CN109719206A - 一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法，其解决了现有结构设计不合理，存在模具装置结构复杂、双金属微通道结构加工工艺流程复杂且制作成本高、材料利用率低、无法实现批量化生产的技术问题，其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凸模，下模座的上表面上固设有与凸模配套使用的凹模A和凹模B，凹模A和凹模B围成中间带有通孔的环状结构的凹模型腔，凹模型腔内的凹模A和凹模B的侧壁上分别设有相互对称的微通道，可广泛应用于微通道结构精密制造领域。

Description

一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法

技术领域

本发明属于微通道结构精密制造领域，具体涉及一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法。

背景技术

随着微小型器件结构的不断微型化，器件内部的物质和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。

1981年Tukerman和Pease针对高热流密度微电子冷却问题，提出了最早的微型化散热器件-微通道散热器。微通道散热器由平行排布的核心散热单元微通道组成，通过内部流过的流体(工质)以强迫对流的方式散逸微电子器件的热量。微通道的特征尺寸在亚毫米量级，当微通道尺度微细化之后，面积体积比显著增大，表面作用增强，热传递效率能比常规尺度提高2-3个数量级。相对于风冷方式、热管喷雾冷却等传统冷却方式，微结构冷却方式以其散热量大、结构紧凑、低热阻、薄片型、轻便等特点将成为解决未来电子器件散热问题的最佳途径之一。微通道散热器的核心部件是微通道，其通道宽度为10-1000μm，属于介观尺度范畴，因此微通道构件精密制造对微细加工技术提出了更高的要求。近年来，各种各样的微细加工技术被应用于加工微型换热器，如化学蚀刻技术、X射线光刻法(LIGA)、微铣削加工技术以及离子束加工技术等。化学刻蚀技术通过化学腐蚀方法去除材料，可以加工微米级微通道，存在成本高、环境污染、化学刻蚀剂不安全等缺点。X射线光刻法包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤，可以加工大高宽比、高质量微通道，存在成本高、加工效率低等缺点。微铣削加工技术具有可加工材料较为广泛、加工表面精度高等优点，存在加工效率低、需要价格昂贵的微钻头、成本高等缺点。离子束加工技术可以加工微纳尺度高精度的微通道，存在成本高、加工效率低等缺点。为了进一步促进微通道散热器在微型化产品中的推广应用，迫切需要开发具有效率高、成本低、易于实现批量化生产的新的微细加工技术。

塑性成形技术具有加工效率高、材料利用率高、制造成本低、零件性能优良和尺寸精度高等特点，可以解决现有微细加工技术在一些方面存在的不足，实现微通道构件低成本、高质量、高效率的批量化生产，推进微通道散热器在MEMS领域的应用。

中国专利文献CN102601529A(专利申请号201210084857.7)公开了一种提高飞秒激光制备微通道加工效率的方法。如下步骤：步骤一：利用飞秒激光系统产生飞秒脉冲激光，利用半波片和偏振片的组合调整能量，通过脉冲整形器把飞秒激光调制为飞秒间隔的脉冲序列；步骤二：把步骤一所得到的脉冲序列激光通过反射镜反射到物镜中聚焦，并借助CCD和照明光源成像，移动6维精密电控平台，使激光焦点位于水平放置于6维精密电控平台的样品的下表面；步骤三：计算机控制6维精密电控平台沿激光的传播方向运动，即可在样品上加工出微通道。本发明通过脉冲整形器把飞秒激光调制为飞秒间隔的脉冲序列，从而提高了微通道的制备效率。而且无需引入振动源，所以该方法不会降低精密加工的可控性。

中国专利文献CN103265179A(专利申请号201310203219.7)公开了一种玻璃微通道的制作方法。本发明采用的技术方案是在玻璃基片表面采用雕刻有镂空图形的双面胶为牺牲层，再结合湿法刻蚀制作玻璃微通道。制作过程无需使用光刻方法所需的试剂与设备，加工快速简便，成本低，特别适合于玻璃微流控芯片快速、大批量的制备。使用本发明提供的方法还可以应用于硅、石英或金属基底上的微通道制作。

