T/R組件封裝用鋁硅合金高速銑削試驗(yàn)研究

徐志偉，王振亞

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)中的最核心零部件，隨著雷達(dá)向著大功率，高集成化發(fā)展，要求T/R組件同步朝著大功率、高集成、高性能方向發(fā)展[1]。這就要求T/R組件封裝材料有著低密度、與組件內(nèi)部陶瓷基板相匹配的熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)良性能。鋁硅合金復(fù)合材料能夠較好的匹配T/R組件封裝材料的核心要求[2]且具有密度低、比強(qiáng)度及比剛度相對較高的優(yōu)點(diǎn)，非常符合雷達(dá)T/R組件的發(fā)展需求，有著廣闊的應(yīng)用前景，但是由于硬度較高的增強(qiáng)相(Si)的加入導(dǎo)致該材料切削加工性能相對較差，加工效率較低，加工成本較高。

大型相控陣?yán)走_(dá)對T/R組件的需求量巨大，T/R組件封裝用殼體的制造效率和制造成本是制約T/R組件封裝材料工程化應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。目前T/R組件封裝用鋁硅合金殼體的制造一般采用普通加工中心等傳統(tǒng)手段進(jìn)行，因封裝用鋁硅合金材料增強(qiáng)體含量較高(CE11材料Si含量50%)可切削性較差，加工效率較低，生產(chǎn)成本增加明顯。高速切削較傳統(tǒng)切削具有更高的加工效率、更低的切削力、較低生產(chǎn)成本且可加工高硬度材料的優(yōu)點(diǎn)[3]。針對鋁硅合金的高速切削，大連理工大學(xué)及北京航空航天大學(xué)等高校做了相關(guān)研究，但其僅限于低硅鋁合金(Si含量小于20%)，針對T/R組件封裝用高硅鋁合金的高速切削研究較少[4-5]。

本文針對由于T/R組件封裝用鋁硅合金材料硅含量較高(CE11硅含量50%)導(dǎo)致的傳統(tǒng)加工中切削性能較差、切削效率較低、加工成本高的問題，通過三刃硬質(zhì)合金端面銑刀加工CE11的高速切削試驗(yàn)，分析高速銑削情況下切削要素對切削溫度、切削力的影響，尋找兼顧加工效率和質(zhì)量的高速銑削參數(shù)。

1 鋁硅合金高速銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

T/R組件封裝用鋁硅合金材料的制備技術(shù)一般有：噴射沉積+熱等靜壓技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、無壓滲透技術(shù)。噴射沉積技術(shù)具有無宏觀偏析、顯微組織細(xì)小而均勻，制備成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。本文中試驗(yàn)材料為某型號雷達(dá)T/R組件封裝材料-噴射成形CE11，其材料性能如表1所示。

表1 CE11材料性能

試驗(yàn)刀具為M.A.FORD高性能硬質(zhì)合金端面銑刀，直徑Φ=5.7 mm，試驗(yàn)使用的加工中心為米克朗HSM700高速數(shù)控加工中心，機(jī)床最高轉(zhuǎn)速30 000 r/min。

1.2 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集方案

本試驗(yàn)主要探討在高速銑削情況下，銑削參數(shù)對切削溫度、切削力的影響，故該試驗(yàn)主要考慮切削力及切削溫度的準(zhǔn)確采集。銑削力的測量與采集主要采用Kistle動(dòng)態(tài)測力儀，測力儀的壓電傳感器可以同時(shí)測量3 個(gè)方向的銑削力。銑削力的定義為：進(jìn)給方向?yàn)閄，銑刀徑向切深的方向?yàn)閅，刀具軸向?yàn)閆，其原理如圖1所示。切削溫度的測量目前較常用的方法有：紅外測溫法、自然熱電偶法和人工、半人工熱電偶法。本試驗(yàn)采用夾絲半人工熱電偶法測量高速銑削時(shí)銑削溫度，避免了對刀具材料的溫度標(biāo)定，使得試驗(yàn)過程得以簡化，圖2所示為夾絲半人工熱電偶測溫原理圖。銑削溫度測采集使用NI USB-6211多功能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。

