鍵。當(dāng)車床主軸轉(zhuǎn)速為1 120 r/min,拉拔進(jìn)給速度為0.62 mm/r時(shí),加工出的溝槽管中溝槽形貌較規(guī)則,溝槽管外表面較光滑,并且生產(chǎn)效率較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了用于加工溝槽型吸液芯熱管的溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置,通過(guò)雙斜面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溝槽管旋壓加工直徑的可調(diào),并實(shí)現(xiàn)了多齒芯頭的定位。對(duì)不同直徑溝槽管進(jìn)行旋壓拉拔試驗(yàn),驗(yàn)證了溝槽管旋壓拉拔一體式成形裝置的可行性。同時(shí)研究了拉拔進(jìn)給速度、車床主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對(duì)溝槽成形質(zhì)量的影響,得出了合適的工藝參數(shù)。