基于翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削速度的選擇研究

1、邵陽學院畢業(yè)設計（論文）摘 要針對目前嚴峻的芯片熱控制問題，分析了芯片散熱技術的研究現(xiàn)狀，從熱管原理、熱管制造、熱管性能、熱管應用等方面綜述等方面綜述了電子芯片熱管散熱技術的特點和發(fā)展過程，并對未來熱管技術的發(fā)展趨勢進行了預測。而熱管技術的發(fā)展，很大程度上取決于散熱技術的發(fā)展。本人這篇論文正是介紹散熱片制造的一種新技術-即用散熱片的翅狀熱溝犁削來加工散熱片。本次畢業(yè)設計（論文）的題目是：基于翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削速度的選擇研究。本次設計主要是對翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削速度的選擇研究，通過不同切削速度對翅狀熱溝犁削的影響情況，探索出進行翅狀熱溝犁削時的最佳速度。這篇論文主要闡述用刨削成型加

2、工這一工藝來制造散熱片，工件是用專門設計的刀具進行刨削的。相比與通常的加工工藝，這種方法簡單，容易，而且對加工設備要求也不高 。基于要形成連續(xù)不斷的帶狀切削，通過控制切削流的方向與翅狀切削的半徑，可以成功獲得直的，完整的散熱片。關鍵詞：芯片；熱管；刨削成型；散熱片卷；最佳切削速度abstractanalyzing the research status of the chip heat releasing technology, in the current grim chip thermal control problems from the areas of the heat contro

3、l 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 technolo

4、gy 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) entit

5、led : 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 exp

6、lored 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

7、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目 錄1 緒論11.1 翅狀熱溝犁削的簡介11.2 課題來源及研究目的22 理論基礎102.1 切削變形102.2 切屑的類型112.3 切削變形的變化規(guī)律123 翅狀熱溝犁削的刀具速度對加工熱管散熱片影響的實驗143

8、.1 實驗前期準備及其設備143.2 實驗過程163.3 實驗數(shù)據(jù)的獲得184 實驗數(shù)據(jù)處理及其結果205 結論25結束語26參考文獻271 緒論畢業(yè)設計是修完所有大學課程之后的最后一個環(huán)節(jié)。此次畢業(yè)設計，培養(yǎng)了我綜和運用多學科理論，知識和技能，以解決教復雜的工程實際問題的能力，主要包括設計、實驗研究方案的分析論證、原理綜述、方案方法的擬訂及依據(jù)材料的確定等。它培養(yǎng)了我樹立正確的設計思想，勇于實踐、勇于探索和開拓創(chuàng)新的精神、掌握現(xiàn)代設計方法、適應社會對人才培養(yǎng)的需要。畢業(yè)設計這一教學環(huán)節(jié)使我獨立承擔實際任務的全面訓練，通過獨立完成畢業(yè)設計任務的全過程，培養(yǎng)了我的實踐工作能力。另外，本次畢業(yè)設計

9、還必須具備一定的計算機應用的能力，在畢業(yè)設計過程中都應結合畢業(yè)設計課題利用計算機編制相應的分析和優(yōu)化程序；在這個過程之中，首先是對大學所學的專業(yè)課程進行系統(tǒng)的分析，尤其是對機械制造基礎及其工藝這門課程要全面的復習，消化現(xiàn)有的資料，對設計目的和要求有一個大致的了解；然后是大致了解熱管的應用及其散熱片的加工，再通過實驗得出自己所需的數(shù)據(jù)；最后得出結論，寫出自己的論文思路，論文過程和設計體會。此次畢業(yè)設計除了對知識和能力培養(yǎng)的收獲感受外，還得到思想道德方面的鍛煉。本次畢業(yè)設計得到趙小林老師和同學的許多無私的幫助，在此表示我由衷的感謝！由于實踐經(jīng)驗的欠缺和知識面的狹窄，設計過程中的錯誤在所難免，望老師

10、們批評指正。 1.1 翅狀熱溝犁削的簡介基于分析常見的熱管散熱片的加工工藝，這篇論文提出了用刨削去加工熱管散熱片，轉而去研究散熱片的翅狀熱溝的加工和分析散熱片的表面質量。這里有許多常見加工熱轉移增強型器件散熱片的工藝，例如焊接，沖壓成型，冷鍛。但是它們都有缺陷。焊接加工復雜，成本高而且可靠性不高。當焊接加工成的散熱片的焊接線潮濕時，散熱片很容易受到損壞由于兩種不同金屬在水中的電解。因為在熱管與散熱片之間形成了空氣夾層這種損壞減低了它的散熱能力。沖壓成型對模子有很高的要求，因為成型壓力很大而且最終加工的散熱片通常很薄。由于冷鍛加工的工具與模子磨損很快而造成的成本過高，冷鍛加工同樣很少用于散熱片的

