基于翅状热沟犁削的最佳后角的研究

1 摘 要 基于一般的生产过程制造产生的翅状热沟犁削 过程 ，论文所陈述的是在 犁削 过程中产生的翅状热沟犁削 的机理 ，研究的是产生翅状卷曲的机械装置和加工后的翅状表面 对 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 内容 是在 犁削 过程中刀具的最佳后角的研究。刀具的后角影响 犁削片的卷曲情况 以及 翅状 犁削 片的表面情况，而这两个条 件是决定翅状 犁削 片的热控制能力。在实验过程中通过 改变刀具后角的大小， 在后角单因素实验中所加工出的翅状片的 热传递能力比较，来得 到 犁削 过程中产生最佳翅状 犁削 片的最佳后角。 通过实验 知 ， 能 产生较好的翅状卷曲的实验条件是： 在实验条件设定为 刀具的刃倾角为 0，前刀面倾斜角为 50到 55之间。 犁削的速度 为 48mm/s 的情况下 ,能产生最佳热传递能力的翅状 犁削 片的刀具的最佳后角 的范围 大约是 3 7. 关键词 ：翅状热沟犁 削 ； 犁削 成形；翅状卷曲片；刃倾角；后角；下卷曲片 2 Abstract Based on analyzing the common processes to manufacture the fin heat sinks(FHS),this paper proposed to produce the planing process,to reasearch the mechanism of fins curl and to analyze the finssurface finish.Through controlling chip curl based on the continuous strip chips.the flat straight fins were process can make full use of material and the processed FHS has better heat transfer capacity,higher heat transfer efficiency and more reliability.The toll geometry parameters and processing performance affects on the fins curling. This paper primary coverage is truncates in the process in the plow the cutting tool best clearance angle research. Cutting tool clearance angle influence plow chip curl situation as well as fin chip superficial situation, but these two conditions are decision flyaway plow chip heat control abilities. In the experimental process through the change cutting tool clearance angle size, the fin heat sinkss hot transfer ability comparison which processes in the clearance angle single factor experiment, obtains the plow to truncate in the process to produce the best fin chip best clearance angle. The optimunm rangr of the processing parameters is that the cutter edge inclination angle is 0,the rake angle is between 50and 55,and the planing speed is 48mm/s. The best clearance angle is 3 7. Key words: fin heat sinks; planning-forming; fins curl; cutting edge inclination angle; clearance angle; upward-curl 3 目 录 摘要 绪 论 1 翅状片加工现状简介和实验 原理分析 6 1 . 1 翅 状 片 加 工 现 状 简 介 6 1 . 