CN115889831B - 一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具及制备方法，所述方法包括鳞状凸起形成、倾斜阵列结构成型和三维连续翅片生成三个步骤。工件先通过犁切刀具的挤压堆积作用，形成平行连续排列的鳞状凸起；再由切削刀具的斜切撕裂，成型倾斜阵列结构；最后分离生成底部连续、表面呈倾斜结构的三维金属翅片。所述复合刀具包括刀柄、犁切刀具和切削刀具。犁切刀具包括平行等距排列的犁刀和刀具块；切削刀具呈倾斜状，即刃倾角为正，用于对工件的斜切撕裂、形成鳞状倾斜阵列结构。本发明所制备的鳞状倾斜阵列结构翅片比表面积大，具有更好的换热性能，且操作过程方便高效，适合产业化推广应用。

Description

一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具及制备方法

技术领域

本发明涉及切屑回收和金属翅片制造技术领域，更具体地说是一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具及制备方法。

背景技术

随着大规模集成电路技术的进步和大耗电量新应用的涌现，芯片正朝着小型化、集成化方向飞速发展，芯片的功耗也越来越高。芯片高热流密度的散热已成为微电子行业发展的阻碍。目前，集成电路芯片的主要散热方式是风冷，提高散热效率的途径主要是增大散热翅片的尺寸，或增加散热翅片的数量和高度，然而这些方法并不符合芯片向小型化快速发展的趋势。因此，随着芯片的集成度越来越高，功率和耗能越来越大，如何进一步提高散热翅片的散热效率成为微电子技术发展的一个难题。

与此同时，在金属切削过程中，大约有20％的工件材料转变为金属切屑，全球每年会产生巨大数量的废屑。传统的切屑回收方法主要是重熔法、电解精炼法和真空蒸馏法，但这些方法存在能耗大、环境污染严重、效率不高等问题；而新的回收方法如固态回收技术等，将废屑转化为工业坯料，虽然提高了效率，但工艺复杂，成本高昂。

若能将切削加工中产生的切屑直接转化为有换热性能的阵列结构金属翅片，不但可以有效解决切屑回收问题，而且还可用于小型电子元器件的散热。张嘉阳等在中国发明公开专利中公开了“用于阵列结构翅片成型的组合刀具、装置与方法”，但该阵列结构翅片成型的工艺主要用于制造针状翅片，而针状翅片的换热面积小，且该制备方法成形能力有所不足、用于成型的材料使用率也不高。研究发现，翅片表面为倾斜状阵列结构不仅可以增大其比表面积，还会干扰热边界的层流底层，故换热效率大大提高。现有的翅片制备工艺还不能制备倾斜阵列结构翅片，因此迫切需要一种用于制备倾斜阵列结构翅片的方法和复合刀具。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提出一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具。

本发明的另一个目的在于提供一种用于制备倾斜阵列结构翅片的方法，此方法能提高切屑回收效率和翅片散热性能。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供的一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具，包括刀柄、犁切刀具和切削刀具；

所述刀柄用于放置垫片、定位和安装刀具，包括安装座和与安装座连接的尾座，安装座上设置有位于不同高度的上槽和下槽；

犁切刀具可拆卸安装在所述上槽上，包括刀具块和设置在道具块一侧的犁刀，用于对管状工件的犁切挤压和堆积塑形，安装座设计为阶梯状，不同高度的槽上安装不同种类的刀具，犁切刀具安装在上槽，切削刀具安装在下槽，两个槽表面的大小与刀具尺寸相适配，槽的朝向与刀刃一致，阶梯形成的高度差保证刀具的正常工作；

切削刀具呈倾斜状，即刃倾角为正，切削刀具可拆卸安装在所述下槽上，包括前刀面和切削刃，用于对工件的斜切撕裂，以形成底部连续、表面呈鳞状倾斜阵列结构的三维金属翅片。

进一步地，在安装座上且位于上槽的下方设置有定位槽，所述切削刀具上设置有定位台，定位台能够插入所述定位槽内以实现切削刀具的定位，定位安装的操作简单方便。先将切削刀具置于下槽，定位台嵌入定位槽准确定位后，将螺栓穿过第二定位孔，并用螺母旋紧，当需要改变切削刀具前角等参数时，只需拆除螺母螺栓进行换刀即可。

