铝基金刚石精密磨削工艺实验研究
2021-09-09关佳亮潘艳杰代子鹏张振高王建杰
关佳亮 潘艳杰 代子鹏 张振高 王建杰
(①北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124;②北京卫星制造厂，北京 100080)
1 铝基金刚石复合材料概述
铝基金刚石复合材料作为新一代电子封装材料，在航空航天、电子器件的封装等方面具有广阔的前景。金刚石颗粒作为增强相添加到铝基体中，使材料不仅能够发挥铝基体的高导热、高导电、塑性好、价格便宜的优势，还能发挥金刚石颗粒的高导热、高强度的特点[1]，可以大大增加金属基体的耐磨性、硬度和热导率，有效减小材料的热膨胀系数，同时还具备较高的杨氏模量和强度。
铝基金刚石材料的密度：3.0～3.2 g/cm3,热导率260～600 W/(m·K),热膨胀系数7.0～9.2(10-6/K)，是理想的电子封装材料[2]。为满足电子封装高性能、高可靠、小型化的要求，必须保证其制品具有高的表面精度及加工质量。由于铝基金刚石中的铝合金基体相与金刚石颗粒增强相材料差异性相差较大，对其加工十分困难，且加工后样件表面会出现较严重的缺陷，属新型难加工材料[3-4]。在使用车削对铝基金刚石进行加工时，容易出现加工性能差、加工刀具磨损磨耗大、效率低及加工困难等技术难题。传统磨削对其加工导致砂轮在磨削过程中损耗过快，尺寸不稳定，磨屑堆积在工件表面。本文选用ELID磨削加工工艺方法[5-7]对铝基金刚石进行精密加工实验研究。
2 ELID磨削技术加工优势
(1)可实现微细磨粒的精准递进微切削。ELID磨削中电极与砂轮之间发生电解反应，通过阳极溶解的电解作用使砂轮表层的铸铁结合剂中铁粉颗粒以铁离子的方式脱离砂轮表面，同时也将铝基金刚石加工过程中产生的粘附在砂轮表面的铝基磨屑电解去除，使砂轮磨粒达到良好的修锐状态，砂轮表层金刚石磨粒得以突出，露出锋利的金刚石磨粒对铝基金刚石材料表面进行微切削，切削过程稳定、可控，能够实现对铝基金刚石超精密去除。
(2)可实现对已加工表面精密镜面加工。随着电解进行砂轮表面会形成一层氧化膜，具有良好的弹性和绝缘性起到防止砂轮过度电解的作用，同时部分电解脱落的微小磨粒溶托在砂轮表面的氧化膜中，能够对铝基金刚石表面实现研抛加工作用，可以达到镜面的磨削效果。
(3)可实现精密成形加工。离子级的电解去除作用对砂轮的尺寸影响微乎其微，砂轮形状精度能够长期保持不变。
3 实验
3.1 实验设备及材料
实验以型号为MSG-612CNC日本精密平面磨床为母机，将ELID磨削工艺系统与之相配套，建立实验平台。该磨床的主要参数如表1所示。采用粒度120#的铸铁基金刚石砂轮对铝基金刚石材料(体积分数为30%、粒径为50 μm)进行ELID精密磨削加工实验。ELID磨削工艺系统及样件检测所用仪器如表2所示，实验所用铝基金刚石材料为直径60 mm、厚度10 mm的圆形薄片，如图1所示。
表1 磨床主要参数
表2 实验及检测设备
3.2 实验设计
二次正交旋转组合设计可以很大程度上使计算过程和试验数据处理变得简单，同时可以部分消除各个回归系数之间存在的关联性，按照测量的数值直接找到最优的范围和区域[8-10]，多角度开展模拟分析。故本实验采用“二次正交旋转组合优化设计法” 探究铝基金刚石复合材料ELID精密磨削各工艺参数对表面粗糙度的影响关系及优化工艺参数组合。选取磨削深度、砂轮线速度、占空比、电解电流为影响加工样件表面粗糙度的4个主要影响因素作为自变量，按照上述顺序分别记为Z1、Z2、Z3和Z4，在前期模拟试验结果的基础上，确定上述四因素的上、下两水平，如表3所示。
表3 试验因素取值范围
表4 试验因素水平编码表
表5 二次正交旋转组合试验计及试验结果
