工艺夹具毕业设计69邵阳学院刨削过程中刀具和夹具的设计.doc
工艺夹具毕业设计69邵阳学院刨削过程中刀具和夹具的设计
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工艺夹具毕业设计69邵阳学院刨削过程中刀具和夹具的设计,机械毕业设计全论文
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邵阳学院毕业设计（论文）目 录摘要21 绪论42 工件加工示意图及说明112.1 工件加工示意图及说明113 刀具的设计计算123.1 刀具的材料的选择123.2 刀具的形状设计123.3 前角和前刀面的功用设计选择123.4 后角和后刀面的功用设计选择143.5 主副偏角的功用选择143.6 刃倾角的功用选择153.7 刀柄的设计163.8 刀具半径的设计174 夹具的设计计算184.1 定位元件的设计184.2 夹紧力的三要素设计原则194.3 夹紧装置的设计204.4 夹具体的设计224.5 定位键的设计234.6 对刀件的选择23结论24参考文献27致谢28附录（图纸）附录（英文翻译）摘 要基于一般的生产过程制造产生的翅状热沟犁削原理，论文所陈述的是在刨削过程中产生的翅状热沟犁削，研究的是产生翅状卷曲的机械装置和加工后的翅状表面多热控制的能力。通过控制基于连续的切削片的卷曲情况：把切削片处理成直而平的翅状切削片，来提高切削片的热传递能力。本篇论文，主要研究的是刨削过程中刀具和夹具的设计。查阅相关资料后，进行翅状热沟犁削的工装设计，设计出的结构能满足科学实验的要求。注意理论与实践相结合，采用计算机辅助设计和优化设计的方法。首先对金属切削原理、机械制造工艺和机床夹具等课程进行较全面的复习，掌握工装设计的基本理论；然后再根据课题的具体实验装置的要求，采用计算机辅助设计的方法设计整个工装，并用AutoCAD绘制出所有设计图纸；并在可能的前提下，对装置进行优化设计。通过实验计算得出：刀具采用不同前角值，刃倾角，刀具的深度和进给速度的最终范围也就能确定下来。在加工过程中传热鳍片会向边缘卷曲,和向上卷曲。刃倾角和前角分别是导致传热鳍片边缘卷曲和向上卷曲的主要因素。考虑到刀具强度，刀具前角的最佳范围在5055之间。而刃倾角和后角分别为0和3。夹具则是采用了楔块夹紧装置。关键词：犁削 热沟犁削片 刃倾角 刀具前角 前角 后角AbstractBased on the common processes to manufacture the fin heat sinks, this paper proposed to produce the FHS by the planning process to research the mechanical devices to produce fins curl and the heat control capability of the fins after processed. Through controlling chip curl based on the continuous strip chips, the flat straight fins were processed to improve the fins heat transfer capability.This paper is mostly researching the design of tools and clamp during the planning process. After looking up some data, start the design of FHS, the gained structure can meet the request of scientific experiment .at the same time, integrate the exoterica and practice, adopt the computer assitant design. Firstly, review some courses: the theory of machine cutting, the machine manufature technics, and the clamp of machine tool e.g. get the base theory of technics design, then according to the request of the experiment devices, adopt the way of computer assitant design, get all the