基于翅狀熱溝犁削的最佳后角的研究

1 摘 要 基于一般的生產過程制造產生的翅狀熱溝犁削 過程 ，論文所陳述的是在 犁削 過程中產生的翅狀熱溝犁削 的機理 ，研究的是產生翅狀卷曲的機械裝置和加工后的翅狀表面 對 熱控制的能力。通過控制基于連續(xù)的切削片的卷曲情況：把切削片處理成直而平的翅狀切削片，來提高切削片的熱傳遞能力。 本篇論文主要 內容 是在 犁削 過程中刀具的最佳后角的研究。刀具的后角影響 犁削片的卷曲情況 以及 翅狀 犁削 片的表面情況，而這兩個條 件是決定翅狀 犁削 片的熱控制能力。在實驗過程中通過 改變刀具后角的大小， 在后角單因素實驗中所加工出的翅狀片的 熱傳遞能力比較，來得 到 犁削 過程中產生最佳翅狀 犁削 片的最佳后角。 通過實驗 知 ， 能 產生較好的翅狀卷曲的實驗條件是： 在實驗條件設定為 刀具的刃傾角為 0，前刀面傾斜角為 50到 55之間。 犁削的速度 為 48mm/s 的情況下 ,能產生最佳熱傳遞能力的翅狀 犁削 片的刀具的最佳后角 的范圍 大約是 3 7. 關鍵詞 ：翅狀熱溝犁 削 ； 犁削 成形；翅狀卷曲片；刃傾角；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 錄 摘要 緒 論 1 翅狀片加工現(xiàn)狀簡介和實驗 原理分析 6 1 . 1 翅 狀 片 加 工 現(xiàn) 狀 簡 介 6 1 . 2 實 驗 原 理 分 析 及 實 驗 方 法 6 2 刀具后角的選擇研究 1 0 2 . 1 后角單因素實驗的方法設計 1 0 2 . 2 實驗前的準備措施 1 0 2 . 3 刀具后角的基本概念 1 0 2.4 刀具材料的選擇 1 3 3 實驗的準備階段和實驗過程以及數(shù)據(jù)的獲取 1 5 3 . 1 實驗 的準備 階段 和實 驗過 程 1 5 3 . 2 翅狀片的質量的分析 1 6 3 . 3 實驗數(shù)據(jù)的獲取 20 3 . 4 實驗數(shù)據(jù)的 初步 分析及初步結論 2 1 4 實驗數(shù)據(jù)的分析和結論 23 4 . 1 曲 線 擬 合 的 最 小 二 乘 法 23 4 . 2 最小二乘解的求法 24 4 . 3 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制理想曲線 26 5 其他的單因素實驗的簡介 28 5 . 1 前角對側面卷曲的影響 28 5 . 2 刃傾角對側面卷曲的影響 28 5 . 3 刀具傾角對向上彎曲的影響 30 5 . 4 切削深度對翅狀片的卷曲影響 32 5 . 5 切削速度對翅狀片的卷曲影響 34 總結 36 參考資料 38 致 謝 39 4 緒 論 本次論文的課題來源于 華南理工大學承擔的國家自然科學基金重點項目 機電表面功能結構及相關熱物理問題的基礎研究 項目批準號： 50436010的細節(jié)內容。 近年來 ,隨著電子科技的進步 ,許多電子產品不斷地往高性能化 、 高功率化以及超薄、微型化發(fā)展 ,使得電子元件單位面積所產生的熱量越來越高 ,同時電子產品的高集成度使其有效散熱空間日 趨減小，且許多場合散熱空間是封閉或半封閉的，從而導致有效散熱空間非常狹小而熱流密度又非常高，這一尖銳矛盾導致微電子產品中 的熱控制成本急劇上升。具有高熱流密度電子產品冷卻問題成為當前或未來電子產品首要克服的關鍵問題。根據(jù)美國 ITRS 對于未來半導體發(fā)展歷程之預估 ,在未來數(shù)年 ,PC 所用的 CPU 工作頻率與熱量仍將持續(xù)升高 ,可預見未來電子散熱問題仍沒有緩和的趨勢 ,因此電子冷卻技術的增進與突破便顯得更加迫切與重要 1。 全球第一大品牌 PC 廠戴爾 (Dell)為節(jié)省成本，在 2004 年第三季所推出數(shù)款臺式機電腦中，將 CPU 散熱模塊內建導熱管數(shù)量從 3 支縮減為 2 支，卻造成這幾款臺式機因散熱效果欠佳，而陸續(xù)出現(xiàn)風扇聲音過大及容易死機等現(xiàn)象 。全球第 二大顯卡制造廠商加拿大 ATI 公司對第四代頂極顯卡散熱解決方案進行招標 ,其中整塊顯卡電路板 (包括 ASIC 芯片和顯存 )總功耗達 130W,整個散熱模塊總重量不超過 250 克 ,并且有嚴格的體積和噪聲限制，應標方案采用 2 支微熱管才基本滿足要求。 Intel 公司迫于目前奔騰處理器的發(fā)熱量過大問題，已不能通過增加工作頻率來提高處理器的計算速度 ,轉而走雙核心路線 ,但雙核心的 P4 功率居然也將達到 200W 左右 。 Intel 公司負責芯片設計的首席執(zhí)行官帕特 -蓋爾欣格曾經(jīng)指出，如果芯片耗能和散熱的問題得不到解決，當芯片上集成了 2 億個晶體 管時，就會熱得象 核反應堆 ， 2010 年時會達到火箭發(fā)射時高溫氣體噴射的水平，而到 2015 年就會與太陽的表面一樣熱。 