張高亮， 史林峰， 趙延軍, 2， 錢灌文， 王禮華， 左冬華， 朱建輝, 2

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001) (2. 超硬材料磨具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001)

隨著電子信息工業(yè)向精密、高效發(fā)展，對(duì)電子信息行業(yè)用印刷線路板[1](Printed circuit board，PCB)加工用刀具(簡稱PCB刀具)的精密程度和品質(zhì)提出了更高的要求[2]。PCB刀具尺寸小(刀具直徑通常為0.4～1.6 mm，如圖1所示)，磨削加工尺寸精度要求更高(0.01 mm)，生產(chǎn)批量大(單批次產(chǎn)量可達(dá)20萬支以上)，良品率的要求高(99.5%以上)。國內(nèi)外對(duì)PCB刀具的生產(chǎn)及影響PCB刀具產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行了研究分析[3]，其中PCB刀具磨削用砂輪的磨損快慢、砂輪的磨削品質(zhì)等成為制約刀具精度和良品率的重要環(huán)節(jié)之一[4]。

圖1 印刷線路板加工用銑刀示意圖

用于加工PCB刀具的傳統(tǒng)砂輪，大多使用酚醛、聚酰亞胺等熱固性樹脂作為主要結(jié)合劑材料。在加工PCB刀具時(shí)砂輪磨損變形，需要頻繁修整，導(dǎo)致加工出的PCB刀具精度偏差大，或者因砂輪崩口而導(dǎo)致加工出的PCB刀具的刃口產(chǎn)生鋸齒而成為廢品。因此需要改善砂輪的耐磨性和磨削質(zhì)量，以滿足電子行業(yè)用PCB刀具的高效精密加工要求[5]。

為制備耐用度高、壽命長、加工精度高的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，需要在現(xiàn)有的樹脂結(jié)合劑體系中添加具有良好耐熱性、耐磨性和抗沖擊性的高分子材料，提高樹脂砂輪自身耐磨性、尖角保持能力，從而達(dá)到提升砂輪的阻尼彈性、減小磨削過程中的砂輪震動(dòng)、改善PCB刀具表面質(zhì)量的目的。

目前國內(nèi)關(guān)于聚酰胺增韌的研究較多[6-10]，但將其用于金剛石砂輪結(jié)合劑的報(bào)道很少。聚酰胺(Polyamide，PA)是一種熱塑性高分子，具有良好的韌性、耐磨性和抗震性能[11-12]。趙延軍等[13]發(fā)現(xiàn)在砂輪體系中加入PA1012，一定程度上降低了砂輪自身剛性，可以改善砂輪磨削性能及刀具的表面質(zhì)量，并可降低設(shè)備工作時(shí)的主軸功率。

相比于PA1012，PA1212的亞甲基鏈更長[14]，具有更高的韌性和抗震減震性能[15]。因此從樹脂金剛石砂輪制造工藝出發(fā)，選取PA1212對(duì)聚酰亞胺樹脂結(jié)合劑進(jìn)行改性，進(jìn)而制備聚酰胺/聚酰亞胺復(fù)合樹脂結(jié)合劑砂輪。通過磨削試驗(yàn)及相關(guān)測試檢測，對(duì)比加入PA1212對(duì)砂輪的耐用度、壽命，以及加工PCB刀具的良品率、表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)條件與過程

1.1 樣品試制

以聚酰亞胺樹脂、碳化硅微粉、氧化鉻等原料為結(jié)合劑，金剛石為磨料，經(jīng)過充分混合均勻后熱壓成型制備得到砂輪A。同時(shí)按照表1所示的配方，分別加入不同體積分?jǐn)?shù)的PA1212粉末制成試驗(yàn)砂輪B～E。砂輪規(guī)格為： 4A9 150×10×31.75×10×2.5 D1000 B100，砂輪成品如圖2所示。

表1 樹脂砂輪配方Table 1 Formula of resin bond grinding wheel

注：A為對(duì)比樣砂輪。

圖2 砂輪成品示意圖

1.2 磨削試驗(yàn)

磨削工件為硬質(zhì)合金PCB刀具，磨削部位為PCB刀具溝槽。砂輪修整示意圖和部分工件磨削部位分別如圖3、圖4所示。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示,檢測儀器為VHX-2000超景深三維顯微鏡。