11、制造。這篇論文主要闡述用刨削成型加工這一工藝來制造散熱片，工件是用專門設計的刀具進行刨削的。相比與通常的加工工藝，這種方法簡單，容易，而且對加工設備要求也不高 ?；谝纬蛇B續(xù)不斷的帶狀切削，通過控制切削流的方向與翅狀切削的半徑，可以成功獲得直的，完整的散熱片。這種方法制造的散熱片很薄，僅僅只有0.2毫米。因為兩散熱片的空間很小而散熱片的數(shù)量很多，因而單元傳熱面積擴大了。同時，散熱片的根部和基礎在一個工件上，所以此種方法不需要焊接。1.2 課題來源及研究目的課題來源近年來，隨著電子科技的進步，許多電子產(chǎn)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(chǎn)生的熱量越來越高，

12、同時電子產(chǎn)品的高集成度使其有效散熱空間日趨減少，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這一尖銳矛盾導致微電子產(chǎn)品中的熱控制成本急劇上升。具有高熱流密度電子產(chǎn)品冷卻問題成為當今或未來電子首要克服的關鍵問題。根據(jù)美國itrs對未來半導體發(fā)展歷程之預估，在未來數(shù)年，cpu工作頻率與熱量還將持續(xù)升高，可預見未來電子產(chǎn)品散熱問題依然沒有緩和的趨勢，因此電子冷卻技術的增進與突破便顯得更加迫切與重要。全球第一品牌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

13、死機等現(xiàn)象。全球第二大顯卡制造廠商加拿大ati公司對第四代頂級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）總功率達130w，整個散熱模塊總質量不超過250克，并有嚴格的體積和噪音限制，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)熱量過大的問題，以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“核反映堆”，2010年時會達到火箭發(fā)射時高溫氣體噴射

14、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（1.5cm×1.5cm）上的功率已超過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功率cpu空氣強制對流散熱方案。高集層度芯片功耗急劇增大導致極高的熱流密度（接近106w/m2），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。目前，針對微電子產(chǎn)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1999-2002年期間，通過國防先進研究項目暑（darpadefe

15、nse advanced reasearch 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隊，以發(fā)展用于下一代高集成度芯片的新概念控制方法。具體的研究工作分布在流體和固體兩大研究領域：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。流體研究領域 用于電子產(chǎn)品集中冷卻的埋入式液滴噴射技術。有卡內(nèi)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

16、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。微電子芯片熱管散熱技術主要針對上述計劃中中共性的復雜表面熱功能結構問題進行研究，并開發(fā)出當前迫切需求解決的微電子芯片超高性能散熱產(chǎn)品。以前傳統(tǒng)的光滑表面或簡單結構表面已經(jīng)不能適應目前的高熱密度撒熱需求，未來邊面熱功能結構更趨向于多維、多尺度特征方向發(fā)展

17、。早在80年代佐治亞理工大學就已經(jīng)注意到表面宏觀結構和亞結構（疊加在宏觀結構表面）在散熱中的作用，并在此方面做了許多有益的工作。sony公司cpu宏觀散熱結構發(fā)展變化過程也說明了這一點。華南理工大學在宏觀結構表面的亞結構和微電子結構生成機理與關鍵技術方面也作了許多有益的工作，并研制出柱狀散熱器，使用效果很理想。目前由美日少數(shù)大企業(yè)研制車來的微熱管，特別是美國thermacore公司已經(jīng)成功研制并大規(guī)模生產(chǎn)的芯片高傳熱量燒結式微熱管，其內(nèi)壁也具有多維，多尺度復雜表面結構。由于微熱管具有很高導熱率、良好的等溫性、優(yōu)良的熱效應、結構簡單、重量輕、無需額外電力驅動等優(yōu)點，并且其導熱率是最優(yōu)良導熱純金屬

18、的幾百倍，甚至幾千倍，內(nèi)壁具有復雜表面結構的超高性能微熱管將成為目前高耗能和高熱流密度芯片導熱的理想元件，是解決當前微電子行業(yè)熱危機的關鍵。目前，國外微熱管產(chǎn)品的核心技術（產(chǎn)品的設計與開發(fā)）只被美日少數(shù)企業(yè)所掌握。國內(nèi)企業(yè)在微熱管產(chǎn)品的關鍵技術上本身并不具備自行設計、研發(fā)及生產(chǎn)能力，只有少數(shù)幾個臺資企業(yè)為美日大企業(yè)進行代加工。由于美日企業(yè)量產(chǎn)成本及目標市場的策略考慮，臺資企業(yè)近年才獲得美日大企業(yè)的技術轉移，通過消化這些技術并開始自主研發(fā)，才逐步擁有了微熱管生產(chǎn)的一些關鍵技術。但國內(nèi)其他企業(yè)對于高性能微熱管技術的研究還處于起步階段，沒有自己的關鍵核心技術，離大規(guī)?；a(chǎn)具有一定的差距。目前，國內(nèi)

19、外各大廠商生產(chǎn)的各種芯片散熱模組微熱管主流產(chǎn)品中，直徑一般在3到6mm之間,長度小于30mm，其毛細結構主要有燒結式、溝槽式、銅纖維式和金屬絲網(wǎng)式。燒結式毛細結構雖然具有很強的毛細力，但燒結工藝比較復雜，毛細結構在生產(chǎn)過程中容易損壞，最致命的弱點就是增加了微熱管的重量，與目前要求芯片散熱裝置重量減輕的發(fā)展趨勢不相一致，銅纖維式和金屬網(wǎng)式同樣也存在著這樣的弱點。從目前電子散熱發(fā)展趨勢來看，不僅要求散熱模塊有高傳輸熱量的能力、非常嚴格的體積和重量，還要求有靈活的形狀和快速的熱響應。溝槽式微熱管是雜其內(nèi)壁表面加工出復雜的微溝槽結構，不但能夠減輕微熱管重量，而且可以加工出超薄微熱管，使其內(nèi)部空間更大，

