鋁基金剛石精密磨削工藝實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)佳亮 潘艷杰 代子鵬 張振高 王建杰

(①北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124;②北京衛(wèi)星制造廠，北京 100080)

1 鋁基金剛石復(fù)合材料概述

鋁基金剛石復(fù)合材料作為新一代電子封裝材料，在航空航天、電子器件的封裝等方面具有廣闊的前景。金剛石顆粒作為增強(qiáng)相添加到鋁基體中，使材料不僅能夠發(fā)揮鋁基體的高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、塑性好、價(jià)格便宜的優(yōu)勢，還能發(fā)揮金剛石顆粒的高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的特點(diǎn)[1]，可以大大增加金屬基體的耐磨性、硬度和熱導(dǎo)率，有效減小材料的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)還具備較高的楊氏模量和強(qiáng)度。

鋁基金剛石材料的密度：3.0～3.2 g/cm3,熱導(dǎo)率260～600 W/(m·K),熱膨脹系數(shù)7.0～9.2(10-6/K)，是理想的電子封裝材料[2]。為滿足電子封裝高性能、高可靠、小型化的要求，必須保證其制品具有高的表面精度及加工質(zhì)量。由于鋁基金剛石中的鋁合金基體相與金剛石顆粒增強(qiáng)相材料差異性相差較大，對其加工十分困難，且加工后樣件表面會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的缺陷，屬新型難加工材料[3-4]。在使用車削對鋁基金剛石進(jìn)行加工時(shí)，容易出現(xiàn)加工性能差、加工刀具磨損磨耗大、效率低及加工困難等技術(shù)難題。傳統(tǒng)磨削對其加工導(dǎo)致砂輪在磨削過程中損耗過快，尺寸不穩(wěn)定，磨屑堆積在工件表面。本文選用ELID磨削加工工藝方法[5-7]對鋁基金剛石進(jìn)行精密加工實(shí)驗(yàn)研究。

2 ELID磨削技術(shù)加工優(yōu)勢

(1)可實(shí)現(xiàn)微細(xì)磨粒的精準(zhǔn)遞進(jìn)微切削。ELID磨削中電極與砂輪之間發(fā)生電解反應(yīng)，通過陽極溶解的電解作用使砂輪表層的鑄鐵結(jié)合劑中鐵粉顆粒以鐵離子的方式脫離砂輪表面，同時(shí)也將鋁基金剛石加工過程中產(chǎn)生的粘附在砂輪表面的鋁基磨屑電解去除，使砂輪磨粒達(dá)到良好的修銳狀態(tài)，砂輪表層金剛石磨粒得以突出，露出鋒利的金剛石磨粒對鋁基金剛石材料表面進(jìn)行微切削，切削過程穩(wěn)定、可控，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋁基金剛石超精密去除。

(2)可實(shí)現(xiàn)對已加工表面精密鏡面加工。隨著電解進(jìn)行砂輪表面會(huì)形成一層氧化膜，具有良好的彈性和絕緣性起到防止砂輪過度電解的作用，同時(shí)部分電解脫落的微小磨粒溶托在砂輪表面的氧化膜中，能夠?qū)︿X基金剛石表面實(shí)現(xiàn)研拋加工作用，可以達(dá)到鏡面的磨削效果。

(3)可實(shí)現(xiàn)精密成形加工。離子級的電解去除作用對砂輪的尺寸影響微乎其微，砂輪形狀精度能夠長期保持不變。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)以型號為MSG-612CNC日本精密平面磨床為母機(jī)，將ELID磨削工藝系統(tǒng)與之相配套，建立實(shí)驗(yàn)平臺。該磨床的主要參數(shù)如表1所示。采用粒度120#的鑄鐵基金剛石砂輪對鋁基金剛石材料(體積分?jǐn)?shù)為30%、粒徑為50 μm)進(jìn)行ELID精密磨削加工實(shí)驗(yàn)。ELID磨削工藝系統(tǒng)及樣件檢測所用儀器如表2所示，實(shí)驗(yàn)所用鋁基金剛石材料為直徑60 mm、厚度10 mm的圓形薄片，如圖1所示。

表1 磨床主要參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)及檢測設(shè)備

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)可以很大程度上使計(jì)算過程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理變得簡單，同時(shí)可以部分消除各個(gè)回歸系數(shù)之間存在的關(guān)聯(lián)性，按照測量的數(shù)值直接找到最優(yōu)的范圍和區(qū)域[8-10]，多角度開展模擬分析。故本實(shí)驗(yàn)采用“二次正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)法” 探究鋁基金剛石復(fù)合材料ELID精密磨削各工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響關(guān)系及優(yōu)化工藝參數(shù)組合。選取磨削深度、砂輪線速度、占空比、電解電流為影響加工樣件表面粗糙度的4個(gè)主要影響因素作為自變量，按照上述順序分別記為Z1、Z2、Z3和Z4，在前期模擬試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定上述四因素的上、下兩水平，如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素取值范圍

