鋁基金剛石精密磨削工藝實驗研究

關佳亮 潘艷杰 代子鵬 張振高 王建杰

(①北京工業大學先進制造技術北京市重點實驗室，北京 100124;②北京衛星制造廠，北京 100080)

1 鋁基金剛石復合材料概述

鋁基金剛石復合材料作為新一代電子封裝材料，在航空航天、電子器件的封裝等方面具有廣闊的前景。金剛石顆粒作為增強相添加到鋁基體中，使材料不僅能夠發揮鋁基體的高導熱、高導電、塑性好、價格便宜的優勢，還能發揮金剛石顆粒的高導熱、高強度的特點[1]，可以大大增加金屬基體的耐磨性、硬度和熱導率，有效減小材料的熱膨脹系數，同時還具備較高的楊氏模量和強度。

鋁基金剛石材料的密度：3.0～3.2 g/cm3,熱導率260～600 W/(m·K),熱膨脹系數7.0～9.2(10-6/K)，是理想的電子封裝材料[2]。為滿足電子封裝高性能、高可靠、小型化的要求，必須保證其制品具有高的表面精度及加工質量。由于鋁基金剛石中的鋁合金基體相與金剛石顆粒增強相材料差異性相差較大，對其加工十分困難，且加工后樣件表面會出現較嚴重的缺陷，屬新型難加工材料[3-4]。在使用車削對鋁基金剛石進行加工時，容易出現加工性能差、加工刀具磨損磨耗大、效率低及加工困難等技術難題。傳統磨削對其加工導致砂輪在磨削過程中損耗過快，尺寸不穩定，磨屑堆積在工件表面。本文選用ELID磨削加工工藝方法[5-7]對鋁基金剛石進行精密加工實驗研究。

2 ELID磨削技術加工優勢

(1)可實現微細磨粒的精準遞進微切削。ELID磨削中電極與砂輪之間發生電解反應，通過陽極溶解的電解作用使砂輪表層的鑄鐵結合劑中鐵粉顆粒以鐵離子的方式脫離砂輪表面，同時也將鋁基金剛石加工過程中產生的粘附在砂輪表面的鋁基磨屑電解去除，使砂輪磨粒達到良好的修銳狀態，砂輪表層金剛石磨粒得以突出，露出鋒利的金剛石磨粒對鋁基金剛石材料表面進行微切削，切削過程穩定、可控，能夠實現對鋁基金剛石超精密去除。

(2)可實現對已加工表面精密鏡面加工。隨著電解進行砂輪表面會形成一層氧化膜，具有良好的彈性和絕緣性起到防止砂輪過度電解的作用，同時部分電解脫落的微小磨粒溶托在砂輪表面的氧化膜中，能夠對鋁基金剛石表面實現研拋加工作用，可以達到鏡面的磨削效果。

(3)可實現精密成形加工。離子級的電解去除作用對砂輪的尺寸影響微乎其微，砂輪形狀精度能夠長期保持不變。

3 實驗

3.1 實驗設備及材料

實驗以型號為MSG-612CNC日本精密平面磨床為母機，將ELID磨削工藝系統與之相配套，建立實驗平臺。該磨床的主要參數如表1所示。采用粒度120#的鑄鐵基金剛石砂輪對鋁基金剛石材料(體積分數為30%、粒徑為50 μm)進行ELID精密磨削加工實驗。ELID磨削工藝系統及樣件檢測所用儀器如表2所示，實驗所用鋁基金剛石材料為直徑60 mm、厚度10 mm的圓形薄片，如圖1所示。

表1 磨床主要參數

表2 實驗及檢測設備

3.2 實驗設計

二次正交旋轉組合設計可以很大程度上使計算過程和試驗數據處理變得簡單，同時可以部分消除各個回歸系數之間存在的關聯性，按照測量的數值直接找到最優的范圍和區域[8-10]，多角度開展模擬分析。故本實驗采用“二次正交旋轉組合優化設計法” 探究鋁基金剛石復合材料ELID精密磨削各工藝參數對表面粗糙度的影響關系及優化工藝參數組合。選取磨削深度、砂輪線速度、占空比、電解電流為影響加工樣件表面粗糙度的4個主要影響因素作為自變量，按照上述順序分別記為Z1、Z2、Z3和Z4，在前期模擬試驗結果的基礎上，確定上述四因素的上、下兩水平，如表3所示。