目前芯片發(fā)熱區(qū)域（ cmcm 5.15.1 ）上的功耗已超過 105W，且未來有快速增加的趨勢， Intel 公司已經(jīng)向全球散熱器供應商征集 2005 年 125-145W 功耗 CPU 空氣 強制對流 散熱方案。高集成度芯片功耗急劇增大導致極高的熱流密度（接近 610 2/mW ）， 已接近常規(guī)強制對流換熱能力的極限。如此嚴 峻的熱控制問題 ,導致 傳統(tǒng)的熱控制方式很難滿足散熱需求，新的熱控制方式急需出臺 2。 目前，針對微電子產品的極高熱流密度條件下的熱控制問題的研究是一項多學科跨領域的交叉性前沿課題。美國政府在 1999 至 2002 年期間，通過國防先進研究項目署 (DARPADefense Advanced Research Projects Agency)組織了迄今為止最大規(guī)模的針對性研究，動員國家實驗室和著名大學等科研機構與工業(yè)界組成跨領域的研究團5 隊，以發(fā)展用于下一代高集成度芯片的新概念熱控制方法。具體的研究工作分布在流體和固 體兩大研究領域。 (1) 固體研究領域 用于激光器的單片式集成電路的熱電冷卻器研究。由噴氣推進實驗室牽頭進行； 高集成度的微電子和光子主動冷卻技術。由加州大學牽頭進行； 利用逆 Nottingham 效應的散熱技術。又北卡大學牽頭。 (2) 流體研究領域 用于電子產品集中冷卻的埋入式液滴噴射技術。有卡內基 梅隆大學牽頭； 采用層壓陶瓷的 MEMS 的集成式熱管理技術。由佛羅里達國際大學牽頭； 用于集成式熱管理微流體技術。由佐治亞理工大學牽頭； 采用熱聲制冷原理的芯片級熱管理技術。由 Rockwell 科學中心牽頭； 電力學微冷卻器研究。由斯坦福大學牽頭； 用于改進微電子冷卻的微加工集成技術。有佐治亞大學和馬里蘭大學聯(lián)合牽頭； 用于高熱流密度散熱的集成式冷卻器的研究由加州大學牽頭； 模塊化的微加工硅散熱技術。由加州大學牽頭 3。 雖然在這兩大領域中在熱控制方面都取得的較大的成就，但是由于科研成本或制作成本較高，至今仍是世界各大企業(yè)和中、小企業(yè)面臨的一個相當棘手的問題。本篇論文主要是考慮從機械加工的方面來實現(xiàn)熱控制的新方法。即在一般的犁削加工中控制好散熱片的材料，加工刀具 的切削角度及切削用量來提高加工后的散熱片的熱傳遞能力。既然降低了生產成本，也能達到良好的散熱條件 10。 6 1 翅狀片加工 現(xiàn)狀簡介和 實驗 原理分析 1.1 翅狀片 加工 現(xiàn)狀簡介 目前在一般的加工翅狀片的過程中，有很多用于增加其熱傳遞能力的手段，例如焊接，冷沖壓，鍛造等等。但是上述方法中每種都有其不利的方面，首先焊接過程是一個組合的過程，這種方法價格昂貴而且不可靠。在焊接過程中如果焊接縫受潮，焊接體會很容易因為兩塊不同的金屬材料在水中發(fā)生電解作用而遭到損壞。隨之帶來的后果是，因為會在焊接的母 體與翅狀片的焊接縫結合處形成一層致密的空氣隔層，從而降低了產品的熱傳遞能力。冷沖壓對沖壓模有嚴格的要求，如沖壓模的強度，精度。因為在模具的畸形部位，應力會相對較大。如果應力過大，導致模具變形或模具本身的精度不夠，通常將影響翅狀片的質量，導致沖壓出的翅狀片很厚，影響翅狀片的熱傳遞能力。而在制造翅狀片的所有過程和方法中，鍛造是好 少用的方法，雖然這一過程能生產出較為滿意的翅狀片，但是對刀具， 模 具的耐磨性有較高的要求，刀具，模具磨損速度過快，勢必提高了生產成本。 本篇論文所闡述的是一種新的加工翅狀片的加工過程 犁 削。即通常所說的犁削過程。工件經(jīng)特殊設計制造的刀具，夾具所加工出來的翅狀片能很好的滿足我們對其熱傳遞能力的要求。與通常我們所用的方法相比較，這一過程相對簡單，方便操作，對加工裝備的要求低。這一方法是基于形成連續(xù)的卷曲犁削片的過程，通過控制犁削片的流動方向，卷曲半徑，從而獲得一個連續(xù)、完整的翅狀片。這一過程加工出的翅狀片相對前幾種加工方法加工出的翅狀片更薄些，僅僅只有 0.2mm。因為兩翅狀片之間的空間很窄，翅狀片的質量也較高，平均每個單位的熱傳遞能力也相對增大。與此同時，翅狀片與母體直接相連，不要求焊接，避免 了因為焊接帶來的影響。 通過對連續(xù)切削加工后產生的切斷的或有規(guī)則紋理的卷曲片的研究， Nakayama找到了影響犁削片卷曲的因素，例如：加工材料的機械性能，刀具的幾何形狀和參數(shù)，以及在加工過程中的各種因素。本篇論文闡述了刀具的幾何形狀和過程參數(shù)是怎樣影響翅狀溝犁削卷曲片的卷曲方向和半徑的。從而確定最適合的參數(shù)，加工出平坦，直的翅狀片，得到高質量的翅狀熱溝犁削片 4。 1.2 實驗原理分析及 實驗 方法 為了得到理想的翅狀片，它具有以下特點：平坦，筆直和有規(guī)則的形狀。