高能光源用梳状截面弯曲通道硅元件的冷却优化设计及放电加工关键技术研究

This project focuses on the need of cooling capacity of silicon crystal optics used in high energy photon source (HEPS). Properties, such as cooling efficiency, thermal uniformity, reliability and vibration control are hopefully improved in a balanced way through optimised cooling design and nontraditional machining, which can further satisfy the high quality requirements of beamlines of HEPS. Three different cooling ways, straight microchannel with direct cooling, straight microchannel with indirect cooling and curved microchannel with direct cooling, are proposed in this project. Accurate cutting of straight microchannel with large depth to width ratio can be afforded through WEDM, but the curved microchannel are expected to be processed by the way of EDM. Furthermore, 3D printing technology (SLM) will be used to print copper heat sink by additive manufactured way. The main innovation of this project can be listed as follow: (1) The curved microchannel cooling structure is proposed to be used in the silicon crystal optics of HEPS. (2)Copper heat sink with complex cooling flow channel structure is proposed to be prototyped by 3D printing technology. (3)Revolving electric discharge generating machining is also proposed to achieve silicon optics with curved microchannel cooling structure, on top of this, EDM mechanism of fallback processing is mentioned.

本项目围绕高能光源硅晶体光学元件冷却能力提高这一重要背景，计划通过冷却结构优化设计及特种加工技术应用，使所制硅晶体元件在冷却效率、热分布均匀性、可靠性、震动控制等方面能均衡提高，进而满足高能光源高质量光束线要求。本项目提出了梳状截面直通道直接冷却结构、梳状截面直通道间接冷却结构及梳状截面弯曲通道直接冷却结构三种冷却方式，拟采用无应力精密放电切割技术对直通道结构进行大深宽比精密切割研究，采用无应力精密放电成形技术对弯曲通道进行制备研究，并计划采用金属精密3D打印技术（SLM）直接打印间接冷却用铜热沉。本项目的主要创新点：(1) 提出了在高能光源硅晶体元件上采用梳状截面弯曲通道冷却结构；(2)提出了利用3D打印技术直接成形具有复杂冷却流道结构的铜热沉；(3) 提出了环形电火花放电成形加工弯曲通道硅晶体元件，并提出了强制间歇式回退加工工艺。

本项目围绕高能光源硅晶体光学元件冷却能力提高这一重要背景，通过冷却结构优化设计及特种加工技术应用，使所制硅晶体元件在冷却效率、热分布均匀性、可靠性、震动控制等方面能均衡提高，进而满足高能光源高质量光束线要求。本项目提出了梳状截面直通道直接冷却结构、梳状截面直通道间接冷却结构及梳状截面弯曲通道直接冷却结构三种冷却方式，采用无应力精密放电切割技术对直通道结构进行大深宽比精密切割研究，采用无应力精密放电成形技术对弯曲通道进行制备研究，并采用金属精密3D打印技术（SLM）直接打印间接冷却用铜热沉。重要研究结果包括：.(1)提出了在高能光源硅晶体元件上采用梳状截面弯曲通道冷却结构，对新冷却结构进行加工研究，并开展了3D打印复杂内部流道铜结构研究。建立了基于能量转换的单晶硅电火花型孔加工蚀除计算模型，定量表征了微观尺度下材料特性对单晶硅放电蚀除过程的影响规律，建立了单晶硅电火花型孔加工等效电路模型，为实现单晶硅电火花型孔加工的稳定持续进行提供了理论依据。.(2)构建了单晶硅电火花型孔加工实验系统，提出了一种基于脉冲概率检测与周期性抬刀相结合的伺服控制方法。设计并构建了以ARM为主控制单元，以电流脉冲概率检测为核心控制思路，能够实时调节电极进给回退的伺服控制系统。.(3)提出了利用3D打印技术直接成形具有复杂冷却流道结构的铜热沉。提出了一种通过一维驱动实现多维运动的加工模式，该方法能够根据加工需求借助三维打印技术快速制备不同夹具，以实现不同弧度的单晶硅电火花弯孔加工。该方法规避了采用多轴数控电火花机床进行弯孔加工所带来的复杂编程和高成本问题，实现了单晶硅电火花弯孔加工。.(4)提出了基于布拉格衍射原理的回摆曲线法进行单晶硅变质层厚度检测的技术。实现了对单晶硅电火花型孔加工后工件表面变质层厚度的测定，以及对复合抛光后变质层去除效果的检验。