表3 試驗因素取值范圍

表4 試驗因素水平編碼表

表5 二次正交旋轉組合試驗計及試驗結果

在二次正交旋轉試驗設計的數值分析與建模過程中，不同的量綱會發生各異的自身變異從而對數學模型引入不必要的誤差，故所有的數值分析都將建立在編碼水平Xm上，各試驗因素水平編碼如表4所示。依據二次正交旋轉試驗設計理論進行36組試驗，每組試驗用 120#粒度的金屬結合劑金剛石砂輪對樣件磨削加工，使用TR300表面粗糙度檢測儀對數據進行測量，每個數據測量8次，除最大最小值以外的其他數值取均值，該數值即為采用這組工藝參數組合加工樣件后的表面粗糙度值[11]，試驗設計方案及結果如表5所示。

4 實驗工藝參數的優化

4.1 實驗工藝參數優化數學模型建立

按照二次回歸分析的分析原理[12]，包含試驗中4個因變量的表面粗糙度二次數學回歸模型是：

(1)

式中：i,j=1，2，3，4；為試驗數據的編碼水平；b0，bi，bij，bii為各變量及變量組合的回歸系數。根據相應公式及表5里所記錄實驗結果數據，通過DPS軟件分析出每個回歸系數估值，得到表面粗糙度二次回歸方程[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 實驗工藝參數優化數學模型顯著性檢驗

上述得到的鋁基金剛石ELID磨削表面粗糙度數學模型，需對其進行統計檢驗以判斷其對實際情況的擬合程度。下面對試驗結果進行方差分析進而實施判定系數R2檢驗，表6為試驗結果的方差分析。利用DPS數據處理系統軟件對表面粗糙度數據進行方差分析，采用F檢驗法對其進行回歸方程的顯著性檢驗，采用R檢驗法對其進行回歸參數的顯著性檢驗[14]。根據表面粗糙度實結果方差分析表得到F1=1.787 27F0.01(14,21)=3.07，呈極顯著水平，F3=32.445 1>F0.01(14,11)=4.30，呈極顯著水平，因此對于各試驗因子，回歸方程的結果可以判定是可靠的。回歸模型判定系數R2=0.940 2，即試驗所選取的因變量對被加工件的表面粗糙度值的影響程度是94.02%，由此得到本次試驗得到的回歸方程與客觀測量事實的擬合程度較好。

表6 表面粗糙度試驗結果方差分析表

4.3 基于優化數學模型的實驗工藝參數優化

對比磨削深度(X1)、砂輪線速度(X2)、電解電流(X3)和占空比(X4)四因素在表中各自的P值大小，發現磨削深度和砂輪線速度的一次項，砂輪線速度、占空比和電解電流的二次項，磨削深度與砂輪線速度的交互作用均差異極顯著(P<0.01)，而磨削深度的二次項達到顯著水平(P<0.05)。從而可以判斷：各因素對鋁基金剛石表面粗糙度影響大小規律為:砂輪線速度>磨削深度>脈沖占空比>電解電流。

采用lingo軟件計算出鋁基金剛石復合材料優化工藝參數組合[15-16]：磨削深度9.3 μm(0.77水平)、砂輪線速度36 m/s(2水平)、占空比63.7%(0.365水平)、電解電流11.5 A(-0.125水平)，在此工藝參數基礎上對鋁基金剛石復合材料進行4組ELID超精密磨削加工實驗，加工出表面粗糙度最低為149 nm的樣件表面，如圖3所示。

由圖3中已加工表面的鏡面效果可以看出，表面存在細微劃痕，鏡面光澤度不高。表面劃痕主要是因為ELID磨削在實現微切削的同時不可避免在鋁合金基體表面留下磨粒尖端的痕跡；鏡面光澤度不高，是因為鋁基金剛石中的鋁基成分在加工后與空氣中氧發生氧化反應，生成氧化物致使表面變暗。

5 結語

根據鋁基金剛石ELID磨削實驗研究，對加工結果進行分析，主要總結為以下幾點：

(1)采用DPS數據處理系統對鋁基金剛石復合材料ELID磨削加工表面粗糙度檢測結果進行數據處理，得到各因素對鋁基金剛石表面粗糙度影響作用的大小順序：砂輪線速度>磨削深度>脈沖占空比>電解電流。

(2)采用工藝參數為磨削深度9.3 μm、砂輪線速度36 m/s、占空比63.7%、電解電流11.5 A的ELID磨削工藝，對鋁基金剛石復合材料進行精密加工，加工出表面粗糙度Ra149 nm的樣件加工表面。

(3)ELID磨削技術能夠解決鋁基金剛石在精密磨削加工中鋁屑粘附砂輪造成燒傷的難題，適合鋁基金剛石材料的精密成型磨削加工。