CN109647986B - 一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法，其解决了现有结构设计，存在模具装置结构复杂、金属微通道结构加工工艺流程复杂且制作成本高、单金属材质单独加工成形微通道结构质量差且自身性能得不到改善的技术问题，包括配套的上模座和下模座，上模座通过导套和导柱可实现上下往复运动；上模座的下表面上固设有凸模，下模座的上表面上固设有凹模，凹模设于下模座的上表面上且与凹模固定板围成模具型腔，凹模的上表面向内凹陷设有微通道凹槽；凸模通过凸模固定板固设于上模座的下表面上，凸模的上端与上模座接触的上表面向内凹陷设有凹槽，凹槽内固定连接设有贯穿上模座的振子，可广泛应用于双金属微通道结构精密制造领域。

Description

一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法

技术领域

本发明属于双金属微通道结构精密制造领域，具体涉及一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法。

背景技术

随着微小型器件结构的不断微型化，器件内部的能量输运均受到了微小空间的限制，使得高功率器件面临功率过高所带来高能量及快速热输运问题。由微电子器件温度敏感性所带来的芯片热控制问题也不断突显。电子器件工作的可靠性对温度十分敏感，任何设计精良的电子设备在长期过热及不均匀热应力的作用下都会发生故障或失效。一般电子器件工作温度应在130℃以下。著名的10℃法则指出：当电子器件的温度在70-80℃水平上每增加10℃，可靠性就会下降50％。美国曾对机载电子设备全年的故障进行了分析，发现50％以上的故障是由各种环境因素所致，而这其中55％是超温而引起的。散热问题成为制约微电子设备发展的瓶颈。因此开发新型的强化散热技术及高效率散热器以完善热设计和热控制方案已迫在眉睫。微通道散热器是解决上述问题有效途径之一。

微通道构件作为微通道散热器的核心部件，目前常用的金属材料主要有铜和铝，铜的导热系数为401W/m*K，比热容为385J/kg*K；铝的导热系数为237W/m*K，比热容为903J/kg*K，铜的导热系数是铝的1.69倍，但热容却比铝小很多。同时铜的密度是铝的3.3倍，价格是铝的2倍。使用同一种金属很难同时满足经济性和高性能的要求。铜铝复合材料的出现解决这一问题提供了可能，其成本仅为铜的50％。微通道是微通道散热器的核心部件，其微通道宽度在10-1000μm范围，属于介观尺度范畴。塑性微成形技术继承了传统塑性加工的优点，具有工艺简单、成形件性能优异、精度高以及加工成本低等特点，非常适合微型零件的低成本批量制造，在微通道精密制造方面具有广泛的应用前景。但是由于介观尺度下材料充填能力较差，成形质量之类的不能保证，需要开发辅助手段以提高材料的充填能力。因此，开展铜铝等复层金属微通道结构高效加工技术研究，具有十分重要的经济意义。

中国专利文献CN102411060A(专利申请号201110401804.9)公开了一种本发明公开了一种具有高深宽比微流道的微流控芯片及其制作方法，材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并借助软光刻技术制作，而本微流控芯片浇铸所用的阳模则采用SU-8无掩模光刻加工，该技术虽然具有柔性高、制作成本低及周期短等优点，但是其制备装置结构复杂、操作要求严格，且不适用于关于金属材料领域的微流道研究。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，根据金属材料力学原理，提出了一种结构简单、科学合理、成形微通道结构质量稳定、复合金属的物理化学性能显著提高的复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法。

为此，本发明提供一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，包括配套的上模座和下模座，上模座和下模座通过导套和导柱进行连接组成封闭的框架结构，上模座通过导套和导柱可实现上下往复运动；上模座的下表面上固设有竖直向下的凸模，下模座的上表面上固设有与凸模配套使用的凹模，凹模通过与其配套的凹模固定板固设于下模座的上表面上，凹模固定板与凹模围成内陷的模具型腔，位于模具型腔内的凹模的上表面向内凹陷设有水平纵向的微通道凹槽；凸模通过与其配套的凸模固定板固设于上模座的下表面上，凸模的上端与上模座接触的上表面向内凹陷设有凹槽，凹槽内固定连接设有贯穿上模座的振子，位于凸模固定板内的凸模的下端边缘通过蝶形弹簧与凸模固定板内部的下端内壁边缘相连接；

通过压力机以一定的速度向下运行驱动凸模向下快速运动，待凸模接近坯料距离位置时，将降低压力机向下运行并驱动凸模向下运动的速度，同时启动振子工作；当凸模与坯料接触时，坯料在凸模的载荷及振子振动下产生塑性变形，在较大载荷和振动的复合作用下，双层金属界面发生连接，并在靠近凹模一侧的坯料上成形出与模具型腔的微通道凹槽结构一致的微通道；

