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摘要:石墨因其耐高溫性、良好的導(dǎo)熱性、熱變形小等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于封裝行業(yè)作為高溫?zé)崽幚磔d體,稱為石墨模具。石墨模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),直接影響封接組件的絕緣性,密封性等重要性能,且加工工藝的不同會直接影響石墨模具的質(zhì)量和加工成本。故研究合理的模具結(jié)構(gòu),選取合理的加工工藝參數(shù)至關(guān)重要。本文針對我所封接產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求,設(shè)計(jì)滿足使用要求的石墨模具,并提出加工模具的具體工藝方法。
關(guān)鍵詞:石墨模具;封裝;加工工藝
1石墨材料的選取
三高石墨(即高強(qiáng)度、高密度、高純度)具備受熱膨脹率小、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良等特點(diǎn),主要應(yīng)用于軍工、空航對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的行業(yè)。普通石墨雜質(zhì)較多,在高溫下會揮發(fā)出復(fù)雜的氣體或生成復(fù)雜成分的氧化膜影響密封件的性能。
2石墨模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1典型密封件簡介
密封件主要有底座、中心引腳、玻璃絕緣子三部分組成。傳統(tǒng)金屬-玻璃封接件中心引腳呈直棒狀,如圖1(a)所示,結(jié)構(gòu)相對簡單。我所封裝件需要引腳兩端呈壓扁狀,如圖1(b)所示,該種產(chǎn)品要求引腳兩端的壓扁在同一豎直方向,且引腳位于玻璃絕緣子中心。
2.2石墨模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
上述的金屬-玻璃封接件典型結(jié)構(gòu),當(dāng)引腳在玻璃中不居中或不垂直時,都會存在封接應(yīng)力不均勻,從而影響玻璃開裂的風(fēng)險。故石墨模具設(shè)計(jì)時應(yīng)重點(diǎn)考慮引腳的限位,與玻璃的垂直度控制。在設(shè)計(jì)模具時,顯然限制引腳的自由度才能有效保證引腳的垂直。故采用定位下模與定位上模的配合時,要保證上、下模的垂直度。初始模具結(jié)構(gòu)上、下模均采用環(huán)形槽的方式(如圖2所示),引腳可在環(huán)形槽內(nèi)隨意滑動,高溫時會造成引腳傾斜于熔融狀態(tài)的玻璃體中。很多企業(yè)將定位下模結(jié)構(gòu)改成了打孔的方式(如圖3所示),限制了引腳在下模的自由度,但定位上模仍然是環(huán)形槽方式,雖然減少了引腳的傾斜概率,但不垂直于玻璃中心的情況時有發(fā)生。我所設(shè)計(jì)的石墨模具上、下模配合采用方形槽限位,避免了上模在下模圓形槽內(nèi)不受自由度控制的轉(zhuǎn)動。另外模具上、下模結(jié)構(gòu)中均設(shè)計(jì)了壓扁的固定槽,保證壓扁方向上下同向,且垂直于密封件玻璃中心。
3石墨模具的加工工藝方法
3.1石墨加工切削機(jī)理
石墨屬于非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的脆性材料,刀具在切削過程中刀尖圓弧及前刀面擠壓于工件表面,石墨材料發(fā)生脆性斷裂,形成細(xì)小顆粒狀或粉末狀切屑。同時,石墨工件在與刀尖接觸位置有擠壓破碎,會產(chǎn)生一條裂紋,該裂紋會向刀尖前下方延伸,再逐漸延伸到工件表面,產(chǎn)生塊狀切屑,切屑通常沿著刀具前刀面滑移,造成刀具的磨損,并在石墨工件已加工表面留下崩碎、凹坑[1][2]。
3.2加工方法及參數(shù)的選擇
傳統(tǒng)石墨加工方法有車、鉗、銑、磨、加工中心等,根據(jù)我所石墨模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選用加工中心進(jìn)行加工,后面將對加工方法及主要切削用量參數(shù)的選取進(jìn)行介紹。
