純銅散熱片的高速切削技術(shù)研究

黃松茂，劉小娟

（中山職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，廣東 中山528404）

近些年來電子工業(yè)正處在飛速發(fā)展的道路上，電子產(chǎn)品呈現(xiàn)出高速度、高密度、微型化的發(fā)展趨勢。就以中央處理器CPU為例，過去數(shù)十年的研發(fā)才使其頻率達到1 GHz，而從本世紀初到現(xiàn)在，處理器的最高頻率己經(jīng)突破4 GHz大關(guān)。晶體管數(shù)量的增加一方面有效地提高了處理器的執(zhí)行效率，但是，另一方面也帶來了功耗和發(fā)熱量直線上升的問題。

目前，熱失效已成為高集成度電子設(shè)備的主要失效形式。研究表明，單個半導(dǎo)體原件的溫度升高10℃，系統(tǒng)的可靠性降低50%，超過 55%的電子設(shè)備及其產(chǎn)品其失效形式是由溫度過高引起的，利用散熱片來增加散熱面積是有效散熱技術(shù)中最常見的方式。隨著電子元器件發(fā)熱密度增加的趨勢，散熱的需求日益增加，散熱設(shè)計的難度越來越高，所花費的成本越來越多。未來各種不同的冷卻技術(shù)如水冷、冷凍循環(huán)以及浸入式沸騰冷卻等都可用來解決散熱問題。盡管如此，采用散熱片的空冷或者風冷仍是最經(jīng)濟、最可靠的散熱方式。

對于高集成度芯片而言，在使用過程中必須確保高熱流密度條件下電子設(shè)備熱量能及時排出，若不對其熱性能進行深入的研究，并采取相應(yīng)的措施，將嚴重影響高集成度電子設(shè)備的熱可靠性。因而研究怎樣更好的把電子設(shè)備上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去己成為電子制造業(yè)一個迫切需要解決的問題。

1 問題的提出

對于電子產(chǎn)品的散熱片的散熱性能而言，其影響因素主要有兩個方面：一方面是材料的選擇，另一方面是散熱片的加工工藝。比如，對于使用純鋁散熱片的高級音響設(shè)備而言，由于其功率較大，隨著使用時間的持續(xù)增加，機箱溫度也必將持續(xù)增高，這樣音響的正常運行狀況及其使用壽命很容易因散熱片散熱性能的好壞而受到制約。根據(jù)散熱片材料的自身特性，我們不難發(fā)現(xiàn)純銅散熱片比鋁散熱片散熱性能要好幾倍，當選用純銅散熱片時，電子設(shè)備的使用性能和使用壽命都得到了有效的提升。當前，純銅散熱片因其散熱性能強、加工性能好已被廣泛推廣應(yīng)用在發(fā)動機、電腦CPU、高檔音響等設(shè)備上做為散熱裝置[1]。

對于散熱片而言，材料的選擇、加工方法的確定對其散熱性能好壞有著很大的影響。在材料選取上，最初我們選擇的是鋁，后來發(fā)展到銅，到今天在有些設(shè)備上已采取了銅鋁結(jié)合的散熱片。在加工方法上，目前主要有鋁擠式散熱片、塞銅式散熱片、壓固法、鍛造式散熱片、鑄造法等。傳統(tǒng)的鑄造、壓固等方法因其模具制造成本比較高、模具損壞比較大大、產(chǎn)品生產(chǎn)周期比較長等因素的制約，導(dǎo)致無法適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)備對散熱片多樣性及高散熱性能的要求。

傳統(tǒng)的切削方法相對于鋁擠型散熱片，切削工藝解決了散熱片的鰭片厚長之比的限制。切削工藝是利用特殊的刀具將整塊材質(zhì)削出一層層的鰭片，這種散熱鰭片可薄至0.5 mm，而且散熱片的鰭片和底座是一體的，因而就不會出現(xiàn)界面阻抗的問題。不過這種切削工藝在生產(chǎn)的過程中廢料多和量品率低的影響使得成本居高不下[2]。鈍銅散熱片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)其材料及結(jié)構(gòu)的特殊性，經(jīng)分析可知，如果運用傳統(tǒng)切削工藝來加工，很難按照設(shè)計要求加工出合格的產(chǎn)品。高速切削技術(shù)是近些年來迅速崛起的一項先進制造技術(shù)。

高速切削技術(shù)具有高效率、高質(zhì)量、高精度、低耗能的特點，目前已廣泛的應(yīng)用到汽車、模具、輕工、電子工業(yè)、光學與精密機械等行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造中。借助于現(xiàn)代制造業(yè)中高速切削技術(shù)的廣泛實踐，這種高速切削技術(shù)有望成為簡單結(jié)構(gòu)純銅散熱片最理想的制造方式。對于散熱片利用高速切削技術(shù)進行加工，其關(guān)鍵是利用特殊的刀具將整塊材質(zhì)削出一層層的鰭片（由于散熱片的鰭片和底座是一體的），用以避免出現(xiàn)界面阻抗的問題[3]。同時，在采用高速切削加工工藝對此類薄壁件進行制造時，無論是工件的加工，還是裝夾都有相當大的難度，因此，選取合適的裝夾方式、設(shè)計合理夾具、刀具選擇、參數(shù)確定、制定合理的高速切削加工工藝都是非常重要的（如圖1所示）。

