矩形銅管折彎工藝探討

王學(xué)林 費(fèi)紹凱 陳海洋 耿夢(mèng)康 劉文勝

摘? 要：銅鋁復(fù)合冷板中，為了追求最佳導(dǎo)熱效果，銅管的截面通常的設(shè)計(jì)成矩形，但是矩形銅管在折彎中總會(huì)出現(xiàn)折彎外管壁拉薄甚至斷裂、截面中間管壁內(nèi)凹、折彎內(nèi)側(cè)管壁擠壓膨脹等缺陷，為后期埋下質(zhì)量隱患，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，本文針對(duì)矩形銅管的折彎工藝開(kāi)展了分析研究，通過(guò)折彎前軟化處理、管內(nèi)灌砂、使用特制折彎工裝等方法，實(shí)現(xiàn)了矩形銅管的折彎加工，完美達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：銅管;矩形;折彎

引言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品更是飛躍式發(fā)展，隨著產(chǎn)品功能越來(lái)越多，產(chǎn)品的功率就會(huì)越來(lái)越大，客戶對(duì)產(chǎn)品體積卻要求越來(lái)越小，這就導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)品散熱的效果要求越來(lái)越高，在這種的形勢(shì)下，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱技術(shù)已經(jīng)難以滿足散熱需求，液冷散熱技術(shù)正逐步成為未來(lái)高功率電子產(chǎn)品的首選散熱方案。其中，在液冷散熱技術(shù)中，銅鋁復(fù)合式冷板則憑借較高的可靠性和性價(jià)比，占據(jù)著很高的市場(chǎng)份額，尤其在軍工產(chǎn)品中，銅鋁復(fù)合式冷板是中等熱流密度散熱的首選解決方案。

銅鋁復(fù)合式冷板結(jié)構(gòu)是將銅質(zhì)管道埋入鋁板基材后，再機(jī)加工成形制成，其中銅質(zhì)管道作為冷板的核心部件，由銅管折彎后焊接制成。在實(shí)際應(yīng)用中，通常要求銅管所占空間較小，這就要求盡可能的降低銅管高度，為了增加散熱效果，減少流阻，同時(shí)盡可能大的截面積，因此銅管的截面通常的設(shè)計(jì)成扁扁的矩形，但是生產(chǎn)過(guò)程中，矩形銅管在折彎中總是出現(xiàn)折彎外管壁拉薄甚至斷裂、截面中間管壁內(nèi)凹、折彎內(nèi)側(cè)管壁擠壓膨脹撕裂等缺陷，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此，文章針對(duì)矩形銅管的折彎工藝開(kāi)展了研究分析。一、理論分析

通過(guò)對(duì)銅管折彎過(guò)程進(jìn)行分析得知，銅管在折彎過(guò)程中，外側(cè)截面受到拉伸，內(nèi)側(cè)截面受到擠壓，產(chǎn)生形變后達(dá)到成型目的，因此理論上在截面的內(nèi)部某一位置上，存在著一個(gè)既不拉伸也不壓縮的中間層，在中間層外側(cè)的截面組織受到拉應(yīng)力產(chǎn)生拉伸形變，在中間層內(nèi)側(cè)的截面組織受到壓應(yīng)力產(chǎn)生壓縮形變。由于銅管截面的長(zhǎng)大于寬的特點(diǎn)，導(dǎo)致折彎時(shí)無(wú)論外側(cè)的拉伸變形量，還是內(nèi)側(cè)的壓縮變形量，都要遠(yuǎn)大于銅管的壁厚尺寸，因此必須要求管材材質(zhì)有著較好的延展性，否則就會(huì)導(dǎo)致折彎外管壁拉薄甚至斷裂、折彎內(nèi)側(cè)管壁擠壓膨脹撕裂等缺陷，同時(shí)由于矩形銅管的中空管狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)壁缺乏相應(yīng)的橫向應(yīng)力支撐，折彎時(shí)，中間層附近兩側(cè)管壁同時(shí)受到拉伸和壓縮的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致管壁向內(nèi)凹陷產(chǎn)生缺陷。因此，實(shí)現(xiàn)矩形銅管的折彎，需要解決銅管的延展性、內(nèi)部支撐，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的折彎工裝，理論上才可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

二、工藝實(shí)現(xiàn)

針對(duì)矩形銅管在折彎中出現(xiàn)的折彎外管壁拉薄甚至斷裂、截面中間管壁內(nèi)凹、折彎內(nèi)側(cè)管壁擠壓膨脹撕裂等缺陷，工藝上主要通過(guò)對(duì)銅管進(jìn)行軟化處理，從而改善銅管的延展性，通過(guò)在銅管內(nèi)灌砂，提供折彎時(shí)銅管內(nèi)部支撐，解決管壁向內(nèi)凹陷問(wèn)題，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的折彎工裝，實(shí)現(xiàn)矩形銅管的折彎加工。