2 实 验 原 理 分 析 及 实 验 方 法 6 2 刀具后角的选择研究 1 0 2 . 1 后角单因素实验的方法设计 1 0 2 . 2 实验前的准备措施 1 0 2 . 3 刀具后角的基本概念 1 0 2.4 刀具材料的选择 1 3 3 实验的准备阶段和实验过程以及数据的获取 1 5 3 . 1 实验 的准备 阶段 和实 验过 程 1 5 3 . 2 翅状片的质量的分析 1 6 3 . 3 实验数据的获取 20 3 . 4 实验数据的 初步 分析及初步结论 2 1 4 实验数据的分析和结论 23 4 . 1 曲 线 拟 合 的 最 小 二 乘 法 23 4 . 2 最小二乘解的求法 24 4 . 3 根据实验数据绘制理想曲线 26 5 其他的单因素实验的简介 28 5 . 1 前角对侧面卷曲的影响 28 5 . 2 刃倾角对侧面卷曲的影响 28 5 . 3 刀具倾角对向上弯曲的影响 30 5 . 4 切削深度对翅状片的卷曲影响 32 5 . 5 切削速度对翅状片的卷曲影响 34 总结 36 参考资料 38 致 谢 39 4 绪 论 本次论文的课题来源于 华南理工大学承担的国家自然科学基金重点项目 机电表面功能结构及相关热物理问题的基础研究 项目批准号： 50436010的细节内容。 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。具有高热流密度电子产品冷却问题成为当前或未来电子产品首要克服的关键问题。根据美国 ITRS 对于未来半导体发展历程之预估 ,在未来数年 ,PC 所用的 CPU 工作频率与热量仍将持续升高 ,可预见未来电子散热问题仍没有缓和的趋势 ,因此电子冷却技术的增进与突破便显得更加迫切与重要 1。 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 。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。 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（ cmcm 5.15.1 ）上的功耗已超过 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 610 2/mW ）， 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 2。 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 至 2002 年期间，通过国防先进研究项目署 (DARPADefense Advanced Research 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5 队，以发展用于下一代高集成度芯片的新概念热控制方法。具体的研究工作分布在流体和固 体两大研究领域。 (1) 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。 (2) 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 3。 虽然在这两大领域中在热控制方面都取得的较大的成就，但是由于科研成本或制作成本较高，至今仍是世界各大企业和中、小企业面临的一个相当棘手的问题。本篇论文主要是考虑从机械加工的方面来实现热控制的新方法。即在一般的犁削加工中控制好散热片的材料，加工刀具 的切削角度及切削用量来提高加工后的散热片的热传递能力。既然降低了生产成本，也能达到良好的散热条件 10。 6 1 翅状片加工 现状简介和 实验 原理分析 1.1 翅状片 加工 现状简介 目前在一般的加工翅状片的过程中，有很多用于增加其热传递能力的手段，例如焊接，冷冲压，锻造等等。但是上述方法中每种都有其不利的方面，首先焊接过程是一个组合的过程，这种方法价格昂贵而且不可靠。在焊接过程中如果焊接缝受潮，焊接体会很容易因为两块不同的金属材料在水中发生电解作用而遭到损坏。随之带来的后果是，因为会在焊接的母 体与翅状片的焊接缝结合处形成一层致密的空气隔层，从而降低了产品的热传递能力。冷冲压对冲压模有严格的要求，如冲压模的强度，精度。因为在模具的畸形部位，应力会相对较大。如果应力过大，导致模具变形或模具本身的精度不够，通常将影响翅状片的质量，导致冲压出的翅状片很厚，影响翅状片的热传递能力。而在制造翅状片的所有过程和方法中，锻造是好 少用的方法，虽然这一过程能生产出较为满意的翅状片，但是对刀具， 模 具的耐磨性有较高的要求，刀具，模具磨损速度过快，势必提高了生产成本。 本篇论文所阐述的是一种新的加工翅状片的加工过程 犁 削。即通常所说的犁削过程。