微矩形連接器接觸鍵合面銑削毛刺工藝分析

康克勇，劉太國，李 杰，李君華

(1.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000；2.空裝成都局駐綿陽地區(qū)第二軍代表室，四川綿陽，621000)

1 引言

微矩形連接器接觸件鍵合面的成型根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征有不同工藝方式，密封微矩形連接器系列產(chǎn)品的鍵合面采用在組件燒結(jié)封裝后進(jìn)行加工。不同的鍵合工藝要求對鍵合面的成型方式及精度有差異性。氣密封微矩形連接器接觸件鍵合面的成型因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征的約束和鍵合工藝對鍵合面成型精度的要求，成為微矩形連接器產(chǎn)品的制造過程中鍵合面精度、產(chǎn)品性能保證關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。本文通過鍵合面的銑削工藝試驗，分析銑削過程中鍵合面的毛刺形成，并從加工工藝角度提出減小和控制鍵合面毛刺的工藝措施。

2 密封微矩形連接器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

密封微矩形連接器由金屬殼體、玻珠胚體和金屬插針通過燒結(jié)封裝形成。在燒結(jié)完成經(jīng)過性能檢測后為達(dá)成產(chǎn)品功能要求需在金屬插針孔桿部Φ0.6mm端部成型一個鍵合面平面，要求連接器上金屬針桿部鍵合面的粗糙度及兩排針鍵合面共面度滿足后工序工藝，最終密封微矩形連接器產(chǎn)品滿足自動化鍵合工藝要求。鍵合面成型工藝過程不得對組件的性能產(chǎn)生不良影響。因此鍵合面的成型加工應(yīng)保證其精度和形貌特征達(dá)到技術(shù)要求，同時對燒結(jié)封裝強度和玻璃體不被破壞，在玻璃體內(nèi)不產(chǎn)生、出現(xiàn)微裂紋。產(chǎn)品工序狀態(tài)如圖1。

圖1 產(chǎn)品工序狀態(tài)圖

技術(shù)要求：

1)鍵合面加工后插孔鍵合端不允許彎曲變形，同排插孔的扁平面即鍵合面的平面度不超過0.005mm,鍵合面扁粗糙度Ra0.8。

2)絕緣電阻：≥ 5000 MΩ(250V)，耐壓600V 。

3)氣密性要求：1.0*10-9/ Pa·m3/ s。

3 鍵合面的銑削工藝

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和鍵合面加工技術(shù)要求，實現(xiàn)鍵合面的成型工藝方式先后選擇模具壓扁、線切割成型、銑削成型、電火花成型，每種工藝方式在達(dá)到鍵合面技術(shù)要求和產(chǎn)品性能方面都具有各自工藝特點。在本文主要討論銑削成型工藝。

3.1 產(chǎn)品裝夾定位

產(chǎn)品上長短兩排針為間隙布置，長排每根金屬針桿部伸出殼體端部平面3mm,短排每根針伸出殼體端部平面2mm.,每根針與殼體間有玻珠體，針桿部直徑Φ0.6mm，鍵合面通過在每根針切削去除金屬材料層徑向厚度0.2mm.軸向高度1.0mm后實現(xiàn)。結(jié)合產(chǎn)品的這些特征，在銑削中每根針處在懸伸狀態(tài).為吸收切削過程中切削力對針桿部的切削沖擊力和減小變形，采用懸伸支撐護(hù)套來緩沖針桿部隨著切削去除材料層的剛度下降。產(chǎn)品采用懸伸支撐護(hù)套后再用精密夾鉗將產(chǎn)品安裝在銑床臺面進(jìn)行銑削加工如圖2 。

圖2 銑削裝夾示意圖

3.2 刀具選擇

根據(jù)針桿部的基體材料可伐合金4J29的特點和銑削去除材料層余量的特征，選用QS-LZZS4015-04，涂層銑刀HFJ 4FD1.5*5*50*D4。切削刃部直徑D1.5mm。

