一种基于超声振动模式切换的微槽复合散热结构加工方法

本发明涉及微细加工与散热，具体涉及为微槽复合散热结构加工方法，适用于电子器件微通道散热器、微槽群复合相变散热器等微小散热结构的精密加工。

背景技术：

1、随着微电子技术和高功率密度器件的快速发展，电子元器件的集成度不断提高，热流密度呈指数级增长，散热问题已成为制约器件性能和可靠性的关键瓶颈。微槽道散热结构因其比表面积大、换热效率高，被广泛应用于微通道热管、微槽群复合相变散热器等高效散热器件中。

2、在微槽道散热结构中，散热性能的提升主要依赖于两个途径：一是增加换热面积，二是强化换热介质在槽内的流动扰动。基于此，研究者提出了多种微槽结构改进方案。例如，在微槽侧壁加工光栅结构可有效增加换热面积并增强近壁区的流动扰动，破坏热边界层，显著提升对流换热系数；在槽底加工凹坑结构可增加核态沸腾的汽化核心数量，促进泡核沸腾，大幅增强相变换热能力。因此，将侧壁光栅与槽底凹坑复合于同一微槽中，有望通过两种强化传热机制的协同作用实现散热性能的跃升。然而，现有微槽复合散热结构的加工主要面临以下技术难题：

3、第一，微槽侧壁光栅与槽底凹坑属于不同维度、不同取向的微结构特征。侧壁光栅要求刀具在槽宽方向产生周期性切削轨迹以实现光栅成形；槽底凹坑则要求刀具在槽深方向产生间断性冲击作用以形成凹坑。在同一微槽的加工工序中，要实现横向光栅与纵向凹坑的成形，对刀具运动轨迹的控制提出了极高的要求。现有微细加工技术难以在不更换刀具前提下兼顾这两种不同特征、不同取向的成形需求。

4、第二，现有超声振动辅助加工技术多采用单一振动模式贯穿整个加工过程。例如，超声椭圆振动切削已被用于微槽加工，能够有效抑制刀具磨损和毛刺产生；轴向超声振动则常用于改善排屑和降低切削力。然而，这些技术均是在整个加工过程中保持单一振动模式不变，无法针对微槽不同部位的结构特征需求进行振动模式的差异化配置。尤其是，轴向振动的振动方向与椭圆振动的振动轨迹在空间上完全不同，二者分别适用于横向光栅和纵向凹坑的成形机理尚未被系统研究，更未有人提出在同一加工过程中将二者按需切换的技术构思。

5、第三，若采用分步加工（先加工侧壁光栅、再加工槽底凹坑），则需要更换刀具或重新装夹工件，不仅增加了工序和成本，还难以保证侧壁光栅与槽底凹坑之间的位置精度和形位公差。更重要的是，难以实现侧壁光栅与槽底凹坑沿微槽全长全域连续一体化成型，影响散热结构的整体性能。

6、针对上述问题，本发明提出的微槽复合散热结构加工方法，仅单次装夹刀具，先后切换轴向、椭圆两种超声振动模式，分两次连续走刀，依次完成全槽侧壁光栅、全槽槽底凹坑加工，实现微槽侧壁光栅与槽底凹坑的一体化、高精度加工。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明针对现有微槽复合散热结构加工难以不更换刀具的前提下同步成型侧壁光栅与槽底凹坑、超声振动模式单一无法分区适配微结构成型、分步加工精度差、加工效率低的技术缺陷，提出一种超声振动模式可在线切换的加工方法，实现高精度制备光栅与凹坑全域规整分布、对流换热与相变换热协同强化的微槽复合散热结构。

3、（二）技术方案

4、本发明通过如下技术方案予以实现：

5、步骤一：将待加工工件固定装夹于加工设备的工作台上，超声振动刀具系统同轴安装于机床主轴端部；所述超声振动刀具系统包含压电陶瓷全片与压电陶瓷半片，双通道超声电源可选择性开启不同通道，分别驱动压电陶瓷全片独立工作、或压电陶瓷全片与压电陶瓷半片协同工作，实现轴向振动、超声椭圆振动两种模式的切换输出。

6、步骤二：依据目标微槽复合散热结构的几何设计参数，规划统一的刀具连续进给路径，该进给路径适配整条微槽全长切削加工；

7、步骤三：双通道超声电源仅开启对应压电陶瓷全片的通道，仅驱动压电陶瓷全片工作，输出轴向振动模式；沿完整进给路径一次性走刀，完成整条微槽两侧壁周期性光栅的全部加工；