工件经特殊设计制造的刀具，夹具所加工出来的翅状片能很好的满足我们对其热传递能力的要求。与通常我们所用的方法相比较，这一过程相对简单，方便操作，对加工装备的要求低。这一方法是基于形成连续的卷曲犁削片的过程，通过控制犁削片的流动方向，卷曲半径，从而获得一个连续、完整的翅状片。这一过程加工出的翅状片相对前几种加工方法加工出的翅状片更薄些，仅仅只有 0.2mm。因为两翅状片之间的空间很窄，翅状片的质量也较高，平均每个单位的热传递能力也相对增大。与此同时，翅状片与母体直接相连，不要求焊接，避免 了因为焊接带来的影响。 通过对连续切削加工后产生的切断的或有规则纹理的卷曲片的研究， Nakayama找到了影响犁削片卷曲的因素，例如：加工材料的机械性能，刀具的几何形状和参数，以及在加工过程中的各种因素。本篇论文阐述了刀具的几何形状和过程参数是怎样影响翅状沟犁削卷曲片的卷曲方向和半径的。从而确定最适合的参数，加工出平坦，直的翅状片，得到高质量的翅状热沟犁削片 4。 1.2 实验原理分析及 实验 方法 为了得到理想的翅状片，它具有以下特点：平坦，笔直和有规则的形状。就必须保证犁削片是通过连续切削，通过控制犁削片 的卷曲因素使犁削片成为翅状片。这一过程犁削片不会被浪费，而做为工件的一部分，能充分的利用材料，节省了加工成本。 7 实验要保证在一个完整的犁削体上进行。在工作台和夹具之间要有一个连续，流畅的滑动轨迹，允许工件维持在 X 方向的运动。首先要根据犁削过程参数来调节犁削的行程，使得犁削片不会因行程过大而和母体分离。切削刀具在工件上作往返运动，刀具每往返一次形成一个犁削片。与此同时，在一次往返运动结束时，工作台向上和向后进给一次。在竖直方向的进给量 y，决定了翅状片的厚薄程度。在水平方向的进给量 x 取决与竖直方向的进给量 y 和工件与 X 轴方向所成的夹角 。他们之间的关系可以表示为： yctgx 两个犁削片之间的距离， p，能用如下等式表示： 位置关系如图 1.2.1： 图 1.2.1 实验草图 事实上，工件的倾斜角 ，决定了两个翅状片之间的距离。角度越大，两翅状片之间的距离就越小，翅状片也越厚；母体与翅状片之间的角度也越大。根据设定的目标，适当的厚度和空间，选择适当的、固定的角度。 但犁削出的犁削片并不与母体垂直，我们必须对它进行校直处理。具体方法是：用一块完整的橡胶垫压住犁削片的尾端，保证每一片犁削片尾端都均匀的包藏在橡胶cosxp 8 垫片之中，推动橡胶垫片，使犁削片都校对到于母体垂直的位置。具体做法如图 1.2.2所示： 图 1.2.2 犁削片的校直 翅状热沟犁削片的加工过程是通过设计控制刀具及其运动因素而完成的。要想获得较为理想的翅状片，刀具的设计是关键步骤之一。我们所选用的刀具材料是W18CrMoAL, W18CrMoAL 具有较高的强度，硬度（退火后 207255HBS；回火后6366HRC），耐磨性和热硬性（ 61.562HRC）。是加工翅状片较为理想的高速刃具钢。经过实验证明用于加工翅状片的最佳后角为 37 ，刀具的刀身和刀柄是通过铜焊焊接在一起的。通过大量的实验，对不同的刀具 倾斜角，刃倾角以及切削用量值（包括切削深度和切削速度）所加工出的翅状片质量和热传递效率进行比较，从而确定这些刀具参数和犁削因素的最佳值域，为刀具的设计和加工翅状片过程提供依据 8。 犁削片的卷曲参数直接影响着翅状片的质量。因此为了获得理想的热沟犁削片，一定要对犁削片的卷曲参数严格的控制，总的来说，犁削片在犁削过程中会产生两个方向的卷曲：侧面卷曲和向上卷曲，效果如图 1.2.3 所示。根据运动学原理，在宽度9 方向上，犁削片沿刀具前刀面流出的上坡速度会影响犁削片的卷曲参数，产生侧面卷曲；在厚度方向上，犁削片沿刀具前 刀面流出的上坡速度会影响犁削片的卷曲参数，产生向上卷曲。还有些其他因素会对犁削片的卷曲产生影响，下面简单地介绍几种重要影响因素。 刀具的几何参数对刀具耐用度有较显著的影响。选择合理的刀具几何参数，是确保刀具耐用度的重要途径；改进刀具几何参数可使刀具耐用度有较大幅度提高。因此，刀具的耐用度是衡量刀具几何参数合理和先进与否的重要标志之一 5。 (a) side-curl (b) upward-curl 图 1.2.3 卷曲效果 10 2 刀具后角的选择研究 2.1 后角单因素实验的 方法设计 基于一般的 生产过程制造产生的翅状热沟犁削，论文所陈述的是在犁削过程中产生 翅状热沟犁削 的机理 ，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。通过 查阅相关资料，进行一系列的实验，得出大量数据，根据所得的数据进行分析研究，写出相关论文。毕业设计图纸和说明书符合学校规定的基本要 求。 