冷板散熱齒槽加工工藝方法的改進(jìn)

馮洛陽，張曉軍，陳紅軍，廖佳宏

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著裝備技術(shù)不斷發(fā)展，輕型化、模塊化技術(shù)應(yīng)用越來越廣，對(duì)集成化程度要求越來越高。集成化要求越高，元器件散熱要求越高。因此，如何處理好元器件散熱問題越來越重要。目前，產(chǎn)品部分模塊采用冷板正面裝配印制板單元，背面通過冷板的散熱齒對(duì)元器件進(jìn)行散熱的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于裝備產(chǎn)品使用的各模塊結(jié)構(gòu)形式差異，冷板的生產(chǎn)加工一直是中小批量的生產(chǎn)模式。采用精密鑄造或壓鑄等其他方式生產(chǎn)成本高昂，所以通常采用鋁合金板冷加工成型的方式進(jìn)行生產(chǎn)。研究如何提高冷板散熱齒槽的加工效率以適應(yīng)越來越短的生產(chǎn)交付周期是十分必要的。[1]

1 冷板散熱齒槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝性分析

圖1所示為某產(chǎn)品零件冷板散熱齒槽的結(jié)構(gòu)外形圖，其主要尺寸長233.35 mm、寬150.1 mm,散熱齒槽31個(gè)，呈矩陣陣列分布，齒槽寬3.3 mm、齒寬1 mm、深10 mm,主要用來對(duì)印制板單元元器件進(jìn)行散熱。主要考慮到31處散熱齒槽呈矩陣陣列分布密集，最初的加工工藝設(shè)計(jì)為數(shù)控加工中心立銑刀分層銑削的方式，可以一次裝夾完成所有齒槽的加工，加工過程不需人為進(jìn)行調(diào)整，避免人為因素產(chǎn)生的質(zhì)量問題。實(shí)際加工后，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量。但是，冷板散熱齒槽寬3.3 mm，現(xiàn)有最接近的立銑刀為直徑3 mm。每個(gè)散熱齒槽至少需要來回兩刀才能完成齒槽寬度尺寸加工，且直徑3 mm銑刀剛性較差，層切削每刀切削深度僅為2 mm,再加上碎小的切屑在切削過程中無法及時(shí)排出工件之外。所以，切削速度相對(duì)較慢，僅為300 mm/min。單件散熱齒槽的加工約需耗時(shí)240 min，加工效率低，生產(chǎn)成本高。若是采用定制直徑為3.3 mm的立銑刀，在保證切削參數(shù)不變的情況下加工時(shí)間可以節(jié)約一半，加工效率提高了。但是，定制刀具有一定的起訂量，價(jià)格是貨架產(chǎn)品的2倍左右，增加了刀具成本，所以未采用該方法。

圖1 零件圖紙

通過對(duì)冷板散熱齒槽的結(jié)構(gòu)特性分析，結(jié)合臥式銑床用挑刀加工類似結(jié)構(gòu)形式零件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將冷板散熱齒槽加工工藝調(diào)整到銑床，采用臥銑+單刃挑刀(如圖2所示)的加工方法進(jìn)行加工試驗(yàn)。先是刃磨單刃挑刀的刃寬與散熱齒槽寬度相同，刃長略大于散熱齒槽深度，保證一次即可完成單個(gè)散熱齒槽的加工。通過多次調(diào)整銑床轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，確定了較為合理的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，初步將加工時(shí)間縮短到單件66.65 min，生產(chǎn)效率與加工中心選用直徑3 mm立銑刀相比提升了約3.5倍。

圖2 單刃挑刀實(shí)物圖

2 冷板散熱齒槽加工刀具路徑分析

臥式銑床加工冷板散熱齒槽是利用刀具繞主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)+工件隨機(jī)床X軸進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的切削運(yùn)動(dòng)，屬于被動(dòng)切削。單刃挑刀加工冷板散熱齒槽時(shí)，假設(shè)機(jī)床X軸靜止，主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿X軸進(jìn)行主動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)。不同于數(shù)控加工中心立銑刀加工沿Z軸方向的分層切削，單刃挑刀進(jìn)行散熱齒槽加工是刀具繞主軸旋轉(zhuǎn)的圓周沿X方向位移進(jìn)行層切削加工。這種工藝方法刀具每旋轉(zhuǎn)一周即可完成散熱齒槽寬度和深度兩個(gè)尺寸的加工，且由于刀具旋轉(zhuǎn)離開工件本體時(shí)可以將切削帶離齒槽，排屑順暢。單刃挑刀加工冷板散熱齒槽選擇的主軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,進(jìn)給速度為300 mm/min，計(jì)算出單刃挑刀每旋轉(zhuǎn)一周的層切削厚度為0.25 mm,切削阻力小。

如圖3所示，被加工件長度L，槽深H，機(jī)床主軸中心到刀尖距離為切削半徑R，軸心運(yùn)動(dòng)路徑與刀具每次切削頂點(diǎn)的夾角為α。由A點(diǎn)向B點(diǎn)進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)過程中，A點(diǎn)為被加工件起點(diǎn)，B點(diǎn)為被加工件終點(diǎn)，主軸軸心由O1移動(dòng)到O2，刀具刀尖由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，位移量為被加工件長度L。此時(shí)，被加工件初始端到O2直線段之間槽深相等，O2到被加工件末端散熱齒槽未全部加工，這段距離用ΔL表示。所以，臥式銑床加工冷板散熱齒槽的切削過程中，刀具實(shí)際切削距離L實(shí)為零件散熱齒槽長度L與ΔL之和，即

