沟槽式微热管内壁轴向齿槽钢球高速旋压成形方法研究

摘要

随着微电子/光电子芯片热流密度急剧增加及有效散热空间日益狭小,具有高导热率、高可靠性、热响应快、无需额外电力驱动等特点的沟槽式微热管已成为光电子领域普遍使用的理想导热元件。研究表明,高深宽比的沟槽式微热管具有更好的传热性能,但如何加工出微热管内壁高深宽比轴向微齿槽就成为亟待解决的难题。本文在游动芯头钢球高速旋压加工内螺纹管的工艺基础上,提出利用固定多齿芯头在满充液条件下的钢球高速旋压加工方法,用于加工微热管内壁高深宽比轴向微齿槽。 在分析微热管工作原理与传热性能的基础上,运用Matlab软件计算出微热管内壁轴向齿槽结构的优化参数：齿数58、齿宽0.1017mm、槽深0.2999mm、槽宽0.1854mm;提出采用微细铣削工艺在普通数控机床上加工多齿芯头的制造方法,该方法具有高效率低成本的特点,用该方法加工出外径为φ5.6mm的多齿芯头,齿数分别为55个、60个,齿形截面为矩形；通过芯头的寿命试验,确定具有高强度、良好红硬性和耐磨性能的高速钢(W18Gr4V)作为芯头材料。结合微热管内壁轴向齿槽的结构特点,设计制造了充液钢球高速旋压成形系统；对旋压钢球直径的选择进行了分析计算。 运用能量法原理,建立了纯铜的变形抗力模型和轴向齿槽成形的旋压力计算模型,确定了拉拔力和扭矩与当量直径、钢球直径、拉拔速度、芯头直径和旋压速度等加工参数的关系。并通过实验验证了所建立理论模型的正确性。 在分析大变形弹塑性有限元数值模拟基本理论的基础上,以MSC.MARC为平台,分别建立了微热管内壁轴向齿槽钢球旋压成形二维和三维有限元分析模型,对数值模拟的关键技术进行了探讨。对四钢球旋压下铜管内壁轴向齿槽成形过程中的应力应变分布规律、金属流动规律及管壁与芯头间的接触状况、芯头的受力状况进行了模拟。 通过大量旋压工艺参数对比实验,确定影响高深宽比齿槽质量的主要因素有芯头的位置、钢球下压量和拉拔速度。当芯头位置在l=2.1mm,当量直径值在5.9～6.0mm时,不仅能获得理想微沟槽形貌,而且能保证加工质量,在拉拔速度为7mm/s时,齿槽深宽比能达到最大,且拉拔速度与电机转速呈现出一定的正比例关系。同时,旋压后的轴向沟槽管的微观结构组织发生了很大变化,晶粒有明显的拉长、变形,晶粒已接近纤维状；横向截面有明显的沿凸齿分布的流线型组织,而且晶粒变细,有利于增强管的耐腐蚀性能,提高管的硬度、抗拉强度和屈服极限。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称及符号表

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2微热管原理

1.3微热管结构及制造方法

1.3.1微热管毛细吸液芯的加工方法

1.3.2坯管清洗

1.3.3工质充注

1.3.4热管密封

1.4微热管技术发展综述

1.4.1间接冷却用热管

1.4.2直接冷却用热管

1.4.3热管最新发展动态

1.4.4微热管性能的建模分析

1.5本论文的研究目标和研究内容

1.5.1论文的选题来源

1.5.2论文的研究目标

1.5.3论文的研究内容

1.6本章小结

第二章固定多齿芯头钢球高速旋压成形系统研制

2.1引言

2.2内螺纹管的游动芯头旋压成形方法简述

2.3轴向沟槽管固定芯头钢球高速旋压成形系统

2.3.1轴向沟槽管多齿芯头的精确设计、制造与寿命研究

2.3.2轴向沟槽管钢球旋压成形机理

2.3.3轴向沟槽管钢球旋压成形装置

2.4旋压过程中摩擦与润滑及沟槽管成形质量

2.5本章小结

第三章轴向齿槽钢球高速旋压成形力学研究

3.1引言

3.2钢球高速旋压成形力求解常用理论方法

3.3钢球高速旋压成形过程力学模型建立

3.3.1钢球高速旋压成形过程基本假设与受力分析

3.3.2接触面积计算公式推导

3.3.3变形抗力建模与修正

3.3.4单位旋压力建模与计算公式推导

3.3.5旋压力模型与计算公式推导

3.4钢球高速旋压成形力学模型求解

3.4.1数学软件选用

3.4.2接触面积的数值解

3.4.3单位旋压力数值解

3.4.4钢球高速旋压成形力及扭矩

3.4.5钢球高速旋压参数优化

3.5钢球高速旋压成形力变化规律实验研究

3.5.1试验装置及试验条件

3.5.2实验结果对比分析

3.6本章小结

第四章轴向齿槽钢球高速旋压成形数值模拟理论与建模

4.1引言

4.2钢球高速旋压成形有限元模拟基本理论

4.2.1拉格朗日描述下的几何度量与物理度量

4.2.2弹塑性本构关系矩阵

4.2.3弹塑性有限元格式及解法

4.2.4轴对称问题的有限元离散化及求解列式

4.3轴向齿槽钢球高速旋压成形数值模拟关建技术

4.3.1 MSC.MARC软件简介

4.3.2钢球运动轨迹的控制

4.3.3齿槽二维弹塑性有限元模型建立

4.3.4齿槽三维弹塑性有限元模型建立

4.4本章小结

第五章轴向齿槽钢球高速旋压成形有限元模拟分析

5.1引言

5.2材料模型

5.3齿槽二维弹塑性有限元模拟结果与分析

5.3.1应力应变分布规律

5.3.2金属流动规律

5.3.3接触状况

5.3.4模拟结果与实验对比

5.4齿槽三维弹塑性有限元模拟结果与分析

5.4.1模型简化合理性分析

5.4.2应力应变分布规律

5.5工艺参数对轴向沟槽管成齿质量的影响

5.5.1钢球直径对成齿高度的影响

5.5.2钢球公转角速度对成齿高度的影响

5.5.3芯头齿形锥度对成齿高度的影响

5.5.4芯头齿顶拐角处圆角半径对成齿高度的影响

5.5.5铜坯管壁厚对成齿高度的影响

5.5.6总下压量对成齿高度的影响

5.5.7芯头与铜坯管间的摩擦状况对成齿高度的影响

5.5.8钢球与铜坯管间的摩擦状况对成齿高度的影响

5.6齿槽成形过程中芯头受力有限元数值模拟

5.6.1有限元模型与芯头受力分析

5.6.2模拟结果与实验对比

5.7本章小结

第六章轴向齿槽成形规律实验研究

6.1引言

6.2齿槽成形过程

6.3齿槽成形规律

6.3.1齿槽几何形貌特征

6.3.2试验设备与材料制备

6.3.3试验流程

6.3.4试验设计

6.4齿槽成形实验结果分析

6.4.1芯头位置对齿槽成形质量的影响

6.4.2当量直径对齿槽成形质量的影响

6.4.3拉拔速度对齿槽成形质量的影响

6.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