圖1 純銅散熱片結(jié)構(gòu)圖

2 純銅散熱片高速切削技術(shù)難點分析

高速加工技術(shù)在加工剛性較弱的工件時候，與其他加工方法相比較有其特有的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在切削力小、切削熱變形低、切削速度高、單位時間去除材料率大、加工精度高等方面[4]。高速飛出的切屑可以有效帶走加工中產(chǎn)生的熱量，即便在沒有任何方式冷卻的條件下，零件和刀具的熱變形和受壓變形也很小。用此方法加工純銅散熱片這類薄壁零件，在加工工件剛性較差的情況下，也是能取得滿意的加工效果。但是要取得較高的加工質(zhì)量，也必須對這類零件進行深入分析，針對加工難度，進行逐一突破解決。經(jīng)分析可知，影響純銅散熱片這類薄壁零件加工精度的因素主要取決于由機床、夾具、刀具和工件構(gòu)成的工藝系統(tǒng)的幾何誤差、受力受熱變形和工件內(nèi)應(yīng)力引起的誤差[5]。對于這類薄壁零件加工精度的影響因素及加工難點主要有以下幾個方面:

（1）材料塑性大。塑性是指材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。零件采用的是純銅材料，塑性非常大，在加工時極容易粘刀，從而導(dǎo)致切削力增大，切削溫度升高，進而使得刀具壽命縮短。因此，為保證刀具的使用壽命，就必須采取措施來盡量減少粘刀現(xiàn)象。

（2）鰭片深度大，壁厚薄。鰭片深度30mm、壁厚為1.5 mm，加工此類零件時，鰭片極易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致零件達不到要求。

（3）裝夾困難。此薄壁件因材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，采用虎鉗裝夾極易產(chǎn)生變形且不能很好保證牢靠的裝夾，所以必需要設(shè)計專用夾具來對其進行裝夾。此類薄壁件加工的關(guān)鍵一方面是選擇何種裝夾方式，有效地減少裝夾變形；另一方面是要盡量避免零件在加工時產(chǎn)生振動，保證工件的加工精度和表面質(zhì)量。

（4）毛坯和半成品本身有形狀誤差，按誤差復(fù)映規(guī)律反映到加工后的零件上；裝夾時零件產(chǎn)生彈性變形，嚴重影響加工表面的幾何精度和位置精度；切削力作用使零件產(chǎn)生變形；機床、附件、夾具本身剛性不足，影響加工精度。

前面所提及的這些加工精度影響因素及加工難點，零件彈性變形是主要甚至是決定性的原因，其次工藝系統(tǒng)熱變形和零件的殘余應(yīng)力也是引起變形的重要原因，因此要獲得尺寸、形狀、位置精度穩(wěn)定的零組件，是一項系統(tǒng)工程。在制定合理的加工工藝時，必須要重點綜合考慮這些因素。

3 采取的技術(shù)措施

為了可以加工出精度較高的純銅散熱片類薄壁零件，必須解決以上提及到的問題，通過綜合考慮，可以采取以下幾個方面的技術(shù)措施來解決上述難題。

（1）采用高速切削加工

高速切削加工技術(shù)代表著切削加工技術(shù)最高水平，在國內(nèi)外已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用，高速切削加工有三個顯著的優(yōu)點：高效率、高精度、高表面質(zhì)量、低切削力和低切削溫度[6]。

高速切削與普通切削加工相比，切削力，尤其是徑向切削力可降低30%以上。由于切削速度高，切削熱來不及傳到工件，大部分被切屑帶走，一般認為大約有90%以上切削熱被切屑帶走。因此，高速切削加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可控制在很小的水平，這一特點很好地解決了鰭片加工時變形的問題。

高速切削與普通切削相比，切削速度快、材料變形速度塊、應(yīng)變率大，不易產(chǎn)生積屑瘤。同時，由于切削速度較快，切削表面來不及產(chǎn)生塑性變形，切削加工已經(jīng)完成。這一特點也很好地解決了純銅加工時產(chǎn)生的粘刀現(xiàn)象，一方面可提高零件表面質(zhì)量，另一方面提升了刀具壽命，較低了加工成本。

（2）合理選擇刀具材料及刀具幾何參數(shù)

高速銑削要求高速刀具材料與被加工材料必須有較小的化學親和力，具有良好的熱穩(wěn)定性、抗沖擊性、耐磨性、抗熱疲勞性，并具有優(yōu)良的力學性能等。高速切削刀具材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、立方氮化硼和金剛石。它們各有優(yōu)點，適合不同的工件材料和不同的切削速度范圍。刀具材料與工件材料之間有一個適配性問題，即一種刀具材料加工某種工件材料時性能良好，但加工另一種工件材料時卻不理想，換句話說，不存在一種可適用于所有工件材料高速加工的萬能刀具材料。