位于下模座和凹模固定板之间的凹模的下方还设有用于支撑凹模的凹模垫块，凹模和凹模垫块可拆卸固定连接；当需要取出成形件时，首先取出凹模垫块，凸模在压力机的驱动下继续下行，凹模和坯料在凸模的作用下从凹模固定板上脱离，再利用模具型腔内设置的拔模斜度和外力取出成形件。

优选的，凸模固定板通过螺栓和定位销固定连接在上模座的下表面上；凹模通过穿过下模座和凹模固定板的螺钉固定在下模座上；振子的顶端通过螺母固定于上模座上。

优选的，微通道凹槽的宽度为0.05-1.0mm，高度为0.2-4.0mm，相邻所述微通道凹槽的间距0.15-1.2mm，特征比3.0-6.0。

优选的，凸模和凹模材料均为模具钢SKD61，并进行淬火处理，硬度达到HRC50-55。

一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，使用上述任一项的复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，包括以下步骤：

步骤一：上模座在压力机的驱动下带动凸模一起上行，上行至凸模距凹模固定板上表面指定位置处停止；

步骤二：将切割后的两个单层金属坯料依次放置于模具型腔内的凹模的上表面处重叠堆放；

步骤三：通过压力机以一定的速度向下运行驱动凸模向下快速运动，待凸模接近坯料距离位置时，将降低压力机向下运行并驱动凸模向下运动的速度，同时启动振子工作；当凸模与坯料接触时，坯料在凸模的载荷及振子振动下产生塑性变形，在较大载荷和振动的复合作用下，双层金属界面发生连接，并在靠近凹模一侧的坯料上成形出与模具型腔的微通道凹槽结构一致的微通道。

优选的，步骤一中凸模距凹模固定板上表面10-20mm的位置时停止。

优选的，步骤三中压力机以50-100mm/min的速度向下运行驱动凸模向下快速运动，待凸模距离坯料的距离为1mm位置时，将压力机速度调至0.5-1mm/min的速度向下运行并驱动凸模向下运动。

优选的，还包括以下步骤：步骤四：压力机达到预先设定的位移或载荷时，保压1-2分钟，然后关闭压力机和振子的电源后，制得复层金属微通道结构复合与成形一体的构件成形。

优选的，还包括以下步骤：步骤五：取出凹模垫块，凸模在压力机的驱动下继续下行，凹模和坯料在凸模的作用下从凹模固定板上脱离，再利用模具型腔内设置的拔模斜度和外力取出成形件。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法，采用超声振动辅助成形方法，能够有效降低材料变形抗力及摩擦系数，提高介观尺度下材料充填能力，即通过超声振动辅助方法同时实现双金属材料制备和大特征比微通道结构的精密成形，成形微通道结构质量显著提高，工艺流程短、装置结构简单、成本低、效率高、材料利用率高、易于实现批量化生产。

(2)本发明采用超声振动辅助成形方法能够同时实现双层金属的界面结合及微结构的精密成形，双金属材质复合结构更稳固，与单金属相比，可以同时利用双金属各自不同的性能特点，显著提高双金属复合材料的性能，显著节约成本，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A的局部放大图的结构示意图。

图中标记：1.上模座，2.下模座，3.导套，4.导柱，5.凸模，6.凸模固定板，7.定位销，8.螺栓，9.振子，10.螺母，11.蝶形弹簧，12.坯料，13.凹模，14.凹模固定板，15.凹模垫块，16.螺钉，17.微通道凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

如图1-图2所示，本发明提供一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，包括配套的上模座1和下模座2，上模座1和下模座2通过导套3和导柱4进行连接组成封闭的框架结构，上模座1通过导套3和导柱4可实现上下往复运动；上模座1、下模座2之间的导向是靠导套3和导柱4来保证的。上模座1的下表面上固设有竖直向下的凸模5，下模座2的上表面上固设有与凸模5配套使用的凹模13，凹模13通过与其配套的凹模固定板14固设于下模座2的上表面上，凹模固定板14与凹模13围成内陷的模具型腔，位于模具型腔内的凹模13的上表面向内凹陷设有水平纵向的微通道凹槽17；微通道凹槽17的宽度为0.05-1.0mm，高度为0.2-4.0mm，相邻微通道凹槽17的间距0.15-1.2mm，特征比3.0-6.0。

凸模5通过与其配套的凸模固定板6固设于上模座1的下表面上，凸模5的上端与上模座1接触的上表面向内凹陷设有凹槽，凹槽内固定连接设有贯穿上模座1的振子9，位于凸模固定板6内的凸模5的下端边缘通过蝶形弹簧11与凸模固定板6内部的下端内壁边缘相连接。位于下模座2和凹模固定板14之间的凹模13的下方还设有用于支撑凹模13的凹模垫块15，凹模13和凹模垫块15可拆卸固定连接。凸模固定板6通过螺栓8和定位销7固定连接在上模座1的下表面上；凹模13通过穿过下模座2和凹模固定板14的螺钉16固定在下模座2上；振子9的顶端通过螺母10固定于上模座1上。

