利用在立式加工中心上装硬质合金刀具，加工大平面零件一个例子

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1.概述
    改革开放已走过了20多年，我国的制造业借改革开放之东风，已经取得了长足的发展。电子产品制造业作为国民经济的支柱产业之一，越来越受到重视。高效率的功放类产品是其中的一类重要的产品，而作为其核心部件的散热器设计制造越来越趋向复杂，它的设计制造质量将直接影响到电子设备的工作性能。经过反复地试验摸索，目前自行开发设计制造的散热器通过对零件表面粗糙度、平面度提出的较高要求，利用目前现有的加工设备完全可以生产出符合要求的零件。
2.散热器工作性能及加工的特点
图1  散热器结构图
    散热问题成为是长期困扰功放类产品性能的大问题。散热器是功放单元的重要部件，它的功能是将功放发热元件产生的热能通过模块传导至散热器上，再通过风机将热能排出机外。
散热器表面的粗糙度直接影响到传导热阻，设计提出的表面粗糙度要求达到Ra1.6µm。目前生产的散热器材料为铝合金，通过钎焊成形后进行表面的加工处理。考虑到散热器本身表面积较大，一般为410mm×440mm，按普通机床设计的工作精度，将难以保证零件本身粗糙度及平面度的要求。
    为提高生产效率，充分发挥设备效能，我们经过反复试验摸索，利用目前先进的立式加工设备及硬质合金刀具，我们寻找到了一条比较有效的解决途径，即用立铣床来进行粗加工，精加工安排在立式加工中心上进行，同时找到了比较理想的加工参数。
3.影响散热器大平面加工质量的问题分析
    较小表面加工通常采用普通立铣刀，但对于类似散热器等对表面质量要求较高的大平面的加工，传统工艺多采用飞刀切削，以提高零件表面加工质量及保证生产效率。传统的飞刀一直采用高速钢刀具，高速钢刀具耐磨性差，我们在实际加工过程中常常是在加工三、四件后就需要磨刀，最终会影响加工表面质量。刀具的刃磨通常是手工操作，无法保证每把刀切削刃角的一致性，这都会直接影响加工表面的质量，因此，加工表面的质量也无法保证一致性。
    众所周知，影响切削加工表面粗糙度的因素有以下几种：
    1）残留面积——理论残留面积高度是由刀具相对于工件表面的运动轨迹所形成，它是 影响表面粗糙度的基本因素。其高度可根据刀具的主偏角Kr、副偏角K'r、刀具圆弧半径rε和进给量f的几何关系计算出来。实际表面粗糙度最大值大于残留面积高度。
    2）鳞刺——在较低及中等速度下，用高速钢、硬质合金或陶瓷刀片切削塑性材料（低、中碳钢，铬钢，不锈钢，铝合金及紫铜等）时，在已加工面常出现鳞片状毛刺，使表面粗糙度数值增大。
    3）积屑瘤——积屑瘤代替刀刃进行切削时，会引起过切，并因积屑瘤的形状不规则，从而在工件表面上划出沟纹；当积屑瘤分裂时，可能有一部分留在工件表面上形成鳞片状毛刺，同时引起振动，使加工表面恶化。
    4）切削过程中的变形——由于切削过程中的变形，在挤裂或单元切屑的形成过程中，在加工表面上留下波浪形挤裂痕迹；在崩碎切屑的形成过程中，造成加工表面的凸凹不平；在刀刃两端的已加工表面及待加工表面处，工件材料被挤压而产生隆起。这些均使加工表面粗糙度数值进一步增大。
    5）刀具副后刀面的磨损——刀具在副后刀面上因磨损而产生的沟槽，会在已加工表面上形成锯齿状的凸出部分，使加工表面粗糙度数值增大。
    6）刀刃与工件相对位置变动——机床主轴回转精度不高，各滑动导轨的形状误差与润滑状况不良，材料性能的不均匀性，切削的不连续性等，使刀具与工件间已调好的相对位置，发生附加的微量变化，引起切削厚度、切削宽度或切削力发生变化，甚至诱发自激振动，从而使表面粗糙度数值增大。
综合分析上述问题，从刀具、工件及切削条件等因素考虑，由于我们是在立式加工中心上加工，机床的精度、刚度较高，完全可以满足加工精度的要求，硬质合金刀具的耐磨性很好，因此，影响切削加工表面粗糙度的主要因素可归结为：残留面积和鳞刺。我们只要减小残留面积高度和鳞刺就可以使加工面的表面粗糙度数值降低至设计要求的范围内。
4.散热器大平面加工参数选择