就必須保證犁削片是通過連續(xù)切削，通過控制犁削片 的卷曲因素使犁削片成為翅狀片。這一過程犁削片不會被浪費，而做為工件的一部分，能充分的利用材料，節(jié)省了加工成本。 7 實驗要保證在一個完整的犁削體上進行。在工作臺和夾具之間要有一個連續(xù)，流暢的滑動軌跡，允許工件維持在 X 方向的運動。首先要根據(jù)犁削過程參數(shù)來調節(jié)犁削的行程，使得犁削片不會因行程過大而和母體分離。切削刀具在工件上作往返運動，刀具每往返一次形成一個犁削片。與此同時，在一次往返運動結束時，工作臺向上和向后進給一次。在豎直方向的進給量 y，決定了翅狀片的厚薄程度。在水平方向的進給量 x 取決與豎直方向的進給量 y 和工件與 X 軸方向所成的夾角 。他們之間的關系可以表示為： yctgx 兩個犁削片之間的距離， p，能用如下等式表示： 位置關系如圖 1.2.1： 圖 1.2.1 實驗草圖 事實上，工件的傾斜角 ，決定了兩個翅狀片之間的距離。角度越大，兩翅狀片之間的距離就越小，翅狀片也越厚；母體與翅狀片之間的角度也越大。根據(jù)設定的目標，適當?shù)暮穸群涂臻g，選擇適當?shù)?、固定的角度?但犁削出的犁削片并不與母體垂直，我們必須對它進行校直處理。具體方法是：用一塊完整的橡膠墊壓住犁削片的尾端，保證每一片犁削片尾端都均勻的包藏在橡膠cosxp 8 墊片之中，推動橡膠墊片，使犁削片都校對到于母體垂直的位置。具體做法如圖 1.2.2所示： 圖 1.2.2 犁削片的校直 翅狀熱溝犁削片的加工過程是通過設計控制刀具及其運動因素而完成的。要想獲得較為理想的翅狀片，刀具的設計是關鍵步驟之一。我們所選用的刀具材料是W18CrMoAL, W18CrMoAL 具有較高的強度，硬度（退火后 207255HBS；回火后6366HRC），耐磨性和熱硬性（ 61.562HRC）。是加工翅狀片較為理想的高速刃具鋼。經(jīng)過實驗證明用于加工翅狀片的最佳后角為 37 ，刀具的刀身和刀柄是通過銅焊焊接在一起的。通過大量的實驗，對不同的刀具 傾斜角，刃傾角以及切削用量值（包括切削深度和切削速度）所加工出的翅狀片質量和熱傳遞效率進行比較，從而確定這些刀具參數(shù)和犁削因素的最佳值域，為刀具的設計和加工翅狀片過程提供依據(jù) 8。 犁削片的卷曲參數(shù)直接影響著翅狀片的質量。因此為了獲得理想的熱溝犁削片，一定要對犁削片的卷曲參數(shù)嚴格的控制，總的來說，犁削片在犁削過程中會產生兩個方向的卷曲：側面卷曲和向上卷曲，效果如圖 1.2.3 所示。根據(jù)運動學原理，在寬度9 方向上，犁削片沿刀具前刀面流出的上坡速度會影響犁削片的卷曲參數(shù)，產生側面卷曲；在厚度方向上，犁削片沿刀具前 刀面流出的上坡速度會影響犁削片的卷曲參數(shù)，產生向上卷曲。還有些其他因素會對犁削片的卷曲產生影響，下面簡單地介紹幾種重要影響因素。 刀具的幾何參數(shù)對刀具耐用度有較顯著的影響。選擇合理的刀具幾何參數(shù)，是確保刀具耐用度的重要途徑；改進刀具幾何參數(shù)可使刀具耐用度有較大幅度提高。因此，刀具的耐用度是衡量刀具幾何參數(shù)合理和先進與否的重要標志之一 5。 (a) side-curl (b) upward-curl 圖 1.2.3 卷曲效果 10 2 刀具后角的選擇研究 2.1 后角單因素實驗的 方法設計 基于一般的 生產過程制造產生的翅狀熱溝犁削，論文所陳述的是在犁削過程中產生 翅狀熱溝犁削 的機理 ，研究的是產生翅狀卷曲的機械裝置和加工后的翅狀表面多熱控制的能力。通過控制基于連續(xù)的切削片的卷曲情況：把切削片處理成直而平的翅狀切削片，來提高切削片的熱傳遞能力。通過 查閱相關資料，進行一系列的實驗，得出大量數(shù)據(jù)，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)進行分析研究，寫出相關論文。畢業(yè)設計圖紙和說明書符合學校規(guī)定的基本要 求。 理論與實踐相結合，采用 先理論分析后進行實驗得出相關數(shù)據(jù)證實 的 研究 方法。具體如下： 1、對金屬切削原理、機械制造工藝 和機床 刀 具等課程進行較全面的復習，掌握相關的基本理論； 2、 本次主要研究的是在犁削過程中刀具的最佳后角。刀具的后角影響犁削片的卷曲情況和翅狀犁削片的表面情況，而這兩個條件是決定翅狀犁削片的熱控制能力。在實驗過程中通過不斷改變刀具后角的大小，通過熱傳遞能力比較， 具體是比較翅狀片的表面質量 來確定其熱傳遞能力得大小。 來得到犁削過程中產生最佳翅狀犁削片的最佳后角； 3、通過學校實驗室做相關實驗得出 相關數(shù)據(jù)。 2.2 實驗前的 準備 措施 1、查閱相關資料，并對機械制造工藝基礎、切削原理、機械加工工藝手冊等課程進行全面的復習。 