designed drawing by Auto CAD. Under the possible precondition, optimize the devices designs. By experiment we can get something.When using different value for the tool rake angle, the cutting edge inclination angel, the planning depth and the velocity, the optimum range of each parameter can be determined. In planning process, the fin will curl. Generally, the fin curls are in two directions: side-curl and upward-curl. Cutting edge inclination and rake angle are the major factors for finsside-curl and upward-curl. Considering the tool strength, the optimum range of the tool rake is between 50 and 55.The cutting edge inclination and the clearance angle is 0and 3.And clamp is the device of the wedge.Key words: plough fin heat sink cutting edge inclination tool rake angle rake angle clearance angle 1 绪论 本次的课题基于翅状热沟犁削的工装设计是来源于国家自然科学基金会重点项目“机电表面功能结构及相关物理问题的基础研究”。 近年来,随着电子科技的进步,许多电子产品不断地往高性能化、高功率化以及超薄、微型化发展,使得电子元件单位面积所产生的热量越来越高，如何满足预定的散热要求已经成为众所研究的课题。全球第一大品牌PC厂戴尔(Dell)为节省成本，在2004年第三季所推出数款台式机电脑中，将CPU散热模块内建导热管数量从3支缩减为2支，却造成这几款台式机因散热效果欠佳，而陆续出现风扇声音过大及容易死机等现象1。全球第二大显卡制造厂商加拿大ATI公司对第四代顶极显卡散热解决方案进行招标,其中整块显卡电路板(包括ASIC芯片和显存)总功耗达130W,整个散热模块总重量不超过250克,并且有严格的体积和噪声限制，应标方案采用2支微热管才基本满足要求2。Intel公司迫于目前奔腾处理器的发热量过大问题，已不能通过增加工作频率来提高处理器的计算速度,转而走双核心路线,但双核心的P4功率居然也将达到200W左右。Intel公司负责芯片设计的首席执行官帕特-盖尔欣格曾经指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，当芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015年就会与太阳的表面一样热。目前芯片发热区域（）上的功耗已超过105W，且未来有快速增加的趋势3，Intel公司已经向全球散热器供应商征集2005年125-145W功耗CPU空气强制对流散热方案。高集成度芯片功耗急剧增大导致极高的热流密度（接近），已接近常规强制对流换热能力的极限。如此严峻的热控制问题,导致传统的热控制方式很难满足散热需求，新的热控制方式急需出台。目前，针对微电子产品的极高热流密度条件下的热控制问题的研究是一项多学科跨领域的交叉性前沿课题。美国政府在1999-2002年期间，通过国防先进研究项目暑（DARPADefense Advanced Reasearch Projects Agency）组织了迄今为止最大规模的针对性研究，动员国家实验室和著名大学等科研机构与工业界组成跨领域的研究团队，以发展用于下一代高集成度芯片的新概念控制方法。具体的研究工作分布在流体和固体两大研究领域：在固体研究领域中用于激光器的单片式集成电路的热电冷却器研究。由喷气推进实验室牵头进行；高集成度的微电子和光子主动冷却技术。由加州大学牵头进行； 利用逆Nottingham效应的散热技术。又北卡大学牵头。而在流体领域中： 用于电子产品集中冷却的埋入式液滴喷射技术。有卡内基梅隆大学牵头； 采用层压陶瓷的MEMS的集成式热管理技术。由佛罗里达国际大学牵头； 用于集成式热管理微流体技术。由佐治亚理工大学牵头； 采用热声制冷原理的芯片级热管理技术。