理论与实践相结合，采用 先理论分析后进行实验得出相关数据证实 的 研究 方法。具体如下： 1、对金属切削原理、机械制造工艺 和机床 刀 具等课程进行较全面的复习，掌握相关的基本理论； 2、 本次主要研究的是在犁削过程中刀具的最佳后角。刀具的后角影响犁削片的卷曲情况和翅状犁削片的表面情况，而这两个条件是决定翅状犁削片的热控制能力。在实验过程中通过不断改变刀具后角的大小，通过热传递能力比较， 具体是比较翅状片的表面质量 来确定其热传递能力得大小。 来得到犁削过程中产生最佳翅状犁削片的最佳后角； 3、通过学校实验室做相关实验得出 相关数据。 2.2 实验前的 准备 措施 1、查阅相关资料，并对机械制造工艺基础、切削原理、机械加工工艺手册等课程进行全面的复习。 2、到实验工厂进行现场考察，获取所需要的原始数据； 3、到校实验室做相关实验，获取实验数据。 4、实验数据的整理分析。 5、根据实验数据绘制参数图，分析结果，得出结论。 2.3 刀具后角的基本概念 通过上文的阐述，我们知道了要加工出一个较为理想的热沟犁削片主要是通过对刀具的设计和切削用量的选择来控制的。本篇论文主要是对刀具最佳后角的研究，我们将通过一系列的实验来得出一个 加工翅状片的最佳后角。 11 后角分为主后角和副后角。 主后角（ ）：主后刀面与切削平面之间的夹角。简称为后角。后角的大小决定了刀刃的强度，并配合前角改变切削刃的锋利程度。 副后角（ 1 ）：副后刀面与副切削平面的夹角。它在副截面上测量产生。其作用与主后面相似（注：副截面是指垂直于副切削刃且垂直于基面的平面）。 11 后角的作用是： （ 1）后角的主要功用上减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都 有很大影响。由于切屑形成过程中的弹性、塑性变形和切削刃钝圆半径nr的作用，在加工表面上有一个弹性恢复层，后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之一，从这个意义上来看，增大后角能减少摩擦，可以提高加工表面质量和刀具耐用度。 （ 2）后角越大，切削刃钝圆半径nr值越小，切削刃越锋利。 （ 3）在同样的磨钝标准下，后角大的刀具由新用刀磨钝，所用去的金属体积越大，这也是增大后角可以提高刀具耐 用度的原因之一。但它带来的问题是刀具径向磨损值大，当工件尺寸精度要求较高时，就不宜采用大后角。 （ 4）增大后角将使切削刃和刀头强度削弱，散热体积减小，且径向磨损值一定时的磨耗体积小，刀具耐用度低，这是增大后角不利的方面。 一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。 合理选择后角应遵循的原则： 从切削变形规律已知到，在第三变形区，加工表面在后刀面有一个被挤压然后又弹性回复的过程，使刀具与加工表面产生摩 擦，刀具后角越小，则与加工表面接触的挤压和摩擦面越长，摩擦越大。因此，后角的主要作用是减小刀具后刀面与加工表面的摩擦，另外当前角固定时，后角的增大与减小能增大和减小刀刃的锋利程度，改变刀刃的散热，从而影响刀具的耐用度。 后角的选择主要考虑因素是切削厚度和切削条件。 、切削厚度 试验表明，合理的后角值与切削厚度有密切关系。当切削厚度 hD（和进给量 f）较小时，切削刃要求锋利，因而后角0应取大些。如高速钢立铣刀，每齿进给量很小，后角取到 16。车刀后角的变化范围比前角小，粗车时，切削厚度 hD 较大，为保证切削刃强度，取较小后角，0 4 8；精车时，为保证加工表面质量，0 812 12。车刀合理后角在 f 0.25 /r 时，可选0 10 12；在 f 0.25 /r 时，0 58。 、工件材料 工件材料强度或硬度较高时，为加强切削刃，一般采 用较小后角。对于塑性较大材料，已加工表面易产生加工硬化时，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时，一般取较大后角。 选择后角的原则是，在不产生摩擦的条件下，应适当减小后角。 （ 2）后角形状的选择 为减少刃磨后面的工作量，提高刃磨质量，在硬质合金刀具和陶瓷刀具上通常把后面做成双重后面，沿主切削刃和副切削刃磨出的窄棱面被称为刃带。对定尺寸刀具磨出刃带的作用是为制造刃磨刀具时有利于控制和保持尺寸精度，同时在切削时提高切削的平稳性和减小振动。一般刃带宽在1ab 0.1 0.3 范围，超过一定值将增大摩擦，降低表面加工质量。如当工艺系统刚性较差，容易出现振动时，可以在车刀后面磨出1ab 0.1 0.3 ，0 -5o -10o 的消振棱。 根据以往的切削经验我们可知 ：增大后角，可降低切削力和切削温度，改善已加工表面质量。但增大后角也会使切削刃和刀头的强度降低，减少了散热面积和容热体积，加速刀具磨损。 