2、到實驗工廠進行現(xiàn)場考察，獲取所需要的原始數(shù)據(jù)； 3、到校實驗室做相關實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)。 4、實驗數(shù)據(jù)的整理分析。 5、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制參數(shù)圖，分析結果，得出結論。 2.3 刀具后角的基本概念 通過上文的闡述，我們知道了要加工出一個較為理想的熱溝犁削片主要是通過對刀具的設計和切削用量的選擇來控制的。本篇論文主要是對刀具最佳后角的研究，我們將通過一系列的實驗來得出一個 加工翅狀片的最佳后角。 11 后角分為主后角和副后角。 主后角（ ）：主后刀面與切削平面之間的夾角。簡稱為后角。后角的大小決定了刀刃的強度，并配合前角改變切削刃的鋒利程度。 副后角（ 1 ）：副后刀面與副切削平面的夾角。它在副截面上測量產生。其作用與主后面相似（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）后角的主要功用上減小后刀面與工件間的摩擦和后刀面的磨損，其大小對刀具耐用度和加工表面質量都 有很大影響。由于切屑形成過程中的彈性、塑性變形和切削刃鈍圓半徑nr的作用，在加工表面上有一個彈性恢復層，后角越小，彈性恢復層同后刀面的摩擦接觸長度越大，它是導致切削刃及后刀面磨損的直接原因之一，從這個意義上來看，增大后角能減少摩擦，可以提高加工表面質量和刀具耐用度。 （ 2）后角越大，切削刃鈍圓半徑nr值越小，切削刃越鋒利。 （ 3）在同樣的磨鈍標準下，后角大的刀具由新用刀磨鈍，所用去的金屬體積越大，這也是增大后角可以提高刀具耐 用度的原因之一。但它帶來的問題是刀具徑向磨損值大，當工件尺寸精度要求較高時，就不宜采用大后角。 （ 4）增大后角將使切削刃和刀頭強度削弱，散熱體積減小，且徑向磨損值一定時的磨耗體積小，刀具耐用度低，這是增大后角不利的方面。 一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越軟，塑性越大，后角越大。工藝系統(tǒng)剛性較差時，應適當減小后角，尺寸精度要求較高的刀具，后角宜取小值。 合理選擇后角應遵循的原則： 從切削變形規(guī)律已知到，在第三變形區(qū)，加工表面在后刀面有一個被擠壓然后又彈性回復的過程，使刀具與加工表面產生摩 擦，刀具后角越小，則與加工表面接觸的擠壓和摩擦面越長，摩擦越大。因此，后角的主要作用是減小刀具后刀面與加工表面的摩擦，另外當前角固定時，后角的增大與減小能增大和減小刀刃的鋒利程度，改變刀刃的散熱，從而影響刀具的耐用度。 后角的選擇主要考慮因素是切削厚度和切削條件。 、切削厚度 試驗表明，合理的后角值與切削厚度有密切關系。當切削厚度 hD（和進給量 f）較小時，切削刃要求鋒利，因而后角0應取大些。如高速鋼立銑刀，每齒進給量很小，后角取到 16。車刀后角的變化范圍比前角小，粗車時，切削厚度 hD 較大，為保證切削刃強度，取較小后角，0 4 8；精車時，為保證加工表面質量，0 812 12。車刀合理后角在 f 0.25 /r 時，可選0 10 12；在 f 0.25 /r 時，0 58。 、工件材料 工件材料強度或硬度較高時，為加強切削刃，一般采 用較小后角。對于塑性較大材料，已加工表面易產生加工硬化時，后刀面摩擦對刀具磨損和加工表面質量影響較大時，一般取較大后角。 選擇后角的原則是，在不產生摩擦的條件下，應適當減小后角。 （ 2）后角形狀的選擇 為減少刃磨后面的工作量，提高刃磨質量，在硬質合金刀具和陶瓷刀具上通常把后面做成雙重后面，沿主切削刃和副切削刃磨出的窄棱面被稱為刃帶。對定尺寸刀具磨出刃帶的作用是為制造刃磨刀具時有利于控制和保持尺寸精度，同時在切削時提高切削的平穩(wěn)性和減小振動。一般刃帶寬在1ab 0.1 0.3 范圍，超過一定值將增大摩擦，降低表面加工質量。如當工藝系統(tǒng)剛性較差，容易出現(xiàn)振動時，可以在車刀后面磨出1ab 0.1 0.3 ，0 -5o -10o 的消振棱。 根據(jù)以往的切削經(jīng)驗我們可知 ：增大后角，可降低切削力和切削溫度，改善已加工表面質量。但增大后角也會使切削刃和刀頭的強度降低，減少了散熱面積和容熱體積，加速刀具磨損。 在規(guī)定了后刀面磨鈍標準 VB 的情況下，后角較大的刀具達到磨鈍標 準時，磨去金屬的體積較大，可使刀具使用壽命提高，但是加大了刀具的磨損值 NB，這會影響工件的尺寸精度。 刀片的主前角和副前角將決定后刀面和工件間的后角。不同的材料要求不同的后角。例如當加工韌性材料，如合金材料。其回彈性大。這些合金會在切削刃前面鼓起，在切削刃通過后產生回彈。