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、模具装置结构简单、成本低、双金属微通道结构方法制作低成本、工艺流程短、效率高、材料利用率高、易于实现批量化生产的双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法。

为此，本发明提供一种双金属微通道挤压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A和凹模B，凹模A和凹模B围成中间带有通孔的环状结构的凹模型腔，凹模型腔内的凹模A和凹模B的侧壁上分别设有相互对称的微通道。

优选的，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A和凹模B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A和凹模B通过穿过凹模固定板的螺钉固定在下模座上。

优选的，位于凹模型腔下端的下模座上还贯穿设有出件通道，出件通道的口径大于凹模型腔的口径大小。

优选的，微通道的侧壁顶端均设有向所述凹模型腔内部倾斜的倒角结构，倒角结构将凹模型腔顶部围成向内倾斜的锥体结构。

优选的，凹模A、所述凹模B和凸模的材质均为钢Cr12MoV，并均进行淬火处理制成。

一种双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，使用上述任一项的双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，双金属微通道挤压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时停止；

步骤二：将经过切割的坯料A和坯料B放置于凹模固定板中心的凹模型腔上端后；

步骤三：再通过压力机向下运行驱动凸模向下快速运动，待凸模距离坯料A和坯料B上端面附近位置时，降低压力机向下驱动凸模向下运动的速度，迫使坯料A和坯料B在凸模压力作用下同时分别沿着凹模A和凹模B的微通道进入凹模型腔内，坯料A和坯料B在凹模A和凹模B围成的凹模型腔内产生剧烈塑性变形：使得坯料A和坯料B在接触界面处相结合，同时在坯料A和坯料B的外侧边缘处形成与凹模A和凹模B表面微通道结构相同的加工微通道，制成AB组合成形件。

优选的，步骤一中凸模距凹模固定板上表面50-70mm的位置时停止。

优选的，步骤三中压力机以200mm/min的速度向下运行，待凸模距离坯料A和坯料B上端面1-2mm位置时，将压力机速度调至10-50mm/min的速度后再向下运行驱动凸模向下运动。

优选的，还包括以下步骤：步骤四：压力机继续下行到预定位置后，压力机再反向运行并上行到初始位置，然后将另一组坯料A和坯料B放置于凹模固定板内的凹模型腔中；步骤五：重复步骤三，并将上一组AB组合成形件从凹模型腔内挤出，从出件通道取出AB组合成形件。

优选的，步骤四中压力机下行到预定位置为压力机挤压坯料A和坯料B至二者顶端高于凹模型腔顶端高度1-2mm时，压力机再反向运行并上行到初始位置。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，首先双金属材质，与单金属相比，可以同时利用双金属各自不同的性能特点，例如铜导热性好、铝散热性好，结合之后的双金属符合材料同时具有良好的导热性和散热性，提高双金属符合材料的性能，同时显著节约成本。采用分瓣式组合凹模结构设计：凹模A12和凹模B13围成凹模型腔，一方面便于更换凹模模具结构或有利于凹模损坏后的快速维修，另一方面有利于模具加工时凹模模具精度和表面质量的提高，提高零件成形质量。

(2)本发明的双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，向凹模的凹模型腔入口处采用锥体结构的小锥度设计，有利于材料的流入，减小入口处的剧烈变形程度，进一步提高微通道结构的表面质量，确保工件加工的精确度。

(3)本发明的双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，采用挤压方式一步同时实现双金属的复合和微通道结构的成形，可根据需要改变双金属的组成和改变不同金属的厚度，无需单独制备不同组成方式的双金属材料，省去了复层金属的制备工艺，缩短了工艺流程，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中凹模A和凹模B围成凹模型腔的俯视图的结构示意图。

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.金属A，10.金属B，11.凹模固定板，12.凹模A，13.凹模B，14.螺钉，15.出件通道，16.凹模型腔，17.微通道，18.倒角结构。

