机械毕业设计69邵阳学院基于翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择研究.doc
机械毕业设计69邵阳学院基于翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择研究
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机械毕业设计69邵阳学院基于翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择研究,机械毕业设计论文
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邵阳学院毕业设计（论文） 1 摘 要 针对目前严峻的芯片热控制问题，分析了芯片散热技术的研究现状，从热管原理、热管制造、热管性能、热管应用等方面综述等方面综述了电子芯片热管散热技术的特点和发展过程，并对未来热管技术的发展趋势进行了预测。而热管技术的发展，很大程度上取决于散热技术的发展。本人这篇论文正是介绍散热片制造的一种新技术 -即用散热片的 翅状热沟犁削来加工散热片。 本次毕业设计（论文）的题目是：基于翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择研究。本次设计主要是对翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择研究，通过不同切削速度对翅状热沟犁削的影响情 况，探索出进行翅状热沟犁削时的最佳速度。 这篇论文主要阐述用刨削成型加工这一工艺来制造散热片，工件是用专门设计的刀具进行刨削的。相比与通常的加工工艺，这种方法简单，容易，而且对加工设备要求也不高 。基于要形成连续不断的带状切削，通过控制切削流的方向与翅状切削的半径，可以成功获得直的，完整的散热片。 关键词 ： 芯片；热管； 刨削成型 ；散热片卷；最佳切削速度 nts邵阳学院毕业设计（论文） 2 Abstract Analyzing the research status of the chip heat releasing technology, in the current grim chip thermal control problems from the areas of the heat control theory, thermal and manufacturing, thermal management performance and thermal control applications, synthesize the electronic chips, hot heat releasing characteristics and technology development process, and forecase future thermal control technology development trend. But thermal control technology development, to a large extent, depend on heat releasing technology development. I created this piece of paper is to introduce a new heat dissipation technology - the use of heat releasing films Winged warrants hot Gap plow cut to processing heat release tablets. This graduate design (paper) entitled : Winged warrants based on the hot Gap plow cut cutlery best cutting speed options study. This design is to cut the shark fin-shaped hot Gap ploughs cutlery best choice to study cutting speed through different cutting speed of Winged warrants hot Gap plow cut the impact of a shark fin-shaped explored the best hot Gap plow cut speed. This paper uses the planing-forming process to produce fin curl,where the workpiece is planed by tools specially designed.Compared to the normal methods,this process is simple,easy and has lower equipment requirements.Based on forming a continuous strip chip,by controlling the chips flow direction and the curling radius, a straight intergral fin piece is obtained successfully. Key words: Chips;heat pipe;planing-forming;fin curl;the best cutting speed nts邵阳学院毕业设计（论文） 3 目 录 1 绪论 1 1.1 翅状热沟犁削的简介 1 1.2 课题来源及研究目的 2 2 理论基础 10 2.1 切削变形 10 2.2 切 屑 的类型 11 2.3 切削变形的变化规律 12 3 翅状热沟犁削的刀具速度对加工热管散热片影响的实验 14 3.1 实验前期准备及其设备 14 3.2 实验过程 16 3.3 实验数据的获得 18 4 实验数据处理及其结果 20 5 结论 25 结束语 26 参考文献 27 nts邵阳学院毕业设计（论文） 4 1 绪论 毕业设计是修完所有大学课程之后的最后一 个环节。