3.2.1銑削方式順銑時,刀尖與工件剛接觸時切削深度最大,此時待加工表面受力指向工件內(nèi)部,切削力最大,石墨屑呈塊狀沿著前刀面飛離工件;隨著刀具繼續(xù)進(jìn)給,切削深度不斷較小,已加工表面與后刀面接觸面積逐漸減小,刀具切削力隨之減小,形成小碎塊和粉末切屑[2]。逆銑時,刀尖與工件剛接觸時切削深度最小,切屑呈細(xì)小碎末狀;刀具繼續(xù)進(jìn)給,切削深度逐漸增大,待加工表面受力由內(nèi)部逐漸向工件外部擴(kuò)散,反而待切削層強(qiáng)度降低,易形成大塊碎屑及崩裂,切削力減小,不利于加工表面的粗糙度[2]。所以在加工石墨模具時,考慮到順銑切削振動小,能得到較好的表面狀態(tài),多采用順銑方式進(jìn)行銑削加工。
3.2.2刀具的選擇石墨是一種硬脆材料,在加工過程中切削沖擊力大,且碎屑會沿著刀尖方向滑移,造成刀具嚴(yán)重磨損,使用壽命不佳,故加工石墨時應(yīng)選取耐磨損性和抗沖擊性強(qiáng)的刀具。生產(chǎn)中常用的刀具有高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、金剛石刀具等,為了增加刀具的耐磨性,涂層刀具得到了越來越廣泛的應(yīng)用。金剛石涂層刀具具有高硬度、高耐磨性及良好的抗粘著性,從切削性能角度出發(fā)是最適合加工石墨材料的刀具,但因其制造工藝不成熟、價格昂貴,沒有得到廣泛的應(yīng)用[2]。我所主要采用的是AlTiN涂層硬質(zhì)合金刀具,該種刀具具備良好的耐磨粒磨損性和抗沖擊性,足以滿足石墨模具的加工工藝要求,刀具壽命顯著提升。石墨加工刀具的角度對工件表面質(zhì)量有著重要的影響。合理的前角、后角角度,有助于石墨塊狀切屑和粉末狀切屑的排出,減小加工時的切削力,從而減小刀具的振動沖擊力。前角、后角采用6°至8°時,加工的石墨模具表面質(zhì)量最佳。
3.2.3切削用量的選取加工工藝參數(shù)的選取要綜合考慮機(jī)床特性、刀具特性、石墨模具結(jié)構(gòu)等多方面因素,合理的切削用量才能加工出高質(zhì)量的石墨模具。按粗加工和精加工來考慮切削用量,粗銑時采用高主軸轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度、大切削深度,提高加工效率[1];精銑時采用高主軸轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度、小切削深度,提高表面質(zhì)量。按結(jié)構(gòu)考慮,在石墨模具拐彎部位、圓角部位、微孔部位等應(yīng)采用高主軸轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給速度、小切削深度,防止加工過程中材料的崩裂。我所石墨模具加工切削用量在粗加工時主軸轉(zhuǎn)速6000~7000r/min,進(jìn)給速度4000~5000mm/min,切削深度0.8~1mm;精加工時主軸轉(zhuǎn)速7000~8000r/min,進(jìn)給速度3000~4000mm/min,切削深度0.08~0.2mm。孔加工時鉆頭轉(zhuǎn)速2000~3000r/min,進(jìn)給速度200~300mm/min,切削深度0.5~1mm。
3.3石墨粉塵切屑處理方式
石墨因其脆性在加工中的切屑已粉塵顆粒形式存在,石墨本身具有良好的潤滑性,若采用冷卻液冷卻,則石墨顆粒將粘著于刀具表面,影響刀具散熱,降低刀具使用壽命。石墨具有導(dǎo)電性,在加工中,石墨灰若不慎散落于機(jī)床內(nèi)部電路系統(tǒng),則可能造成機(jī)床短路,后果不堪設(shè)想[1]。故在石墨模具加工時應(yīng)采用專用的抽風(fēng)除塵設(shè)備[3],一來可以將石墨顆粒迅速抽入除塵設(shè)備,不粘附于刀具表面;二來氣流可以對刀具起到冷卻作用。
4結(jié)論
本文通過對石墨模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn),解決了封接件引腳與玻璃不垂直的缺陷,避免了封接件由于引腳傾斜造成應(yīng)力不均勻從而影響密封性、力學(xué)性能的情況。通過對石墨材料加工機(jī)理的分析,制定出合理的加工工藝方法及切削用量參數(shù),提高了刀具的使用壽命,保證了石墨模具的產(chǎn)品質(zhì)量。
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作者:王波 丁一冉 單位:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所