高速切削刀具材料必須根據(jù)所加工的工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言，涂層刀具及CBN刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的高速加工；PCD刀具適合于對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工；陶瓷刀具應(yīng)用于加工各種鑄鐵、鋼件、熱噴涂噴焊材料、鎳基高溫合金等；金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金[7]。

散熱片材料采用的是純銅，屬有色金屬，可以選擇硬質(zhì)合金或PCD刀具，在切削有色金屬時，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十甚至幾百倍，考慮到此零件的特點，為了減少成本，最后選用整體超微粒硬質(zhì)合金（K20）刀具。

當?shù)毒卟牧线x定后，刀具幾何參數(shù)的選擇對刀具的壽命和切削速度有較大的影響，與普通銑削相比，高速銑削時一般前角應(yīng)小于10°，后角應(yīng)大于5°~8°。高速銑削銅時，經(jīng)驗值為：刀具前角 0°~5°，后角 12°~16°.

（3）合理的選擇切削用量

切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量三要素。切削用量的選用直接影響到生產(chǎn)效率、加工精度、表面粗糙度以及銑刀的壽命等一系列問題，鑒于該零件材料的加工性能及結(jié)構(gòu)的特殊性，應(yīng)合理選擇切削用量。具體選擇見銑削參數(shù)如表1所示。

表1 銑削參數(shù)

根據(jù)銑削參數(shù)表計算主軸轉(zhuǎn)速n及每分鐘進給進量Vf：

直徑準6 mm V=300m/min

由Vf=fzZn得出Vf=0.09×4×16 000≈6 000 mm/min

（4）冷卻及潤滑

在高速銑削時由于金屬去除率和切削熱的增加，切削介質(zhì)必須具備將切屑快速沖離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的能力。常規(guī)的切削液及加注方式很難進入加工區(qū)域，反而會加大銑刀刃在切入切出過程的溫度變化，產(chǎn)生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性?，F(xiàn)代刀具材料，如硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷和金屬陶瓷、CBN等具有較高的紅硬性，如果不能解決熱疲勞問題，可不使用切削液。經(jīng)本人研究，決定采用高壓氣體冷卻。采用此種冷卻方法的優(yōu)點有：

一是，可以即時的把帶有絕大部分切削熱的切屑吹離工件。

二是，避免使用切削液后帶來的環(huán)境污染及危害操機人員身體健康問題。

三是，延長刀具使用壽命，降低成本。

（5）防變形裝夾

防變形裝夾技術(shù)也是實現(xiàn)薄壁零件高效、高質(zhì)量加工的關(guān)鍵，實現(xiàn)防變形裝夾的關(guān)鍵是裝夾時應(yīng)確保零件基準面與工作臺面或夾具基準面自然、致密貼合，零件基準面多點均勻受力緊固。用傳統(tǒng)壓板裝夾，因零件截面尺寸較大，僅靠四周搭壓板無法保證加工時中心區(qū)域的可靠裝夾，中心區(qū)域在加工過程中會有顫振現(xiàn)象。針對零件的特點，采取了特殊的工藝措施和手段，并運用專用夾具來對零件進行裝夾，實踐應(yīng)用之后收到了較好的加工效果。具體措施如下：

一是，采用順銑的刀具路徑。一方面可以延長刀具的使用壽命，另一方面可以提高加工精度。

二是，采用輪廓優(yōu)先的刀具路徑。主要是為了防止薄片在加工時出現(xiàn)的變形。

三是，采用防變形夾具。主要是為防止加工時中心區(qū)域出現(xiàn)的顫振現(xiàn)象，如圖2所示。此夾具通過使用線切割機床可方便的加工出來，使用時先將中心區(qū)域薄片加工出來，然后通過此夾具將中心區(qū)域壓緊。

圖2 防變形夾具及裝夾示意圖

4 結(jié)束語

高速切削加工技術(shù)是先進的制造技術(shù)，隨著各項新技術(shù)的不斷成熟和綜合運用，以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征的高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛。近年來隨著工作頻率和電流的不斷增加，電子芯片、設(shè)備的散熱問題越來越嚴重。盡管可以采用熱管等先進技術(shù)，但是從價格、可靠性、易用性等方面考慮，風冷和自然冷卻散熱器仍是首選。本文在分析目前傳統(tǒng)加工存在的問題基礎(chǔ)上，提出了一種高速切削技術(shù)在純銅散熱片加工上的有效應(yīng)用，經(jīng)過實踐驗證，這種加工方法可以有效克服傳統(tǒng)加工所帶來的問題，提高加工效率、減少加工成本、降低勞動強度、保證加工質(zhì)量、增加企業(yè)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景及現(xiàn)實意義，同時也為今后這一領(lǐng)域?qū)W習和科研的工作者提供參考。

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