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，本发明提供一种双金属微通道挤压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A12和凹模B13，凹模A12和凹模B13围成中间带有通孔的环状结构的凹模型腔16，凹模型腔16内的凹模A12和凹模B13的侧壁上分别设有相互对称的微通道17。凹模A12和凹模B13的加工精度由精密机械加工制造来保证。本发明的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，采用分瓣式组合凹模结构设计：凹模A12和凹模B13围成凹模型腔16，一方面便于更换凹模模具结构或有利于凹模损坏后的快速维修，另一方面有利于模具加工时凹模模具精度和表面质量的提高，提高零件成形质量。

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A12和凹模B13通过与其配套的凹模固定板11固设于下模座2的上表面上；凹模A12和凹模B13通过穿过凹模固定板11的螺钉14固定在下模座2上。位于凹模型腔16下端的下模座2上还贯穿设有出件通道15，出件通道15的口径大于凹模型腔16的口径大小，便于加工完成后成形件的取出，操作使用方便，便于连续化生产，提高工作效率，易于实现批量化生产。

微通道17的侧壁顶端均设有向凹模型腔16内部倾斜的倒角结构18，倒角结构18将凹模型腔16顶部围成向内倾斜的锥体结构。凹模的凹模型腔16入口处采用锥体结构的小锥度设计，有利于材料的流入，减小入口处的剧烈变形程度，提高微通道结构的表面质量。凹模A12、凹模B13和凸模5的材质均为钢Cr12MoV，并均进行淬火处理制成，保障了挤压成形过程中，凹模A12、凹模B13和凸模5不发生变形或破坏，进一步确保工件加工的精确度。

一种双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，使用双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，双金属微通道挤压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11上表面50-70mm指定位置时停止；

步骤二：将经过切割的坯料A9和坯料B10放置于凹模固定板11中心的凹模型腔16上端后；

步骤三：再通过压力机以200mm/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A9和坯料B10上端面1-2mm位置时，降低压力机向下驱动凸模5向下运动的速度至10-50mm/min，迫使坯料A9和坯料B10在凸模5压力作用下同时分别沿着凹模A12和凹模B13的微通道17进入凹模型腔16内，坯料A9和坯料B10在凹模A12和凹模B13围成的凹模型腔16内产生剧烈塑性变形：使得坯料A9和坯料B10在接触界面处相结合，同时在坯料A9和坯料B10的外侧边缘处形成与凹模A12和凹模B13表面微通道17结构相同的加工微通道，制成AB组合成形件。

步骤四：压力机继续下行到预定位置——压力机挤压坯料A9和坯料B10至二者顶端高于凹模型腔16顶端高度1-2mm后，压力机再反向运行并上行到初始位置，然后将另一组坯料A9和坯料B10放置于凹模固定板11内的凹模型腔16中；

步骤五：重复步骤三，并将上一组AB组合成形件从凹模型腔16内挤出，从出件通道15取出AB组合成形件，节省材料，便于连续化生产；

步骤六：凸模5在压力机的作用下向上运动，并上行至步骤一中的位置，从实现双金属微通道挤压复合与成形一体化的连续性加工生产。

本发明的双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法，将两个单层金属坯料放置于模具型腔内，凸模5在压力机的作用下向下运动，通过凸模5施加在坯料上的压力，迫使挤压坯料向凹模型腔16内流动，通过坯料产生剧烈的塑性变形，制备双金属复合材料同时成形出加工微通道结构，首先双金属材质，与单金属相比，可以同时利用双金属各自不同的性能特点，例如铜导热性好、铝散热性好，结合之后的双金属符合材料同时具有良好的导热性和散热性，提高双金属符合材料的性能，同时显著节约成本。本发明采用挤压方式，一步同时实现双金属的复合和微通道结构的成形，同时复层金属制备和零件的成形，省去了复层金属的制备工艺，缩短了工艺流程，节约成本，提高了生产效率。本发明的双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，还可以根据需要改变双金属的组成和改变不同金属的厚度，无需单独制备不同组成方式的双金属材料，节省成本，显著提高生产加工效率。