此次毕业设计，培养了我综和运用多学科理论，知识和技能，以解决教复杂的工程实际问题的能力，主要包括设计、实验研究方案的分析论证、原理综述、方案方法的拟订及依据材料的确定等。它培养了我树立正确的设计思想，勇于实践、勇于探索和开拓创新的精神、掌握现代设计方法、适应社会对人才培养的需要。 毕业设计这一教学环节使我独立承担实际任务的全面训练，通过独立完成毕业设计任务的全过程，培养了我的实践工作能力。另外，本次毕业设计还必须具备一定的计算机应用的能力，在毕业设计过程中都应结合毕业设计课题利用计算机编制相应的分析 和优化程序；在这个过程之中，首先是对大学所学的专业课程进行系统的分析，尤其是对机械制造基础及其工艺这门课程要全面的复习，消化现有的资料，对设计目的和要求有一个大致的了解；然后是大致了解热管的应用及其散热片的加工，再通过实验得出自己所需的数据；最后得出结论，写出自己的论文思路，论文过程和设计体会。此次毕业设计除了对知识和能力培养的收获感受外，还得到思想道德方面的锻炼。 本次毕业设计得到赵小林老师和同学的许多无私的帮助，在此表示我由衷的感谢！由于实践经验的欠缺和知识面的狭窄，设计过程中的错误在所难免，望 老师们批评指正。 1.1 翅状热沟犁削的简介 基于分析常见的热管散热片的加工工艺，这篇论文提出了用刨削去加工热管散热片，转而去研究散热片的翅状热沟的加工和分析散热片的表面质量。这里有许多常见加工热转移增强型器件散热片的工艺，例如焊接，冲压成型，冷锻。但是它们都有缺陷。焊接加工复杂，成本高而且可靠性不高。当焊接加工成的散热片的焊接线潮湿时，散热片很容易受到损坏由于两种不同金属在水中的电解。因为在热管与散热片之间形成了空气夹层这种损坏减低了它的散热能力。冲压成型对模子有很高的要求，因为成型压力很大而且最终加 工的散热片通常很薄。由于冷锻加工的工具与模子磨损很快而nts邵阳学院毕业设计（论文） 5 造成的成本过高，冷锻加工同样很少用于散热片的制造。 这篇论文主要阐述用刨削成型加工这一工艺来制造散热片，工件是用专门设计的刀具进行刨削的。相比与通常的加工工艺，这种方法简单，容易，而且对加工设备要求也不高 。基于要形成连续不断的带状切削，通过控制切削流的方向与翅状切削的半径，可以成功获得直的，完整的散热片。这种方法制造的散热片很薄，仅仅只有0.2 毫米。因为两散热片的空间很小而散热片的数量很多，因而单元传热面积扩大了。同时，散热片的根部和基础在一个工件上， 所以此种方法不需要焊接。 1.2 课题来源及研究目的 课题来源 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，同时电子产品的高集成度使其有效散热空间日趋减少，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这一尖锐矛盾导致微电子产品中的热控制成本急剧上升。具有高热流密度电子产品冷却问题成为当今或未来电子首要克服的关键问题。根据美国 ITRS 对未来半导体发展历程之预估，在未来数年， CPU 工作频率与热量还将持续升 高，可预见未来电子产品散热问题依然没有缓和的趋势，因此电子冷却技术的增进与突破便显得更加迫切与重要。 全球第一品牌 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 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。全球第二大显卡制造厂商加拿大ATI 公司对第四代顶级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）总功率达 130W，整个散热模块总质量不超过 250 克，并有严格的体积和噪音限制，应标方案采用 2 支 微热管才基本满足要求。 INTEL 公司迫于目前奔腾处理器的发热量过大的问题，以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“核反映 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nts邵阳学院毕业设计（论文） 6 热区域（ 1.5CM 1.5CM）上的功率已超过 105W，且未来有快速增加的趋势， INTEL公司已经向全球散热器供应商征集 2005 年 125-145W 功率 CPU 空气强制对流散热方案。高集层度芯片功耗急剧增大导致极高的热流密度（接近 106W/M2），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（ DARPA Defense 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： 固体研究领域 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。 流体研究领域 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nts邵阳学院毕业设计（论文） 7 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nts邵阳学院毕业设计（论文） 8 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。 