冷板散熱齒槽加工工藝方法的改進

2020-12-25 02:09:30馮洛陽張曉軍陳紅軍廖佳宏

雷達與對抗 2020年2期

馮洛陽，張曉軍，陳紅軍，廖佳宏

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引言

隨著裝備技術不斷發展，輕型化、模塊化技術應用越來越廣，對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元器件進行散熱的方式進行設計。由于裝備產品使用的各模塊結構形式差異，冷板的生產加工一直是中小批量的生產模式。采用精密鑄造或壓鑄等其他方式生產成本高昂，所以通常采用鋁合金板冷加工成型的方式進行生產。研究如何提高冷板散熱齒槽的加工效率以適應越來越短的生產交付周期是十分必要的。[1]

1 冷板散熱齒槽的結構特點及加工工藝性分析

圖1所示為某產品零件冷板散熱齒槽的結構外形圖，其主要尺寸長233.35 mm、寬150.1 mm,散熱齒槽31個，呈矩陣陣列分布，齒槽寬3.3 mm、齒寬1 mm、深10 mm,主要用來對印制板單元元器件進行散熱。主要考慮到31處散熱齒槽呈矩陣陣列分布密集，最初的加工工藝設計為數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行調整，避免人為因素產生的質量問題。實際加工后，能夠保證產品質量。但是，冷板散熱齒槽寬3.3 mm，現有最接近的立銑刀為直徑3 mm。每個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排出工件之外。所以，切削速度相對較慢，僅為300 mm/min。單件散熱齒槽的加工約需耗時240 min，加工效率低，生產成本高。若是采用定制直徑為3.3 mm的立銑刀，在保證切削參數不變的情況下加工時間可以節約一半，加工效率提高了。但是，定制刀具有一定的起訂量，價格是貨架產品的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

通過對冷板散熱齒槽的結構特性分析，結合臥式銑床用挑刀加工類似結構形式零件的生產經驗，將冷板散熱齒槽加工工藝調整到銑床，采用臥銑+單刃挑刀(如圖2所示)的加工方法進行加工試驗。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散熱齒槽的加工。通過多次調整銑床轉速和進給，確定了較為合理的轉速和進給，生產質量穩定，初步將加工時間縮短到單件66.65 min，生產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運動+工件隨機床X軸進行直線運動產生的切削運動，屬于被動切削。單刃挑刀加工冷板散熱齒槽時，假設機床X軸靜止，主軸旋轉的同時沿X軸進行主動切削運動。不同于數控加工中心立銑刀加工沿Z軸方向的分層切削，單刃挑刀進行散熱齒槽加工是刀具繞主軸旋轉的圓周沿X方向位移進行層切削加工。這種工藝方法刀具每旋轉一周即可完成散熱齒槽寬度和深度兩個尺寸的加工，且由于刀具旋轉離開工件本體時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速為1 200 r/min,進給速度為300 mm/min，計算出單刃挑刀每旋轉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，機床主軸中心到刀尖距離為切削半徑R，軸心運動路徑與刀具每次切削頂點的夾角為α。由A點向B點進行切削運動過程中，A點為被加工件起點，B點為被加工件終點，主軸軸心由O1移動到O2，刀具刀尖由A點移動到B點，位移量為被加工件長度L。此時，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，刀具實際切削距離L實為零件散熱齒槽長度L與ΔL之和，即

L實=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，α為60°。L按圖紙尺寸233.35計算，所以，L實=L+ΔL=L+Rcosα=233.35+75cos60=270.85 mm。

圖4 實際切削刀具路徑

3 生產效率途徑的提高

3.1 通過單件時間計算公式分析提高生產效率的有效方法

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

T單件=t基+t輔+t布+t休

布置工作地時間t布一般取基本操作時間的2%～7%，這里取中間值5%；休息和生理需要時間t休按工作時間的10%計算。實際生產中臥式銑床使用轉速為1 200 r/min，進給速度F為300 mm/min。

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

表1 單刃挑刀加工冷板散熱齒槽加工時間

3.2 三刃挑刀的制作要點

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0.02 mm之內，外側兩把刀具的外沿距離為相鄰3個散熱齒槽的之間最大距離11.9 mm,公差保證在正負0.02 mm之內。

圖5 三刃挑刀實物圖

3.3 三刃挑刀加工效果

在不改變切削參數的情況下，統計三刃挑刀加工冷板散熱齒槽的時間,見表2。單件冷板散熱齒槽的加工時間縮短到了23.65 min，約為單刃挑刀加工時間的1/3。在加工過程中經過簡單修磨，每組三刃挑刀能夠滿足50件冷板散熱齒槽的加工需求，質量穩定。每組三刃挑刀的刀具壽命與單刃挑刀基本相當。相對單刃挑刀加工方法，大大降低了工人的勞動強度和人為坐標調整造成的失誤率。