這些回彈的工件將刮擦后刀面，并產生大量的切削熱，最終導致刀具熱失效。失效形式可能是崩刃，切削刃的熱膨脹將導致刀具斷裂。 刀片的后角不能過大，過大的后角將會降低刀片的強度；無后角刀片有足夠的強度，但必須安裝在負前角的刀桿上以形成足夠 的后角。使用一個有正前角槽形的無后角刀片可保證需要的刀片強度，又可形成正前角的切削 7。 刀具的角度關系如圖 2.3.1： 13 圖 2.3.1 刀具的角度 2.4 刀具材料的選擇 基于犁削刀具的基本要求，一般所選用的刃具鋼 要具有以下性能要求： 1.高強度 （尤其抗壓強度、抗彎強度）。 2.高硬度 一般都在 60HRC 以上。刃具鋼的硬度主要取決于馬氏體中含碳量，一般cw0.6%。 3.高耐磨性 一種抵抗磨損的能力。通常硬度、碳化 物與耐磨性之間有密切的關系。硬度越高，其耐磨性越好，如硬度由 6263HRC 降至 60HRC 時，其耐磨性減弱25%30%。實踐證明，一定數(shù)量的硬而細小的碳化物均勻分布在強而韌的金屬基體中，可獲得較為良好的耐磨性。 4.高熱硬性 一般是指刃部受熱升溫時，刃具鋼仍能維持高硬度（ 60HRC）的一種特性。熱硬性的高低與回火穩(wěn)定性的彈化物彌散沉淀等有關。常加入 W、 V、Nb 等合金元素，既能使刃具鋼增加回火穩(wěn)定性，又能形成彌散沉淀的碳化物，提高鋼的熱硬性。 5.足夠的韌性和塑性 防止在沖擊、振動載荷作用下發(fā)生折斷或 剝落。 根據(jù)以上特性，我們所選擇的是高速合金刃具鋼，碳的質量分數(shù)一般為 0.7%以上，最高可達 1.5%左右；加入合金元素 Cr、 Mn、 Si、 W、 V 等。實踐證明，此時鋼具有很好的切削性能，因此，又稱為鋒鋼。鋼中加入 W、 Mo 等 能保證高的熱硬性；加入 V 可提高耐磨性。 經(jīng)過選擇，我們最終確定刀具材料為 目前應用比較廣泛的 W18CrMoAL。 14 其主要的合金元素作用如下： 1. 碳 它一方面要保證能于鎢、鉻、錳形成足夠數(shù)量的碳化物，又要有一定的碳量溶入高溫奧氏體中，使淬火后獲得含碳量過飽和的馬氏體，以保證高硬度和高耐磨性以 及良好的熱硬性。 W18CrMoAL 鋼的 Wc 為 0.70%0.80%，若含碳量過低，不能保證形成足夠數(shù)量的合金碳化物，以致降低鋼的硬度、耐磨性以及熱硬性；若含碳量過高，則碳化物數(shù)量增加，同時碳化物不均勻性也增加，以致鋼的塑性降低、脆性增加，工藝性變壞。 2. 鎢 鎢 是使高速鋼具是熱硬性的主要元素，它與鋼中的碳形成鎢的碳化物。W18CrMoAL 鋼在退火狀態(tài)下，鎢以 CWFe 44 的形式存在。在淬火加熱時 ，一部分 CWFe 24溶入奧氏體中，淬火后存在 于馬氏體中，提高了鋼的回火穩(wěn)定性。同時在 560 左右回火過程中有一部分鎢以 CW2 形式彌散沉淀析出，造成 二次硬化 。由此可見，鎢量增加，可以提高鋼的熱硬性并不減少其過熱敏感性。但當 Ww 大于 20%時， 鋼中碳化物不均勻性增加，鋼的強度及塑性降低，鍛造困難；而鎢含量減少時，則碳化物總量減少，鋼的硬度、耐磨性及熱硬性將降低。 3. 鉻 鉻使高速鋼具有良好的淬透性并能改善鋼的耐磨性和提高硬度。高速鋼中rCW約為 4%時，淬火加熱時這部分鉻 量全部溶入奧氏體中，可使鋼具有很高的淬透性，冷卻時就可得到馬氏體；若鉻量過低，鋼的淬透性達不到要求；而rCW超過4%時，則會增加鋼的殘余奧氏體量，并使殘余奧氏體穩(wěn)定性增加，以致使鋼的回火次數(shù)增加。 4. 鉬和鋁 可細化晶粒，改善碳化物不均勻性，從而提高鋼的強度和韌性 13。 綜上所述， W18CrMoAL 能很好的滿足我們熱溝犁削對刀具的要求。 15 3 實驗 的準備階段和實驗 過程 以 及數(shù)據(jù) 的獲取 3.1 實驗的準備階段和實驗過程 選擇好刀具的材料后，就可以開始進行 后角單因素 實驗 了，實驗 大致可分為以下五個部分： （ 1） 、 準備好實驗的材料和工具，并把它們 裝夾 在 牛頭刨床 適當?shù)?位置 ，以便實驗時取用。 （ 2） 、 安裝好被加工工件和刀具，使之保持適當?shù)奈恢茫蟠蜷_開關啟動車床，開始實驗。 （ 3） 、 在 每 完成一次完整的加工后， 因實驗 是 研究 最佳 后角，需停機后 調節(jié) 刀具和夾具的位置 ，以達到不斷改變切削 后角 的要求 ； 用不同刃傾角的刀具繼續(xù)實驗。 （ 4） 、 一邊觀看整個切削加工過程，一邊記錄我們所需要的實驗數(shù)據(jù)。 （ 5） 、 實驗完成之后，停機，并對機床進行及時清理和添加保護油。 我們將通過后角單因素 實驗進一步了解刀具后角對翅狀卷曲的影響，確定犁削出較為理想的翅狀片的最佳后角。 首先確定刀具的材料，材料為 W18CrMoAl,通過查閱機械加工工藝手冊得知，犁削過程中刀具的后角一般為 58。 