热管技术综述 热管按外部形状可分为：圆柱形热管、扁平微热管、盘形热管 热管按吸液 芯结构可分为：烧结吸液芯、沟槽吸液芯、丝网吸液芯 热管按管壁材料可分为：铜管热管、硅热管 热管的基本原理 （ 1）热管工作原理 热管工作原理 热管基本原理如图所示，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： nts邵阳学院毕业设计（论文） 9 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： 液体在蒸发段内的液 -汽分界面上蒸发 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段： 蒸汽在冷凝段内的汽 -液分界面上凝结： 热量从汽 -液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源： 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。 （ 2） 热管的基本特征 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： 很高的导热性 优良的等温性 热流密度可变性 热流方向的可逆性 恒温特征 环境的适应性 热管的制造与研究 由于陈平博士已经做了比较深入的研究，且因为本人的能力与知识面的狭隘，故本人的指导老师赵小林博士不要求我们做详细的研究，而把我课题方向定为与此相关的热管散热片的 翅状热沟犁削的刀具最佳切削选择。 热管技术的应用 Gromoll10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nts邵阳学院毕业设计（论文） 10 高效和高性能的散热效果。 Xie 等人 11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 12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。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 13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。 Marongiu14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 15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nts邵阳学院毕业设计（论文） 11 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 0.5 C/W，水平方式下 0.2 C/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，nts邵阳学院毕业设计（论文） 12 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。 研究目的 为了锻炼综合运用所学理论知识的能力，为了培养分析和解决机械工程实际的问题，我们进行本专业的重要环节 毕业设计。 由于本人的课题是翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择，这是一个与机械加工方向的课题，因此为了很好地做好这个课题，我首先对大学期间所学的基础课程概率统计，专业课程机械制造 技术基础进行详细的复习，做好理论准备；然后通过在校办工厂进行实验研究，得到有用的数据；最后实践与理论综合完成自己的毕业设计。本次毕业设计是对本人大学四年所学理论知识是一个很好的检验与巩固。培养了综合运用课本知识及理论联系实际的能力。通过确定翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度，分析各速度阶段对热管散热片翅状切削的影响，其结果可以供给厂家、商家使用其最底加工成本，而产生最高的经济效益。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 13 2 理论基础 金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与 生产成本。金属切削过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这个过程中产生一系列的现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。研究这些现象的成因、作用与变化规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床、保证切削加工质量，减少消耗，提高生产率和促进生产技术发展等方面起着重要的作用。 2.1 切削变形 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：塑性金属受压时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂。以直角自由切削为例，如果 忽略了摩擦、温度和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。 为了方便进一步分析切削层变形的特殊规律，通常把切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区。 第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的切削层内产生的变形区； 第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。 三个变形区各具特点，又存在着相互联系、相互影响。切削过程中产生的诸现象均与金属层变形密切相关。 