在规定了后刀面磨钝标准 VB 的情况下，后角较大的刀具达到磨钝标 准时，磨去金属的体积较大，可使刀具使用寿命提高，但是加大了刀具的磨损值 NB，这会影响工件的尺寸精度。 刀片的主前角和副前角将决定后刀面和工件间的后角。不同的材料要求不同的后角。例如当加工韧性材料，如合金材料。其回弹性大。这些合金会在切削刃前面鼓起，在切削刃通过后产生回弹。这些回弹的工件将刮擦后刀面，并产生大量的切削热，最终导致刀具热失效。失效形式可能是崩刃，切削刃的热膨胀将导致刀具断裂。 刀片的后角不能过大，过大的后角将会降低刀片的强度；无后角刀片有足够的强度，但必须安装在负前角的刀杆上以形成足够 的后角。使用一个有正前角槽形的无后角刀片可保证需要的刀片强度，又可形成正前角的切削 7。 刀具的角度关系如图 2.3.1： 13 图 2.3.1 刀具的角度 2.4 刀具材料的选择 基于犁削刀具的基本要求，一般所选用的刃具钢 要具有以下性能要求： 1.高强度 （尤其抗压强度、抗弯强度）。 2.高硬度 一般都在 60HRC 以上。刃具钢的硬度主要取决于马氏体中含碳量，一般cw0.6%。 3.高耐磨性 一种抵抗磨损的能力。通常硬度、碳化 物与耐磨性之间有密切的关系。硬度越高，其耐磨性越好，如硬度由 6263HRC 降至 60HRC 时，其耐磨性减弱25%30%。实践证明，一定数量的硬而细小的碳化物均匀分布在强而韧的金属基体中，可获得较为良好的耐磨性。 4.高热硬性 一般是指刃部受热升温时，刃具钢仍能维持高硬度（ 60HRC）的一种特性。热硬性的高低与回火稳定性的弹化物弥散沉淀等有关。常加入 W、 V、Nb 等合金元素，既能使刃具钢增加回火稳定性，又能形成弥散沉淀的碳化物，提高钢的热硬性。 5.足够的韧性和塑性 防止在冲击、振动载荷作用下发生折断或 剥落。 根据以上特性，我们所选择的是高速合金刃具钢，碳的质量分数一般为 0.7%以上，最高可达 1.5%左右；加入合金元素 Cr、 Mn、 Si、 W、 V 等。实践证明，此时钢具有很好的切削性能，因此，又称为锋钢。钢中加入 W、 Mo 等 能保证高的热硬性；加入 V 可提高耐磨性。 经过选择，我们最终确定刀具材料为 目前应用比较广泛的 W18CrMoAL。 14 其主要的合金元素作用如下： 1. 碳 它一方面要保证能于钨、铬、锰形成足够数量的碳化物，又要有一定的碳量溶入高温奥氏体中，使淬火后获得含碳量过饱和的马氏体，以保证高硬度和高耐磨性以 及良好的热硬性。 W18CrMoAL 钢的 Wc 为 0.70%0.80%，若含碳量过低，不能保证形成足够数量的合金碳化物，以致降低钢的硬度、耐磨性以及热硬性；若含碳量过高，则碳化物数量增加，同时碳化物不均匀性也增加，以致钢的塑性降低、脆性增加，工艺性变坏。 2. 钨 钨 是使高速钢具是热硬性的主要元素，它与钢中的碳形成钨的碳化物。W18CrMoAL 钢在退火状态下，钨以 CWFe 44 的形式存在。在淬火加热时 ，一部分 CWFe 24溶入奥氏体中，淬火后存在 于马氏体中，提高了钢的回火稳定性。同时在 560 左右回火过程中有一部分钨以 CW2 形式弥散沉淀析出，造成 二次硬化 。由此可见，钨量增加，可以提高钢的热硬性并不减少其过热敏感性。但当 Ww 大于 20%时， 钢中碳化物不均匀性增加，钢的强度及塑性降低，锻造困难；而钨含量减少时，则碳化物总量减少，钢的硬度、耐磨性及热硬性将降低。 3. 铬 铬使高速钢具有良好的淬透性并能改善钢的耐磨性和提高硬度。高速钢中rCW约为 4%时，淬火加热时这部分铬 量全部溶入奥氏体中，可使钢具有很高的淬透性，冷却时就可得到马氏体；若铬量过低，钢的淬透性达不到要求；而rCW超过4%时，则会增加钢的残余奥氏体量，并使残余奥氏体稳定性增加，以致使钢的回火次数增加。 4. 钼和铝 可细化晶粒，改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性 13。 综上所述， W18CrMoAL 能很好的满足我们热沟犁削对刀具的要求。 15 3 实验 的准备阶段和实验 过程 以 及数据 的获取 3.1 实验的准备阶段和实验过程 选择好刀具的材料后，就可以开始进行 后角单因素 实验 了，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 装夹 在 牛头刨床 适当的 位置 ，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 每 完成一次完整的加工后， 因实验 是 研究 最佳 后角，需停机后 调节 刀具和夹具的位置 ，以达到不断改变切削 后角 的要求 ； 用不同刃倾角的刀具继续实验。 （ 4） 、 一边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） 、 实验完成之后，停机，并对机床进行及时清理和添加保护油。 我们将通过后角单因素 实验进一步了解刀具后角对翅状卷曲的影响，确定犁削出较为理想的翅状片的最佳后角。 首先确定刀具的材料，材料为 W18CrMoAl,通过查阅机械加工工艺手册得知，犁削过程中刀具的后角一般为 58。 后角单因素实验条件设定为刃倾角为 0，刀具倾斜角为 55，背吃刀量为 0.3mm，切削速度为 48mm/s。由于实验数据如下： （ 1）、实验刀具工件： W18CrMoAL； （ 2）、设备：牛头刨床； （ 3）、实验地点：校办工厂 （ 4）、实验设定条件：刃倾角为 0，刀具倾斜角为 55，切削速度为 48mm/s，背吃刀量为 0.3mm 在初步 犁 削成形后 ， 犁削片并不是垂直于母体工件的 ， 需要通过后期处理才能成为翅状片 。 具体的做法是 :用橡胶垫片把翅状片尖端完全包裹起来 ， 在橡胶垫片和母体工件施加分别施加一个不同方向的水平力 ， 使犁削片与母体工件校直 。 使用橡胶垫片的原因是 ， 因为犁削片上要求多且均匀的鳞刺 ， 以确定其良好的散热能力 ,而用普通的 校直方法会破坏犁削片表面的鳞刺，用橡胶片则能有效地保护犁削片表面上的鳞刺在校直的过程中不遭到破坏。 16 3.2 翅状片的质量 的分析 对于加工完成后的翅状片的质量是指它的热传递能力，而决定热传递能力的因素有二， 其一为翅状片的几何形状，二为加工后翅状片的表面质量。 在加工过程中，通过对刀具几何形状、背吃刀量的控制，翅状片几何形状的几何形状是基本一致的。要想进一步提高翅状片的热传递能力，就要考虑从加工后的翅状片的表面质量入手。 表面质量是指机器零件加工后的表层状态。其主要内容分为下面三个部分： (1)表面层的几何形状 如图 3.2.1 所示。 表面粗糙度：是指表面微观几何形状误差，其波高与波长的比值在 1L / 1H 1000）和表面粗糙度之间的一种带有周期性的几何形状误差，其波高与波长的比值在 40 2L / 2H 1000的范围 16。 图 3.2.1 表面几何形状 （ 2）表面层的物理机械性能 表面层冷作硬化（简称冷硬）：零件在机械加工中表面层金属产生强烈的冷态塑性变形后，引起的强度和硬度都有 所提高的现象。 表面层金相组织的变化：由于切削热引起工件表面温升过高，表面层金属发生金相组织变化的现象。 表面层残余应力是由于加工过程中切削变形和切削热的影响，工件表面层产生残余应力。 （ 3）表面层的纹理方向 加工后的零件表面层纹理方向常常会影响到其物理机械性能。 我们以实验条件设置为：刃切削角为 0，刀具倾角为 55，后角为 3，切削速度为 48mm/s,背吃刀量为 0.3mm 所加工出的热沟犁削片为例，在显微镜镜下观察翅状片的微观结构。 在这些条件下所加工出的犁削片卷曲半径非常的大，几乎是可以无穷的卷曲，刀具 行程有多长，就能卷曲多长，犁削片的厚薄程度，长度和两个犁削片之间的距离都十分均匀，是较为理想的翅状片。据观察，在犁削过程中所加工出的热沟犁削片具有以下特点：翅状片的的长宽比较大，其热抗性较小，并且每个翅状片的厚度只有18 0.2mm，两个翅状片之间的距离也十分的窄，与用其他加工方法所加工出的翅状片相比，在同样大小的母体零件上，能加工出更多的翅状片。这样的几何形状对于能很有效的提高翅状片的热传递能力。在电子显微镜下观察，翅状片和母体工件之间是没有裂缝的，说明的这样的加工方法是一种塑性变形。由于翅状片与母体工件直接相 连，与焊接过程所加工出的翅状片相比，热沟犁削片具有更高的可靠性，它能非常有效的防止母体与翅状片在焊接处因为受潮而电解，在焊缝处形成一层致密的氧化膜，影响其热传递能力。这一切都归功于犁削加工过程是一个塑性变形的过程，减小翅状片的长度，会增加宽度和厚度。但是宽度的变化是很微弱的，可以忽略。所以在犁削过程中可以通过调节切削参数来调整翅状片的长度和厚度 12。 根据 Fourier 热传递理论，要提高热传递速度可以通过提高热辐射空间和减少厚度来提高。很明显，通过机械犁削过程加工出来的翅状热沟犁削片，它们有较高的长宽比 ，较薄的个体翅状片，两个翅状片之间较窄的空间等等这一切特点都能很有效的提高热传递功率。为了很好的分配好翅状片的热流通密度，可以通过改变金属材料的形状来获得不同的翅状片加工表面。从而进一步的提高翅状片的热传递功率。 犁削过程中产生的一个翅状片在不同表面，表面质量也有差异。在于前刀面相接触的一面，非常的平坦。在与之相反的表面，即与前刀面相背离的一个面，沿进给方向，有明显的绒毛状的褶皱和刀痕。 为什么会产生这一效果呢？我们需要对切削加工过程中的切削变形进行了解。 