后角單因素實驗條件設定為刃傾角為 0，刀具傾斜角為 55，背吃刀量為 0.3mm，切削速度為 48mm/s。由于實驗數(shù)據(jù)如下： （ 1）、實驗刀具工件： W18CrMoAL； （ 2）、設備：牛頭刨床； （ 3）、實驗地點：校辦工廠 （ 4）、實驗設定條件：刃傾角為 0，刀具傾斜角為 55，切削速度為 48mm/s，背吃刀量為 0.3mm 在初步 犁 削成形后 ， 犁削片并不是垂直于母體工件的 ， 需要通過后期處理才能成為翅狀片 。 具體的做法是 :用橡膠墊片把翅狀片尖端完全包裹起來 ， 在橡膠墊片和母體工件施加分別施加一個不同方向的水平力 ， 使犁削片與母體工件校直 。 使用橡膠墊片的原因是 ， 因為犁削片上要求多且均勻的鱗刺 ， 以確定其良好的散熱能力 ,而用普通的 校直方法會破壞犁削片表面的鱗刺，用橡膠片則能有效地保護犁削片表面上的鱗刺在校直的過程中不遭到破壞。 16 3.2 翅狀片的質量 的分析 對于加工完成后的翅狀片的質量是指它的熱傳遞能力，而決定熱傳遞能力的因素有二， 其一為翅狀片的幾何形狀，二為加工后翅狀片的表面質量。 在加工過程中，通過對刀具幾何形狀、背吃刀量的控制，翅狀片幾何形狀的幾何形狀是基本一致的。要想進一步提高翅狀片的熱傳遞能力，就要考慮從加工后的翅狀片的表面質量入手。 表面質量是指機器零件加工后的表層狀態(tài)。其主要內容分為下面三個部分： (1)表面層的幾何形狀 如圖 3.2.1 所示。 表面粗糙度：是指表面微觀幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在 1L / 1H 1000）和表面粗糙度之間的一種帶有周期性的幾何形狀誤差，其波高與波長的比值在 40 2L / 2H 1000的范圍 16。 圖 3.2.1 表面幾何形狀 （ 2）表面層的物理機械性能 表面層冷作硬化（簡稱冷硬）：零件在機械加工中表面層金屬產生強烈的冷態(tài)塑性變形后，引起的強度和硬度都有 所提高的現(xiàn)象。 表面層金相組織的變化：由于切削熱引起工件表面溫升過高，表面層金屬發(fā)生金相組織變化的現(xiàn)象。 表面層殘余應力是由于加工過程中切削變形和切削熱的影響，工件表面層產生殘余應力。 （ 3）表面層的紋理方向 加工后的零件表面層紋理方向常常會影響到其物理機械性能。 我們以實驗條件設置為：刃切削角為 0，刀具傾角為 55，后角為 3，切削速度為 48mm/s,背吃刀量為 0.3mm 所加工出的熱溝犁削片為例，在顯微鏡鏡下觀察翅狀片的微觀結構。 在這些條件下所加工出的犁削片卷曲半徑非常的大，幾乎是可以無窮的卷曲，刀具 行程有多長，就能卷曲多長，犁削片的厚薄程度，長度和兩個犁削片之間的距離都十分均勻，是較為理想的翅狀片。據(jù)觀察，在犁削過程中所加工出的熱溝犁削片具有以下特點：翅狀片的的長寬比較大，其熱抗性較小，并且每個翅狀片的厚度只有18 0.2mm，兩個翅狀片之間的距離也十分的窄，與用其他加工方法所加工出的翅狀片相比，在同樣大小的母體零件上，能加工出更多的翅狀片。這樣的幾何形狀對于能很有效的提高翅狀片的熱傳遞能力。在電子顯微鏡下觀察，翅狀片和母體工件之間是沒有裂縫的，說明的這樣的加工方法是一種塑性變形。由于翅狀片與母體工件直接相 連，與焊接過程所加工出的翅狀片相比，熱溝犁削片具有更高的可靠性，它能非常有效的防止母體與翅狀片在焊接處因為受潮而電解，在焊縫處形成一層致密的氧化膜，影響其熱傳遞能力。這一切都歸功于犁削加工過程是一個塑性變形的過程，減小翅狀片的長度，會增加寬度和厚度。但是寬度的變化是很微弱的，可以忽略。所以在犁削過程中可以通過調節(jié)切削參數(shù)來調整翅狀片的長度和厚度 12。 根據(jù) Fourier 熱傳遞理論，要提高熱傳遞速度可以通過提高熱輻射空間和減少厚度來提高。很明顯，通過機械犁削過程加工出來的翅狀熱溝犁削片，它們有較高的長寬比 ，較薄的個體翅狀片，兩個翅狀片之間較窄的空間等等這一切特點都能很有效的提高熱傳遞功率。為了很好的分配好翅狀片的熱流通密度，可以通過改變金屬材料的形狀來獲得不同的翅狀片加工表面。從而進一步的提高翅狀片的熱傳遞功率。 犁削過程中產生的一個翅狀片在不同表面，表面質量也有差異。在于前刀面相接觸的一面，非常的平坦。在與之相反的表面，即與前刀面相背離的一個面，沿進給方向，有明顯的絨毛狀的褶皺和刀痕。 為什么會產生這一效果呢？我們需要對切削加工過程中的切削變形進行了解。 金屬切削過程與金屬受壓縮（拉伸）過程比較，塑性金屬 受壓縮時，隨著外力的增加，金屬先后產生彈性變形、塑性變形，并使金屬晶格產生滑移，而后斷裂；以直角自由切削為例，如果忽略了摩擦、溫度和應變速度的影響，金屬切削過程如同壓縮過程，切削層受刀具擠壓后也產生塑性變形 14。 