残留面积高度可根据刀具的主偏角Kr、副偏角K'r、刀具圆弧半径rε和进给量f的几何关系计算出来。在刀具不变的情况下，只和进给量f有关系。而且残留面积高度与进给量成正比。因此，只要减小进给量，就可以减小残留面积高度，从而减少粗糙度数值。鳞刺的产生主要与切削速度有关，是在低、中速下产生的。因此，只要提高切削速度，就可以避免鳞刺的产生。通过以上分析，我们只要选用合理的切削参数，就可以保证加工出粗糙度Ra1.6µm要求的平面。
    以前曾经有人用硬质合金刀试加工过，由于粗糙度达不到Ra1.6µm的要求，所以就一直没有采用硬质合金刀加工。那么，是什么原因造成粗糙度达不到Ra1.6µm要求呢？询问后得知其采用的切削参数为：机床转速v=1500r/min，进给量f=500mm/min。我们可以通过如下计算找出问题的主要原因。
（1）当刀具夹角为90°，刀具刀尖圆弧半径rε=0，刀盘上同时装有四把同一规格的硬质合金刀时，机床转速v=1500r/min，进给量f=500mm/min时，如右图2所示，机床旋转一圈的情况。设每转切削量为fz
fz = f/4v = 500/（4×1500）= 0.0833mm/r           图2  90°刀具加工模型
由右图不难得出残留面积高度H便是我们文中所提出的粗糙度值Ra
tg15°= H / X    ……………………①
tg15°=（fz - X）/ X   ……………②
由①、②两式，不难得出H = 0.0208mm
远远大于Ra为1.6µm的要求。由计算公式我们不难得出，要降低H值，则要增大v，减小f。
    结合现有立式加工中心加工性能参数，取f=150mm/min，v=5000r/min
fz = f/4v = 150/（4×5000） = 0.0075mm/r
tg15°= H / X       ……………………③
tg15°=（fz - X）/ X    ………………④
由③、④两式，不难得出H = 0.0019mm
即Ra=1.9µm，基本符合图纸技术要求。
（2）上述（1）中所讨论的是理想状态下，
刀具刀尖圆弧半径rε为零的特殊情况，在硬质合金刀具实际制造过程中不可能做到绝对清角。现估计rε=0.05mm，则当f=150mm/min，v=5000r/min时，即fz = 0.0075mm/r，则
    H = rε -［rε2 - （fz / 2）2］0.5
      = 0.05 -［0.052 -（0.0075 / 2）2］0.5
      = 0.00014mm                              图3 rε=0.05mm，90°刀具加工模型
    即Ra为0.14µm，粗糙度值远远小于图纸要求。但综合考虑现有立式加工中心、刀具及实际加工情况，经过多次反复试验摸索，我们依旧选择如下切削参数，v=5000r/min，f=150mm/min，使加工的产品完全符合图纸要求。
5.结论
经多次工艺试验，在保证四把硬质合金刀（刀具刀尖圆弧半径rε=0.1mm，主偏角Kr
=75°，副偏角K'r=15°）加工的情况下，采用提高机床转速v，降低进给量f的方式，即取切削参数如下：转速v=5000r/min，进给量f=150mm/min，使问题得到了比较好地解决。经计算，散热器表面残留面积理论高度约为H=0.14µm。对加工面实际测量粗糙度数值为Ra 0.8～1.2µm，依旧低于设计要求的Ra1.6µm，满足了设计要求。
    采用此切削参数加工了散热器，均得到满意结果且零件的一致性较好。由于试验立式加工中心上进行的，该加工中心极限转速为6000r/min，所以试验时取转速5000r/min，因此进给量f（150mm/min）较小，生产效率较低。如果立式加工中心转速能提高到15000 r/min，那么进给量就可取450 mm/min，这样生产效率就可以大大提高。当然，此切削参数只是在最后精加工时采用，粗加工时可以取较大的进给量以提高生产效率。
    散热器表面的加工仅仅是大平面零件在立式加工中心中加工的一个例子，通过实践分析，引入硬质合金刀具，选择合适的机床转速和进给量将大大地提高零件的制造质量，从而有效解决功放类电子产品由于机械结构接触表面质量而影响工作性能的问题。

[ 本帖最后由 yhhyhh 于 2005-9-20 18:44 编辑 ]

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