由Rockwell科学中心牵头； 电力学微冷却器研究。由斯坦福大学牵头； 用于改进微电子冷却的微加工集成技术。有佐治亚大学和马里兰大学联合牵头； 用于高热流密度散热的集成式冷却器的研究由加州大学牵头； 模块化的微加工硅散热技术。由加州大学牵头。微电子芯片热管散热技术主要针对上述计划中中共性的复杂表面热功能结构问题进行研究，并开发出当前迫切需求解决的微电子芯片超高性能散热产品。以前传统的光滑表面或简单结构表面已经不能适应目前的高热密度撒热需求，未来边面热功能结构更趋向于多维、多尺度特征方向发展。早在80年代佐治亚理工大学就已经注意到表面宏观结构和亚结构（叠加在宏观结构表面）在散热中的作用，并在此方面做了许多有益的工作。SONY公司CPU宏观散热结构发展变化过程也说明了这一点。华南理工大学在宏观结构表面的亚结构和微电子结构生成机理与关键技术方面也作了许多有益的工作，并研制出柱状散热器，使用效果很理想。目前由美日少数大企业研制车来的微热管，特别是美国Thermacore公司已经成功研制并大规模生产的芯片高传热量烧结式微热管，其内壁也具有多维，多尺度复杂表面结构。由于微热管具有很高导热率、良好的等温性、优良的热效应、结构简单、重量轻、无需额外电力驱动等优点，并且其导热率是最优良导热纯金属的几百倍，甚至几千倍，内壁具有复杂表面结构的超高性能微热管将成为目前高耗能和高热流密度芯片导热的理想元件，是解决当前微电子行业热危机的关键。目前，国外微热管产品的核心技术（产品的设计与开发）只被美日少数企业所掌握。国内企业在微热管产品的关键技术上本身并不具备自行设计、研发及生产能力，只有少数几个台资企业为美日大企业进行代加工。由于美日企业量产成本及目标市场的策略考虑，台资企业近年才获得美日大企业的技术转移，通过消化这些技术并开始自主研发，才逐步拥有了微热管生产的一些关键技术。但国内其他企业对于高性能微热管技术的研究还处于起步阶段，没有自己的关键核心技术，离大规模化生产具有一定的差距。目前，国内外各大厂商生产的各种芯片散热模组微热管主流产品中，直径一般在3到6mm之间,长度小于30mm，其毛细结构主要有烧结式、沟槽式、铜纤维式和金属丝网式。烧结式毛细结构虽然具有很强的毛细力，但烧结工艺比较复杂，毛细结构在生产过程中容易损坏，最致命的弱点就是增加了微热管的重量，与目前要求芯片散热装置重量减轻的发展趋势不相一致，铜纤维式和金属网式同样也存在着这样的弱点。从目前电子散热发展趋势来看，不仅要求散热模块有高传输热量的能力、非常严格的体积和重量，还要求有灵活的形状和快速的热响应。沟槽式微热管是杂其内壁表面加工出复杂的微沟槽结构，不但能够减轻微热管重量，而且可以加工出超薄微热管，使其内部空间更大，具有快速的热响应，并且随散热要求可灵活改变形状，而使其对热量传输能力的影响减少到最少。随着电子散热要求越来越高和电子制造加工技术的进一不发展，体积更轻和机构灵活的沟槽式超薄高性能微型热管将是国际上未来数年发展的趋势，更能适应未来日益严峻的电子散热需求。因此针对电子芯片超高性能薄壁微热管技术及生产装备的研究开发，不仅成为当前电子领域中芯片散热迫切解决的重要课题，而且对于促进信息化产业的发展和结果升级，提高电子产品的竞争力和高附加值，具有重要的战略意义。热管基本原理如图（1）所示，热管由管壳、吸液芯和工作液体组成。将管内抽成一定的负压后再充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸夜芯片毛细多空材料中充满液体后加以密封。管壁的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据需要可在中间设置绝热段。当热管的一端受热时毛细吸液芯中的液体蒸发，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再由多空材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传到另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面：（2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段：（4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结：（5）热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。其次热管是依靠自身内部工作液体相变来实现的传热元件，具有以下基本特征：（1）很高的导热性（2）优良的等温性（3）热流密度可变性（4）热流方向的可逆性（5）恒温特征（6）环境的适应性当今世界热管的制造与研究众彩分层。