20、具有快速的熱響應，并且隨散熱要求可靈活改變形狀，而使其對熱量傳輸能力的影響減少到最少。隨著電子散熱要求越來越高和電子制造加工技術的進一不發(fā)展，體積更輕和機構靈活的溝槽式超薄高性能微型熱管將是國際上未來數(shù)年發(fā)展的趨勢，更能適應未來日益嚴峻的電子散熱需求。因此針對電子芯片超高性能薄壁微熱管技術及生產(chǎn)裝備的研究開發(fā)，不僅成為當前電子領域中芯片散熱迫切解決的重要課題，而且對于促進信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和結果升級，提高電子產(chǎn)品的競爭力和高附加值，具有重要的戰(zhàn)略意義。熱管技術綜述熱管按外部形狀可分為：圓柱形熱管、扁平微熱管、盤形熱管熱管按吸液芯結構可分為：燒結吸液芯、溝槽吸液芯、絲網(wǎng)吸液芯熱管按管壁材料可分為：

21、銅管熱管、硅熱管熱管的基本原理（1）熱管工作原理 熱管工作原理熱管基本原理如圖所示，熱管由管殼、吸液芯和工作液體組成。將管內(nèi)抽成一定的負壓后再充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸夜芯片毛細多空材料中充滿液體后加以密封。管壁的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)需要可在中間設置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細吸液芯中的液體蒸發(fā)，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再由多空材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳到另一端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉移的過程中，包含了以下六個相互關聯(lián)的主要過程：熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分

22、界面：液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段：蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結：熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。（2）熱管的基本特征熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)的傳熱元件，具有以下基本特征：很高的導熱性優(yōu)良的等溫性熱流密度可變性熱流方向的可逆性恒溫特征環(huán)境的適應性熱管的制造與研究由于陳平博士已經(jīng)做了比較深入的研究，且因為本人的能力與知識面的狹隘，故本人的指導老師趙小林博士不要求我們做詳細的研究，而把我課題方向定為與此相關的熱管散熱片的翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削選擇。熱管技術的應用gro

23、moll10利用各向異性蝕刻技術和堆垛分層技術制造出不同結構和大小的新型微硅換熱器，通過壓縮空氣直接冷卻，或者間接地通過鼓風機進行散熱，可滿足未來的電子封裝要求，即使用完整的、可連續(xù)使用空氣作為冷卻劑的微型制冷系統(tǒng)。使用微熱管的功率損耗密度可達到3w/cm2，間接冷卻可達到25 w/cm2。將高性能微散熱系統(tǒng)應用在奔騰處理器上，當功率損失為15w時，可將操作時的溫度限制在15w之內(nèi)。微型換熱器的體積僅達2.5 cm2,比普通的散熱器要小得多。便攜式設備的功率日漸增加和尺寸不斷縮小，這對于散熱系統(tǒng)來說是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。在多種散熱技術中，熱管散熱技術是一種高性價比的散熱解決方案，有著高效和高性能的

24、散熱效果。xie等人11研究了熱管的基礎技術，測試了其性能、可靠性和價格參數(shù)等。便攜式筆記本電腦應用了tcp封裝技術，通過對tcp熱傳導性能的測試，研究了三種不同結構的熱管。第一種是用熱管將cpu和鍵盤的電磁屏蔽罩連接起來。第二種是用熱管連接在筆記本電腦外面的一個鋁盤，通過屏幕背后的導熱板進行散熱，論證其散熱能力。第三個結果證明利用熱管可以帶走6.5w的cpu發(fā)出的熱量中的4w。盡管只是在筆記本電腦中進行測試，但是熱管的分析和方法同樣可以應用在其他的便攜式設備中。為了對筆記本計算機環(huán)境中cpu的高熱流提供一個冷卻解決方法，mochizuki等人12研究了筆記本個人電腦冷卻用鉸鏈熱管，鉸鏈熱管系

25、統(tǒng)能夠散。10-20wcpu產(chǎn)生的熱量，而保持它的表面溫度低于95oc，不超過lcd的熱范圍。輥壓熱管在電子設備如筆記本冷卻中最有前途，take等人13進行了筆記本用輥壓熱管導熱盤的基礎研究，并提出了7.8mm寬的流動通道輥壓熱管最大毛細極限的預測。輥壓熱管的熱性能實驗數(shù)據(jù)顯示了輥壓熱管最高和最低溫度之間的溫降，并決定了輥壓熱管中的最佳液體灌注量和毛細循環(huán)數(shù)目。微通道的使用有益于mcms的有效散熱。marongiu14研究了嵌入微熱管和其他高導熱率材料的微通道散熱器對mcms的強化冷卻，揭露了微熱管和其他高熱導率材料（如石墨）以不同配置嵌入mcms微通道散熱器設計中的研究。使用icepak進行