8、步骤四：控制双通道超声电源同步开启两路通道，压电陶瓷全片输出轴向振动、压电陶瓷半片输出弯曲振动，两路振动矢量合成为超声椭圆振动模式；保持同一进给路径不变，沿微槽全长二次走刀，一次性完成整条微槽槽底凹坑阵列的全部加工；

9、步骤五：两次走刀加工完成后，关闭双通道超声激励电源，抬升机床主轴拆卸工件，得到侧壁布满光栅、槽底布满凹坑的一体化微槽复合散热结构。

10、步骤六：对工件开展加工尺寸精度、散热性能综合测试；测试指标合格则判定加工完成，测试指标合格则判定加工完成；测试不合格则返回步骤二，重新优化工艺参数后再次加工。

11、进一步地，所述轴向振动工作频率为20～50 khz，单向振幅1～20 μm；超声椭圆振动工作频率为20～50 khz，椭圆长轴振幅5～30 μm、短轴振幅1～10 μm，椭圆长短轴振幅比例为2:1～6:1。

12、进一步地，所述切削刀具选用单晶金刚石刀具或立方氮化硼刀具，刀尖圆弧半径为0.1～2 mm。

13、进一步地，所述双通道超声激励电源通过切换输出通道、调节压电陶瓷的激励电信号实现振动模式在线切换，实现轴向振动和椭圆振动轨迹的切换。

14、进一步地，所述加工成型微槽宽度0.2～5 mm，槽深0.5～10 mm。

15、进一步地，所述侧壁光栅为微槽两侧壁成型的周期性起伏微结构，光栅高度1～20μm，光栅排布间距由刀具进给速度与轴向振动频率的比值确定；所述槽底凹坑为槽底表面规则凹陷阵列，凹坑深度5～30 μm，凹坑排布间距由刀具进给速度与超声椭圆振动频率的比值确定。

16、进一步地，所述超声椭圆振动模式下，刀具在每个振动周期内与槽底材料的接触时间占振动周期的20%~50%。

17、进一步地，所述单次轴向振动走刀完成整条微槽全部侧壁光栅加工，单次椭圆振动走刀完成整条微槽全部槽底凹坑加工，无需沿槽长分段切换振动模式。

18、进一步地，所述微槽复合散热结构的微槽两侧壁覆盖连续周期性光栅，微槽槽底均匀布满规则阵列凹坑，光栅与凹坑同步作用于微槽流通通道。

19、（三）有益效果

20、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

21、（1）本发明通过加工过程中的振动模式在线切换，在两次走刀中即可同步完成侧壁光栅与槽底凹坑的复合结构加工，省去了多工序流转与二次装夹环节，在同等微槽尺寸、同等加工精度要求下，加工效率较传统分步换刀 / 二次装夹工艺提升 50% 以上。同时，避免了多次定位带来的累积误差，保证了光栅与凹坑的加工精度，结构连续性与尺寸一致性远高于传统分步加工方案。

22、（2）本发明针对不同位置的结构特征匹配最优振动模式：采用轴向振动加工侧壁光栅，加工的侧壁光栅轮廓规整、起伏均匀；采用椭圆振动加工槽底凹坑，利用椭圆轨迹的断续切削特性，成型的凹坑边界清晰、深度一致。两种振动模式发挥各自的加工优势，复合结构的整体加工质量与精度显著优于单一振动模式加工。

23、（3）本发明加工出的侧壁光栅与槽底凹坑沿微槽长度方向规则排列，形成“对流强化段+相变换热段”交替分布的连续复合散热通道；在光栅段，侧壁周期性起伏结构增加换热面积并持续破坏近壁区热边界层、强化对流换热；在凹坑段，槽底规则凹坑阵列提供充足汽化核心、促进泡核沸腾；二者沿流程交替布置，使对流换热与相变换热在空间上形成协同效应，相比普通微槽可显著提升换热系数。

24、（4）本发明可通过调整振动频率、振幅等参数，灵活调控光栅与凹坑的尺寸、间距及分布规律，可适配不同宽度、不同深度、不同散热需求的微槽结构，广泛适用于电子散热、新能源热管理、航空航天热控等多个领域的微结构加工场景。