变形切削的形成及其特点 （ 1）第一变形区金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作 用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切 屑。第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。 （ 2）第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形后，形成的切削要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形（第二变nts邵阳学院毕业设计（论文） 14 形区的变形）这个变形重要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维的方向和前刀面平行。这种作用离前刀面愈远影响愈小。应该指出，第一变形区与第二变形区是相互联系的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤 压变形加剧，以至第一变形区的剪切滑移变形增大。 （ 3）第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维 化与加工硬化。 2.2 切 屑 的类型 由于工件材料不同，切削的条件不同，切削过程的变化也不同，所形成的切 屑多种多样。通常将切屑分为四类： （ 1）带状切屑 它是经过上述塑性变形过程形成的切屑，外形呈带状。切削塑性较高的金属材料，例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时，常出现这类切屑。 （ 2）挤裂切屑 在形成切屑的过程中，剪切面上局部位置处的剪切应力达到材料的强度极限，使切屑 上与前刀面接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。切削黄铜或用低速切削钢，较易得到这类切屑 （ 3）单元切屑 当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏，使切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。 （ 4）崩碎切屑 在切削脆性金属时，例如铸铁、黄铜等材料，切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，得到的切屑呈不规则的细颗粒。 切屑的类型是由材料的应力 -应变特征和塑性变形的程度决定的。如加工条件相同，塑性高的材料不易断裂，易形成带状切屑；改变加工条件，使材料产生的塑性变形程度随之变化，切屑的类型便会相互转化，当塑性变形尚未达到断裂点就被切离时出现了带状切屑、变形后达到断裂就形成挤裂切屑或单元切屑。 因此，在生产中常常利用切屑转化条件，使之得到较为有利的屑型。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 15 2.3 切削变形的变化规律 切削变形是个复杂的过程，通常利用先进的测试仪器和手段，才能描绘出变形过程。目前，研究切削变形的方法较多，例如通过试件侧面网络来观察变形，分析切屑根部试样中金相组织，高速拍摄变形过程，用扫描电镜观察切屑形成过程以及用 X射线测定变形程度等。 从相对滑移、变形系数计算式中可以知道，切屑变 形的程度取决于剪切角和摩擦系数的大小。改变加工条件，促进增大、减小，就能减小切屑变形。 影响切屑变形的因素很多，下面介绍的是其中最主要的、起决定作用的几个因素。 （ 1）前角 增大前角，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小。生产实践表明，采用大前角刀具切削，刀刃锋利，切入金属容易，切屑与前刀面接触长度 lf 减短，流屑阻力小，因此，切屑变形小、切削省力。 （ 2）切削速度 切削速度 vc 是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变形的。 以中碳钢为例。 vc 在 3-20m/min 范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，是剪切角 增大，故变形系数 h减小； vc=20m/min 左右时， h 值最小；在 20-40m/min 范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使 减小， h 增大。 vc 超过 40m/min 继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数 下降，故变形系数 h 减小。此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。 （ 3）进给量 进给量 f 对切屑变形的影响规律如下，即进给量增 f 大，使变形系数减小。这是由于进给量 f 增大后，使切削厚度 hD 增加，正压力 Fn 增大，平均正应力 av 增大，因此摩擦系数下降，剪切角增大所致。 从另一方面来说。在一定切削厚度 hD 的切屑中，各切削层的变形的应力分布是不均匀的。近前刀面处的金属层变形和应力大，离前刀面越远的金属层，变形和应力nts邵阳学院毕业设计（论文） 16 越小。因此，切削厚度 hD 增加，切屑中平均变形减小；反之，薄切屑的变形量大。 （ 4）工件材料 工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度提高，正压力Fn 增大，平均正应力 av 增大，因此，摩擦系数下降，剪切角 增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，若 需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 17 3 翅状热沟犁削的刀具速度对加工热管散热片影响的实验 3.1 实验前期准备及其设备 工件材料的选择 为了得到平、直和规则的成行的散热片，我们必须保证切屑是连续的带状切屑，而且使切屑形成散热片通过控制切屑卷。