5G覆銅板疊層復(fù)合材料高效切磨工藝試驗(yàn)研究

高 航， 楊 勇, 許啟灝, 汪佳樂(lè), 王 勇

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116000)

(2.東莞華南設(shè)計(jì)創(chuàng)新院， 廣東 東莞 523000)

覆銅板是以玻璃纖維或其他材料增強(qiáng)的復(fù)合材料層合板為主體，一面或雙面覆以銅箔經(jīng)過(guò)熱壓而制成的一種疊層復(fù)合材料板材。覆銅板是現(xiàn)代電子制造業(yè)最基礎(chǔ)的材料之一，主要用于制作印制電路板，對(duì)印制電路板起互聯(lián)導(dǎo)通、絕緣和支撐的作用，在電子行業(yè)占據(jù)重要地位。近幾年來(lái)，隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，覆銅板工業(yè)發(fā)展迅猛[1]，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的制造國(guó)，同時(shí)也是最大的消費(fèi)國(guó)。

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)覆銅板原材料的切邊裁剪和整形主要采用沖壓剪切方式。隨著對(duì)5G覆銅板材厚度的要求不斷提高，采用沖壓剪切方式加工后的切邊截面形貌參差不齊，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，且容易殘留不穩(wěn)定的碎屑顆粒，在后續(xù)使用過(guò)程中極易脫落而劃傷覆銅板表面，造成板材傳輸損失等[2]。因此，如何提高5G覆銅板材的切邊質(zhì)量和效率，已成為影響相關(guān)企業(yè)完成批量加工質(zhì)量的瓶頸問(wèn)題。

對(duì)此，曾有很多企業(yè)和學(xué)者對(duì)覆銅板的切邊加工和制孔加工開(kāi)展過(guò)研究，包括機(jī)械加工和激光加工[3-5]。其中，激光切邊加工因成本等原因，在覆銅板材切邊加工應(yīng)用中尚不多見(jiàn)。雖然覆銅板上下2層銅皮很薄(約為7 μm)，但覆銅板整體厚度在1.5～2.0 mm，這種尺寸的加工貌似可以將其磨削過(guò)程看成是對(duì)中間層復(fù)合材料的磨削，但實(shí)際加工時(shí)表面銅皮會(huì)發(fā)生很大的塑性變形進(jìn)而形成毛刺飛邊[6-7]，從而影響其加工質(zhì)量。而傳統(tǒng)的金剛石砂輪切磨覆銅板中間層的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料過(guò)程中，會(huì)由于摩擦產(chǎn)生大量的熱，但玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)不高[8]，這些聚集的熱量會(huì)使磨削區(qū)域的溫度升高，進(jìn)而出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提出采用燒結(jié)金剛石開(kāi)槽薄片砂輪進(jìn)行覆銅板高效切磨的工藝方法，并在不同加工工藝參數(shù)下對(duì)其切磨加工質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 燒結(jié)金剛石開(kāi)槽薄片砂輪設(shè)計(jì)及切磨機(jī)理

1.1 燒結(jié)金剛石開(kāi)槽砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燒結(jié)金剛石開(kāi)槽薄片砂輪(簡(jiǎn)稱“開(kāi)槽砂輪”)是通過(guò)粉末冶金的方式將磨粒與金屬燒結(jié)在不銹鋼基體上，利用電解的方式加工出切磨材料所需形狀及尺寸的溝槽。開(kāi)槽砂輪圓盤(pán)外徑為110 mm，厚度為0.8 mm，磨料平均顆粒尺寸為0.212 mm，開(kāi)槽砂輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于砂輪較薄，為了增加砂輪刃齒剛度，砂輪刃齒底部設(shè)計(jì)成三角形加固結(jié)構(gòu)。為方便描述開(kāi)槽砂輪的結(jié)構(gòu)特性，這里引入“溝槽因子[9]”的概念，溝槽因子η定義為：

圖1 燒結(jié)金剛石開(kāi)槽薄片砂輪

(1)