表4 試驗(yàn)因素水平編碼表

表5 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

在二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)值分析與建模過程中，不同的量綱會(huì)發(fā)生各異的自身變異從而對數(shù)學(xué)模型引入不必要的誤差，故所有的數(shù)值分析都將建立在編碼水平Xm上，各試驗(yàn)因素水平編碼如表4所示。依據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行36組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)用 120#粒度的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪對樣件磨削加工，使用TR300表面粗糙度檢測儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，每個(gè)數(shù)據(jù)測量8次，除最大最小值以外的其他數(shù)值取均值，該數(shù)值即為采用這組工藝參數(shù)組合加工樣件后的表面粗糙度值[11]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表5所示。

4 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化

4.1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立

按照二次回歸分析的分析原理[12]，包含試驗(yàn)中4個(gè)因變量的表面粗糙度二次數(shù)學(xué)回歸模型是：

(1)

式中：i,j=1，2，3，4；為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的編碼水平；b0，bi，bij，bii為各變量及變量組合的回歸系數(shù)。根據(jù)相應(yīng)公式及表5里所記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，通過DPS軟件分析出每個(gè)回歸系數(shù)估值，得到表面粗糙度二次回歸方程[13]：

Y=153.250 00+7.583 33X1-20.666 67X2-

0.750 00X3-2.166 67X4+3.229 17X12+

4.729 17X22+3.604 17X32+4.354 17X42-

6.375 00X1X2+1.375 00X1X3-0.250 00X1X4-

0.750 00X2X3-0.625 00X2X4+1.125 00X3X4

4.2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型顯著性檢驗(yàn)

上述得到的鋁基金剛石ELID磨削表面粗糙度數(shù)學(xué)模型，需對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)以判斷其對實(shí)際情況的擬合程度。下面對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析進(jìn)而實(shí)施判定系數(shù)R2檢驗(yàn)，表6為試驗(yàn)結(jié)果的方差分析。利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對表面粗糙度數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用F檢驗(yàn)法對其進(jìn)行回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，采用R檢驗(yàn)法對其進(jìn)行回歸參數(shù)的顯著性檢驗(yàn)[14]。根據(jù)表面粗糙度實(shí)結(jié)果方差分析表得到F1=1.787 27F0.01(14,21)=3.07，呈極顯著水平，F(xiàn)3=32.445 1>F0.01(14,11)=4.30，呈極顯著水平，因此對于各試驗(yàn)因子，回歸方程的結(jié)果可以判定是可靠的。回歸模型判定系數(shù)R2=0.940 2，即試驗(yàn)所選取的因變量對被加工件的表面粗糙度值的影響程度是94.02%，由此得到本次試驗(yàn)得到的回歸方程與客觀測量事實(shí)的擬合程度較好。

表6 表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果方差分析表

4.3 基于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)優(yōu)化

對比磨削深度(X1)、砂輪線速度(X2)、電解電流(X3)和占空比(X4)四因素在表中各自的P值大小，發(fā)現(xiàn)磨削深度和砂輪線速度的一次項(xiàng)，砂輪線速度、占空比和電解電流的二次項(xiàng)，磨削深度與砂輪線速度的交互作用均差異極顯著(P<0.01)，而磨削深度的二次項(xiàng)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。從而可以判斷：各因素對鋁基金剛石表面粗糙度影響大小規(guī)律為:砂輪線速度>磨削深度>脈沖占空比>電解電流。

采用lingo軟件計(jì)算出鋁基金剛石復(fù)合材料優(yōu)化工藝參數(shù)組合[15-16]：磨削深度9.3 μm(0.77水平)、砂輪線速度36 m/s(2水平)、占空比63.7%(0.365水平)、電解電流11.5 A(-0.125水平)，在此工藝參數(shù)基礎(chǔ)上對鋁基金剛石復(fù)合材料進(jìn)行4組ELID超精密磨削加工實(shí)驗(yàn)，加工出表面粗糙度最低為149 nm的樣件表面，如圖3所示。

由圖3中已加工表面的鏡面效果可以看出，表面存在細(xì)微劃痕，鏡面光澤度不高。表面劃痕主要是因?yàn)镋LID磨削在實(shí)現(xiàn)微切削的同時(shí)不可避免在鋁合金基體表面留下磨粒尖端的痕跡；鏡面光澤度不高，是因?yàn)殇X基金剛石中的鋁基成分在加工后與空氣中氧發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化物致使表面變暗。

5 結(jié)語

根據(jù)鋁基金剛石ELID磨削實(shí)驗(yàn)研究，對加工結(jié)果進(jìn)行分析，主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對鋁基金剛石復(fù)合材料ELID磨削加工表面粗糙度檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到各因素對鋁基金剛石表面粗糙度影響作用的大小順序：砂輪線速度>磨削深度>脈沖占空比>電解電流。

(2)采用工藝參數(shù)為磨削深度9.3 μm、砂輪線速度36 m/s、占空比63.7%、電解電流11.5 A的ELID磨削工藝，對鋁基金剛石復(fù)合材料進(jìn)行精密加工，加工出表面粗糙度Ra149 nm的樣件加工表面。

(3)ELID磨削技術(shù)能夠解決鋁基金剛石在精密磨削加工中鋁屑粘附砂輪造成燒傷的難題，適合鋁基金剛石材料的精密成型磨削加工。