进一步地，在刀柄的安装座和犁切刀具之间还设置有垫片，通过改变垫片的数量来改变犁切深度。

所述刀柄还设有水平的两个通孔，一方面适配犁切刀具的两个安装孔以辅助其装夹，另一方面是当需要改变犁切深度等参数时，在刀柄和犁切刀具之间加减垫片便可完成。

进一步地，上槽和下槽上分别设置有上定位孔和下定位孔，犁切刀具和切削刀具上相应设有分别与上定位孔和下定位孔配合的第一定位孔和第二定位孔，便于定位装夹。

进一步地，所述犁切刀具包括多个平行等距排列且设于刀具块一侧的犁刀，相邻犁刀之间设有犁槽，每个犁刀位于中心线两侧的犁削成形面完全相同，犁刀的下半部分包括犁削成形面和塑性变形面。

进一步地，所述切削刀具呈倾斜状，其刃倾角为正，即刀尖为切削刃的最高点；前刀面由切削刃倾斜向下延伸，利于制备过程中的翅片顺着其流出。

一种制备倾斜阵列结构翅片的方法，采用前述复合刀具，包括如下步骤：

步骤1、鳞状凸起生成

启动车床，使主轴带动管状金属工件旋转，复合刀具开始向工件待加工表面持续进给，金属受到犁切刀具的阻碍堆积，第一变形区发生严重的剪切变形，流入犁槽后，犁刀侧面对其进一步挤压塑形，金属发生了加工硬化和堆积膨胀，堆积部分同时又受尚未切削金属的阻挡而向上延伸，与底层交界处产生裂纹，逐渐撕裂成型出具有一定高度的、平行连续排列的鳞状凸起；

步骤2、倾斜鳞状结构生成

随着倾斜的切削刃切削鳞状凸起，金属由于摩擦力在前刀面逐渐堆积，使得切削力和剪切分力越来越大，切削刀具的斜切撕裂作用更加显著，金属底层在切削刀具的切削分割作用下成型连续的带材，鳞状凸起沿切削刃方向发生剪切滑移，其部分高度被削减，宽度大幅提高，成型为鳞状倾斜阵列结构，并沿前刀面流出，翅片雏形生成；

步骤3、三维连续翅片生成

随着复合刀具的继续进给，交界处裂纹扩展至金属底层，由于底层厚度大、强度高，裂纹终止扩展，此时翅片根部受到的阻碍释放，鳞状倾斜阵列结构开始水平流出，随后的金属再次通过犁切刀具的挤压堆积作用、切削刀具的斜切撕裂作用，生成下一组鳞状倾斜阵列结构，故底部连续、表面为鳞状倾斜阵列结构的三维连续翅片形成。

进一步地，在步骤1之前还包括步骤：画中心线，即在三爪卡盘上固定好管状工件，用中心划线尺找出工件的中心位置，并用黑色记号笔画线，这个中心线便是后续复合刀具开始切削的部位。

进一步地，对于表面不平整的管状工件，应先放置切削刀具在刀柄的下槽，定位台嵌入定位槽准确定位后，将螺栓穿过第二定位孔，并用螺母旋紧，将倾斜切削刃的刀尖与工件的中心线对齐，切削方向与工件轴向平行，手动操作进给箱，来回反复进给数次，利用切削刃磨平工件表面；完成此操作后，再进行犁切刀具的定位和安装，是否放置垫片视具体情况而定，完成复合刀具的拼装。

进一步地，所述管状工件的材料种类不受限制，可根据实际需求选择，如镁合金、纯铝、纯铜等；此外，工件的尺寸参数也可由需求任意选择。

与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

1、本发明制备倾斜阵列结构翅片的方法包括鳞状凸起生成、倾斜阵列结构生成和三维连续翅片生成三个步骤，通过犁切刀具的挤压、堆积和塑形作用，倾斜切削刀具的斜切撕裂作用，成型出三维鳞状倾斜阵列结构翅片；该原理巧妙且操作简单，在普通车床上便可完成，且且成本低、制备效率高，复合刀具可自动进给，运用于生产中的自动化程度高。

2、本发明的刀柄设计为阶梯状，可承受切削过程中较大的进给力，且不同高度的槽上安装不同种类的刀具，高度差保证了刀具的正常工作；尾座设计为长方体块状，便于在不同类型的机床上装夹，也能分担切削时的部分力矩。

3、本发明实现了关键切削参数的快速调整，刀柄上部分还设有两个水平通孔，通过旋松和旋紧螺母，可在刀柄和犁切刀具之间加减垫片，来改变犁切深度；刀柄的下槽设有定位孔，切削刀具也开有通孔，通过拆装螺栓螺母便可换刀，从而改变刀具前角。