综上，本发明的双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，具有工艺流程短、模具结构简单、成本低、效率高、材料利用率高、易于实现批量化生产的特点。

以上仅是本发明的实施例而已，例如凹模A12、凹模B13和凸模5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双金属微通道挤压复合与成形一体化装置和方法。

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 (10)

1.一种双金属微通道挤压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A(12)和凹模B(13)，所述凹模A(12)和所述凹模B(13)围成中间带有通孔的环状结构的凹模型腔(16)，所述凹模型腔(16)内的所述凹模A(12)和所述凹模B(13)的侧壁上分别设有相互对称的微通道(17)。

2.根据权利要求1所述的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，其特征在于，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A(12)和所述凹模B(13)通过与其配套的凹模固定板(11)固设于所述下模座(2)的上表面上；所述凹模A(12)和所述凹模B(13)通过穿过所述凹模固定板(11)的螺钉(14)固定在下模座(2)上。

3.根据权利要求1所述的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，其特征在于，位于所述凹模型腔(16)下端的所述下模座(2)上还贯穿设有出件通道(15)，所述出件通道(15)的口径大于所述凹模型腔(16)的口径大小。

4.根据权利要求1所述的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，其特征在于，所述微通道(17)的侧壁顶端均设有向所述凹模型腔(16)内部倾斜的倒角结构(18)，所述倒角结构(18)将所述凹模型腔(16)顶部围成向内倾斜的锥体结构。

5.根据权利要求1所述的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，其特征在于，所述凹模A(12)、所述凹模B(13)和所述凸模(5)的材质均为钢Cr12MoV，并均进行淬火处理制成。

6.一种双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，其特征在于，使用如权利要求1～5任一项所述的双金属微通道挤压复合与成形一体化装置，所述双金属微通道挤压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(11)上表面指定位置时停止；

步骤二：将经过切割的坯料A(9)和坯料B(10)放置于凹模固定板(11)中心的凹模型腔(16)上端后；

步骤三：再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A(9)和坯料B(10)上端面附近位置时，降低压力机向下驱动凸模(5)向下运动的速度，迫使坯料A(9)和坯料B(10)在凸模(5)压力作用下同时分别沿着凹模A(12)和凹模B(13)的微通道(17)进入凹模型腔(16)内，坯料A(9)和坯料B(10)在凹模A(12)和凹模B(13)围成的凹模型腔(16)内产生剧烈塑性变形：使得坯料A(9)和坯料B(10)在接触界面处相结合，同时在坯料A(9)和坯料B(10)的外侧边缘处形成与凹模A(12)和凹模B(13)表面微通道(17)结构相同的加工微通道，制成AB组合成形件。

7.根据权利要求6所述的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，其特征在于，步骤一中所述凸模(5)距所述凹模固定板(11)上表面50-70mm的位置时停止。

8.根据权利要求6所述的一种双金属微通道挤压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200mm/min的速度向下运行，待凸模(5)距离坯料A(9)和坯料B(10)上端面1-2mm位置时，将压力机速度调至10-50mm/min的速度后再向下运行驱动凸模(5)向下运动。

9.根据权利要求6所述的一种双金属微通道挤压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：压力机继续下行到预定位置后，压力机再反向运行并上行到初始位置，然后将另一组坯料A(9)和坯料B(10)放置于凹模固定板(11)内的凹模型腔(16)中；步骤五：重复步骤三，并将上一组AB组合成形件从凹模型腔(16)内挤出，从出件通道(15)取出AB组合成形件。

10.根据权利要求9所述的一种双金属微通道挤压复合与成形一体化方法，其特征在于，步骤四中所述压力机下行到预定位置为压力机挤压坯料A(9)和坯料B(10)至二者顶端高于所述凹模型腔(16)顶端高度1-2mm时，压力机再反向运行并上行到初始位置。