其中：b1n為開(kāi)槽砂輪凸出部分法向長(zhǎng)度，b2n為開(kāi)槽砂輪溝槽法向長(zhǎng)度。開(kāi)槽砂輪磨削屬于斷續(xù)磨削，能有效降低工件表層的磨削溫度。隨著η值減小，磨削溫度近似呈線性規(guī)律下降，但η值過(guò)小，砂輪有效工作面積太小，將導(dǎo)致砂輪磨損加劇，工件表面粗糙度惡化，且容易引起振動(dòng)。一般取η=0.65～0.85，砂輪將表現(xiàn)出較好的綜合磨削性能，本次試驗(yàn)開(kāi)槽薄片砂輪選取的溝槽因子為0.70。

1.2 開(kāi)槽砂輪切磨機(jī)理

利用Keyence超景深三維顯微鏡對(duì)加工后表面進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)顯微觀察得到了開(kāi)槽砂輪的切磨機(jī)理，如圖2所示。

覆銅板疊層材料切磨過(guò)程可以分為3個(gè)階段。第1階段：砂輪與切入側(cè)表面接觸，切入側(cè)表面材料在這一過(guò)程中不僅受到磨削力的作用，同時(shí)還受到砂輪擠壓力的作用。在擠壓力的作用下，切入側(cè)表面銅皮會(huì)發(fā)生塑性變形，當(dāng)材料所受壓強(qiáng)達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生斷裂，而斷裂時(shí)由于表面銅皮受到擠壓力的作用會(huì)向自由端退讓并隆起，因此產(chǎn)生了一定高度的毛刺飛邊，如圖2a所示。第2階段：隨著砂輪向前進(jìn)給，砂輪會(huì)接觸到中間層的復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行磨削，如圖2b所示。第3階段：隨著砂輪繼續(xù)向前進(jìn)給，砂輪會(huì)接觸到切出側(cè)表面的銅皮。在磨削力和擠壓力的雙重作用下，切出側(cè)表面的銅皮會(huì)產(chǎn)生塑性斷裂，而此位置的磨削力和擠壓力都有向下分量，導(dǎo)致銅皮的變形更加劇烈。因此，切出側(cè)表面的毛刺飛邊高度δ要大于切入側(cè)表面的毛刺飛邊高度γ，如圖2c所示。在以后切磨過(guò)程中，隨著砂輪向前進(jìn)給，不斷重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)切磨過(guò)程受力穩(wěn)定時(shí),會(huì)在覆銅板切入側(cè)與切出側(cè)表面形成高度穩(wěn)定的毛刺飛邊，如圖3所示。

圖2 開(kāi)槽砂輪切磨機(jī)理

圖3 切入、切出側(cè)毛刺飛邊高度對(duì)比

2 試驗(yàn)設(shè)備與材料

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

使用復(fù)合材料專用鉆銑試驗(yàn)臺(tái)對(duì)覆銅板進(jìn)行切邊試驗(yàn)，主軸末端通過(guò)ER夾頭裝夾開(kāi)槽砂輪。采用基恩士超景深顯微鏡拍攝測(cè)量加工后的毛刺飛邊高度，采用三向壓電測(cè)力儀測(cè)量材料加工過(guò)程中的磨削力，采用FLIR E60紅外熱像儀監(jiān)測(cè)切磨過(guò)程中的溫度(試驗(yàn)前利用在覆銅板內(nèi)部預(yù)埋熱電偶的方式對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定,選取切磨過(guò)程中熱像儀觀測(cè)到的最大溫度值作為磨削區(qū)溫度)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)原理圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 試驗(yàn)原理圖

2.2 試驗(yàn)材料

采用覆銅板為試驗(yàn)工件，總體有3層材料，中間層為玻璃纖維浸以樹(shù)脂，上下2層為銅板，三者通過(guò)熱壓裝置壓成一體，工件尺寸為1.5 mm(厚度)×100.0 mm(寬度)×600.0 mm(長(zhǎng)度)。