4、本发明的犁切刀具包括多个平行等距排列的犁刀，设于刀具块左侧，从正面看单个犁刀为双边对称设计，即位于中心线两侧的犁削成形面完全相同，这有利于两侧金属的挤压力相互抵消；从侧面看分为犁削成形面和塑性变形面，犁削成形面负责挤压，塑性变形面负责塑形，实现了“一刀多用”。

5、本发明中，为了最后成型倾斜阵列结构的三维翅片，切削刀具设计为倾斜状，其刃倾角为正，即刀尖为切削刃的最高点，前刀面由切削刃倾斜向下延伸；此外，切削刀具右侧设有一水平的梯形的定位台，可嵌入刀柄的定位槽，来实现准确定位。

附图说明

图1为本发明中复合刀具的工作实例图；

图2为本发明中复合刀具的主视图；

图3为本发明复合刀具中的刀柄结构示意图；

图4为本发明复合刀具中的犁切刀具结构示意图；

图5为本发明复合刀具中切削刀具的等轴测视图；

图6为本发明复合刀具中切削刀具的左视图；

图7为本发明所制备的鳞状倾斜阵列结构翅片；

图8为本发明制备倾斜鳞状阵列结构翅片的原理示意图。

图中标号：100复合刀具、110刀柄、111尾座、112通孔、113上定位孔、114上槽、115定位槽、116下定位孔、117下槽、120犁切刀具、121第一定位孔、122刀具块、123安装孔、124犁刀、125犁槽、130大螺栓、140垫片、150大螺母；160切削刀具；161第二定位孔、162前刀面、163定位台、164刀尖、165切削刃、170小螺母、200工件、300三爪卡盘、400三维翅片、410鳞状倾斜阵列结构、420翅片底部。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-6所示，本发明提供的一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具100，包括刀柄110、犁切刀具120和切削刀具160。

刀柄110用于放置垫片、定位和安装刀具，包括安装座和与安装座连接的尾座111，安装座上设置有位于不同高度的上槽114和下槽117；犁切刀具120可拆卸安装在刀柄110的上槽114，用于对工件200的犁切挤压和堆积塑形，包括犁刀124和刀具块122，犁刀124设置在刀具块122的一侧；切削刀具160呈倾斜状，即刃倾角为正，包括前刀面162和切削刃165，可拆卸安装在刀柄110的下槽117上，用于对工件的斜切撕裂，形成底部连续、表面呈鳞状倾斜阵列结构的三维翅片400。

在本发明的其中一些实施例中，在安装座上且位于上槽114的下方设置有定位槽115，所述切削刀具160上设置有定位台163，定位台163能够插入所述定位槽115内以实现切削刀具160的定位。

在本发明的其中一些实施例中，上槽114和下槽117上分别设置有上定位孔113和下定位孔116，犁切刀具120和切削刀具160上相应设有分别与上定位孔113和下定位孔116配合的第一定位孔121和第二定位孔161。

上槽114上还设置有通孔112，犁切刀具120上开设有与通孔112配合的安装孔123。

在本发明的其中一些实施例中，复合刀具100使用高速钢W18Cr4V制造，其拼装和拆除操作简单：放置切削刀具160在刀柄110的下槽117中，定位台163嵌入定位槽115准确定位后，将螺栓穿过第二定位孔161，并用螺母旋紧；随后将犁切刀具120置于上槽114上，使其两个安装孔123与刀柄110上的两个通孔112位置对应，第一定位孔121与刀柄110的上定位孔113位置对应，再进行螺栓螺母固定；最后根据参数需求在切削刀具160和犁切刀具120之间增添垫片140，完成复合刀具100的拼装。

如图3所示，在本发明的其中一些实施例中，刀柄110设计为阶梯状，可承受切削过程中较大的进给力，不同高度的槽上安装不同种类的刀具，上下槽之间高度差为2cm，保证了刀具的正常工作；尾座111设计为长方体块状，便于在不同类型的机床上装夹，也能分担切削时的部分力矩。

在本发明的其中一些实施例中，如图4所示，犁切刀具120包括七个平行等距排列的犁刀124，设于刀具块122左侧，从正面看单个犁刀124为双边对称设计，即位于中心线两侧的犁削成形面完全相同；从侧面看分为犁削成形面和塑性变形面，犁削成形面负责挤压，塑性变形面负责塑形。