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较，塑性金属 受压缩时，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 14。 为了便于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，如图 3.2.2 所示： 第 变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；称为滑移变形区 第 变形区 与前刀面接触的切削层内产生的变形区；称为滞留变形区 第 变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。称为 塑性变形区 19 图 3.2.2 切削三变形区 在与前刀面接触的面要受到多方面的压力作用，在犁削过程中，来自前刀面的挤压，摩擦和刮削力作用在与前刀面的表面，与此同时第 变形区因为金属的滞留和晶粒的纤维化而使得与前刀面接触的表面非常的平整。在电子显微镜下观察，在沿刀具进给方向有许多细小的沟。刀具的切削刃，不平整的前刀面，和来自于与前刀面相接触是的摩擦都将带来这样的效果，影响这翅状片的这些表面。 在与之相反的一个面，这些微小的沟是于刀具的进给方向平行的，在它上面还有些非常明显的鳞 刺，垂直于这些微小的沟。产生这样效果的原因大体上是因为机械加工的翅状片是由金属的剪切变形而得到的。在犁削过程中，平整的刃口和来自刀具侧面的摩擦会使加工表面产生这样微小的沟，同时一些鳞刺也会出现在加工表面。当下一个当下一个翅状片形成的时候，当前的加工表面又会转换成背离刀具前刀面的表面质量。金属的晶格在第 变形区因为剪切变形而受损，导致翅状片会短而厚，而随之产生的绒毛褶皱会引起加工表面的收缩，而收缩又会使加工表面的鳞刺越来越密集，微小的沟也越来越明显，致使边面越来越粗糙。同时，金格在靠近剪切变形区域的表面会沿着 逐渐松弛的表面发生相对位置滑动，晶粒也慢慢地被拉长，这些变化都将影响到翅状片的表面粗糙度。对于热沟犁削片来说，如此表面粗糙度的翅状片要比那些有着平整表面的翅状片表面面积要大得多，所以热辐射空间也要大得多，这些都能很好地提高翅状片的热传递能力 9。 20 3.3 实验数据 的获取 3.3.1 后角对向上卷曲曲率影响的单因素实验数据 实验次数 刀具后角 向上卷曲曲率 1 1 0.083 l/mm 2 2 0.08 l/mm 3 3 0.07 l/mm 4 4 0.06 l/mm 5 5 0.04 l/mm 6 6 0.03 l/mm 7 7 0.025 l/mm 8 8 0.021 l/mm 9 9 0.018 l/mm 10 10 0.01 l/mm 11 11 0.01 l/mm 12 12 0.007 l/mm 13 13 0.007 l/mm 实验数据 通过描点法绘制的 曲线分布 图 ：如图 3.3.1 图 3.3.1 后角对向上卷曲的影响 21 3.3.2 后角对表面质量影响的单因素实验数据 实验次数 后角角度 表面质量 1 1 0.3 2 2 0.3 3 3 0.4 4 4 0.7 5 5 0.9 6 6 0.7 7 7 0.7 8 8 0.6 9 9 0.6 10 10 0.6 11 11 0.6 12 12 0.3 13 13 0.3 由于实验条件有限，无法通过电子显微镜观察翅状片的表面质量，只能通过 相互比较才能确定其表面质量。评判标准是根据工人师傅的经验判断而知。与较为理想的翅状片相比较来确定，范围由 01，数值越大，翅状片的表面质量越好。 3.4 实验数据的分析及初步结论 通过实验的数据表明，随着后角的 的增大，翅状片的向上卷曲曲率也随着逐渐减小。由于后角设置为 0的时候，刀具与工件完全接触，在犁削加工过程中，会引起较为严重的磨损和加工系统的震动。严重影响了热沟犁削翅状片的表面质量，虽然翅状片要求表面质量有一定的粗糙度，但是在 0后角下的磨损是不可接受的。对刀具的耐用度也是非常大的考验。然而后角也不能过大，在刀具斜角一定的条件下，一味的增大后角，会减小对应的刀具前角的值，使得刀具的强度不够，耐用度达不到要求，引起崩刀。 从上图可知，在 110的范围内，向上卷曲曲率 逐步 下降。 当后角为 1时向上卷曲的曲率 最大，但是由于加工材料的弹性恢复，还是有较明显的震动。如果加工材料的塑性好，回弹性大。这些合金会在切削刃前面鼓起，在切削刃通过后产生回弹。这些回弹的工件将刮擦后刀面，并产生大量的切削热，最终22 导致刀具热失效。失效形式可能是崩刃，切削刃的热膨胀将导致刀具断裂。 在 24的后角条件下产生的翅状片也或多或少的因为刀具与加工表面的接触，而影响翅状表面的质量。 在 5 9的后角条件下产生的翅状片 因为没有后刀面与加工工件的直接摩擦，故其表面质量较好，卷曲曲率也是比较理想的。 