正是由于切屑要成为工件的一部分，所以，切屑不能浪费，要充分利用材料。在上章的理论基础里我已经提过，要形成连续的带状切屑，工件的材料必须要有较高的塑性，故工件的材料我可以选择铜、碳素钢 、合金钢和铝合金。但综合考虑到材料的散热性能与成本，我最终确定用铜作为工件的材料。 刀具材料及其参数 目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金钢居多。碳素工具钢（如T10A、 T12A）、工具钢（如 9SiCr、 CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。由于高速钢是一种加入较多的钨，钼、铬、钒等合金元素的合金高速钢。有较高的热稳定性，切削温度达 500-650OC 时仍能进行切削；有较高的硬度、韧性、强度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。所以刀具的材料我选用高速钢。 高速 钢按用途可分为通用型高速钢和高性能高速钢。 （ 1） 型高速钢 钨钢 典型牌号为 W18Cr4V。含 W6%、 Cr4%、 V1%。有良好的综合性能，在 600OC 时起高温硬度 HRC48.5，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；含钒量小，磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具耐用度；强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具 钨钼钢 将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为 W6Mo5Cr4V2。含 W6%、 Mo5%、 Cr4%、 V2%。碳化物分布 细小均匀，具有良好的机械性能，抗弯强度比 W18 高 10%-15%，韧性高 50%-60%。可做尺寸较小、承受冲击力较nts邵阳学院毕业设计（论文） 18 大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前各国广为应用。 （ 1） 能高速钢 是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性，又称高热稳定性高速钢。在 630-650OC 时仍能保持 HRC60 的硬度，具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高 1.3-3 倍。适用于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 综合考虑到工件的材料与加工要求，刀具的材料我 选择高性能高速钢，其牌号为W18CrMoAl。 由于本人这次毕业设计的课题是翅状热沟犁削时的最佳速度的选择，只要研究切削速度对翅状热沟犁削的影响，不要求对前角、后角，韧倾角、背吃刀量对翅状热沟犁削的影响作深入的研究。故我对刀具的参数选用如下。 前角 o 为 55o、 后角 o 为 3o、刃倾角 s 为 0o、背吃刀量 ap 为 0.3mm。 实验设备 校办工厂的牛头刨床、牌号为 W18CrMoAl 的刀具若干（其几何参数为（ 前角 o 为 55o、 后角 o 为 3o、刃倾角 s 为 0o）一定量的待加工金属材料（黄铜）、切削中所需的冷却液体、实 验所必要的测量工具（游标卡尺）、实验数据记录要用的笔和纸、安全手套一双。 实验条件 ： （ 1） 同一个实验必须在同车床上进行 （ 2） 在常温下进行实验 （ 3） 实验时我们只允许变动切削速度，刀具的几何参数按照上面的确定。通常这些数据可以在切削原理手册上得到，所以一般不进 行实验分析：这样一来，我们的课题研究就变得容易许多。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 19 3.2 实验过程 总的来说，我和李正光实验的步骤一样，所以我和他一起合作完成的这次实验。这个实验大致可分为以下五个部分： （ 1）准备好实验的材料和工具，并把它们放在适当的地方，以便实验时取用。 （ 2）安装好被加工工件和刀具，使之保持适当的位置，后打开开关启动车床，开始实验。 （ 3）在完成一次完整的加工后，如果是最佳切削速度实验就应该不断调节机床的转速，以达到不断改变切削速度的要求；如果是最佳刃倾角的实验则需要在进行足够的实验次数才可停机换刀，用不同刃倾角的刀具继续实验。 （ 4）观看整个切削加工过程，一边记录我们所需要的实验数据。 （ 5）验完成之后，停机，并对机床进行及时清理和添加保护油。 图 一 说明了实验过程。 工作台导轨夹具散热片床基工件底基刀具图一 在工作台与工件之间的导轨可以满足工件能够在轴线 X 方向移动和进给。工件nts邵阳学院毕业设计（论文） 20 的位置根据加工参数而调整，以使散热片不会与其基部分离。刀具直线往复地刨削工件。刀具每一个直线往复运，就加工成一个散热片，而且刀具每一个直线往复加工完成后，工作台将被提升，后退和进给一次。垂直进给， y，决定散热片的厚度。 x 被 y 和 决定。它们之间的数学关系为 x= yctg x 是沿 x 轴线方向的进给， y 是 y 方向的进给， 是工件的倾角。 两个散热片之间的间隙， p，能够用下式进行换算： p= x/cos 事实上，工件的倾角 决定了两散热片之间的间隙。工件的 倾角越大，两散热片之间的间隙越小，散热片的越厚，散热片与其根基之间的角度越大。 