在本发明的其中一些实施例中，为了制备出鳞状倾斜阵列结构的三维翅片400，切削刀具160设计为倾斜状，其刃倾角为正，即刀尖164为切削刃165的最高点，前刀面162由切削刃165倾斜向下延伸；此外，切削刀具160右侧设有一水平的梯形的定位台163，可嵌入刀柄110的定位槽115中，来实现切削刀具160的准确定位，具体如图5和图6所示。

如图1所示，一种用于制备倾斜阵列结构翅片的方法，包括如下步骤：

步骤1、鳞状凸起生成

启动车床，使主轴带动金属材质的管状的工件200旋转，复合刀具100开始向工件待加工表面持续进给，金属受到犁切刀具120的阻碍堆积，第一变形区发生严重的剪切变形，流入犁槽125后，犁刀124侧面对其进一步挤压塑形，金属发生了加工硬化和堆积膨胀，堆积部分同时又受尚未切削金属的阻挡而向上延伸，与底层交界处产生裂纹，逐渐撕裂成型出具有一定高度的、平行连续排列的鳞状凸起；

步骤2、倾斜鳞状结构生成

随着倾斜的切削刃165切削鳞状凸起，金属由于摩擦力在前刀面162逐渐堆积，使得切削力和剪切分力越来越大，切削刀具160的斜切撕裂作用更加显著，金属底层在切削刀具160的切削分割作用下成型连续的带材，鳞状凸起沿切削刃方向发生剪切滑移，其部分高度被削减，宽度大幅提高，成型为鳞状倾斜阵列结构410，并沿前刀面162流出，翅片雏形生成；

步骤3、三维连续翅片生成

随着复合刀具100的继续进给，交界处裂纹扩展至金属底层，由于底层厚度大、强度高，裂纹终止扩展，此时翅片根部受到的阻碍释放，鳞状倾斜阵列结构开始水平流出，随后的金属再次通过犁切刀具120的挤压堆积作用、切削刀具160的斜切撕裂作用，生成下一组鳞状倾斜阵列结构410，故底部连续、表面为鳞状倾斜阵列结构的三维连续翅片400形成。制备鳞状倾斜阵列结构翅片的原理示意图如图8所示。

在本发明的其中一些实施例中，制备过程均是在干切削条件下的C6140A车床上完成的，其主轴转速范围为10—1400r/min，刀具进给量范围为0.08—1.95mm/r，考虑到制备的翅片获得最佳性能，车床主轴的转速选为180r/min，刀具进给量选为0.34mm/r；此外，由于C10200纯铜具有良好的延展性和在传热领域的应用，故选其作为工件200的材料，工件直径为70mm，壁厚为7mm。

在本发明的其中一些实施例中，在制备开始之前增添一个步骤：画中心线，即在三爪卡盘300上固定好工件200，用中心划线尺找出工件的中心位置，并用黑色记号笔画出中心线，随后调整切削刀具160的倾斜切削刃165的位置，使刀尖164与工件的中心线对齐，切削方向与工件轴向平行。

在本发明的其中一些实施例中，工件200的表面若不平整，应先放置切削刀具160在刀柄110的下槽117上，定位台163嵌入定位槽115准确定位后，将螺栓穿过第二定位孔161，并用螺母旋紧，将倾斜切削刃165的刀尖164与工件的中心线对齐，切削方向与工件轴向平行，手动操作进给箱，来回反复进给数次，利用切削刃165磨平工件表面。

在本发明的其中一些实施例中，所制备出的鳞状倾斜阵列结构翅片400全高约为2mm，翅片底部420厚度范围为0.20-0.25mm，相邻鳞状倾斜结构410间距约为0.50mm，其表面还具有微观的褶皱、裂痕和突起(约为100—150μm)；由此可见，该方法所制备的翅片比表面积大、基厚比低，具有更好的换热性能，具体如图7所示。

在本发明的其中一些实施例中，制备倾斜阵列结构翅片的方法包括鳞状凸起生成、倾斜阵列结构生成和三维连续翅片生成三个步骤，通过犁切刀具120的挤压、堆积和塑形作用，倾斜切削刀具160的斜切撕裂作用，成型出三维鳞状倾斜阵列结构翅片400；该原理巧妙且操作简单，在普通车床上便可完成，且成本低、制备效率高，复合刀具100可自动进给，运用于生产中的自动化程度高。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具，其特征在于：包括刀柄（110）、犁切刀具（120）和切削刀具（160），