为了保障成形过程中，凸模5和凹模13不发生变形或破坏，凸模5和凹模13材料均为模具钢SKD61，并进行淬火处理，硬度达到HRC50-55。凸模5和凹模13配合精度由制造精度来保证。

一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，使用复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，包括以下步骤：

步骤一：上模座1在压力机的驱动下带动凸模5一起上行，上行至凸模5距凹模固定板14上表面10-20mm的指定位置处停止；

步骤二：将切割后的两个单层金属坯料12依次放置于模具型腔内的凹模13的上表面处重叠堆放；

步骤三：通过压力机以50-100mm/min的速度向下运行驱动凸模5向下快速运动，待凸模5距离坯料12距离为1mm位置时，将压力机速度调至0.5-1mm/min的速度向下运行并驱动凸模5向下运动，同时启动振子9工作；当凸模5与坯料12接触时，坯料12在凸模5的载荷及振子9振动下产生塑性变形，在较大载荷和振动的复合作用下，双层金属界面发生连接，并在靠近凹模13一侧的坯料12上成形出与模具型腔的微通道凹槽17结构一致的微通道；

步骤四：压力机达到预先设定的位移或载荷时，保压1-2分钟，然后关闭压力机和振子9的电源后，制得复层金属微通道结构复合与成形一体的构件成形；

步骤五：取出凹模垫块15，凸模5在压力机的驱动下继续下行，凹模13和坯料12在凸模5的作用下从凹模固定板14上脱离，再利用模具型腔内设置的拔模斜度和外力取出成形件；

步骤六：凸模5在压力机的驱动下向上运动，并上行至距凹模固定板14上表面50-200mm的位置时位置；

步骤七：先后将凹模垫块15和凹模13先后放入凹模固定板14中；

步骤八：凸模5在压力机的驱动下向下运动，并下行至步骤一中的位置。

本发明的复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，将两个单层金属先后放置于成形模具装置型腔内，通过压力机活动横梁向下运动，同时开启超声振动装置的振子9，驱动凸模5在产生微小振幅的情况下向下运动并将压力施加在坯料12的上层金属材料上，使得贴近凹模13的下层金属在上层金属的压力作用发生塑性变形，并在下层金属的下表面上成形出所要的大特征比微通道结构，同时在大塑性变形作用下上、下层金属发生塑性连接，两层金属复合成一个整体。本发明采用超声振动辅助成形方法，能够有效降低材料变形抗力及摩擦系数，提高介观尺度下材料充填能力，使两层金属复合结构更稳固，同时变形产生的大特征比微通道结构更简便易行，成形微通道结构质量显著提高。即通过超声振动辅助方法同时实现双金属材料制备和大特征比微通道结构的精密成形，具有工艺流程短、装置结构简单、成本低、效率高、材料利用率高、易于实现批量化生产特点。

本发明的方法中，工艺参数主要是凸模5运行加载速度、凹模13的最大载荷、振子9振动频率和振幅以及润滑条件；其中坯料12参数主要是单层金属的厚度、金属表面粗糙度、内部微观组织结构。本发明中复层双金属整体厚度在0.1-4.0mm范围，双金属厚度比0.1-0.5，时效果最优。

综上，本发明的复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，首先使双金属复合结构更稳固，与单金属相比，可以同时利用双金属各自不同的性能特点，例如铜铝双金属、铜银双金属或铝银双金属材料其中任何一种，其中铜铝双金属中铜导热性好、铝散热性好，复合之后的双金属复合材料同时具有良好的导热性和散热性，显著提高双金属复合材料的性能，同时显著节约成本。本发明提供一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法，成形微通道结构质量显著提高，具有结构简单、工艺流程短、效率高、成形件质量优良、成本低等优点。

以上仅是本发明的实施例而已，例如凸模5和凹模13的材质可以根据需求选择不同的合金材料；压力机的驱动下带动凸模5一起上行或下行速度可以根据实际加工材料的需求选择不同速度，均可以实现本发明的复层金属微通道结构复合与成形一体化装置及方法。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (8)