26、數(shù)值模擬，結果表明將熱管和其他高熱導材料嵌入到微通道散熱器中的確達到了高傳熱率。極端條件下能可靠運行的耐震筆記本的熱設計，最緊迫的約束就是在極高外部溫度下的運行和不允許計算機具有通風口。這些限制和內(nèi)部空間局限使得筆記本內(nèi)部氣流和對流傳熱非常重要。rujano等人15提出了耐震奔騰筆記本計算機熱管理方法，將由cpu產(chǎn)生的熱量傳導到外部大氣中。基于處理器筆記本的熱性能特征進行數(shù)值分析描述，數(shù)值模型包括集成電路，印刷電路板、機殼、電源板，將結果與真實系統(tǒng)的實驗測試數(shù)據(jù)進行了比較，然后對具有極高功率耗散包括奔騰處理器的模型進行修正。wang等人結合熱管冷卻技術開發(fā)了等溫滑動軸承。熱管能使軸承周圍迅速地

27、傳熱，導致了較小的溫度梯度、較底的峰值溫度和穩(wěn)定的瞬態(tài)熱行為。等溫滑動軸承中的熱管建摸為熱導體，其有效熱導率通過分析和實驗數(shù)據(jù)之間的關系確定。通過實驗測試和半徑驗相關法的計算獲得了軸承邊界的傳熱系數(shù)。使用這個開發(fā)的模型數(shù)值研究了軸承幾何和材料對等溫滑動軸承的性能的影響，并證實等溫華東軸承具有解決熱感應問題，這有益于軸承的運行和防止失效。zaghdoudi等人對航空電子設備（aem）冷卻用熱管的效能進行了實驗，結果表明熱管消除了熱點和很好地導出了電子器件產(chǎn)生的熱量。用真實的aem進行的實驗考慮確定熱源/散熱器熱阻的數(shù)量級，對熱管集成設計和制造非常有用。在實驗基礎上開發(fā)的數(shù)值工具考慮了aem中熱管

28、的優(yōu)化和集成。nguyen 給出了桌式服務器中的熱解決方法的例子：將扁平矩形熱管或蒸汽槽系在散熱器的基板底下以保持穿過散熱器基板溫度的均勻性。這將會減少散熱器基板的擴展熱阻，從而改善了散熱器性能。實驗表明對安裝有蒸汽槽的長度110mm、寬度72.5mm、高度50mm 基板厚度7mm的散熱器能達到45%的性能改善。與電子冷卻相關聯(lián)的高熱流需要任何傾角下有超高傳熱的熱管，因此需要改進吸液芯結構。特別，許多筆記本制造廠需要在垂直方式下的運行通過常規(guī)系統(tǒng)減少30%到50%的熱阻。開發(fā)新的毛細結構以使毛細通道增加而對熱管滲透性的影響很小。使用這個新的設計準則，sauciuc等人開發(fā)和測試了電子冷卻用超級

29、纖維熱管。制造中使用了線徑從0.05mm到0.1mm變化，最大輸入功率為16w。測試結果也表明蒸汽空間/液體空間的比率是這種類型熱管的一個重要參數(shù)，熱管的熱阻是位置的強函數(shù)。制造的熱管比以前常規(guī)熱管的熱阻要小2到5倍。比較了其它類型的吸液芯結構，觀察到垂直方式下的熱阻低到0.5°c/w，水平方式下0.2°c/w。功率器件如igbts耗散出非常大的熱流，對它們的性能和可靠性而言，熱環(huán)境已經(jīng)成為一個主要問題。為了改善傳熱，高熱導率材料似乎非常有用，但由于它們的成本高，選擇性價比比較好的溝槽毛細和燒結金屬粉末毛細熱管來代替。avenas等人提出了使用扁平熱管作為功率電阻器件冷卻散

30、熱片，功率電子器件的熱模擬表明這些結構能滿足散熱需求，并比較了熱管和平面材料構成的均熱片。最后進行了銅/水熱管的實驗研究，與熱模擬進行了比較。功耗電子設備的熱損失日益增加，同時它們的尺寸日益減小，要求散熱器必須散失大熱流密度。為了將集中熱源經(jīng)過大的表面積，可以用熱管增加熱導途徑。avenas等人研究了功率電子器件冷卻用硅散熱片，描述了熱管極限的分析模型，提出了實驗研究和測試結果。im等人研究了高密度存儲模塊的微冷卻應用。對大功率存儲器摸數(shù)的幾種均熱片的熱性能進行了數(shù)值模擬和兩種實驗研究。對于數(shù)值研究，使用flotherm對1g的ddr存儲器摸數(shù)陣列建摸，分析了存儲器摸數(shù)的固體均熱片在氣流條件下