圖1 切削力、切削溫度采集原理圖

圖2 夾絲半人工熱電偶測溫原理圖

圖3 夾絲半人工熱電偶試樣實(shí)物

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)的目的主要是探索電子封裝用CE11在高速銑削過程中切削參數(shù)對切削力及切削溫度的影響，因切削參數(shù)較多，每個(gè)參數(shù)可以選擇的水平也較多，若進(jìn)行全水平、全因子試樣，試驗(yàn)的規(guī)模較大，所耗費(fèi)的試驗(yàn)成本巨大且試驗(yàn)周期長，長時(shí)間、大批量的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性及可靠性難以保證，故本文在原有加工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相對少量試驗(yàn)，以期較經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地反映切削力及切削溫度的變化情況。另外為排除切削液對切削力及切削溫度的影響，本試驗(yàn)全部進(jìn)行干式切削，具體試驗(yàn)方案如下：

1)在高速加工中心，進(jìn)行進(jìn)給量、背吃刀量恒定，主軸轉(zhuǎn)速改變的單因素切削試驗(yàn)，探索主軸轉(zhuǎn)速對切削力及切削溫度的影響；

2)在高速加工中心，進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量恒定，進(jìn)給量改變的單因素切削試驗(yàn)，探索進(jìn)給量對切削力及切削溫度的影響；

3)在高速加工中心，進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量恒定，背吃刀量改變的單因素切削試驗(yàn)，探索背吃刀量對切削力及切削溫度的影響。

2 鋁硅合金高速銑削試驗(yàn)

2.1 變主軸轉(zhuǎn)速的鋁硅合金高速銑削試驗(yàn)

主軸轉(zhuǎn)速是金屬切削中的重要加工參數(shù)，是影響切削力和切削溫度的一個(gè)主要參數(shù)，本組試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速從14 000 r/min逐步增加至29 000 r/min，其余切削參數(shù)保持不變(進(jìn)給量0.1 mm/r，背吃刀量0.1 mm，切寬5.7 mm)，切削力及切削溫度隨著轉(zhuǎn)速變化如圖4、圖5所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速對各切削分力的影響

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對切削溫度的影響

從圖4可以看出，在其他切削參數(shù)恒定，加工中心主軸轉(zhuǎn)速變化的切削試驗(yàn)中，軸向切削力fz明顯大于切向切削力fy及徑向切削力fx，fx與fy隨主軸轉(zhuǎn)速的變化不明顯，故對于電子封裝用CE11的高速切削其軸向切削力為其主切削力，主軸轉(zhuǎn)速不是fx與fy的顯著影響因素，且切削力fx及fz均在24 000 r/min時(shí)出現(xiàn)最大值，fy在23 000 r/min時(shí)出現(xiàn)最大值，后續(xù)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，各切削分力均存在不同程度降低。切削力局部出現(xiàn)尖點(diǎn)，是由于鋁硅合金材料硅顆粒晶粒度均布分布不均，在切削試驗(yàn)過程中，銑刀短暫完全切削硅顆粒所致。

從圖5可以看出，切削溫度最大值發(fā)生在主軸轉(zhuǎn)速為18 000 r/min時(shí)，在轉(zhuǎn)速18 000 r/min之前溫度隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在轉(zhuǎn)速18 000 r/min之后，切削溫度隨轉(zhuǎn)速的增大而降低。

在小于16 000 r/min及大于27 000 r/min情況下，切削力及切削溫度均處于一個(gè)相對較低的值，因試驗(yàn)用米克朗HSM700高速數(shù)控加工中心最高轉(zhuǎn)速僅為30 000 r/min，27 000 r/min已逼近機(jī)床極限轉(zhuǎn)速，故在16 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，通過試驗(yàn)探討進(jìn)給量對切削力及切削溫度的影響。

2.2 變進(jìn)給量的鋁硅合金高速切削試驗(yàn)

在主軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，每轉(zhuǎn)切削量的大小，直接影響金屬的切削效率。本組試驗(yàn)在其余切削參數(shù)保持不變(主軸轉(zhuǎn)速16 000 r/min，背吃刀量0.1 mm，切寬5.7 mm)的情況下，通過進(jìn)給量的改變探索切削力及切削溫度隨著進(jìn)給量的變化情況，如圖6、圖7所示。