Gromoll利用各向异性蚀刻技术和堆垛分层技术制造出不同结构和大小的新型微硅换热器，通过压缩空气直接冷却，或者间接地通过鼓风机进行散热，可满足未来的电子封装要求，即使用完整的、可连续使用空气作为冷却剂的微型制冷系统。使用微热管的功率损耗密度可达到3W/cm2，间接冷却可达到25 W/cm2。将高性能微散热系统应用在奔腾处理器上，当功率损失为15W时，可将操作时的温度限制在15W之内。微型换热器的体积仅达2.5 cm2,比普通的散热器要小得多。便携式设备的功率日渐增加和尺寸不断缩小，这对于散热系统来说是一个严峻的挑战。在多种散热技术中，热管散热技术是一种高性价比的散热解决方案，有着高效和高性能的散热效果。Xie等人研究了热管的基础技术，测试了其性能、可靠性和价格参数等。便携式笔记本电脑应用了TCP封装技术，通过对TCP热传导性能的测试，研究了三种不同结构的热管。第一种是用热管将CPU和键盘的电磁屏蔽罩连接起来。第二种是用热管连接在笔记本电脑外面的一个铝盘，通过屏幕背后的导热板进行散热，论证其散热能力。第三个结果证明利用热管可以带走6.5W的CPU发出的热量中的4W。尽管只是在笔记本电脑中进行测试，但是热管的分析和方法同样可以应用在其他的便携式设备中。为了对笔记本计算机环境中CPU的高热流提供一个冷却解决方法，Mochizuki等人研究了笔记本个人电脑冷却用铰链热管，铰链热管系统能够散失10-20WCPU产生的热量，而保持它的表面温度低于95OC，不超过LCD的热范围。辊压热管在电子设备如笔记本冷却中最有前途，Take等人进行了笔记本用辊压热管导热盘的基础研究，并提出了7.8mm宽的流动通道辊压热管最大毛细极限的预测。辊压热管的热性能实验数据显示了辊压热管最高和最低温度之间的温降，并决定了辊压热管中的最佳液体灌注量和毛细循环数目。微通道的使用有益于MCMS的有效散热。Marongiu研究了嵌入微热管和其他高导热率材料的微通道散热器对MCMS的强化冷却，揭露了微热管和其他高热导率材料（如石墨）以不同配置嵌入MCMS微通道散热器设计中的研究。使用ICEPAK进行数值模拟，结果表明将热管和其他高热导材料嵌入到微通道散热器中的确达到了高传热率。极端条件下能可靠运行的耐震笔记本的热设计，最紧迫的约束就是在极高外部温度下的运行和不允许计算机具有通风口。这些限制和内部空间局限使得笔记本内部气流和对流传热非常重要。Rujano等人提出了耐震奔腾笔记本计算机热管理方法，将由CPU产生的热量传导到外部大气中。基于处理器笔记本的热性能特征进行数值分析描述，数值模型包括集成电路，印刷电路板、机壳、电源板，将结果与真实系统的实验测试数据进行了比较，然后对具有极高功率耗散包括奔腾处理器的模型进行修正。Wang等人结合热管冷却技术开发了等温滑动轴承。热管能使轴承周围迅速地传热，导致了较小的温度梯度、较底的峰值温度和稳定的瞬态热行为。等温滑动轴承中的热管建摸为热导体，其有效热导率通过分析和实验数据之间的关系确定。通过实验测试和半径验相关法的计算获得了轴承边界的传热系数。使用这个开发的模型数值研究了轴承几何和材料对等温滑动轴承的性能的影响，并证实等温华东轴承具有解决热感应问题，这有益于轴承的运行和防止失效。Zaghdoudi等人对航空电子设备（AEM）冷却用热管的效能进行了实验，结果表明热管消除了热点和很好地导出了电子器件产生的热量。用真实的AEM进行的实验考虑确定热源/散热器热阻的数量级，对热管集成设计和制造非常有用。在实验基础上开发的数值工具考虑了AEM中热管的优化和集成。Nguyen 给出了桌式服务器中的热解决方法的例子：将扁平矩形热管或蒸汽槽系在散热器的基板底下以保持穿过散热器基板温度的均匀性。这将会减少散热器基板的扩展热阻，从而改善了散热器性能。实验表明对安装有蒸汽槽的长度110mm、宽度72.5mm、高度50mm 基板厚度7mm的散热器能达到45%的性能改善。与电子冷却相关联的高热流需要任何倾角下有超高传热的热管，因此需要改进吸液芯结构。特别，许多笔记本制造厂需要在垂直方式下的运行通过常规系统减少30%到50%的热阻。开发新的毛细结构以使毛细通道增加而对热管渗透性的影响很小。使用这个新的设计准则，Sauciuc等人开发和测试了电子冷却用超级纤维热管。制造中使用了线径从0.05mm到0.1mm变化，最大输入功率为16W。测试结果也表明蒸汽空间/液体空间的比率是这种类型热管的一个重要参数，热管的热阻是位置的强函数。制造的热管比以前常规热管的热阻要小2到5倍。比较了其它类型的吸液芯结构，观察到垂直方式下的热阻低到0.5C/W，水平方式下0.2C/W。功率器件如IGBTS耗散出非常大的热流，对它们的性能和可靠性而言，热环境已经成为一个主要问题。