圖3 砂輪修整型貌圖

圖4 磨削工件形貌圖

工藝參數(shù)取值主軸轉(zhuǎn)速r/(r/min)5300進(jìn)刀速率v/(mm/min)120磨削余量d/mm0.021冷卻流量Q/(L/min)35

注：五款試驗(yàn)砂輪采用同種磨削工藝

2 結(jié)果與討論

2.1 添加PA1212前后的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

添加PA1212前后砂輪結(jié)構(gòu)的掃描電鏡(SEM)對(duì)比如圖5～圖8所示。

圖5 未添加PA1212的砂輪A的SEM圖

圖6 含5%PA1212砂輪B的SEM圖

圖7 含10%PA1212砂輪C的SEM圖

如圖5所示，未添加PA1212的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪A的微觀形貌中，在背散射條件下磨料及輔助填料的形貌對(duì)比度極為明顯，能夠看出樹脂結(jié)合劑對(duì)磨料和填料等顆粒料的包裹和浸潤不足。通過圖5至圖8的對(duì)比可知：PA1212的加入使樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪層中的磨料、填料及結(jié)合劑間形成了流動(dòng)狀層間物，且隨著PA1212添加比例提高，流動(dòng)狀層間部分增多。而層間流動(dòng)狀物質(zhì)是PA1212在一定溫度下熔融流動(dòng)而形成的，其不但加強(qiáng)了對(duì)磨料、填料的浸潤和包覆，也在相關(guān)剛性磨料及填料間形成了緩沖層。含20%PA1212砂輪D的SEM圖片與圖8類似。

圖8 含15%PA1212砂輪D的SEM圖

2.2 不同PA1212比例對(duì)砂輪性能的影響

隨著砂輪對(duì)PCB刀具磨削加工過程的延續(xù)，高精密PCB刀具的溝槽槽形會(huì)隨著砂輪磨損及鈍化而發(fā)生改變。當(dāng)砂輪磨損到一定程度，加工出的刀具尺寸或槽型精度超出公差要求，產(chǎn)生PCB刀具的不良品(如圖9所示)。此時(shí)需要對(duì)金剛石砂輪進(jìn)行修整，以滿足PCB刀具的加工要求。從修整完畢開始磨削加工到下一次修整期間，磨削加工的PCB刀具的數(shù)量稱作砂輪耐用度；而從砂輪開始使用到砂輪工作層消耗完畢、砂輪無法再參與磨削時(shí)加工的總工件數(shù)被稱作砂輪壽命。砂輪耐用度和壽命是評(píng)價(jià)砂輪性能穩(wěn)定性及性價(jià)比的關(guān)鍵參數(shù)。

(a) 不良品 Rejects(b) 良品 Good圖9 PCB銑刀的顯微放大圖Fig. 9 Microscopic magnification of PCB miller

用不同的砂輪磨削PCB精密刀具的結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出：砂輪中添加PA1212能夠有效提高磨削PCB刀具用樹脂金剛石砂輪的耐用度和壽命，并提高PCB刀具良品率并改善其表面的磨削紋路。

表3 各樹脂結(jié)合劑砂輪磨削結(jié)果Table 3 Grinding results of each grinding wheel

PA1212對(duì)PCB刀具加工用砂輪的耐用度和磨削壽命的提升隨著PA1212含量的增多而逐步增加，但在PA1212體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。

原因在于加入的PA1212與樹脂結(jié)合劑中的聚酰亞胺形成性能互補(bǔ)，能夠改善砂輪組織結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，有效規(guī)避因砂輪與刀具磨削時(shí)的剛性碰撞造成的砂輪非磨削損耗，降低了因此帶來的修整頻次，因而能夠明顯改善砂輪的耐用度及壽命。但當(dāng)PA1212的體積分?jǐn)?shù)在15%及以上時(shí)，樹脂結(jié)合劑自身的剛性降低，導(dǎo)致結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的機(jī)械嵌合作用降低，進(jìn)而導(dǎo)致砂輪的耐用度和磨削壽命降低。另一方面，由于PCB刀具直徑較小(0.4～1.6 mm)而硬質(zhì)合金脆性大、韌性小，磨削加工時(shí)適量加入PA1212能優(yōu)化樹脂結(jié)合劑的整體抗沖擊性能，增加砂輪與刀具的柔性磨削接觸區(qū)域，減少了因沖擊造成的刀具崩口及尺寸改變，因而PCB刀具的良品率得到了明顯提升。當(dāng)PA1212的體積分?jǐn)?shù)在10%以下時(shí)，隨著加入比例的提升，其對(duì)崩口尺寸及磨削紋路的有益效果也越發(fā)明顯；當(dāng)添加比例在15%及以上時(shí)，盡管砂輪對(duì)刀具的崩口尺寸和表面紋路控制效果依然良好，但砂輪自身的剛性降低過多，尺寸控制和表面紋路帶來的有益效果難以彌補(bǔ)砂輪型面精度失真帶來的不良效應(yīng)，因此耐用度及磨削壽命會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢。