圖6 進(jìn)給量對各切削分力的影響

圖7 進(jìn)給量對切削溫度的影響

從圖6的切削力試驗(yàn)結(jié)果可知，軸向切削力fz是切削中的主切削力，fz在進(jìn)給量0.12 mm/r時(shí)達(dá)到最大值為24 N，隨著進(jìn)給量的繼續(xù)增大，fz緩慢減小，并在0.25 mm/r時(shí)達(dá)到最小，為12.81 N。這與CE11材料本身的物理特性有關(guān)，試驗(yàn)用鋁硅合金的晶粒度水平約為50 μm，其基體為Al，增強(qiáng)相為Si顆粒，因Si顆粒硬度較高，加工難度較大，在小進(jìn)給量的切削試驗(yàn)中，銑刀較大概率的切削硬度較大的Si顆粒造成切削力的增大[6]。fx與fy在小進(jìn)給量時(shí)切削力較大，隨著進(jìn)給量的增加，切削力有所減小，但減小不顯著。

從圖7可以看出，切削溫度在小進(jìn)給量時(shí)較大，隨著進(jìn)給量的逐步加大，切削溫度逐步下降，并在進(jìn)給量0.12 mm/r時(shí)到達(dá)最低值，隨后緩慢增大。

在進(jìn)給量改變，其它切削參數(shù)恒定(主軸轉(zhuǎn)速16 000 r/min，背吃刀量0.1 mm，切寬5.7 mm)的情況下，當(dāng)進(jìn)給量為0.18 mm/r時(shí)，切削力及切削溫度均處于一個(gè)較低的水平。

2.3 變背吃刀量的鋁硅合金高速切削試驗(yàn)

背吃刀量是影響切削效率的一個(gè)重要參數(shù)，本組試驗(yàn)在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量(z主軸轉(zhuǎn)速16 000 r/min，進(jìn)給量0.18 mm/r，切寬5.7 mm)保持不變的情況下，通過背吃刀量的改變探索切削力及切削溫度隨背吃刀量的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 背吃刀量對各切削分力的影響

圖9 背吃刀量對切削溫度的影響

因T/R組件封裝用鋁硅合金硅含量較高，導(dǎo)致材料脆性較大，極易發(fā)生開裂、崩邊的現(xiàn)象，所以本組試驗(yàn)僅使用較小的背吃刀量。

從圖8的切削力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)可知，軸向切削力fz是切削中的主切削力，各切削力隨著背吃刀量的增大而逐漸增大，呈正相關(guān)。隨著背吃刀量的增加，最大切削面積逐漸增大，因此切削力會(huì)隨之逐漸增大。

從圖9的切削溫度試驗(yàn)可以看出，切削溫度也隨著背吃刀量的增大而逐漸增大，呈正相關(guān)。

3 結(jié)束語

本文對T/R封裝用CE11在高速銑削過程中主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量對切削力及切削溫度進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)探索，并得到了相應(yīng)的影響曲線，主要結(jié)論如下：

1)在只改變主軸轉(zhuǎn)速的情況下，銑削力隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，先增大后減小，在主軸轉(zhuǎn)速24 000 r/min時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，銑削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，先增大后減小，在主軸轉(zhuǎn)速17 000 r/min時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2)在只改變進(jìn)給量的情況下，在進(jìn)給量超過鋁硅合金晶粒度的情況下，切削力隨著切削量的變化趨勢不顯著，切削溫度有緩慢上升趨勢。

3)在只改變背吃刀量的情況下，切削力與切削溫度均隨背吃刀量的增大而增大，因T/R組件封裝用鋁硅合金極易發(fā)生崩邊和開裂，實(shí)際選用背吃刀量時(shí)需同時(shí)考慮材料性能及零件結(jié)構(gòu)形式。

4)對于本試驗(yàn)中的電子封裝用CE11材料，采用v=16 000 r/min、f=0.18 mm/r、aP=0.1的切削參數(shù)能得到較好的切削效率和質(zhì)量。