某型電子封裝盒體外形加工及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

張利軍，王培

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，鄭州450047；2.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450047）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，消費(fèi)升級(jí)帶來(lái)的市場(chǎng)需求趨于個(gè)性化與多樣化，機(jī)械制造行業(yè)發(fā)生了極為深刻和廣泛的變化。與傳統(tǒng)意義上的機(jī)械制造業(yè)相比，現(xiàn)代機(jī)械制造的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢(shì)主要體現(xiàn)在綠色制造、計(jì)算機(jī)輔助制造、集成制造、柔性制造、虛擬制造、智能制造并行工程、敏捷制造和網(wǎng)絡(luò)制造等方面[1-2]。

在集成化制造方面，工件的加工工序集中化程度也不斷地提高，高度集成化加工為提高設(shè)備的利用率、縮短加工周期和降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本做出了巨大的貢獻(xiàn)。生產(chǎn)裝備領(lǐng)域升級(jí)主要體現(xiàn)在功能、性能和智能方面的改善和提升，例如多軸聯(lián)動(dòng)、多主軸加工、高速加工、高精度加工、遠(yuǎn)程控制與檢測(cè)、綠色生產(chǎn)、車(chē)銑復(fù)合、銑磨復(fù)合等加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，正逐漸完善現(xiàn)代化加工中心的生產(chǎn)體系[3-5]。加工中心的進(jìn)步和發(fā)展為實(shí)體制造業(yè)的生存和發(fā)展提供了良好的條件，為實(shí)體業(yè)產(chǎn)品升級(jí)換代和降低成本帶來(lái)了新的希望，同時(shí)為應(yīng)對(duì)某類(lèi)特殊的產(chǎn)品的加工，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)特定的設(shè)備也不斷彌補(bǔ)了裝備制造領(lǐng)域的空缺。

加工中心是用于加工箱體類(lèi)零件的一種通用性很強(qiáng)的切削加工設(shè)備，它可以對(duì)箱體類(lèi)零件進(jìn)行平面切削、曲面銑削、鉸孔、鉆孔、擴(kuò)孔、攻絲和鏜削等加工[6]。但在加工規(guī)則多面體時(shí)，立式加工中心和多工位臥式加工中心仍存在一定的差距[7]。臥式加工中心以其自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)可使得箱體、盒體和腔體類(lèi)產(chǎn)品加工過(guò)程中的工藝集中化程度進(jìn)一步提高[8-10]。臥式加工中心主軸為水平設(shè)置，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置控制運(yùn)動(dòng)，備有自動(dòng)交換工作臺(tái)的柔性制造單元（FMC）可實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)交換[11]。因此，臥式加工中心廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、船舶、能源及軍工行業(yè)大中型箱體類(lèi)等精密零部件的加工[12-14]。

本文主要針對(duì)臥式加工中心的優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)模式進(jìn)行了工藝改進(jìn)，推進(jìn)了某型盒體的集成化加工，并對(duì)產(chǎn)品、工藝工裝方法和結(jié)果進(jìn)行深入的闡述。在電子封裝類(lèi)盒體加工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的加工方式工序分散相比，工序集中的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：1）采用高效率的機(jī)床和工藝裝備，有較高的生產(chǎn)率；2）減少設(shè)備數(shù)量的同時(shí)減少了操作人員和生產(chǎn)面積，降低了管理難度；3）減少工序數(shù)目，縮短工藝路線，簡(jiǎn)化生產(chǎn)計(jì)劃工作，減少加工時(shí)間和運(yùn)輸路線，縮短加工周期；4）在加工過(guò)程中，減少工件安裝次數(shù)，保證它們之間的互相位置精度。

1 結(jié)構(gòu)件介紹

通常盒體的材料選用、結(jié)構(gòu)形式和加工方式方法是根據(jù)盒體本身的大小、功能、成本控制和服役條件等綜合因素設(shè)計(jì)的。服役過(guò)程中有周期性振動(dòng)，故盡量減少螺裝件的使用；盒體對(duì)四周外表面的質(zhì)量和精度有相關(guān)要求，需要通過(guò)機(jī)加工進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。平均年產(chǎn)量大于500套，需要考慮如何降低制造成本。通過(guò)進(jìn)一步比對(duì)各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終決定該型號(hào)電子封裝盒體采用焊接拼接件的生產(chǎn)工藝制備流程。常用的金屬盒體的毛坯加工方法及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