3.3 設(shè)備

所用設(shè)備為：TUSGUM VA3 三軸數(shù)控銑床。

3.4 銑削方式

分別采用軸向分層銑削和徑向分層銑削方式。兩種銑削方式都采用順銑削的方式，具體如圖3示意。

圖3 軸向分層和徑向分層銑削示意圖

軸向分層銑削即吃刀量為桿部去除余量0.2mm，刀具每次沿著針桿部軸線給定進(jìn)刀量，完成1.0mm去除材料層余量。徑向分層銑削即切削圓周切削高度為1.0mm,刀具每次給定進(jìn)刀量，完成去除材料層余量0.2mm。徑向和軸向銑削在分刀余量即分刀次數(shù)的設(shè)計上均采用粗精結(jié)合、先粗后精的加工方式，最后分刀余量為0.005mm。兩種銑削方式在完成銑削余量后均再進(jìn)行零余量走刀完成空刀行程一次。

3.5 銑削參數(shù)

機床轉(zhuǎn)速分別設(shè)為10000r/min和18000r/min

4 銑削樣本分析

通過采用前面銑削工藝，對樣本組件150只進(jìn)行加工試驗。其中采用軸向分層銑削QS-LZZS4010-04、順銑削30只，涂層銑刀HFJ 4FD1.0*5*40*D4徑向分層銑削、順銑削120只，具體見下表1：

表1 試驗樣本分組表

通過對樣本組A和樣本組B進(jìn)行相關(guān)檢查發(fā)下，檢測情況如下

4.1 尺寸精度

針位檢查編號如圖4。

圖4 組件針位號圖

抽取樣本組B中5只樣本進(jìn)行每個針中心位置檢查，長排針和短排針位置與銑削前發(fā)生0.02-0.04的偏移，但滿足技術(shù)要求。結(jié)果如下圖5：

圖5 長、短排針位中心距尺寸

4.2 鍵合面形貌

不同轉(zhuǎn)速下切削面粗糙度：與銑加工粗糙度樣板比對Ra0.8滿足；

長短排針切削面共面度：玻珠針組件化線檢測法檢測合格；(高差法)；

4.3 銑削中對氣密性的影響

采用軸向分層銑削和徑向分層銑削樣本用專用設(shè)備檢查氣密性漏氣率符合要求，發(fā)現(xiàn)氣密性未發(fā)生變異損失。

4.4 毛刺情況(ABC)

根據(jù)毛刺出現(xiàn)部位，將接觸件鍵合面針桿部端頭毛刺定義為A部毛刺，在針桿部銑削分層出刀處定義為B部毛刺，在針桿部鍵合面銑削底部定義為C部毛刺。徑向銑削和軸向銑削毛刺分布情況如下圖6和圖7。

徑向分層銑削A部位毛刺

徑向分層銑削B部位和C部位毛刺圖6 徑向分層銑削毛刺圖

軸向分層銑削A部位毛刺

軸向分層銑削B部位和C部位毛刺圖7 軸向分層銑削毛刺圖

5 毛刺形成機理分析

在切削加工產(chǎn)生毛刺是普遍存在的現(xiàn)象。毛刺的產(chǎn)生是材料的一種塑性變形。通常呈現(xiàn)出粗糙帶狀須狀、鋸齒狀和旗幟狀幾種形態(tài)。在加工完成之后，仍保留在工件的加工表面附近。通過樣本銑削加工出現(xiàn)在工件的棱邊、邊緣、末端都產(chǎn)生毛刺即ABC部位毛刺，與理論分析基本吻合相對應(yīng)。隨著進(jìn)給速度和軸向切削深度的增加，接觸件針基體為4J29可伐合金，塑形變形趨勢大，在小切削深度量下極易產(chǎn)生毛刺。