1.一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，其特征在于，包括配套的上模座(1)和下模座(2)，所述上模座(1)和所述下模座(2)通过导套(3)和导柱(4)进行连接组成封闭的框架结构，所述上模座(1)通过所述导套(3)和所述导柱(4)可实现上下往复运动；所述上模座(1)的下表面上固设有竖直向下的凸模(5)，所述下模座(2)的上表面上固设有与所述凸模(5)配套使用的凹模(13)，所述凹模(13)通过与其配套的凹模固定板(14)固设于所述下模座(2)的上表面上，所述凹模固定板(14)与所述凹模(13)围成内陷的模具型腔，所述凹模(13)的上表面向内凹陷设有水平纵向的微通道凹槽(17)，所述微通道凹槽(17)的宽度为0.05-1.0mm，高度为0.2-4.0mm，相邻所述微通道凹槽(17)的间距0.15-1.2mm；所述凸模(5)通过与其配套的凸模固定板(6)固设于所述上模座(1)的下表面上，所述凸模(5)的上端与所述上模座(1)接触的上表面向内凹陷设有凹槽，所述凹槽内固定连接设有贯穿所述上模座(1)的振子(9)，位于所述凸模固定板(6)内的所述凸模(5)的下端边缘通过蝶形弹簧(11)与所述凸模固定板(6)内部的下端内壁边缘相连接；

将切割后的两个单层金属坯料(12)依次叠放于模具型腔内的凹模(13)的上表面处；通过压力机向下运行驱动凸模(5)向下快速运动，待凸模(5)距离坯料(12)的距离为1mm位置时，降低压力机向下运行并驱动凸模(5)向下运动的速度，同时启动振子(9)工作；当凸模(5)与坯料(12)接触时，坯料(12)在凸模(5)的载荷及振子(9)振动下产生塑性变形，在较大载荷和振动的复合作用下，双层金属界面发生连接，并在靠近凹模(13)一侧的坯料(12)上成形出与模具型腔的微通道凹槽(17)结构一致的微通道；

所述凹模(13)的下方还设有用于支撑所述凹模(13)的凹模垫块(15)，所述凹模(13)和所述凹模垫块(15)可拆卸固定连接；当需要取出成形件时，首先取出凹模垫块(15)，凸模(5)在压力机的驱动下继续下行，凹模(13)和坯料(12)在凸模(5)的作用下从凹模固定板(14)上脱离，再利用模具型腔内设置的拔模斜度和外力取出成形件。

2.根据权利要求1所述的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，其特征在于，所述凸模固定板(6)通过螺栓(8)和定位销(7)固定连接在所述上模座(1)的下表面上；所述凹模(13)通过穿过所述下模座(2)和凹模固定板(14)的螺钉(16)固定在下模座(2)上；所述振子(9)的顶端通过螺母(10)固定于所述上模座(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，所述凸模(5)和所述凹模(13)材料均为模具钢SKD61，并进行淬火处理，硬度达到HRC50-55。

4.一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，其特征在于，使用如权利要求1～3任一项所述的复层金属微通道结构复合与成形一体化装置，所述复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，包括以下步骤：

步骤一：上模座(1)在压力机的驱动下带动凸模(5)一起上行，上行至凸模(5)距凹模固定板(14)上表面指定位置处停止；

步骤二：将切割后的两个单层金属坯料(12)依次叠放于模具型腔内的凹模(13)的上表面处；

步骤三：通过压力机向下运行驱动凸模(5)向下快速运动，待凸模(5)距离坯料(12)的距离为1mm位置时，降低压力机向下运行并驱动凸模(5)向下运动的速度，同时启动振子(9)工作；当凸模(5)与坯料(12)接触时，坯料(12)在凸模(5)的载荷及振子(9)振动下产生塑性变形，在较大载荷和振动的复合作用下，双层金属界面发生连接，并在靠近凹模(13)一侧的坯料(12)上成形出与模具型腔的微通道凹槽(17)结构一致的微通道。

5.根据权利要4所述的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，其特征在于，步骤一中所述凸模(5)距凹模固定板(14)上表面10-20mm的位置时停止。

6.根据权利要4所述的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，其特征在于，步骤三中所述压力机以50-100mm/min的速度向下运行驱动凸模(5)向下快速运动，待凸模(5)距离坯料(12)的距离为1mm位置时，将压力机速度调至0.5-1mm/min的速度再向下运行并驱动凸模(5)向下运动。

7.根据权利要4所述的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，其特征在于，还包括以下步骤：步骤四：压力机达到预先设定的位移或载荷时，保压1-2分钟，然后关闭压力机和振子(9)的电源后，制得复层金属微通道结构复合与成形一体的成形件。

8.根据权利要7所述的一种复层金属微通道结构复合与成形一体化方法，其特征在于，还包括以下步骤：步骤五：取出凹模垫块(15)，凸模(5)在压力机的驱动下继续下行，凹模(13)和坯料(12)在凸模(5)的作用下从凹模固定板(14)上脱离，再利用模具型腔内设置的拔模斜度和外力取出成形件。

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