为了改善传热，高热导率材料似乎非常有用，但由于它们的成本高，选择性价比比较好的沟槽毛细和烧结金属粉末毛细热管来代替。Avenas等人提出了使用扁平热管作为功率电阻器件冷却散热片，功率电子器件的热模拟表明这些结构能满足散热需求，并比较了热管和平面材料构成的均热片。最后进行了铜/水热管的实验研究，与热模拟进行了比较。功耗电子设备的热损失日益增加，同时它们的尺寸日益减小，要求散热器必须散失大热流密度。为了将集中热源经过大的表面积，可以用热管增加热导途径。Avenas等人研究了功率电子器件冷却用硅散热片，描述了热管极限的分析模型，提出了实验研究和测试结果。Im等人研究了高密度存储模块的微冷却应用。对大功率存储器摸数的几种均热片的热性能进行了数值模拟和两种实验研究。对于数值研究，使用Flotherm对1G的DDR存储器摸数阵列建摸，分析了存储器摸数的固体均热片在气流条件下的对流传热。对于风洞实验，检查了固体盘和立体型扩散片以获得各种条件下的固体共扼传热的热阻。为阐清液体传热的热特性和冷却性能，提出并设计了液体冷却设备和嵌入式热管片和微吸液芯结构蒸汽槽，并估计了在绝缘条件的水冷盘的传热实验。每年处理器性能和热耗散趋势增加很大。2000年，笔记本中使用的处理器时钟速度接近1Ghz，热耗散接近20W，2003年处理器时钟速度高于20Ghz，热耗散高于50W，2004您接近100W。热耗散增加但与之相反的是，处理器的尺寸减少，导致热流非常高。2000年的热流大约在10-15W/cm2, 到2004年达到100 W/cm2。Wuttijumnong等人综述了受限空间笔记本中使用热管和蒸汽槽冷却最新技术。目前有很多散热改善装置的普通加工工序，例如焊接，冷压模等，但每一样都有其缺点。焊接过程是复杂，昂贵且并不安全可靠的，当线受潮了，很有可能的是两种不同金属在水里发生了电解作用，这种破坏降低了热传递能力，归咎于管筒于鳍片间的气流层。而冷压模需要严格的条件来完成铸模成型，因为变形压力是很大的，且最终成型的鳍片通常是很厚的，刀具和模型的过快磨损也在一定程度上限制了它的运用。基于一般的生产过程制造产生的翅状热沟犁削通常会有缺口和卷曲等情况的发生，而在刨削过程中采用预线成型的工序，通过控制缺口的流过方向和卷曲半径，一片笔直完整的鳍片便大功告成了。同时因为两片鳍片间的空间越来越窄，数量越来越多，每片的散热区域也就增大了。论文所陈述的是在刨削过程中产生的翅状热沟犁削，研究的是产生翅状卷曲的机械装置和加工后的翅状表面多热控制的能力。通过控制基于连续的切削片的卷曲情况：把切削片处理成直而平的翅状切削片，来提高切削片的热传递能力。2 工件加工示意图及说明21工件加工示意图及说明工作鳍片是在一台普通的刨床上加工完成的。在工作台和夹具之间的滑动导轨允许工作面沿X轴运动和沿X方向进给。由于刨削的冲击可以随着性能参数来调整，所以鳍片不会从基部分开，刨刀反复地刨着工作面，每一个进退反复运动都会做好一片鳍片，且当一个运动完成，工作台退位进给一次。角a就是工作面的倾角。两片鳍片间的距离可以通过P=X/cosa计算得出，而X就是工作面沿X方向的进给。事实上，工作面的倾角决定了两片鳍片间的距离，角度越大，距离就越小，鳍片就越厚。通过鳍片的厚度和距离就可以找到一个合理固定的角度。3 刀具的设计计算31 刀具的材料的选择由于刀具在刨削过程中，刨削部分直接受到高温，高压以及强烈的摩擦 和冲击与振动的作用，因此刀具必须具有较高的硬度，良好的耐磨性，耐热性和工艺性，以及足够的强度和韧性。由实验数据选择刨刀的材料为W18CrMoAL.高速钢，其中含W18%，Cr1%，Mo1%，AL1%.其特点就是硬度，耐热性和耐磨性都有显著提高，在630-650时仍可保持HRC60以上的硬度，其热处理的变形也小，具有良好的刃磨性能和切削性能。32 刀具的形状的设计刀具的简图33 前角和前刀面的功用设计选择前角在切屑形成中极为重要，适度的增加前角可以减少刀具所除去材料层的变形，有利于切屑的流动，减小切削力量和动力消耗，也可改进表面光度。一般说来，具有较大前角的刀具应用于软而具延性的材料，以便切屑流动，而较小前角的刀具应用于切削硬而脆的材料，以增加刀具的强度，增进刀具的寿命。前角选择的一般原则是，在刀具强度的许可下，尽量选用大的前角。根据实验数据所得，选用前角=55前刀面有三种类型，平面型，曲面型和带倒棱型。曲面前刀面起卷屑作用，并有助于断屑和排屑。其中的波形前刀面是由许多弧形槽连接而成，由于弧形切削刃具有可变的刃倾角，使得切屑挤向弧形槽底，改变材料应力状态，促使脆性材料形成的崩碎切屑转变成楞形切屑。故多用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具上。而带倒棱型的前刀面提高了刀具强度和刀具耐用度，尤其在选用大前角时效果更为显著。