在銑削加工中兩個最主要的影響毛刺因素是選取的銑削參數(shù)和銑削加工工藝。

5.1 切削參數(shù)對毛刺的影響

四個影響毛刺尺寸的銑削參數(shù)包括背吃刀量ap(軸向切深)、每齒進(jìn)給量fz、主軸轉(zhuǎn)速n和徑向切深(ae側(cè)吃刀量)，在樣本銑削工藝試驗中通過對銑削參數(shù)的調(diào)整試驗，在徑向銑削方式中發(fā)現(xiàn)徑向吃刀量對BC毛刺尺寸影響程度最大，在軸向銑削中背吃刀量對A部位毛刺影響最大。即吃刀量是毛刺的影響程度最大因素。在銑削過程中，隨著背吃刀量的增加，刀具與工件的接觸面積會增大，刀具切削刃與工件之間的摩擦力相應(yīng)增加，微細(xì)銑削力增加。同時由于尺寸效應(yīng)的影響，需切削去除材料的體積遠(yuǎn)大于微徑銑刀的容屑體積，在同一時間內(nèi)流出的工件材料增加，在刀具旋轉(zhuǎn)過程中，刀具的螺旋切削刃使得切屑在工件表面流動，未經(jīng)切斷而直接排除，毛刺高度隨著背吃刀量增加而顯著增大。

主軸轉(zhuǎn)速在兩種銑削中對ABC部位毛刺均有同等作用影響。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，為毛刺高度呈現(xiàn)減小的趨勢。增加主軸轉(zhuǎn)速會使切削速度增加，被切削金屬變形速度加快，同時使刀具切削刃與工件的接觸時間縮短，銑削力減小，切削變形減輕，毛刺高度減小。進(jìn)給量(每齒進(jìn)給量)的影響不明顯。

在常規(guī)切削中，切削厚度HP遠(yuǎn)大于切削刃鈍圓半徑Rn，鈍圓半徑Rn的影響可以忽略。在微細(xì)切削中，Rn與HP相當(dāng)，或者大于HP，刀具鈍圓半徑Rn的影響不能忽略。在微細(xì)銑削過程中，刀具以較大前角進(jìn)行銑削，刀具和工件之間的摩擦和擠壓作用占有重要的位置，從而導(dǎo)致毛刺的形成。當(dāng)?shù)毒呓咏ぜ膺厱r，部分塑性變形材料不會隨切削脫落，而是殘留在工件棱邊外形出形成毛刺。

5.2 切削厚度對毛刺形成的影響

在常規(guī)銑削中，由于切削厚度比刃口半徑大得多，常規(guī)銑削中將刀具視為絕對鋒利的?？梢约俣ǖ毒咄耆コぜ砻娌牧隙纬汕行?。但是在微細(xì)銑削中，由于每齒進(jìn)給量非常小，切削厚度與刃口半徑相當(dāng)或者更小，因而并不是每一個刀齒過后都形成切屑。在微細(xì)銑削加工時存在一個最小切削厚度值，當(dāng)切削厚度小于最小切削厚度時，不會產(chǎn)生切屑。此時工件材料的去除主要是由于切削刃與工件的摩擦和擠壓作用完成。H.Weule在微細(xì)銑削中發(fā)現(xiàn)最小切削厚度效應(yīng)。指出在微細(xì)切削中最小切削厚度與刀具刃口半徑比值為0.293.M.P.Vogler使用有限元仿真法確定微細(xì)切削鋼材料的最小切削厚度為刀具刃口半徑的20-30%，認(rèn)為在不能形成切屑的犁耕狀態(tài)下，切削力越小，毛刺越小。

5.3 刀具懸伸量對毛刺的影響

刀具懸伸量是指裝夾刀具時，刀具露出刀柄的部分，如圖8所示L 的長度。增大刀具的懸伸量勢必會造成刀具系統(tǒng)剛度的降低，而微細(xì)銑削加工中刀具剛度對加工性能的影響不能忽視，微銑削毛刺尺寸隨著刀具懸伸量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。在微細(xì)銑削加工過程中，刀具的跳動量是影響銑削性能的重要因素之一，相對大的刀具跳動量不僅影響微銑削切屑的形成和加工表面質(zhì)量，同時也對微毛刺的形成有著很大的影響。由于微刀具尺度小，在加工時刀具系統(tǒng)的剛度會隨著刀具懸伸量的變化而變化，刀具懸伸量越大，刀具系統(tǒng)的剛度越低，在銑削力的作用下刀具會發(fā)生顫振，刀具在回轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生一定的偏心量，且隨著刀具系統(tǒng)剛度的降低而增大，隨著刀具懸伸量的增加，刀具剛度減小，從而導(dǎo)致刀具跳動量增加，毛刺高度也隨之增大。