31、的對流傳熱。對于風洞實驗，檢查了固體盤和立體型擴散片以獲得各種條件下的固體共扼傳熱的熱阻。為闡清液體傳熱的熱特性和冷卻性能，提出并設計了液體冷卻設備和嵌入式熱管片和微吸液芯結構蒸汽槽，并估計了在絕緣條件的水冷盤的傳熱實驗。每年處理器性能和熱耗散趨勢增加很大。2000年，筆記本中使用的處理器時鐘速度接近1ghz，熱耗散接近20w，2003年處理器時鐘速度高于20ghz，熱耗散高于50w，2004您接近100w。熱耗散增加但與之相反的是，處理器的尺寸減少，導致熱流非常高。2000年的熱流大約在10-15w/cm2, 到2004年達到100 w/cm2。wuttijumnong等人綜述了受限空間筆記

32、本中使用熱管和蒸汽槽冷卻最新技術。研究目的為了鍛煉綜合運用所學理論知識的能力，為了培養(yǎng)分析和解決機械工程實際的問題，我們進行本專業(yè)的重要環(huán)節(jié)畢業(yè)設計。由于本人的課題是翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削速度的選擇，這是一個與機械加工方向的課題，因此為了很好地做好這個課題，我首先對大學期間所學的基礎課程概率統(tǒng)計，專業(yè)課程機械制造技術基礎進行詳細的復習，做好理論準備；然后通過在校辦工廠進行實驗研究，得到有用的數(shù)據(jù)；最后實踐與理論綜合完成自己的畢業(yè)設計。本次畢業(yè)設計是對本人大學四年所學理論知識是一個很好的檢驗與鞏固。培養(yǎng)了綜合運用課本知識及理論聯(lián)系實際的能力。通過確定翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削速度，分析各速度

33、階段對熱管散熱片翅狀切削的影響，其結果可以供給廠家、商家使用其最底加工成本，而產(chǎn)生最高的經(jīng)濟效益。2 理論基礎金屬切削過程是機械制造過程的一個重要組成部分。金屬切削過程的優(yōu)劣，直接影響機械加工的質量、生產(chǎn)率與生產(chǎn)成本。金屬切削過程是指通過切削運動，使刀具從工件上切下多余的金屬層，形成切屑和已加工表面的過程。在這個過程中產(chǎn)生一系列的現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損等。研究這些現(xiàn)象的成因、作用與變化規(guī)律，對于合理使用與設計刀具、夾具和機床、保證切削加工質量，減少消耗，提高生產(chǎn)率和促進生產(chǎn)技術發(fā)展等方面起著重要的作用。2.1 切削變形金屬切削過程與金屬受壓縮（拉伸）過程比較：塑性

34、金屬受壓時，隨著外力的增加，金屬先后產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，并使金屬晶格產(chǎn)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(chǎn)生塑性變形。為了方便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)。第變形區(qū) 近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；第變形區(qū) 與前刀面接觸的切削層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)；第變形區(qū) 近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。三個變形區(qū)各具特點，又存在著相互聯(lián)系、相互影響。切削過程中產(chǎn)生的諸現(xiàn)象均與金屬層變形密切相關。變形切削的形成及其特點（1）第一變形區(qū)金屬的剪切滑移變形切削層受刀具的作

35、用，經(jīng)過第一變形區(qū)的塑性變形后形成了切屑。第一變形區(qū)就是形成切屑的變形區(qū)，其變形特點是切削層產(chǎn)生剪切滑移變形。（2）第二變形區(qū)內(nèi)金屬的擠壓摩擦變形 經(jīng)過第一變形后，形成的切削要沿前刀面方向排出，還必須克服刀具前刀面對切屑擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。切屑在受前刀面擠壓摩擦過程中進一步發(fā)生變形（第二變形區(qū)的變形）這個變形重要集中在與前刀面摩擦的切屑底面一薄層金屬里，表現(xiàn)為該處晶粒纖維的方向和前刀面平行。這種作用離前刀面愈遠影響愈小。應該指出，第一變形區(qū)與第二變形區(qū)是相互聯(lián)系的。前刀面上的摩擦力大時，切屑排出不順，擠壓變形加劇，以至第一變形區(qū)的剪切滑移變形增大。（3）第三變形區(qū)內(nèi)金屬的擠壓摩擦變形已加工表面

36、受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓摩擦，造成纖維化與加工硬化。2.2 切屑的類型由于工件材料不同，切削的條件不同，切削過程的變化也不同，所形成的切屑多種多樣。通常將切屑分為四類：（1）帶狀切屑它是經(jīng)過上述塑性變形過程形成的切屑，外形呈帶狀。切削塑性較高的金屬材料，例如碳素鋼、合金鋼、銅和鋁合金時，常出現(xiàn)這類切屑。（2）擠裂切屑在形成切屑的過程中，剪切面上局部位置處的剪切應力達到材料的強度極限，使切屑上與前刀面接觸的一面較光潔，其背面局部開裂成節(jié)狀。切削黃銅或用低速切削鋼，較易得到這類切屑（3）單元切屑當剪切面上的剪應力超過材料的強度極限時產(chǎn)生了剪切破壞，使切屑沿厚度斷裂成均勻的顆粒狀。切削鉛或用