L實(shí)=L+ΔL

圖3 模擬單刃挑刀加工冷板散熱齒槽刀具路徑

由圖3可以看出：

ΔL=Rcosα

實(shí)測了單刃挑刀加工冷板散熱齒槽的加工半徑為75 mm，如圖4。此時(shí)，α為60°。L按圖紙尺寸233.35計(jì)算，所以，L實(shí)=L+ΔL=L+Rcosα=233.35+75cos60=270.85 mm。

圖4 實(shí)際切削刀具路徑

3 生產(chǎn)效率途徑的提高

3.1 通過單件時(shí)間計(jì)算公式分析提高生產(chǎn)效率的有效方法

通常零件加工的單件時(shí)間包含基本時(shí)間t基、輔助時(shí)間t輔、布置工作地時(shí)間t布及休息和生理需要時(shí)間t休。生產(chǎn)中單件時(shí)間計(jì)算公式為[2-3]

T單件=t基+t輔+t布+t休

布置工作地時(shí)間t布一般取基本操作時(shí)間的2%～7%，這里取中間值5%；休息和生理需要時(shí)間t休按工作時(shí)間的10%計(jì)算。實(shí)際生產(chǎn)中臥式銑床使用轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，進(jìn)給速度F為300 mm/min。

在臥式銑床上采用單刃挑刀進(jìn)行冷板散熱齒槽加工，每次走刀僅能完成一個(gè)散熱齒槽的加工，且每個(gè)散熱齒槽加工后需要齒槽尺寸測量、切屑清理，再次調(diào)整確認(rèn)下一道散熱齒槽的加工坐標(biāo)等工作。這些輔助工作產(chǎn)生的時(shí)間與切削時(shí)間相等。從表1可以看出，冷板散熱齒槽加工主要耗時(shí)t基和t輔。要提高散熱齒槽生產(chǎn)率，從這兩方面入手效果會(huì)最明顯。而臥式銑床中多刀加工通常是提高生產(chǎn)率最直接有效的方法。將單刃挑刀改良為多刃可以進(jìn)行多道散熱齒槽同時(shí)加工，實(shí)現(xiàn)多刀單件加工。

表1 單刃挑刀加工冷板散熱齒槽加工時(shí)間

3.2 三刃挑刀的制作要點(diǎn)

考慮到目前臥式銑床刀桿挑刀安裝口寬度限制(僅能滿足三刃挑刀裝夾)(如圖5所示)，參照單刃挑刀的刀具角度制作了三刃挑刀。三刃挑刀的制作要點(diǎn)是首先保證三把單刃挑刀組裝后挑刀切削刃最底部保持在一條直線上，同時(shí)相鄰兩把刀具中間間距為散熱齒的厚度1 mm,公差保證在正負(fù)0.02 mm之內(nèi)，外側(cè)兩把刀具的外沿距離為相鄰3個(gè)散熱齒槽的之間最大距離11.9 mm,公差保證在正負(fù)0.02 mm之內(nèi)。

圖5 三刃挑刀實(shí)物圖

3.3 三刃挑刀加工效果

在不改變切削參數(shù)的情況下，統(tǒng)計(jì)三刃挑刀加工冷板散熱齒槽的時(shí)間,見表2。單件冷板散熱齒槽的加工時(shí)間縮短到了23.65 min，約為單刃挑刀加工時(shí)間的1/3。在加工過程中經(jīng)過簡單修磨，每組三刃挑刀能夠滿足50件冷板散熱齒槽的加工需求，質(zhì)量穩(wěn)定。每組三刃挑刀的刀具壽命與單刃挑刀基本相當(dāng)。相對(duì)單刃挑刀加工方法，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和人為坐標(biāo)調(diào)整造成的失誤率。

表2 三刃挑刀加工冷板散熱齒槽加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4 3種冷板散熱齒槽加工工藝的加工效率對(duì)比

首先將上文提到的3種加工工藝的冷板散熱齒槽單件生產(chǎn)時(shí)間用柱狀圖來表達(dá)。由圖6可以看出，通過對(duì)冷板散熱齒槽的加工工藝改進(jìn)，零件的單件生產(chǎn)

時(shí)間由最初的加工中心柱狀銑刀加工的240 min降到臥式銑床單刃挑刀加工的66.65 min，進(jìn)而縮短到臥式銑床三刃挑刀加工的23.65 min。通過兩次的加工工藝改進(jìn)后，現(xiàn)冷板散熱齒槽的單件生產(chǎn)時(shí)間僅為最初加工中心加工時(shí)的9.85%，生產(chǎn)效率提升了10倍。

圖6 3種加工工藝的加工效率對(duì)比

5 結(jié)束語

本文通過參考普通銑床加工單道凹槽的經(jīng)驗(yàn)，將冷板散熱齒槽加工方法由柱狀立銑刀數(shù)控銑削調(diào)整為普通臥式銑床挑刀加工的方式，在提高加工效率的同時(shí)節(jié)約了生產(chǎn)成本。結(jié)合普通臥式銑床的現(xiàn)有條件制作出三刃挑刀,進(jìn)一步提升了冷板散熱齒槽的效率,用傳統(tǒng)機(jī)床解決了數(shù)控機(jī)床的加工瓶頸。