為了便于進一步分析切削層變形的特殊規(guī)律，通常把切削刃作用部位的金屬層劃分為三個變形區(qū)，如圖 3.2.2 所示： 第 變形區(qū) 近切削刃處切削層內產生的塑性變形區(qū)；稱為滑移變形區(qū) 第 變形區(qū) 與前刀面接觸的切削層內產生的變形區(qū)；稱為滯留變形區(qū) 第 變形區(qū) 近切削刃處已加工表層內產生的變形區(qū)。稱為 塑性變形區(qū) 19 圖 3.2.2 切削三變形區(qū) 在與前刀面接觸的面要受到多方面的壓力作用，在犁削過程中，來自前刀面的擠壓，摩擦和刮削力作用在與前刀面的表面，與此同時第 變形區(qū)因為金屬的滯留和晶粒的纖維化而使得與前刀面接觸的表面非常的平整。在電子顯微鏡下觀察，在沿刀具進給方向有許多細小的溝。刀具的切削刃，不平整的前刀面，和來自于與前刀面相接觸是的摩擦都將帶來這樣的效果，影響這翅狀片的這些表面。 在與之相反的一個面，這些微小的溝是于刀具的進給方向平行的，在它上面還有些非常明顯的鱗 刺，垂直于這些微小的溝。產生這樣效果的原因大體上是因為機械加工的翅狀片是由金屬的剪切變形而得到的。在犁削過程中，平整的刃口和來自刀具側面的摩擦會使加工表面產生這樣微小的溝，同時一些鱗刺也會出現(xiàn)在加工表面。當下一個當下一個翅狀片形成的時候，當前的加工表面又會轉換成背離刀具前刀面的表面質量。金屬的晶格在第 變形區(qū)因為剪切變形而受損，導致翅狀片會短而厚，而隨之產生的絨毛褶皺會引起加工表面的收縮，而收縮又會使加工表面的鱗刺越來越密集，微小的溝也越來越明顯，致使邊面越來越粗糙。同時，金格在靠近剪切變形區(qū)域的表面會沿著 逐漸松弛的表面發(fā)生相對位置滑動，晶粒也慢慢地被拉長，這些變化都將影響到翅狀片的表面粗糙度。對于熱溝犁削片來說，如此表面粗糙度的翅狀片要比那些有著平整表面的翅狀片表面面積要大得多，所以熱輻射空間也要大得多，這些都能很好地提高翅狀片的熱傳遞能力 9。 20 3.3 實驗數(shù)據(jù) 的獲取 3.3.1 后角對向上卷曲曲率影響的單因素實驗數(shù)據(jù) 實驗次數(shù) 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 實驗數(shù)據(jù) 通過描點法繪制的 曲線分布 圖 ：如圖 3.3.1 圖 3.3.1 后角對向上卷曲的影響 21 3.3.2 后角對表面質量影響的單因素實驗數(shù)據(jù) 實驗次數(shù) 后角角度 表面質量 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 由于實驗條件有限，無法通過電子顯微鏡觀察翅狀片的表面質量，只能通過 相互比較才能確定其表面質量。評判標準是根據(jù)工人師傅的經(jīng)驗判斷而知。與較為理想的翅狀片相比較來確定，范圍由 01，數(shù)值越大，翅狀片的表面質量越好。 3.4 實驗數(shù)據(jù)的分析及初步結論 通過實驗的數(shù)據(jù)表明，隨著后角的 的增大，翅狀片的向上卷曲曲率也隨著逐漸減小。由于后角設置為 0的時候，刀具與工件完全接觸，在犁削加工過程中，會引起較為嚴重的磨損和加工系統(tǒng)的震動。嚴重影響了熱溝犁削翅狀片的表面質量，雖然翅狀片要求表面質量有一定的粗糙度，但是在 0后角下的磨損是不可接受的。對刀具的耐用度也是非常大的考驗。然而后角也不能過大，在刀具斜角一定的條件下，一味的增大后角，會減小對應的刀具前角的值，使得刀具的強度不夠，耐用度達不到要求，引起崩刀。 從上圖可知，在 110的范圍內，向上卷曲曲率 逐步 下降。 當后角為 1時向上卷曲的曲率 最大，但是由于加工材料的彈性恢復，還是有較明顯的震動。如果加工材料的塑性好，回彈性大。這些合金會在切削刃前面鼓起，在切削刃通過后產生回彈。這些回彈的工件將刮擦后刀面，并產生大量的切削熱，最終22 導致刀具熱失效。失效形式可能是崩刃，切削刃的熱膨脹將導致刀具斷裂。 在 24的后角條件下產生的翅狀片也或多或少的因為刀具與加工表面的接觸，而影響翅狀表面的質量。 在 5 9的后角條件下產生的翅狀片 因為沒有后刀面與加工工件的直接摩擦，故其表面質量較好，卷曲曲率也是比較理想的。 在 10以后的后 角 作用下的翅狀片，由于刀 具的前角隨著后角的增大而減小，刀具的前角的減小，會 影響到刀具的耐磨度，刀具的強度，引起刀具的失效，失效形式為崩刀。 最后經(jīng)過多方面的比較，包括刀具的耐用度，翅狀片的曲率，翅狀片表面質量等等，最終確定翅狀熱溝犁削的最佳后角為 37 。 在 3 7范圍內的 后角作用下，所犁削出來的翅狀片即能保證合適的曲率，大約有 0.04(l/mm);且表面質量也是最好，在電子顯微鏡下表面褶皺和鱗刺最多，最均勻，最利于散熱的。 23 4 實驗數(shù)據(jù)的分析和結論 4.1 曲線擬合的最小二乘法 在科學實驗和工程設 計中，往往需要利用一些離散的信息（或稱之為實驗數(shù)據(jù)） （ xi , yi）去尋找、確定 x 和 y 之間的函數(shù)關系的某種近似表達式。