37、很低的速度切削鋼時可得到這類切屑。（4）崩碎切屑在切削脆性金屬時，例如鑄鐵、黃銅等材料，切削層幾乎不經(jīng)過塑性變形就產(chǎn)生脆性崩裂，得到的切屑呈不規(guī)則的細顆粒。 切屑的類型是由材料的應力-應變特征和塑性變形的程度決定的。如加工條件相同，塑性高的材料不易斷裂，易形成帶狀切屑；改變加工條件，使材料產(chǎn)生的塑性變形程度隨之變化，切屑的類型便會相互轉化，當塑性變形尚未達到斷裂點就被切離時出現(xiàn)了帶狀切屑、變形后達到斷裂就形成擠裂切屑或單元切屑。因此，在生產(chǎn)中常常利用切屑轉化條件，使之得到較為有利的屑型。2.3 切削變形的變化規(guī)律切削變形是個復雜的過程，通常利用先進的測試儀器和手段，才能描繪出變形過程。目前，研

38、究切削變形的方法較多，例如通過試件側面網(wǎng)絡來觀察變形，分析切屑根部試樣中金相組織，高速拍攝變形過程，用掃描電鏡觀察切屑形成過程以及用x射線測定變形程度等。從相對滑移、變形系數(shù)計算式中可以知道，切屑變形的程度取決于剪切角和摩擦系數(shù)的大小。改變加工條件，促進增大、減小，就能減小切屑變形。影響切屑變形的因素很多，下面介紹的是其中最主要的、起決定作用的幾個因素。（1）前角增大前角，使剪切角增大，變形系數(shù)減小，因此，切屑變形減小。生產(chǎn)實踐表明，采用大前角刀具切削，刀刃鋒利，切入金屬容易，切屑與前刀面接觸長度lf減短，流屑阻力小，因此，切屑變形小、切削省力。（2）切削速度切削速度vc是通過積屑瘤使剪切角改

39、變和通過切削溫度使摩擦系數(shù)變化而影響切削變形的。以中碳鋼為例。vc在3-20m/min范圍內(nèi)提高，積屑瘤高度隨著增加，刀具實際前角增大，是剪切角增大，故變形系數(shù)h減?。籿c=20m/min左右時，h值最??；在20-40m/min范圍內(nèi)提高，積屑瘤逐漸消失，刀具實際前角減小，使減小，h增大。vc超過40m/min繼續(xù)增高，由于切削溫度逐漸升高，致使摩擦系數(shù)下降，故變形系數(shù)h減小。此外，在高速時，也由于切削層受力小，切削速度又快，切削變形不充分而使切屑變形減小。（3）進給量進給量f對切屑變形的影響規(guī)律如下，即進給量增f大，使變形系數(shù)減小。這是由于進給量f增大后，使切削厚度hd增加，正壓力fn增大，

40、平均正應力av增大，因此摩擦系數(shù)下降，剪切角增大所致。從另一方面來說。在一定切削厚度hd的切屑中，各切削層的變形的應力分布是不均勻的。近前刀面處的金屬層變形和應力大，離前刀面越遠的金屬層，變形和應力越小。因此，切削厚度hd增加，切屑中平均變形減??；反之，薄切屑的變形量大。（4）工件材料工件材料的機械性能不同，切屑變形也不同。材料的強度、硬度提高，正壓力fn增大，平均正應力av增大，因此，摩擦系數(shù)下降，剪切角增大，切屑變形減小。所以，切削強度、硬度高的材料，不易產(chǎn)生變形，若需達到一定變形量，應施較大作用力和消耗較多的功率。而切削塑性較高的材料，則變形較大。3 翅狀熱溝犁削的刀具速度對加工熱管散熱

41、片影響的實驗3.1實驗前期準備及其設備 工件材料的選擇為了得到平、直和規(guī)則的成行的散熱片，我們必須保證切屑是連續(xù)的帶狀切屑，而且使切屑形成散熱片通過控制切屑卷。正是由于切屑要成為工件的一部分，所以，切屑不能浪費，要充分利用材料。在上章的理論基礎里我已經(jīng)提過，要形成連續(xù)的帶狀切屑，工件的材料必須要有較高的塑性，故工件的材料我可以選擇銅、碳素鋼、合金鋼和鋁合金。但綜合考慮到材料的散熱性能與成本，我最終確定用銅作為工件的材料。刀具材料及其參數(shù)目前，生產(chǎn)中所用的刀具材料以高速鋼和硬質合金鋼居多。碳素工具鋼（如t10a、t12a）、工具鋼（如9sicr、crwmn）因耐熱性差，僅用于一些手工或切削速度較

42、低的刀具。由于高速鋼是一種加入較多的鎢，鉬、鉻、釩等合金元素的合金高速鋼。有較高的熱穩(wěn)定性，切削溫度達500-650oc時仍能進行切削；有較高的硬度、韌性、強度和耐磨性；其制造工藝簡單，容易磨成鋒利的切削刃，可鍛造。所以刀具的材料我選用高速鋼。高速鋼按用途可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。（1）型高速鋼 鎢鋼 典型牌號為w18cr4v。含w6%、cr4%、v1%。有良好的綜合性能，在600oc時起高溫硬度hrc48.5，可以制造各種復雜刀具。淬火時過熱傾向?。缓C量小，磨加工性好；碳化物含量高，塑性變形抗力大；但碳化物分布不均勻，影響薄刃刀具或小截面刀具耐用度；強度和韌性顯得不夠；熱塑性差，很