2.3 毛刺飛邊高度與材料燒傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

覆銅板切邊預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：砂輪切磨過(guò)的加工表面切出側(cè)的毛刺飛邊高度明顯高于切入側(cè)的毛刺飛邊高度，切出側(cè)毛刺飛邊高度大致為切入側(cè)毛刺飛邊高度的3～5倍，如圖3所示。切出側(cè)的毛刺飛邊高度為待解決問(wèn)題的關(guān)鍵，因此試驗(yàn)只分析切出側(cè)的毛刺飛邊高度。測(cè)量區(qū)域選取整個(gè)切磨長(zhǎng)度范圍內(nèi)切磨穩(wěn)定的中間段(長(zhǎng)度為60 mm)，通過(guò)超景深顯微鏡測(cè)量3個(gè)位置的毛刺飛邊高度，取平均值作為此試驗(yàn)號(hào)的毛刺飛邊高度h，具體測(cè)量方式如圖6所示。環(huán)氧樹(shù)脂的燃點(diǎn)為530～540 ℃，而玻璃纖維的主要成分為二氧化硅，有很強(qiáng)的耐高溫性，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果以及環(huán)氧樹(shù)脂的燃點(diǎn)判斷，當(dāng)磨削區(qū)域溫度達(dá)到430 ℃時(shí)，材料即有可能發(fā)生燒傷危險(xiǎn)。

圖6 毛刺飛邊高度測(cè)量方式

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

圖7為試驗(yàn)工件加工狀態(tài)圖。選取磨削速度vg、進(jìn)給速度vf和砂輪切入角度θ(磨削速度方向與水平方向的夾角，參見(jiàn)圖7中角度θ)3個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素[10]，以毛刺飛邊高度和磨削區(qū)溫度為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展覆銅板切邊單因素試驗(yàn)。根據(jù)前期的預(yù)試驗(yàn)選定試驗(yàn)參數(shù)范圍如下:磨削速度為23.04～57.60 m/s，進(jìn)給速度為1 000～1 600 mm/min，砂輪切入角度為15.5°～24.6°。試驗(yàn)時(shí)選用以下參數(shù)組合:磨削速度為34.56 m/s，進(jìn)給速度為1 200 mm/min，砂輪切入角度為22.0°。每組試驗(yàn)固定其中2個(gè)試驗(yàn)因素水平，探究隨著剩下的1個(gè)試驗(yàn)因素水平線性變化的規(guī)律，具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)重復(fù)2次，結(jié)果取平均值，每組試驗(yàn)后清理試驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)。

圖7 工件加工狀態(tài)

表1 單因素試驗(yàn)參數(shù)

3.2 單位磨削力與毛刺飛邊高度

由于試驗(yàn)是在改變磨削參數(shù)的情況下討論磨削力和損傷，所以需要將磨削力歸一化。設(shè)砂輪的進(jìn)給量為f，單位為mm/min；砂輪的轉(zhuǎn)速為n，單位為r/min；則每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fr可以表示為:

(2)

設(shè)本試驗(yàn)使用的開(kāi)槽砂輪齒數(shù)為z，則每齒進(jìn)給量可以表示為：

(3)

設(shè)銅皮厚度為a，則每齒銅皮磨削層面積A可以表示為：

(4)

設(shè)工件所受的切向磨削力[11]為Ft，所受的法向磨削力為FN，單位均為N；θ為切向磨削力與水平方向的夾角。則將這2個(gè)力根據(jù)力系等效原理向Y和Z方向等效后可得到Y(jié)向磨削力FY和Z向磨削力FZ:

(5)

法向磨削力可以近似表示成與切向磨削力[12]相關(guān)的力，這里引入λ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，設(shè)FN=λFt，則Y向磨削力FY和Z向磨削力FZ可以分別表示為：

(6)

FZA=k·FZ=k·(sinθ+λcosθ)Ft

(7)

對(duì)單位面積的Z向磨削力進(jìn)行歸一化，設(shè)磨削速度為34.56 m/s，進(jìn)給速度為1 200 mm/min時(shí)，單位面積磨削力系數(shù)為k0，則歸一化單位面積Z向磨削力為：

(8)