圖1為焊后毛坯外部形貌。焊接毛坯由底板、前后面板和左右側(cè)板組裝后焊接成型；焊接前應(yīng)采用堿性除油方法去除拼接件的表面油污，以保障焊接質(zhì)量；焊后毛坯需要低溫退火熱處理工藝去除焊縫及周?chē)牧蟽?nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，以減少后續(xù)加工過(guò)程中的因材料去除引起的結(jié)構(gòu)變形。

表1 常用金屬材質(zhì)電子封裝盒體毛坯加工方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 焊后毛坯圖

根據(jù)盒體的加工方式，為保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)成本，綜合各種設(shè)計(jì)因素，采用基材材料為鋁板3A21-H112。

選料屬于鋁錳系鋁合金，主要元素成分為：Si≤0.6%，Cu ≤0.2%，Mg ≤0.05%，Zn ≤0.1%，Mn 為1.0%～1.6%，Ti ≤0.15%，F(xiàn)e≤0.7%

材料力學(xué)性能如下：σb=120～160 MPa，σ0.2≥85 MPa，伸長(zhǎng)率δ10≤2%。

2 工藝性分析

根據(jù)盒體的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其主要加工工藝方法是通過(guò)機(jī)械加工和焊接實(shí)現(xiàn)的。為進(jìn)一步提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，通過(guò)一步步更換并選用更適合的生產(chǎn)裝備是實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的有效方法。

工藝流程改進(jìn)體現(xiàn)在使用臥式加工中心代替普通立式數(shù)控機(jī)床。工藝流程：焊接件加工→焊接成形→熱處理→基準(zhǔn)面加工→加工中心→鉗→表面處理。臥式加工中心主要完成修平焊疤、平面精加工、銑減重槽和銑鏜孔等加工。傳統(tǒng)方法采用多次裝夾分別銑削各面，而臥式加工中心可一次裝夾銑削四周各面及特征，減少了加工過(guò)程中裝夾和換刀時(shí)間，設(shè)備的利用率得到充分發(fā)揮。為保證盒體的裝夾精度和效率，我們?cè)诜胖霉ぜ谂P式加工中心旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)之前，對(duì)工作臺(tái)作適應(yīng)性改造工作，常見(jiàn)的方法為以盒體底面和凸耳部分為加工定位基準(zhǔn)，制作針對(duì)盒體加工的專(zhuān)用工裝。

3 專(zhuān)用設(shè)備、工裝選用及介紹

工藝改進(jìn)后的機(jī)床設(shè)備選用精密加工系列的臥式加工中心，設(shè)備產(chǎn)品型號(hào)為T(mén)H(M)6363A，其中影響工藝過(guò)程的主要關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)B軸分度定位精度為6″，B軸分度重復(fù)定位精度為3″。

制作工裝的主要目的是：把通用性的生產(chǎn)設(shè)備作專(zhuān)業(yè)性、功能性和適應(yīng)性改造，使之更適合、更方便和更安全地對(duì)目標(biāo)零件進(jìn)行定位和緊固；通過(guò)轉(zhuǎn)接作用，減少生產(chǎn)過(guò)程工作臺(tái)面的有益或無(wú)益損害；克服機(jī)床本身系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的缺陷，通過(guò)工裝加高后的零件位置，有效避開(kāi)臥式機(jī)床主軸和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的位置重疊干涉，避免撞機(jī)事故的發(fā)生。