1.銅管軟化處理

銅管通常采用純銅材質(zhì)，純銅本身有著優(yōu)良的延展性，因此材質(zhì)本身應(yīng)該滿足折彎要求，但是銅管通常通過(guò)擠壓成型制成，由于成型工藝的特點(diǎn)，擠壓后的內(nèi)部晶粒組織畸變，導(dǎo)致銅管成型后存在著一定的加工硬化現(xiàn)象，從而提高了銅管的抗拉強(qiáng)度，降低了銅管的延展性，導(dǎo)致在折彎過(guò)程中，由于延展性的降低，導(dǎo)致折彎外管壁拉薄甚至斷裂現(xiàn)象，因此，折彎前需要對(duì)銅管進(jìn)行軟化處理。

純銅常用的熱處理方式為再結(jié)晶退火，當(dāng)溫度超過(guò)再結(jié)晶溫度時(shí)，在原組織晶界處產(chǎn)生新的晶核，由于再結(jié)晶晶粒均是細(xì)小的等軸晶，從而達(dá)到改變晶粒度、消除內(nèi)應(yīng)力的效果，恢復(fù)材質(zhì)本身的延展性。經(jīng)查閱資料，純銅的再結(jié)晶溫度為270 ℃，一般來(lái)說(shuō)，變形量越大，金屬的再結(jié)晶溫度越低，因此擠壓成型的銅管再結(jié)晶溫度范圍為200-280 ℃。在熱處理過(guò)程中，為防止“氫病”，特別是含氧量大于0.02%的純銅，退火最好在真空爐中進(jìn)行[1]。

2.管內(nèi)灌砂填充

折彎時(shí)，兩側(cè)管壁同時(shí)受到拉伸和壓縮的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致管壁向內(nèi)凹陷，凹陷后的截面導(dǎo)致流道截面積變小、與基板接觸不充分等影響散熱效果的缺陷，因此無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。為了解決管壁向內(nèi)凹陷問(wèn)題，我們提出了二種方案：（1）銅管內(nèi)灌砂彎曲法;（2）銅管內(nèi)灌鉛錫彎曲法。形成類似于實(shí)心體進(jìn)行彎曲成形，達(dá)到提供折彎時(shí)銅管內(nèi)部支撐的目的。填充物應(yīng)具備較好的強(qiáng)度、細(xì)膩性，保證填充的充實(shí)有效，同時(shí)還需要具備較好的流動(dòng)性和清潔性，確保折彎后易取出不結(jié)節(jié)，不污染流道，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，灌鉛錫彎曲法在銅管成型后融化的鉛錫容易殘留在銅管內(nèi)壁的矩形轉(zhuǎn)角處，最終選擇了石英砂灌裝。

石英砂是一種堅(jiān)硬、耐磨、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，主要礦物成分為SiO2，石英砂密度為2.2-2.3g/cm3，由于其材質(zhì)細(xì)膩、強(qiáng)度良好，填充效果明顯，折彎后較容易清理，實(shí)踐證明，選用120目的石英砂灌裝，折彎處管材表面光滑、過(guò)渡順暢、無(wú)明顯缺陷。

3.折彎工裝設(shè)計(jì)

銅管灌砂后，即可進(jìn)行折彎加工，為了保證折彎后的尺寸精度， 我們?cè)O(shè)計(jì)了矩形銅管的折彎工裝。折彎工裝由固定彎曲模、滑動(dòng)壓模、壓緊塊組成，其中根據(jù)銅管的截面尺寸，在固定彎曲模、滑動(dòng)壓模中設(shè)計(jì)有尺寸為銅管截面的寬+0.1mm的凹槽，同時(shí)固定彎曲模、滑動(dòng)壓模配合后的凹槽的徑向間隙尺寸，彎曲時(shí)，滑動(dòng)壓緊模向銅管施加徑向壓力，同時(shí)繞固定彎曲模的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，在滑動(dòng)壓緊模的壓力作用下，迫使銅管貼合固定彎曲模凹槽而彎曲形變，達(dá)到折彎的目的。

通過(guò)這種回轉(zhuǎn)壓縮彎曲的折彎方式，銅管折彎彎曲變形區(qū)完全包裹在滑動(dòng)壓模與固定彎曲模之間的凹槽內(nèi)，有效地限制了折彎時(shí)的扭曲變形，實(shí)踐證明，折彎處管材表面光滑、圓角過(guò)渡順暢、無(wú)明顯缺陷。

三、結(jié)語(yǔ)

矩形銅管折彎是銅鋁復(fù)合冷板結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵工序，工藝上通過(guò)對(duì)銅管進(jìn)行退火軟化處理，改善銅管的延展性，通過(guò)在銅管內(nèi)灌石英砂，解決了折彎時(shí)管壁向內(nèi)凹陷問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)嵌入槽式的回轉(zhuǎn)折彎工裝，保證了折彎加工的尺寸精度， 成型后的矩形銅管完美達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓福海.熱處理工現(xiàn)場(chǎng)操作技能.國(guó)防工業(yè)出版社，2008.