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(xué)院機(jī)電工程學(xué)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(dá)到1 GHz，而從本世紀(jì)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(gè)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(jì)的難度越來越高，所花費(fèi)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(fēng)冷仍是最經(jīng)濟(jì)、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(shí)排出，若不對其熱性能進(jìn)行深入的研究，并采取相應(yīng)的措施，將嚴(yán)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(gè)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(gè)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(jí)音響設(shè)備而言，由于其功率較大，隨著使用時(shí)間的持續(xù)增加，機(jī)箱溫度也必將持續(xù)增高，這樣音響的正常運(yùn)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(dāng)選用純銅散熱片時(shí)，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(dāng)前，純銅散熱片因其散熱性能強(qiáng)、加工性能好已被廣泛推廣應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、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(huì)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(yùn)用傳統(tǒng)切削工藝來加工，很難按照設(shè)計(jì)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(xiàng)先進(jìn)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(diǎn)，目前已廣泛的應(yīng)用到汽車、模具、輕工、電子工業(yè)、光學(xué)與精密機(jī)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(shí)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(jìn)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(shí)，在采用高速切削加工工藝對此類薄壁件進(jìn)行制造時(shí)，無論是工件的加工，還是裝夾都有相當(dāng)大的難度，因此，選取合適的裝夾方式、設(shè)計(jì)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(diǎn)分析

高速加工技術(shù)在加工剛性較弱的工件時(shí)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(shí)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(jìn)行深入分析，針對加工難度，進(jìn)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(jī)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(diǎn)主要有以下幾個(gè)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(shí)極容易粘刀，從而導(dǎo)致切削力增大，切削溫度升高，進(jìn)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(shí)，鰭片極易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致零件達(dá)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(jì)專用夾具來對其進(jìn)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(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，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(shí)零件產(chǎn)生彈性變形，嚴(yán)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(jī)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(diǎn)，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(xiàng)系統(tǒng)工程。在制定合理的加工工藝時(shí)，必須要重點(diǎn)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(gè)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(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：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(rèn)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(diǎn)很好地解決了鰭片加工時(shí)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(shí)，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(diǎn)也很好地解決了純銅加工時(shí)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(xué)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(xué)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(diǎn)，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(gè)適配性問題，即一種刀具材料加工某種工件材料時(shí)性能良好，但加工另一種工件材料時(shí)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(shí)，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(diǎn)，為了減少成本，最后選用整體超微粒硬質(zhì)合金（K20）刀具。

當(dāng)?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(shí)一般前角應(yīng)小于10°，后角應(yīng)大于5°~8°。高速銑削銅時(shí)，經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(jì)算主軸轉(zhuǎn)速n及每分鐘進(jìn)給進(jìn)量Vf：

直徑準(zhǔn)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(shí)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?zèng)_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(jìn)入加工區(qū)域，反而會(huì)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。現(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(diǎn)有：

一是，可以即時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)薄壁零件高效、高質(zhì)量加工的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)防變形裝夾的關(guān)鍵是裝夾時(shí)應(yīng)確保零件基準(zhǔn)面與工作臺(tái)面或夾具基準(zhǔn)面自然、致密貼合，零件基準(zhǔn)面多點(diǎn)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(shí)中心區(qū)域的可靠裝夾，中心區(qū)域在加工過程中會(huì)有顫振現(xiàn)象。針對零件的特點(diǎn)，采取了特殊的工藝措施和手段，并運(yùn)用專用夾具來對零件進(jìn)行裝夾，實(shí)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(shí)出現(xiàn)的變形。

三是，采用防變形夾具。主要是為防止加工時(shí)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(jī)床可方便的加工出來，使用時(shí)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(jìn)的制造技術(shù)，隨著各項(xiàng)新技術(shù)的不斷成熟和綜合運(yùn)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(huì)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(yán)重。盡管可以采用熱管等先進(jìn)技術(shù)，但是從價(jià)格、可靠性、易用性等方面考慮，風(fēng)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(shí)踐驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)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(shí)意義，同時(shí)也為今后這一領(lǐng)域?qū)W習(xí)和科研的工作者提供參考。

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