平面型前刀面制造简单，重磨方便，刀具廓形精度高。根据前角的正负可分为正前角平面型，负前角平面型和负前角双面型。正前角前刀面的切削刃强度较低，切削力小。负前角双面型适用于前，后刀面同时磨损的刀具上，重磨沿前，后刀面进行时能减少刀具材料的磨耗量。而负前角前刀面的切削刃强度高，切削时切削刃产生挤压作用，切削力大，容易产生振动，常用于受冲击载荷刀具，加工高硬度，高强度材料的刀具和挤压切削刀具上。在鳍片的刨削过程冲，冲击载荷较大，需要的切削力也大，因此选择负前角前刀面。 34后角与后刀面的功用设计选择 后角影响切削中的摩擦和刀具强度。后角的减小会加剧后刀面与加工表面间的摩擦，加大刀具磨损和加工表面的冷硬程度，但同时，减小后角使得刀具强度高，散热性能好。综合实验数据所选后角为3。在后刀面上磨出倒棱面ba1=0.10.3mm,负后角ao1=-5-10,可以增加系统的刚性并起到消振阻尼作用。35主副偏角的功用与选择主偏角Kr主要影响的是切削宽度和切削厚度的比例并影响刀具强度。主偏角减小，使切削宽度增大，刀尖角增大，刀具强度高，散热性能好，故刀具的耐用度高。但同时会加大切深抗力，引起振动和加工变形，此外增大主偏角Kr也是控制断屑的一个重要措施。主偏角Kr的选择原则主要是：在工艺系统刚性不足的情况下，为减下切削力，选取较大的主偏角。在加工强度高，硬度高的材料时，为提高刀具耐用度，选取较小的主偏角。其次副偏角Kr影响加工表面的粗糙度和刀具强度。通常在不产生摩擦和振动条件下，选取较小的副偏角。再者，在主切削与副切削刃之间有一条过渡刃，用来调节主副偏角作用。在刨削过程中，可能产生由于减小主副偏角而使切削刃增大，加大主副偏角而使加工表面粗糙的弊病。但如果选用合适的过渡刃尺寸参数，能改善上述不利因素，起到粗加工时提高刀具强度，延长刀具耐用度，精加工时降低表面粗糙度值的作用。过渡刃的选择原则是：普通切削刀具常磨出较小圆弧过渡刃，以增加刀尖强度和提高耐用度。随着工件强度和硬度提高，切削用量增大，则过渡刃尺寸可相应加大，一般取过渡刃偏角Kr=Kr/2, 宽度b=0.52mm或取圆弧半径r=0.53mm.36 刃倾角的功用选择刃倾角主要影响的是切屑的流向和刀具强度。在一些加工中常利用改变刃倾角来获得所需要的切屑流向。当刃倾角为0时，其切屑流动与刃口垂直。刃倾角的选择原则是，主要根据刀具强度，流屑方向和加工条件而定。在带间断或冲击振动削时，如在车削，刨削过程中，选一负的刃倾角能提高刀头强度，保护刀尖；许多大前角刀具常配合选用负的刃倾角来增加刀具强度。由实验数据选择刃倾角=037 刀柄设计切削刀具柄通常应分析其强度与刚度。假定刀刃口受有悬臂载荷作用，如图所示，除去外力PZ之外，所有外力效应和扭力效应均忽略不计，那么，M=PZL=BFL=自支持点的悬伸 F=容许之弯曲应力=38.4-49.8Mpa,根据通常刀柄材料查得。把上式稍微简化下即可得出：通常，在长方形刀柄中：B：H=1：1.6在正方刀柄中： F=6PzL1.40/B设计刀柄大小还需要注意，在刃口的挠度必须受到限制。挠度Lt=4PzL/EBH0.000508-0.002032(cm) 式1其中Pz=stk式中s= 进给 t=切削深度 k=切削力常数A=st=h/160(h/40)式中H为顶尖高度若切削力常数k为：K=38.4MpaPz=0.06h 式2将式2代入式1，并应用在刃口最低挠度0.000508Lt=hl/(10EBH)0.000508若l=aB,及B=H，即：ah /B=常数38 刀具半径的设计刀具半径可以增加主刃口与辅助刃口相连接点的强度抗性，并能改进表面光度。当用极大刀尖半径的刀具车削刚度不足的细长工件时，会发生颤动，而导致刃口折落，因此，由于振动或者颤动而导致刃口的快速损坏，刀具半径就必须予以限制到0.0508cm-0.1016cm之间。减小刀具半径，可以降低切削力的径向分力，降低表面温度，增加刀具半径可以改善表面光度，所以在切削脆性材料的时候应采用大刀具半径可以产生不连续切削。此外，在选择刀具半径时，切削与进给深度都要考虑。较大切削深度，应选用较大的刀具半径。由切削深度为0.3mm时，查表得刀具半径R=0.2032cm-0.3048cm选取R=0.25cm.4 夹具的设计计算41 定位元件的设计分析工件可得，由于每完成一次刨削过程就产生一块成品鳍片，那么工件事先是经过了精加工的。工件经过机械加工后，基准平面的误差较小，可以直接放在平面上定位，但是为了提高定位的稳定性和定位精度，对于刚度较好，而基准平面的光洁度及平面度不是很高，轮廓尺寸又较大的工件而言，应将定位平面的中间部分控制低一些，对于刚度较差的工件，或者基准平面的光洁度都很高时，它们之间的接触面积可以大些，但是为了方便排除切屑，定位平面往往可以开有若干窄槽。