將磨削后的PCB刀具在超景深視頻顯微鏡下觀察，得到圖10所示的三維顯微圖。從圖10中可以看出：用加入PA1212增韌的樹脂結(jié)合劑砂輪加工出的PCB刀具紋路更均勻。在聚酰亞胺樹脂結(jié)合劑砂輪中加入具有較高韌性的PA1212樹脂，砂輪微觀組織中形成了韌性-剛性的交替分布，在磨削加工硬脆硬質(zhì)合金刀具時(shí)，具有較高韌性的PA1212樹脂能夠降低剛性接觸的沖擊力，使得參與磨削的金剛石刃部均勻切削刀具材料，因而磨削紋路較為均勻。

(a) 對(duì)比砂輪AComparison wheel A(b) 試驗(yàn)砂輪CTest wheel C圖10 砂輪磨削端齒三維顯微圖Fig. 10 3D microscope of ground tool tips

2.3 PA1212增韌對(duì)PCB刀具刃口質(zhì)量的影響

將不同砂輪磨削后的PCB刀具刃口在VHX-2000超景深三維顯微鏡下觀察，并在同倍率下標(biāo)注磨削刃上的崩口，其結(jié)果如圖11所示。由圖11可知：樹脂金剛石砂輪磨削PCB刀具的崩口情況在結(jié)合劑體系中加入PA1212后得到改善，經(jīng)過PA1212改性的金剛石砂輪在磨削刀具時(shí)已經(jīng)能夠避免因?yàn)樯拜唲傂哉駝?dòng)而導(dǎo)致的崩口問題，崩口尺寸及數(shù)量隨著PA1212的含量增加而降低。

(a) 對(duì)比砂輪AComparison wheel A(b) 試驗(yàn)砂輪CTest wheel C圖11 PCB刀具切削刃部崩口示意圖Fig. 11 Sketch of collapse at cutting edge of PCB tools

因PA1212具有良好的耐熱性且和聚酰亞胺樹脂具有優(yōu)異的相容性，結(jié)合砂輪的掃描電鏡結(jié)果(圖5～圖8)可知：韌性填料PA1212能夠與樹脂結(jié)合劑形成完整、無相間界面的均勻體系，在增加樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪自身韌性的同時(shí)，避免了傳統(tǒng)異相填料易產(chǎn)生的砂輪組織非均勻性抱團(tuán)脫落問題，提高了砂輪的磨削均勻性，減少了非均勻磨削造成的崩刃概率。由于常規(guī)PCB刀具自身刃徑小，且刃部長徑比大，磨削時(shí)呈現(xiàn)懸臂梁支撐，金剛石砂輪韌性的提高大幅降低了磨削PCB刀具時(shí)對(duì)其刃部的沖擊力，有效規(guī)避了磨削PCB刀具崩刃出現(xiàn)的概率。

3 結(jié)論

(1)在樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪中添加PA1212能夠有效提高砂輪的耐磨性和壽命，同時(shí)改善砂輪對(duì)PCB刀具的磨削質(zhì)量、提高PCB刀具的成品率。PA1212在砂輪中的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，砂輪的耐用度提升59.5%，壽命提升71.2%。

(2)添加體積分?jǐn)?shù)15%及以上的PA1212樹脂粉雖然仍能保證金剛石砂輪在磨削過程中PCB刀具具有良好的磨削紋路，但是樹脂結(jié)合劑自身強(qiáng)度降低，導(dǎo)致結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料的機(jī)械嵌合作用減弱，進(jìn)而影響砂輪的耐用度和磨削壽命。

(3)在PCB刀具磨削用金剛石砂輪中添加PA1212樹脂粉，有效降低了PCB刀具的崩口概率和崩口尺寸。