43、難用作熱成形方法制造的刀具鎢鉬鋼 將鎢鋼中的一部分鎢以鉬代替而得。典型牌號為w6mo5cr4v2。含w6%、mo5%、cr4%、v2%。碳化物分布細小均勻，具有良好的機械性能，抗彎強度比w18高10%-15%，韌性高50%-60%?？勺龀叽巛^小、承受沖擊力較大的刀具；熱塑性特別好，更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性也好，目前各國廣為應用。（1）能高速鋼是在通用高速鋼的基礎上再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素。按其耐熱性，又稱高熱穩(wěn)定性高速鋼。在630-650oc時仍能保持hrc60的硬度，具有更好的切削性能，耐用度較通用型高速鋼高1.3-3倍。適用于加工高溫合金、鈦合金、超高強度鋼等難加

44、工材料。綜合考慮到工件的材料與加工要求，刀具的材料我選擇高性能高速鋼，其牌號為w18crmoal。由于本人這次畢業(yè)設計的課題是翅狀熱溝犁削時的最佳速度的選擇，只要研究切削速度對翅狀熱溝犁削的影響，不要求對前角、后角，韌傾角、背吃刀量對翅狀熱溝犁削的影響作深入的研究。故我對刀具的參數(shù)選用如下。前角o為55o、后角o為3o、刃傾角s為0o、背吃刀量ap為0.3mm。實驗設備校辦工廠的牛頭刨床、牌號為w18crmoal的刀具若干（其幾何參數(shù)為（前角o為55o、后角o為3o、刃傾角s為0o）一定量的待加工金屬材料（黃銅）、切削中所需的冷卻液體、實驗所必要的測量工具（游標卡尺）、實驗數(shù)據(jù)記錄要用的筆和紙

45、、安全手套一雙。實驗條件：（1）同一個實驗必須在同車床上進行（2）在常溫下進行實驗（3）實驗時我們只允許變動切削速度，刀具的幾何參數(shù)按照上面的確定。通常這些數(shù)據(jù)可以在切削原理手冊上得到，所以一般不進行實驗分析：這樣一來，我們的課題研究就變得容易許多。3.2實驗過程總的來說，我和李正光實驗的步驟一樣，所以我和他一起合作完成的這次實驗。這個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，并把它們放在適當?shù)牡胤?，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）在完成一次完整的加工后，如果是最佳切削速度實驗就應該不斷調(diào)節(jié)機床的轉速，以達到

46、不斷改變切削速度的要求；如果是最佳刃傾角的實驗則需要在進行足夠的實驗次數(shù)才可停機換刀，用不同刃傾角的刀具繼續(xù)實驗。（4）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）驗完成之后，停機，并對機床進行及時清理和添加保護油。圖一說明了實驗過程。 圖一在工作臺與工件之間的導軌可以滿足工件能夠在軸線x方向移動和進給。工件的位置根據(jù)加工參數(shù)而調(diào)整，以使散熱片不會與其基部分離。刀具直線往復地刨削工件。刀具每一個直線往復運，就加工成一個散熱片，而且刀具每一個直線往復加工完成后，工作臺將被提升，后退和進給一次。垂直進給，y，決定散熱片的厚度。x被y和決定。它們之間的數(shù)學關系為 x=yctgx是沿x軸

47、線方向的進給，y是y方向的進給，是工件的傾角。兩個散熱片之間的間隙，p，能夠用下式進行換算： p=x/cos事實上，工件的傾角決定了兩散熱片之間的間隙。工件的傾角越大，兩散熱片之間的間隙越小，散熱片的越厚，散熱片與其根基之間的角度越大。翅狀熱溝犁削而形成的散熱片并不是垂直于其根基的，由于最終加工成的散熱片垂直排列于其根基。為了達到這個效果，可以用一個橡膠工件去壓緊散熱片的尾部，確保它能封閉住散熱片，然后推動橡膠工件以使所以的散熱片能夠垂直于根基，就如圖二所示一樣。圖二 散熱片的彎曲在翅狀熱溝犁削中散熱片的彎曲很大程度上影響散熱片的質量。為了獲得理想的熱管散熱片，抑制切屑的彎曲是必要的。根據(jù)實驗

48、，散熱片的彎曲方向有兩個：向旁邊的彎曲和向上的彎曲。根據(jù)運動學，寬度方向的速度梯度造成邊彎曲，而厚度方向的速度梯度造成向上的彎曲。有很多因素會造成翅狀熱溝犁削時散熱片的彎曲，如刀具的幾何參數(shù)和加工參數(shù)都對其有很大的影響。由于本人的課題是：基于翅狀熱溝犁削的刀具最佳切削速度的選擇研究，所以我這次畢業(yè)論文的重點將放在翅狀熱溝犁削時切削速度對散熱片的彎曲的影響上。實驗中應該注意的一些問題由于這個實驗是在車床上進行，而且實驗的時間很長，需要反反復復的操作，才可以得到可靠的實驗數(shù)據(jù)，尤其是切削刃傾角那個實驗還需要變換不同刃傾角的刀具，所以我們在實驗時應該注意許多細節(jié)問題，這些問題如果處理不當或者置之不理