例如在本系統(tǒng)中，需要繪制的萬有特性曲線，負荷特性曲線等都需要利用曲線擬合技術。從幾何的角度來看，就是利用給定的 m 個數(shù)據(jù)點（ xi , yi）（ i=1,2,.m ），求曲線 y = f (x) 的一條近似曲線 y = g(x) ，這就是一個曲線擬合問題。插值法在一定程度上可以解決曲線擬合的問題，即對給定的函數(shù)表 5.1 中的數(shù)據(jù)： 表 4.1 函數(shù)表 X X1 X2 Xm y=f(x) Y1 Y2 Ym 求得一個 m-1 次的多項式 P(x) ，使之滿足插值條件： ii y)x(P （ i = 1， 2， ， m） 但由插值條件得到的 P(x) ，雖然在局部點 xi 上（插值節(jié)點）上與已知的函數(shù)值 yi = f (xi)（甚至導數(shù)值）上完全相同，但是在其他點（非插值節(jié)點）上誤差可能很大。此外，實驗提供的數(shù)據(jù)通常含有測試誤差，個別數(shù)據(jù)還不一定準確，這樣插值得到的多項式就會使所求到的近似曲線保留了這些誤差，從而不能很好地反映原始問題的變化規(guī)律。再者，在數(shù)據(jù)非常多，甚至已經(jīng)形 成一個數(shù)據(jù)流（即 m 很大）的情況下，用插值法必然會產生次數(shù)較高的多項式，這不但計算繁瑣而且近似效果也不好，缺乏實用價值。 如果將用插值法得到的多項式視為是在局部（插值節(jié)點）上逼近被插函數(shù)的話，那最小二乘就是得到一個函數(shù)使之在整體上逼近已知函數(shù)，即對數(shù)表 4.1 求一簡單擬合曲線 y = g(x) ，使之在整體上盡可能與原數(shù)據(jù)曲線近似。 iii y)x(g ,(i=1,2, ,m) 稱 i為擬合曲線 g(x)在節(jié)點 xi 處的偏差或殘量。如果 g(x)為插值多項式，則所有偏差均為零。但事實上 ，我們不可能要求近似曲線 y = g(x)嚴格通過這么多數(shù)據(jù)點。但是為了使 g(x) 盡可能地反映所給數(shù)據(jù)的變化趨勢，我們可以要求偏差的絕對值盡可能的小，甚至 max|i盡可能小。 24 實現(xiàn)這一目的的方法很多，常見的有 (1)選取的 g(x)在節(jié)點 ix 處的偏差絕對值最大者達到最小，即 m in)yx(gm a xm a x iimi1imi1 (2)選取的 g(x)在節(jié)點 ix 處偏差的絕對值之和達到最小，即 m in)(m1im1ii ii yxg(3)選取的 g(x)在節(jié) ix 處偏差的平方和達到最小，即 m in)(2m1i2m1ii ii yxg在這三種選取 g(x)的標準中，由于前兩種均含有偏差 i的絕對值運算，給進一步的分析討論與計算機計算都帶來不便。為此，在實際計算中，常用第三種標準，即用偏差的平方和達到最小的原則來保證每個偏差的絕對值 |i|都很小。這一原則稱為最小二乘原則，按照最小二乘原則選擇的擬合曲線 y = g(x) 就稱為最小二乘擬合曲線，此方法稱為最小二乘法。 因此，最小二乘曲線擬合 的一般提法為：對于給定的數(shù)據(jù)（ xi , yi ）（ i=1,2,.m ），在某一個函數(shù)類（簡單函數(shù)類） G 中尋求一個函數(shù) g* (x) ，使得 m i n)()(g2m1i)(2m1i* m i n iiGxgii yxgyx其中 g(x) 為函數(shù)類 G 中任意一個函數(shù)。 運用最小二乘方法解決實際問題，其關鍵是如何確定函數(shù)類 G。一方面 G 中的函數(shù)應具有形式簡單易于計算函數(shù)值的優(yōu)點，另一方面 G 函數(shù)中的 g(x) 的幾何形狀還應與已給的數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)分布近似，因此這不是個簡單的問題。在數(shù)學上，經(jīng)常是先將函數(shù)中的數(shù)據(jù)（ xi ， yi）在坐標紙上描繪出來， 然后分析其分布情況，從而來確定所要選擇的 g(x)的函數(shù)類形式。 4.2 曲線擬合的算法 。 4.2 最小二乘解的求法 最小二乘擬和曲線的求解方法：一般是設 y=f(x)的近似擬合曲線類為 G， G中任意函數(shù) g(x)形如： 25 ),.,()( 10 kn aaaaFxg 其中 nm，（ k=0,1,2n ）為待定參數(shù)。若 g*(x)G 且為最小二乘解，則 g*(x)應滿足 （ 1） g*(x)=F(a*0， a*1a *n， a*k) （ 2） 2m1iii*