而在这里我选择定位元件为支承钉。支承钉又有平顶支承钉，圆顶支承钉，花纹顶面支承钉等。圆顶的支承钉只适用于毛坯面的定位，使工件于支承钉的接触面积减小，以减小装夹误差，但容易磨损和压伤工件的基准面：花纹顶面支承钉用于工件的侧面定位，由于花纹的作用，增大了摩擦系数，减小了夹紧力，但清除切屑不方便，故不用于水平面定位。而平顶支承钉适用于经过粗加工或者精加工表面的定位。故选择平顶支承钉为定位元件。见图：42 夹紧力的三要素设计原则工件重力G的方向始终是朝向地面的，在刨削过程中受到刨削力F，是与工件成一定斜角的。而夹紧力的方向如图，应该方便装夹和有利于减小夹紧力。工件夹紧力的方向确定后，夹紧力的作用点的位置将直接影响工件定位后的可靠性和夹紧后的变形。力的作用点的位置应能保持工件的正确定位而不发生位移或者偏转，且应尽量靠近工件的被加工表面B，使切削力对被作用点的力矩减小，同时也减小工件的振动。为此，作用点的位置应靠近支承面的几何中心。工件夹紧力的大小对于工件在加工过程中保持定位后的正确位置有着至关重要的影响。夹紧力过大会引起工件的变形，达不到加工精度的要求，而且使夹紧装置结构尺寸加大，造成结构不紧凑：夹紧力过小，会造成夹不牢工件，加工时容易破坏定位，同样也保证不了加工精度要求，甚至还会引起安全事故。切削力是夹紧力的主要依据，由受力图分析，根据受力平衡条件，可得：Q=G+F式中各力都为矢量。为安全可靠起见，还需要考虑一个安全系数K，因此实际的夹紧力应为Q=KQ一般取K为1.5-3,精加工时取K=1.5-243夹紧装置的设计 楔块夹紧装置及其示意图说明在此工件加工中，选择楔块夹紧装置。楔块夹紧装置是利用楔形斜面将原始力变为夹紧力的装置。斜楔夹紧机构简图 如图，当楔块向前移动时，装在楔块上方的小柱塞将顶起压板的后端，同时压板的前端将压紧工件。 楔块夹紧力的计算楔块在夹紧过程中的受力分析如图a所示。当楔块在原始力P的作用下楔进工件与夹具体之间时，受到的力有：工件与夹具体给楔块的作用力分别为Q和R，工件和夹具体于楔块的摩擦力分别为F2和F1，相应的摩擦角分别为2和1。R与F1的合力为R1，Q与F2的合力为Q1。当工件被夹紧时，P，Q1，R1，三力处于平衡状态。由图b计算出楔块地工件所产生的夹紧力Q为：Q=P/tan2+tan(+1)式中为楔块升角，通常取6-10：因工件，夹具体与楔块的摩擦系数一般取f=0.1-0.15,故相应的摩擦角1和2为545-830。 楔块的自锁条件 当原始力P撤除后，楔块爱摩擦力的作用下仍然不会松开工件，此时摩擦力的方向与楔块松开的趋势相反，而且R与F1的合力R1有一水平分力F1，如图b所示，自锁条件应该是：F2F1因 F2=Q1sin2; F1=R1sin(-1)且根据二力平衡原理有Q1=R1故 1+2若1=2=，f=0.1-0.15,则11.5-17.为安全起见一般取10-15或者更小一些。 传力系数夹紧力与原始力之比称为传力系数，以ip表示，则有：Ip=Q/P=1/tan2+tan(+1)可以看出，楔块的升角越小，ip就越大，当原始力P一定时，越小则夹紧力Q就越大，但同时楔面的工作长度加大导致结构不紧凑，夹紧速度变慢，因此楔块夹紧装置常用在工件尺寸公差较小的激动夹紧装置中。楔块的尺寸及材料升角确定后，其工作长度应满足夹紧要求，其厚度应保证热处理时不变形，小头厚度应大于5mm为宜。楔块的材料采用20钢，渗碳厚度0.8-1.2mm,热处理硬度HRC56-62，工作表面粗糙度值Ra为1.6um.4.4 夹具体的设计夹具体是用来将夹具各个部分联结成为一个整体的元件。它是夹具上最大和最复杂的元件，在它表面上需要安装定位件，夹紧装置，刀具引导件以及其它各种装置和元件。此外，在本体上还应有夹具在机床上安装用的定位部分，以保证夹具在机床上获得所需要的相对位置。对于夹具体来说，需要有适当的精度和尺寸稳定性，有足够的强度和刚度，较好的工艺性，并且排屑方便，在机床上安装稳定可靠。而夹具体的毛坯类型有铸造夹具体，焊接夹具体，锻造夹具体，型材夹具体和装配夹具体。由于铸造夹具体的工艺性好，可铸出各种复杂形状，还具有较好的抗压强度，刚度和抗振性，并且铸铁的价格比较便宜，抗振性比一般的钢材好，塑性也很小，在使用过程中仍然可以保持较高的精度。所以选择铸造夹具体。45 定位键的设计 当夹具在机床工作台上的安装方向要求与工作台的主要运动方向一致时，当简化夹具的安装校正工作并承受切削扭矩可以在夹具的底面上安装一对定位键。定位键的宽度通常要小于或者等于夹具体的槽宽。46 对刀件的选择 在刨削过程加工过程中，由于要保证被加工表面的原始尺寸精度，需要在加工前调整刀具和工件之间的相对位置，就需要用到对刀装置来对刀。对刀装置是用来确定刀具对夹具的相对位置。通常选用平板形对刀装置。