49、將會嚴重影響我們的實驗結果，得到一些不合理的數(shù)據(jù)（即誤差過大的失真的實驗數(shù)據(jù)），甚至會威脅到我們的人身安全?，F(xiàn)將實驗中應該注意的一些問題稍作簡單的介紹。（1）在車床運轉時，即加工過程中，不要隨便用身體去接觸機器，以防造成人身傷害。（2）在變換切削速度的時候，應該停止加工，等到調(diào)到我們所要的速度時，方可開始加工，以減少誤差。（3）測量實驗結果時，對于剛從機床上取下的翅狀熱溝工件，應先進行冷卻，一定時間過后才可測量。（4）實驗過程中應該注意觀察機床的運轉情況，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，比如有雜質的混入使得切削參數(shù)發(fā)生變化，達不到我們實驗的要求，應該停機進行清理或者請問師傅，解決好這些問題。3.3 實驗數(shù)據(jù)

50、的獲得經(jīng)過辛苦的反反復復的實驗，我們得到了一些實驗數(shù)據(jù)，它是我們用于解決這個課題的關鍵。以下就是經(jīng)過整理后的實驗的基本數(shù)據(jù)。當然我們這里所得的實驗數(shù)據(jù)是在=、=、(切削深度)=0.3mm的條件下，進行實驗得到的。是指側彎曲變形的曲率，代表向上彎曲變形的曲率，是指實驗的次數(shù)。下面的是最佳切削速度實驗的數(shù)據(jù)表格：其中的單位是mm/s,u-c的單位是1/m(/mm),s-c也是1/m,f-q是指表面質量（face-quality）0.80.9 比較光滑，0.91.0 光滑，1.0非常古光滑，指理想值。405060708090100110120130140150u-c3.53.63.

51、2.52.03.02.02.12.0s-c1.00.01.00.01.02.01.00.00.01.02.01.02.00.01.01.00.01.02.00.01.02.00.01.00.02.00.01.00.00.01.00.00.02.01.02.02.01.00.01.01.01.00.02.00.

52、01.02.03.00.01.01.00.01.02.00.01.02.01.01.01.0n 555555555553.3.483.283.222.522.12.382.42.06 0.81.00.81.00.71.0f-q0951.00.90.950.80.8經(jīng)過本次實驗我們得到了所需要的數(shù)據(jù)，下章我將介紹運用相應的數(shù)學知識，對這些數(shù)據(jù)進行必要的處理，并對其進行分析、繪制出相應的數(shù)據(jù)曲線。4 實驗數(shù)據(jù)處理及其結果在獲得了可靠的實驗數(shù)據(jù)后，接下來的任務是對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析和處理，并根據(jù)我們的分

53、析結果，確定好在加工翅狀熱溝時的最佳的切削速度，即我們課題所要解決的問題。下面就是對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理過程。（1） 依據(jù)3.3節(jié)中的有關數(shù)據(jù)，分別在直角坐標系-c和直角坐標系-c中作出一系列的圖點，并用光滑的曲線把這些孤立的點連接起來，從而得到我們下一步所要的數(shù)學曲線。下面的圖三、圖四、就是我們數(shù)據(jù)的數(shù)學模型圖化。 （圖三） （圖四）（2）上面所作的曲線進行擬合，并求出其擬合的數(shù)學表達式，下面就二條曲線一一分析和擬合處理：（a）先研究u-c和的數(shù)學關系式。為了解決這個問題，這里我們需要引入最小二乘法擬合準則。最小二乘法選取各觀測點殘差的加權平方和作為目標函數(shù)，觀測點的殘差定義為y的觀測值與理

54、論值之差即=-。若觀測值的標準差，則觀測值的權重因子，觀測點加權平方和叫擬合量，用表示。這里=，最小二乘法就是把擬合的量作為目標函數(shù)，尋求使量最小的參數(shù)值作參數(shù)估計值即=min,由高等數(shù)學微分學上的求函數(shù)極值的方法可知，分別對，求偏導數(shù)并令各偏導數(shù)為0，就可得到m個獨立的關于c的線性方程組，解之便可得，。從而得到我們所需的曲線方程。下面用最小二準則求解u-c和的數(shù)學關系式。首先，我們不妨設u-c= (依求解和的數(shù)學關系式，對圖一進行曲線擬合，現(xiàn)將有關數(shù)據(jù)摘錄如下：405007080901001101201301401503.523.383.283.222.522.102.382.9002.0636注意：上面、的單位都是m, 表示數(shù)值相同為。根據(jù)圖三中的曲線形狀和實驗數(shù)據(jù)的分布情況，我們可假定其方程為：下面用數(shù)據(jù)處理的最小二準則來確定、的值。擬合量，對其求、的偏導數(shù)，并令它們?yōu)榱阌校?；。解上面?zhèn)€方程可得：、。下面來檢驗其可靠性，這里， .，其中n=12,m=3。顯然由檢驗準則可知道，我們所假設的方程式和實際曲