在此后的分析中，將歸一化單位面積Z向磨削力簡(jiǎn)稱為單位Z向磨削力。單位Z向磨削力與毛刺飛邊高度曲線如圖8所示。

隨著磨削速度增大，單位Z向磨削力逐漸增大，毛刺飛邊高度逐漸降低；隨著進(jìn)給速度的增大，單位Z向磨削力逐漸減小，而毛刺飛邊高度逐漸升高；隨著砂輪切入角度的增大，單位Z向磨削力先增大后減小，毛刺飛邊高度先降低后升高。從圖8可以看出：毛刺飛邊高度與單位Z向磨削力呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即單位Z向磨削力越大，毛刺飛邊高度越低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：磨削力越大，材料所受到的壓力越大，材料本身越趨向于變形尚不充分時(shí)就直接發(fā)生破壞，材料變形小，而不是先經(jīng)過(guò)一段塑性變形之后再發(fā)生破壞。因此，導(dǎo)致毛刺飛邊高度與單位Z向磨削力成反比例關(guān)系。此外，因?yàn)槊田w邊高度更加直觀地反映覆銅板的使用性能(在覆銅板疊放儲(chǔ)存時(shí)，高的毛刺飛邊會(huì)劃傷與之相鄰的覆銅板表面)，所以選取毛刺飛邊高度作為后續(xù)分析的主要考慮因素，而將磨削力作為次要參考因素考慮。

3.3 毛刺飛邊高度與磨削區(qū)溫度

毛刺飛邊高度與磨削區(qū)溫度曲線如圖9所示。由圖9a可知：隨著磨削速度的增大，毛刺飛邊高度整體呈下降趨勢(shì)，磨削區(qū)溫度呈升高趨勢(shì)。造成上述變化趨勢(shì)的原因是：磨削速度增大后，單位Z向磨削力變大，使得銅皮材料越趨向于變形不充分就直接破壞，因此銅皮變形小，毛刺飛邊高度低；另一方面，磨削速度增大，單位時(shí)間內(nèi)磨削的次數(shù)增加，產(chǎn)生的摩擦熱更多，導(dǎo)致磨削區(qū)域溫度升高。綜合圖9a曲線分析，34.56 m/s的磨削速度是切磨覆銅板較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)，在此參數(shù)下加工既能保證毛刺飛邊高度小于300 μm，又能兼顧較低的磨削區(qū)溫度，避免中間層復(fù)合材料發(fā)生燒傷。

由圖9b可知：隨著進(jìn)給速度增大，毛刺飛邊高度整體呈上升趨勢(shì)，磨削區(qū)溫度也呈上升趨勢(shì)。從圖8b可知，造成上述變化趨勢(shì)的原因是：隨著進(jìn)給速度增大，單位Z向磨削力逐漸減小，銅皮材料更趨向于塑性變形，變形增大，毛刺飛邊高度增加；另一方面，進(jìn)給速度增大，磨削面積增大，從而使X向變形力增大，摩擦力增大，進(jìn)而產(chǎn)生的摩擦熱增多，磨削區(qū)溫度升高。綜合圖9b分析，1 200 mm/min的進(jìn)給速度是切磨覆銅板較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)，在此參數(shù)下加工既能保證毛刺飛邊高度小于300 μm，又能兼顧較低的磨削區(qū)溫度，避免中間層復(fù)合材料發(fā)生燒傷。

由圖9c可知：隨著砂輪切入角度的增大，毛刺飛邊高度呈先降低后升高的趨勢(shì)，磨削區(qū)溫度呈先升高后降低的趨勢(shì)。造成上述變化趨勢(shì)的原因是：試驗(yàn)采用的開(kāi)槽砂輪具有4 mm高度的金剛石刃齒，在砂輪切入角度較小時(shí)(切入角度小于22.0°)，完全由開(kāi)槽砂輪刃齒參與磨削，此時(shí)單位Z向磨削力依舊可以采用式(8)計(jì)算。當(dāng)切入角度小于22.0°時(shí)，對(duì)式(8)求導(dǎo)可得：

(9)

4 結(jié)論

(1)單位Z向磨削力隨著磨削速度的增大而增大，隨著進(jìn)給速度的增大而減小，隨著砂輪切入角度的增大先增大后減小。

(2)毛刺飛邊高度隨著磨削速度的增大而降低，隨著進(jìn)給速度的增大而升高，隨著砂輪切入角度的增大先降低后升高，毛刺飛邊高度與單位Z向磨削力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

(3)磨削溫度隨著磨削速度和進(jìn)給速度的增大而升高，隨著砂輪切入角度的增大先升高后降低。

(4)切磨5G覆銅板的最優(yōu)選參數(shù)組合是磨削速度為34.56 m/s，進(jìn)給速度為1 200 mm/min，砂輪切入角度為22.0°，在此參數(shù)下加工，既能保證毛刺飛邊高度小于300 μm，又能兼顧較低的磨削區(qū)溫度。