根據(jù)盒體焊接后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選用設(shè)備旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的尺寸，工裝采用45鋼焊接成型；為保證制作過(guò)程的基準(zhǔn)精度，通過(guò)調(diào)質(zhì)和磨削處理分別提高材料的剛性和裝夾精度。工裝在加工過(guò)程中主要起到以下幾個(gè)作用：1）轉(zhuǎn)接作用；2）避開(kāi)了機(jī)床的加工干涉區(qū)；3）限制工件的自由度；4）在裝夾的過(guò)程中迅速找正。圖2 為工裝和旋轉(zhuǎn)臺(tái)面連接示意圖，工件和工裝采用擋銷(xiāo)和螺釘與工作臺(tái)緊固，保證定位精度和裝夾穩(wěn)定。

4 結(jié)果分析

影響產(chǎn)品最終結(jié)果的因素很多，主要有工藝路線和機(jī)床本身、周?chē)h(huán)境和加工者技術(shù)水平等。工藝路線的改進(jìn)對(duì)產(chǎn)品的影響主要表現(xiàn)在勞動(dòng)強(qiáng)度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量精度提升方面。

4.1 加工時(shí)間

通過(guò)比對(duì)以往生產(chǎn)流程，采用新工藝后平均以單套設(shè)備計(jì)算，盒體日產(chǎn)量提高20%，其中在加工中心工序中每件平均可減少0.4 h的加工時(shí)間。主要原因?yàn)闇p少了重復(fù)定位次數(shù)和換刀次數(shù)，并且多工位的設(shè)備可以滿(mǎn)足一邊加工一邊安裝工件的不中斷連續(xù)作業(yè)，在極大地提高設(shè)備利用率的同時(shí)，有效地降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 加工精度

工藝改進(jìn)前零件的精度近似服從正態(tài)分布，如以B為基準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)以往樣本的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，垂直度均值μ0=0.03 mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.005 mm，符合X～N（0.03,0.0052）的正態(tài)分布。圖3為盒體精度要求示意圖。

驗(yàn)證過(guò)程采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析手段，研究對(duì)象隨機(jī)從700件加工產(chǎn)品中抽取20件，以垂直度為例，檢測(cè)垂直度后，記錄數(shù)據(jù)形成以下分析樣本。

垂直度μ0樣本：0.0245、0.0357、0.0286、0.0312、0.0198、0.0262、0.0277、0.0270、0.0253、0.0215、0.0313、0.0306、0.0286、0.0297、0.0226、0.0246、0.0255、0.0300、0.0246、0.0259。

通過(guò)計(jì)算可知，觀測(cè)平均值X=0.0271，較以前的0.03有所提高；由樣本標(biāo)準(zhǔn)差0.0038小于標(biāo)準(zhǔn)差0.005可知，工件的精度穩(wěn)定性和一致性也得到了提高。

圖2 工件裝夾示意圖

圖3 盒體精度要求示意圖

4.3 顯著性的驗(yàn)證

工藝改進(jìn)后，加工過(guò)程中的種種因素必將對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度產(chǎn)生影響。為證明影響的實(shí)際效果，可以通過(guò)高等數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來(lái)驗(yàn)證影響的顯著性。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)算，檢驗(yàn)假設(shè)：H0：μ≥μ0=0.03，即產(chǎn)品的精度沒(méi)有提高；H1：μ＜μ0，即產(chǎn)品的精度提高。

這是左側(cè)檢驗(yàn)問(wèn)題，我們選取常用的顯著水平α=0.05為標(biāo)準(zhǔn)，其H0拒絕域如公式（1）所示：

式中：X為樣本觀測(cè)平均值；μ0為改進(jìn)前正態(tài)分布平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本容量。

通過(guò)計(jì)算可知Z= -2.593 ＜-1.645，Z的值落在了H0的拒絕域之中，所以我們認(rèn)為在顯著水平為α=0.05下，工件的加工精度得到了有效的提高。

同理，根據(jù)上述分析方法的驗(yàn)證，該工件平行度在顯著水平α=0.05也都得到了有效的提高。

5 結(jié)論

通過(guò)采用臥式加工中心，加工過(guò)程減少了工件安裝和換刀次數(shù)，該金屬型電子封裝盒體的加工周期有所縮短，生產(chǎn)率得到有效提高。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知，降低勞動(dòng)成本的同時(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量也有一定提高。