在二次正交旋转试验设计的数值分析与建模过程中，不同的量纲会发生各异的自身变异从而对数学模型引入不必要的误差，故所有的数值分析都将建立在编码水平Xm上，各试验因素水平编码如表4所示。依据二次正交旋转试验设计理论进行36组试验，每组试验用 120#粒度的金属结合剂金刚石砂轮对样件磨削加工，使用TR300表面粗糙度检测仪对数据进行测量，每个数据测量8次，除最大最小值以外的其他数值取均值，该数值即为采用这组工艺参数组合加工样件后的表面粗糙度值[11]，试验设计方案及结果如表5所示。
4 实验工艺参数的优化
4.1 实验工艺参数优化数学模型建立
按照二次回归分析的分析原理[12]，包含试验中4个因变量的表面粗糙度二次数学回归模型是：
(1)
式中：i,j=1，2，3，4；为试验数据的编码水平；b0，bi，bij，bii为各变量及变量组合的回归系数。根据相应公式及表5里所记录实验结果数据，通过DPS软件分析出每个回归系数估值，得到表面粗糙度二次回归方程[13]：
Y=153.250 00+7.583 33X1-20.666 67X2-
0.750 00X3-2.166 67X4+3.229 17X12+
4.729 17X22+3.604 17X32+4.354 17X42-
6.375 00X1X2+1.375 00X1X3-0.250 00X1X4-
0.750 00X2X3-0.625 00X2X4+1.125 00X3X4
4.2 实验工艺参数优化数学模型显著性检验
上述得到的铝基金刚石ELID磨削表面粗糙度数学模型，需对其进行统计检验以判断其对实际情况的拟合程度。下面对试验结果进行方差分析进而实施判定系数R2检验，表6为试验结果的方差分析。利用DPS数据处理系统软件对表面粗糙度数据进行方差分析，采用F检验法对其进行回归方程的显著性检验，采用R检验法对其进行回归参数的显著性检验[14]。根据表面粗糙度实结果方差分析表得到F1=1.787 27
表6 表面粗糙度试验结果方差分析表
4.3 基于优化数学模型的实验工艺参数优化
对比磨削深度(X1)、砂轮线速度(X2)、电解电流(X3)和占空比(X4)四因素在表中各自的P值大小，发现磨削深度和砂轮线速度的一次项，砂轮线速度、占空比和电解电流的二次项，磨削深度与砂轮线速度的交互作用均差异极显著(P<0.01)，而磨削深度的二次项达到显著水平(P<0.05)。从而可以判断：各因素对铝基金刚石表面粗糙度影响大小规律为:砂轮线速度>磨削深度>脉冲占空比>电解电流。
采用lingo软件计算出铝基金刚石复合材料优化工艺参数组合[15-16]：磨削深度9.3 μm(0.77水平)、砂轮线速度36 m/s(2水平)、占空比63.7%(0.365水平)、电解电流11.5 A(-0.125水平)，在此工艺参数基础上对铝基金刚石复合材料进行4组ELID超精密磨削加工实验，加工出表面粗糙度最低为149 nm的样件表面，如图3所示。
由图3中已加工表面的镜面效果可以看出，表面存在细微划痕，镜面光泽度不高。表面划痕主要是因为ELID磨削在实现微切削的同时不可避免在铝合金基体表面留下磨粒尖端的痕迹；镜面光泽度不高，是因为铝基金刚石中的铝基成分在加工后与空气中氧发生氧化反应，生成氧化物致使表面变暗。
5 结语
根据铝基金刚石ELID磨削实验研究，对加工结果进行分析，主要总结为以下几点：
(1)采用DPS数据处理系统对铝基金刚石复合材料ELID磨削加工表面粗糙度检测结果进行数据处理，得到各因素对铝基金刚石表面粗糙度影响作用的大小顺序：砂轮线速度>磨削深度>脉冲占空比>电解电流。
(2)采用工艺参数为磨削深度9.3 μm、砂轮线速度36 m/s、占空比63.7%、电解电流11.5 A的ELID磨削工艺，对铝基金刚石复合材料进行精密加工，加工出表面粗糙度Ra149 nm的样件加工表面。
(3)ELID磨削技术能够解决铝基金刚石在精密磨削加工中铝屑粘附砂轮造成烧伤的难题，适合铝基金刚石材料的精密成型磨削加工。