所述刀柄（110）包括安装座和与安装座连接的尾座（111），安装座上设置有位于不同高度的上槽（114）和下槽（117）；

犁切刀具（120）可拆卸安装在所述上槽（114）上，包括刀具块（122）和设置在道具块（122）一侧的犁刀（124），用于对工件（200）的犁切挤压和堆积塑形，其中，所述犁切刀具（120）包括多个平行等距排列且设于刀具块（122）一侧的犁刀（124），相邻犁刀（124）之间设有犁槽（125），每个犁刀（124）位于中心线两侧的犁削成形面完全相同，犁刀（124）的下半部分包括犁削成形面和塑性变形面；

切削刀具（160）的刃倾角为正值，切削刀具（160）可拆卸安装在所述下槽（117）上，包括前刀面（162）和切削刃（165），用于对工件的斜切撕裂，以形成底部连续、表面呈鳞状倾斜阵列结构的三维翅片（400），其中，所述切削刀具（160）呈倾斜状，刀尖（164）为切削刃（165）的最高点；前刀面（162）由切削刃（165）倾斜向下延伸。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具，其特征在于：在安装座上且位于上槽（114）的下方设置有定位槽（115），所述切削刀具（160）上设置有定位台（163），定位台（163）能够插入所述定位槽（115）内以实现切削刀具（160）的定位。

3.根据权利要求1所述的一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具，其特征在于：在刀柄（110）的安装座和犁切刀具（120）之间还设置有垫片（140），通过改变垫片（140）的数量来改变犁切深度。

4.根据权利要求1所述的一种用于制备倾斜阵列结构翅片的复合刀具，其特征在于：上槽（114）和下槽（117）上分别设置有上定位孔（113）和下定位孔（116），犁切刀具（120）和切削刀具（160）上相应设有分别与上定位孔（113）和下定位孔（116）配合的第一定位孔（121）和第二定位孔（161）。

5.一种制备倾斜阵列结构翅片的方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的复合刀具，所述方法包括以下步骤：

步骤1、鳞状凸起生成

使主轴带动工件（200）旋转，复合刀具（100）开始向工件待加工表面持续进给，工件（200）受到犁切刀具（120）的阻碍堆积，第一变形区发生严重的剪切变形，流入犁槽（125）后，犁刀（124）侧面对其进一步挤压塑形，金属发生了加工硬化和堆积膨胀，堆积部分同时又受尚未切削金属的阻挡而向上延伸，与底层交界处产生裂纹，逐渐撕裂成型出具有一定高度的、平行连续排列的鳞状凸起；

步骤2、倾斜阵列结构生成

随着切削刃（165）切削鳞状凸起，金属由于摩擦力在前刀面（162）逐渐堆积，使得切削力和剪切分力越来越大，切削刀具（160）的斜切撕裂作用更加显著，金属底层在切削刀具（160）的切削分割作用下成型连续的带材，鳞状凸起沿切削刃方向发生剪切滑移，其部分高度被削减，宽度大幅提高，成型为鳞状倾斜阵列结构（410），并沿前刀面（162）流出，翅片雏形生成；

步骤3、三维连续翅片生成

随着复合刀具（100）的继续进给，交界处裂纹扩展至金属底层，由于底层厚度大、强度高，裂纹终止扩展，此时翅片根部受到的阻碍释放，鳞状倾斜阵列结构开始水平流出，随后的金属再次通过犁切刀具（120）的挤压堆积作用、切削刀具（160）的斜切撕裂作用，生成下一组鳞状倾斜阵列结构（410），故底部连续、表面为鳞状倾斜阵列结构的连续的三维的翅片（400）形成。

6.根据权利要求5所述的一种制备倾斜阵列结构翅片的方法，其特征在于，在步骤1之前还包括步骤：在三爪卡盘（300）上固定好工件（200），找出工件（200）的中心位置并画线，这个中心线便是后续复合刀具（100）开始切削的部位。

7.根据权利要求6所述的一种制备倾斜阵列结构翅片的方法，其特征在于：对于表面不平整的工件（200），应先将切削刀具（160）安装在刀柄（110）的下槽（117）上，将切削刃（165）的刀尖（164）与工件的中心线对齐，切削方向与工件（200）轴向平行，手动操作进给箱，来回反复进给数次，利用切削刃磨平工件表面；完成此操作后，再进行犁切刀具（120）的定位和安装。

8.根据权利要求5-7任一所述的一种制备倾斜阵列结构翅片的方法，其特征在于：所述工件（200）的材料种类为镁合金、纯铝、纯铜中的任一种。