在 10以后的后 角 作用下的翅状片，由于刀 具的前角随着后角的增大而减小，刀具的前角的减小，会 影响到刀具的耐磨度，刀具的强度，引起刀具的失效，失效形式为崩刀。 最后经过多方面的比较，包括刀具的耐用度，翅状片的曲率，翅状片表面质量等等，最终确定翅状热沟犁削的最佳后角为 37 。 在 3 7范围内的 后角作用下，所犁削出来的翅状片即能保证合适的曲率，大约有 0.04(l/mm);且表面质量也是最好，在电子显微镜下表面褶皱和鳞刺最多，最均匀，最利于散热的。 23 4 实验数据的分析和结论 4.1 曲线拟合的最小二乘法 在科学实验和工程设 计中，往往需要利用一些离散的信息（或称之为实验数据） （ xi , yi）去寻找、确定 x 和 y 之间的函数关系的某种近似表达式。例如在本系统中，需要绘制的万有特性曲线，负荷特性曲线等都需要利用曲线拟合技术。从几何的角度来看，就是利用给定的 m 个数据点（ xi , yi）（ i=1,2,.m ），求曲线 y = f (x) 的一条近似曲线 y = g(x) ，这就是一个曲线拟合问题。插值法在一定程度上可以解决曲线拟合的问题，即对给定的函数表 5.1 中的数据： 表 4.1 函数表 X X1 X2 Xm y=f(x) Y1 Y2 Ym 求得一个 m-1 次的多项式 P(x) ，使之满足插值条件： ii y)x(P （ i = 1， 2， ， m） 但由插值条件得到的 P(x) ，虽然在局部点 xi 上（插值节点）上与已知的函数值 yi = f (xi)（甚至导数值）上完全相同，但是在其他点（非插值节点）上误差可能很大。此外，实验提供的数据通常含有测试误差，个别数据还不一定准确，这样插值得到的多项式就会使所求到的近似曲线保留了这些误差，从而不能很好地反映原始问题的变化规律。再者，在数据非常多，甚至已经形 成一个数据流（即 m 很大）的情况下，用插值法必然会产生次数较高的多项式，这不但计算繁琐而且近似效果也不好，缺乏实用价值。 如果将用插值法得到的多项式视为是在局部（插值节点）上逼近被插函数的话，那最小二乘就是得到一个函数使之在整体上逼近已知函数，即对数表 4.1 求一简单拟合曲线 y = g(x) ，使之在整体上尽可能与原数据曲线近似。 iii y)x(g ,(i=1,2, ,m) 称 i为拟合曲线 g(x)在节点 xi 处的偏差或残量。如果 g(x)为插值多项式，则所有偏差均为零。但事实上 ，我们不可能要求近似曲线 y = g(x)严格通过这么多数据点。但是为了使 g(x) 尽可能地反映所给数据的变化趋势，我们可以要求偏差的绝对值尽可能的小，甚至 max|i尽可能小。 24 实现这一目的的方法很多，常见的有 (1)选取的 g(x)在节点 ix 处的偏差绝对值最大者达到最小，即 m in)yx(gm a xm a x iimi1imi1 (2)选取的 g(x)在节点 ix 处偏差的绝对值之和达到最小，即 m in)(m1im1ii ii yxg(3)选取的 g(x)在节 ix 处偏差的平方和达到最小，即 m in)(2m1i2m1ii ii yxg在这三种选取 g(x)的标准中，由于前两种均含有偏差 i的绝对值运算，给进一步的分析讨论与计算机计算都带来不便。为此，在实际计算中，常用第三种标准，即用偏差的平方和达到最小的原则来保证每个偏差的绝对值 |i|都很小。这一原则称为最小二乘原则，按照最小二乘原则选择的拟合曲线 y = g(x) 就称为最小二乘拟合曲线，此方法称为最小二乘法。 因此，最小二乘曲线拟合 的一般提法为：对于给定的数据（ xi , yi ）（ i=1,2,.m ），在某一个函数类（简单函数类） G 中寻求一个函数 g* (x) ，使得 m i n)()(g2m1i)(2m1i* m i n iiGxgii yxgyx其中 g(x) 为函数类 G 中任意一个函数。 运用最小二乘方法解决实际问题，其关键是如何确定函数类 G。一方面 G 中的函数应具有形式简单易于计算函数值的优点，另一方面 G 函数中的 g(x) 的几何形状还应与已给的数据表中的数据分布近似，因此这不是个简单的问题。在数学上，经常是先将函数中的数据（ xi ， yi）在坐标纸上描绘出来， 然后分析其分布情况，从而来确定所要选择的 g(x)的函数类形式。 4.2 曲线拟合的算法 。 4.2 最小二乘解的求法 最小二乘拟和曲线的求解方法：一般是设 y=f(x)的近似拟合曲线类为 G， G中任意函数 g(x)形如： 25 ),.,()( 10 kn aaaaFxg 其中 nm，（ k=0,1,2n ）为待定参数。若 g*(x)G 且为最小二乘解，则 g*(x)应满足 （ 1） g*(x)=F(a*0， a*1a *n， a*k) （ 2） 2m1iii*