翅状热沟犁削而形成的散热片并不是垂直于其根基的，由于最终加工成的散热片垂直排列于其根基。为了达到这个效果，可以用一个橡胶工件去压紧散热片的尾部，确保它能封闭住散热片，然后推动橡胶工件以使所以的散热片能够垂直于根基，就如图 二 所示一样。 图二 nts邵阳学院毕业设计（论文） 21 散热片的弯曲 在翅状热沟犁削中散热片的弯曲很大程度上影响散热片的质量。为了获得理想的热管散热片，抑制切屑的弯曲是必要的。根据实验，散热片的弯曲方向有两个：向旁边的弯曲和向上的弯曲。根据运动学，宽度方向的速度梯度造成边弯曲，而厚度方向的速度梯度造成向上的弯曲。有很多因素会造成翅状热沟犁削时散热片的弯曲，如刀具的几何参数和加工参数都对其有很大的影响。由于本人的课题是：基于翅状热沟犁削的刀具最佳切削速度的选择研究，所以我这次毕业论文的重点将放在翅状热沟犁削时切削速度对散热片的弯曲的影响上。 实验 中应该注意的一些问题 由于这个实验是在车床上进行，而且实验的时间很长，需要反反复复的操作，才可以得到可靠的实验数据，尤其是切削刃倾角那个实验还需要变换不同刃倾角的刀具，所以我们在实验时应该注意许多细节问题，这些问题如果处理不当或者置之不理将会严重影响我们的实验结果，得到一些不合理的数据（即误差过大的失真的实验数据），甚至会威胁到我们的人身安全。现将实验中应该注意的一些问题稍作简单的介绍。 （ 1）在车床运转时，即加工过程中，不要随便用身体去接触机器，以防造成人身伤害。 （ 2）在变换切削速度的时候，应该停止加工 ，等到调到我们所要的速度时，方可开始加工，以减少误差。 （ 3）测量实验结果时，对于刚从机床上取下的翅状热沟工件，应先进行冷却，一定时间过后才可测量。 （ 4）实验过程中应该注意观察机床的运转情况，以便及时发现问题，比如有杂质的混入使得切削参数发生变化，达不到我们实验的要求，应该停机进行清理或者请问师傅，解决好这些问题。 3.3 实验数据的获得 经过辛苦的反反复复的实验，我们得到了一些实验数据，它是我们用于解决这个nts邵阳学院毕业设计（论文） 22 课题的关键。以下就是经过整理后的实验的基本数据。当然我们这里所得的实验数据是在 og = 055 、 oa = 03 、 ca (切削深度 )=0.3mm 的条件下，进行实验得到的。 Sc- 是指侧弯曲变形的曲率， Uc- 代表向上弯曲变形的曲率，是指实验的次数。下面的是最佳切削速度实验的数据 表格：其中 cV 的单位是 mm/s,U-c 的单位是1/m( 310- /mm),S-c 也是 1/m,F-Q 是指表面质量 （ face-quality） 0.80.9 比较光滑， 0.91.0 光滑， 1.0 非常古光滑，指理想值。 cV 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 U-c 3.4 3.5 3.6 3.5 3.6 3.3 3.5 3.4 3.3 3.4 3.4 3.3 3.2 3.3 3.2 3.3 3.2 3.3 3.2 3.1 2.5 2.6 2.4 2.6 2.5 2.0 2.1 2.2 2.0 2.1 2.4 2.5 2.3 2.4 2.3 2.5 2.6 2.4 2.5 2.6 3.0 2.8 2.9 2.8 3.0 3.3 3.2 3.1 3.2 3.3 2.2 2.3 2.1 2.2 2.0 2.1 2.0 2.1 1.9 2.2 S-c 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 2.0 1.0 0.0 0.0 1.0 2.0 1.0 2.0 0.0 1.0 1.0 0.0 1.0 2.0 0.0 1.0 2.0 0.0 1.0 0.0 2.0 0.0 1.0 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 2.0 1.0 2.0 2.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 0.0 2.0 0.0 1.0 2.0 3.0 0.0 1.0 1.0 0.0 1.0 2.0 0.0 1.0 2.0 1.0 1.0 1.0 N 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 U% 3. 3.48 3.28 3.22 2.52 2.1 2.38 2.42 2.9 3.22 2.2 2.06 S% 0.6 0.8 1.2 0.6 0.6 0.6 0.8 1.0 0.8 1.0 0.7 1.0 F-Q 0.8 0.8 0.9 095 1.0 0.9 0.95 0.9 0.8 0.85 0.8 0.8 经过本次实验我们得到了所需要的数据，下章我将介绍运用相应的数学知识，对这些数据进行必要的处理，并对其进行分析、绘制出 相应的数据曲线。 nts邵阳学院毕业设计（论文） 23 4 实验数据处理及其结果 在获得了可靠的实验数据后，接下来的任务是对这些数据进行数学分析和处理，并根据我们的分析结果，确定好在加工翅状热沟时的最佳的切削速度，即我们课题所要解决的问题。下面就是对实验数据的分析和处理过程。 （ 1） 依据 3.3 节中的有关数据，分别在直角坐标系 sl -c 和直角坐标系 cV -c 中作出一系列的图点，并用光滑的曲线把这些孤立的点连接起来，从而得到我们下一步所要的数 学曲线。下面的图 三 、图四、就是我们数据的数学模型图化。 40 50 60 70 80 90 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 00 . 0 0 00 . 0 0 20 . 0 0 40 . 0 0 60 . 0 0 80 . 0 1 0UV（图三） nts邵阳学院毕业设计（论文） 24 40 50 60 70 80
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