平板形对刀装置一般固定在夹具上，离开工件的被加工表面有一定的距离，在确定刀具位置时，通常用塞尺来校准其相对位置，常用塞尺厚度为0.5-1mm。结论随着电子科技的进步,许多电子产品不断地往高性能化、高功率化以及超薄、微型化发展,使得电子元件单位面积所产生的热量越来越高,同时电子产品的高集成度使其有效散热空间日趋减小，且许多场合散热空间是封闭或半封闭的，从而导致有效散热空间非常狭小而热流密度又非常高，这一尖锐矛盾导致微电子产品中的热控制成本急剧上升。可以预见未来电子散热问题仍没有缓和的趋势，传统的热控制方式仍很难满足散热需求，新的热控制方式急需出台。而文中所论述刨削加工的散热鳍片就是其中一种。目前有许多散热改善装置的普通加工工序，例如焊接，冷压模等，但是每一样都有其缺陷。焊接过程既复杂又昂贵，而且又不安全可靠，在实际操作中，极有可能发生金属的电解作用，从而降低了热传递能力。冷压模需要严格的条件来完成铸模成型，因为变形的压力是很高的，最终成型的鳍片通常是非常厚的，这也较大的影响了热传递能力。而刨削加工的散热鳍片采用的是预先成型工序来完成制造的，在此当中，每个工作部件都由特别设计的刀具来加工，相比于以往的方法，这道工序简单可靠且需要的设备条件少。基于形成一条连贯的片条，通过控制片的流过方向和卷曲半径，一条笔直完整的鳍片就大功告成了。两鳍片之间的空间越窄，鳍片的数量就越多，每片的传热区域也就越大，散热的效果也就越好。为了得到平直规则的鳍片，就必须保证在控制片条卷曲的同时，鳍片呈连续的条状，这样就充分利用了原材料，避免了浪费。整个加工过程都是在普通的刨床上完成的。在工作台和夹具之间的滑动导轨允许工作面沿X轴运动和沿X方向进给。由于刨削的冲击可以随着性能参数来调整，所以鳍片不会从基部分开，刨刀反复地刨着工作面，每一个进退反复运动都会做好一片鳍片，且当一个运动完成，工作台退位进给一次。工作面的倾角决定了两片鳍片间的距离，角度越大，距离就越小，鳍片就越厚。通过鳍片的厚度和距离就可以找到一个合理固定的角度。刨削用的刀具材料为W18CrMoAL.高速钢，其特点就是硬度，耐热性和耐磨性都有显著提高，在630-650时仍可保持HRC60以上的硬度，其热处理的变形也小，具有良好的刃磨性能和切削性能。在加工过程中散热鳍片会向边缘卷曲,和向上卷曲。刃倾角和前角分别是导致传热鳍片边缘卷曲和向上卷曲的主要因素。前角在切屑形成中极为重要，在鳍片的刨削加工中，向上卷曲部分随着刀具的前角增大而显著减少，因此在刀具强度的许可下，选用前角=55。在鳍片的刨削过程冲，冲击载荷较大，需要的切削力也大，因此选择负前角前刀面。刃倾角主要影响的是切屑的流向和刀具强度。在鳍片的刨削加工中，边缘卷曲部分随着刃倾角的增大而增加，卷曲部分越小，鳍片就越直，当选择刃倾角为0时，鳍片根本就不会出现边缘卷曲的情况。后角影响切削中的摩擦和刀具强度，较小的后角能提高刀具的强度和散热性能，故取后角为3，而在后刀面上磨出倒棱面可以增加系统的刚性并起到消振阻尼作用。主偏角Kr主要影响的是切削宽度和切削厚度的比例并影响刀具强度。主偏角减小，使切削宽度增大，刀尖角增大，刀具强度高，散热性能好，故刀具的耐用度高。但同时会加大切深抗力，引起振动和加工变形，此外增大主偏角Kr也是控制断屑的一个重要措施刀具半径可以增加主刃口与辅助刃口相连接点的强度抗性，并能改进表面光度。由切削深度为0.3mm时，查表得刀具半径R=0.2032cm-0.3048cm，选取R=0.25cm.夹具设计中，首先考虑夹紧力的三要素，大小，方向，作用点。工件重力G的方向始终是朝向地面的，在刨削过程中受到刨削力F，是与工件成一定斜角的。为了使工件所需夹紧力最小，则夹紧力Q的方向就必须垂直于被加工表面。为了安全可靠起见，还需要考虑一个安全系数K，因此实际的夹紧力应为Q=KQ一般取K为1.5-3,精加工时取K=1.5-2。夹紧力的作用点应该尽可能的靠近工件的被加工表面B，使切削力对被作用点的力矩减小，同时也减小工件的振动。为此，作用点的位置应靠近支承面的几何中心。再者，定位元件和夹紧装置是夹具的主要部分，定位键与对刀件则是夹具体上不可缺少的部分。工件经过机械加工后，基准平面的误差较小，可以直接放在平面上定位，为了提高定位的稳定性和定位精度，在这里我选择定位元件为平顶支承钉。而夹紧装置选择的斜楔块夹紧装置。楔块夹紧装置是利用楔形斜面将原始力变为夹紧力的装置。当楔块向前移动时，装在楔块上方的小柱塞将顶起压板的后端，同时压板的前端将压紧工件。夹具体是用来将夹具各个部分联结成为一个整体的元件。由于铸造夹具体的工艺性好，可铸出各种复杂形状，还具有较好的抗压强度，刚度和抗振性，并且铸铁的价格比较
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