硅鋁合金銑削技術(shù)研究

成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園公司（四川 611730) 高 鍵 楊小衛(wèi) 王天石

硅鋁合金由于具有熱膨脹系數(shù)低 (且可以廣域調(diào)整)、熱傳導(dǎo)性能良好、密度低、合理的強(qiáng)度和剛度、易于精密加工、電鍍性能好、焊接性能良好以及無(wú)毒等優(yōu)越性能而適應(yīng)大多數(shù)通用微電子設(shè)備和基體，在電子及相關(guān)行業(yè)受到越來(lái)越多的重視。

硅鋁合金CE11含硅量為50%，相對(duì)于常用的普通鋁合金來(lái)說(shuō)是一種新型復(fù)合材料。其物理、力學(xué)性能如表1所示。其強(qiáng)度和塑性較普通鋁合金低，在試加工過(guò)程中也表現(xiàn)出明顯的脆性。因此，只有解決了硅鋁合金零件的切削加工技術(shù)問(wèn)題，才能制造出滿足需求的硅鋁合金零件。

表1 硅鋁合金CE11物理、力學(xué)性能

1.前期加工問(wèn)題

在硅鋁合金零件試加工前期，由于缺乏對(duì)該材料的認(rèn)識(shí)和加工經(jīng)驗(yàn)，加工出的零件總是或多或少出現(xiàn)崩邊的現(xiàn)象，加工狀態(tài)極不穩(wěn)定。如圖1所示為某硅鋁合金盒體加工情況，其中表面、深1.2mm、深5.4mm和深5.8mm的獨(dú)立凸臺(tái)以及側(cè)面多芯插座通腔處是最容易崩邊的地方。

圖1 硅鋁合金前期加工問(wèn)題

如圖2所示是在采用普通鋁合金切削加工過(guò)程中常用的螺旋下刀方式進(jìn)銑削過(guò)程中，刀具重疊量不夠出現(xiàn)的加工缺陷，加工后腔的底面出現(xiàn)崩裂坑。

圖2 螺旋下刀加工缺陷

2.問(wèn)題分析及優(yōu)化方法

為了研究影響硅鋁合金加工缺陷的因素，我們指定某普通三軸加工，通過(guò)理論分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別對(duì)切削參數(shù)、切削路徑和刀具進(jìn)行了大量試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析研究。

(1)切削參數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中硅鋁合金CE11出現(xiàn)崩邊、脆斷的狀況，與該材料的屈服強(qiáng)度較低、塑性差 (脆性材料)有關(guān)，因此在切削參數(shù)設(shè)定時(shí)應(yīng)注意減小切削力。根據(jù)切削力公式可知，切削力F與齒數(shù) (z)、切深 (a)和每齒進(jìn)給量 (fz)有關(guān)(K為切削力系數(shù))，而由主軸轉(zhuǎn)速、刀具直徑、進(jìn)給量和切深可以換算出這3個(gè)參數(shù)，切削力公式如下

通過(guò)硅鋁合金CE11材料的物性參數(shù)，結(jié)合切削力公式，可以預(yù)分析出適合CE11的切削參數(shù)范圍。在粗加工時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低，吃刀量及進(jìn)給量適當(dāng)減小。精加工時(shí)，根據(jù)粗加工余量情況、零件表面粗糙度、尺寸精度等技術(shù)要求，再做適當(dāng)調(diào)整。現(xiàn)以φ6mm(4齒)刀具舉例說(shuō)明粗加工時(shí)各參數(shù)的設(shè)置 (見(jiàn)表2)。

表2 φ6mm刀具切削參數(shù)

(2)切削路徑。在銑刀切入工件時(shí)，刀齒和工件在接觸瞬間為非切削狀態(tài)，此時(shí)由于刀齒和工件的碰撞，動(dòng)量從工件傳遞至刀齒，產(chǎn)生較大的接觸力，此時(shí)接觸應(yīng)力大于CE11材料的屈服強(qiáng)度。而由于CE11材料塑性較普通鋁合金差，塑性變形區(qū)域很短，刀齒和工件的交互作用由塑性變形區(qū)域很快進(jìn)入破壞區(qū)域 (見(jiàn)圖3)。此時(shí)，材料的去除并不是由刀齒切削造成，而是由工件材料的脆斷造成，因此造成了工件在銑刀切入點(diǎn)出現(xiàn)斷裂損壞，從而形成了崩邊。

圖3

由此可見(jiàn)，切削加工的進(jìn)刀和出刀階段是導(dǎo)致硅鋁合金CE11出現(xiàn)崩邊的關(guān)鍵階段，因此在設(shè)計(jì)切削路徑時(shí)應(yīng)盡量避免刀具側(cè)刃與工件的接觸，而應(yīng)多采用刀具底刃與工件接觸的方式。如圖4所示為表面銑削時(shí)，設(shè)置刀具至少要有d/2在零件邊緣外，這樣可避免崩邊。

3.刀具

在加工硅鋁合金時(shí)，為了避免切削力過(guò)大導(dǎo)致材料脆斷，刀具一定要鋒利，這樣保證在加工過(guò)程中是通過(guò)切削去除材料，而不是擠壓和磨削去除材料。另一方面，由于硅鋁合金硅含量為50%，硅的硬度約為74HRC，刀具材料硬度應(yīng)高于硅顆粒的硬度，因此，硬度約為80HRC的硬質(zhì)合金刀具是合適的選擇。

實(shí)際加工過(guò)程中，要考慮刀具成本與加工效率，可以用某國(guó)產(chǎn)刀具先粗加工，側(cè)壁留0.05～0.10mm的余量，精加工用某金剛石涂層刀具。

圖4 表面銑削路徑設(shè)置

4.優(yōu)化后的加工效果

加工后的成品如圖5所示。使用50倍顯微鏡觀察工件臺(tái)階如圖6所示，臺(tái)階邊緣輪廓非常清晰，基本沒(méi)有微崩邊狀況發(fā)生，加工質(zhì)量較好。

圖5

對(duì)加工工件進(jìn)行尺寸精度、表面粗糙度和平面度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示，加工后的工件質(zhì)量達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，加工一次合格率達(dá)到95%。

圖6 臺(tái)階局部放大形貌

表3 工件質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

5.結(jié)語(yǔ)

硅鋁合金CE11是一種新型難加工復(fù)合材料，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)容易產(chǎn)生裂紋、脆斷和崩邊等缺陷。本文通過(guò)研究硅鋁合金零件關(guān)鍵銑削技術(shù)，包括切削路徑、切削參數(shù)、刀具，獲得了優(yōu)化的硅鋁合金CE11銑削工藝技術(shù)，解決了硅鋁合金CE11的銑削難題，掌握了制造技術(shù)。