圖8 刀具懸伸量示意圖

5.4 銑削加工中針桿部振顫對毛刺形成的影響

銑削過程中工藝系統(tǒng)的振動包括強迫振動和自激振動。自激振動是由切削過程中切削力的周期性作用引起的。軸向分層切削和徑向分層銑削兩種方式針桿部都會受到切削力的周期的波動非一致性作用，同時針桿部懸伸部分剛度會由于材料層去除而降低。毛刺在切削分層中隨著分層次數(shù)增加最后在出刀處和桿端部形成。

在分層銑削中，組件的外殼定位臺階尺寸波動、排針中心的共線度波動、針桿部外圓尺寸[Φ0.6]＿(-0.02)波動、長排針桿部高度[3.0]＿(-0.20)和短排針高度[2.0]＿(-0.20)不一致必然造成切削分層中的刀具切削深度(軸向和徑向)的程序設(shè)計量與實際差異波動，組件的精度因素是造成銑削工藝系統(tǒng)剛度穩(wěn)定性差異波動的重要因素，會促成每個針桿部的出刀處和桿端部毛刺大小的不一致。圖9為組件相應(yīng)尺寸封接狀態(tài)尺寸檢查數(shù)據(jù)。

圖9 組件相應(yīng)尺寸封接狀態(tài)尺寸檢查數(shù)據(jù)

毛刺直接影響組件零件加工質(zhì)量及使用壽命，嚴(yán)重時會影響零件的功能。由于零件尺寸小、毛刺的相對尺寸與常規(guī)情況下相比要大，常規(guī)毛刺去除工藝難應(yīng)用于鍵合面ABC部位毛刺的去除。去除毛刺時有可能造成零件的尺寸誤差和殘余應(yīng)力損傷工件。因此在銑削過程中必須從工藝上減小和控制接觸件鍵合面毛刺的生成。

6 毛刺抑制工藝措施

通過對銑削加工多批次樣本接觸件鍵合面針桿部ABC 毛刺狀態(tài)和形成原因的分析，切削方式、切削參數(shù)、刀具懸伸量、針桿部的剛度等因素都會對毛刺的形成產(chǎn)生作用和影響。為減小或控制在銑削中針桿部ABC 處毛刺，必須采用形成毛刺控制的工藝措施。

6.1 銑削方式

軸向分層銑削和徑向分層銑削樣本比較，在轉(zhuǎn)速、吃刀量相同情況下，軸向銑削的毛刺厚度和高度都比徑向分層銑削大，推薦采用徑向分層銑削。

6.2 切削參數(shù)

在徑向分層銑削的吃刀量對毛刺的影響最為嚴(yán)重，通過工藝摸索確定分層吃刀量并采用多種吃刀量組合方式、完全達(dá)到材料去除厚度再采用零吃刀量的空刀行程工藝，可以減小毛刺，因此推薦采用徑向分層的銑削方式。

主軸轉(zhuǎn)速選擇不小于12000RPM。

6.3 刀具懸伸量

針桿的銑削材料去除層余量小，在切削過程中為懸伸狀態(tài)，刀具的直徑確定為D1.0.刀具懸伸量L越長，刀具的剛性越差，切削力及主軸轉(zhuǎn)動的振動會造成刀具中心的偏移，造成對針桿部的振顫，加大毛刺生成。在不干涉產(chǎn)品其他部位(針桿部)的條件下，刀具懸伸量應(yīng)盡量短。

6.4 彈性護(hù)套

使用彈性護(hù)套，緩沖銑削過程中針桿部的沖擊和振動，降低毛刺的生成趨勢。

6.5 前工序組件的尺寸保證精度和一致性

組成組件的外殼定位尺寸、針桿部直徑和針位中心的共線度都會影響銑削中針桿部切削層理論厚度和實際厚度的差異。前工序零件的加工一致性和組件尺寸一致性必須在工序中控制。

7 結(jié)論

密封微矩形連接器接觸件鍵合面銑削工藝對鍵合面的銑削質(zhì)量有著重要影響。銑削方式、切削參數(shù)、刀具懸伸量、零件和組件的加工尺寸一致性是直接影響鍵合面銑削毛刺形成的直接因素。同時在加工中使用彈性護(hù)套可以緩解鍵合面毛刺的形成。