CN111531411A - 一种铝基金刚石复合材料精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，属于难加工复合材料精密超精密加工技术领域。磁性工作台依靠磁力吸附铝基金刚石复合材料，金属结合剂金刚石砂轮作为ELID磨削刀具，磨削液为含有电解质及缓蚀剂的电解复合液。本发明通过电火花加工蚀除掉铝基体及金刚石颗粒表层金属化涂层，使材料表层增强相金刚石颗粒充分地暴露出来，便于图像处理提取金刚石颗粒直径以确定金属结合剂金刚石刀具的粒度(增强相金刚石颗粒直径的2～2.5倍)及加工工艺参数。刀具一次装夹仅改变砂轮进给量完成铝基金刚石复合材料的粗加工、半精加工及精加工，实现复合材料的精密加工，有效提高了铝基金刚石复合材料的加工精度和加工效率。

Description

一种铝基金刚石复合材料精密加工方法
技术领域
本发明涉及一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，属于难加工复合材料精密超精密加工技术领域。
背景技术
铝基金刚石复合材料是最新研制出的第四代电子封装材料，相比第三代电子封装材料铝基碳化硅，增强相由碳化硅替换成金刚石使得材料的导热率提高，热膨胀系数降低，有效提升了电子器件的寿命及稳定性，但同时增加了材料加工的难度。增强相和基体硬度巨大的悬殊，致使传统磨削加工“软磨硬、硬磨软”的加工方式不再适用此类复合材料的加工。目前铝基金刚石复合材料的制备技术已醇熟，但尚未有学者涉猎该材料的加工，极大限制了铝基金刚石复合材料的应用。
若要加工铝基金刚石复合材料，在加工工艺上需解决软质铝基体对刀具的粘附作用，加工工具需具备足够强度和硬度实现硬质增强相金刚石的切削。
ELID磨削技术可在线电解去除金属结合剂及粘附在砂轮刀具表面的铝基体，使砂轮刀具实现自锐保持良好的切削、排屑及散热能力，避免材料的烧伤；金属结合剂金刚石砂轮中相较于铝基金刚石复合材料金刚石颗粒直径2～2.5倍大的金刚石磨粒，确保金刚石磨粒对增强相金刚石颗粒的低磨损切削，以实现铝基金刚石复合材料的精密加工。
发明内容
本发明的目的是采用金属结合剂金刚石砂轮在ELID磨削工艺系统下，实现铝基金刚石复合材料的精密加工。
本发明的技术方案是铝基金刚石复合材料精密加工方法，属于难加工复合材料精密超精密加工技术领域。磁性工作台依靠磁力吸附铝基金刚石复合材料，金属结合剂金刚石砂轮作为ELID磨削刀具，磨削液为含有电解质及缓蚀剂的电解复合液。本发明通过电火花加工蚀除掉铝基体及金刚石颗粒表层金属化涂层，使材料表层增强相金刚石颗粒充分地暴露出来，便于图像处理提取金刚石颗粒直径以确定金属结合剂金刚石刀具的粒度(增强相金刚石颗粒直径的2～2.5倍)及加工工艺参数。刀具一次装夹仅改变砂轮进给量完成铝基金刚石复合材料的粗加工、半精加工及精加工，实现复合材料的精密加工，有效提高了铝基金刚石复合材料的加工精度和加工效率。
工件为铝基金刚石复合材料。铝基金刚石复合材料作为第四代电子封装材料，导热率高、热膨胀系数低的优良特性，有效提升了电子器件的寿命及稳定性。目前铝基金刚石复合材料的制备技术已醇熟，但尚未有学者涉猎该材料的加工，极大限制了铝基金刚石复合材料的应用，因此选择铝基金刚石复合材料作为精密加工的工件材料。
预处理铝基金刚石复合材料，电火花加工蚀除复合材料表层铝基体及增强相金刚石金属化涂层，使材料表层金刚石颗粒充分地暴露出来。预处理的处理方式和金属结合剂金刚石砂轮的修整方法一致，只是目的不同。因为电火花加工属于非接触式特种加工，将导电工件与高频脉冲电源正极相接，导电电极与高频脉冲电源负极相接，以煤油或去离子水连接放电通道，可有效蚀除工件表面的导电金属，有选择性的使无涂层的金刚石颗粒充分暴露出来，方便图像处理与信息提取。
扫描电子显微镜获取电火花加工后复合材料的表面，MATLAB图像灰度处理并提取增强相金刚石颗粒的图像评估金刚石颗粒的最大d0。选择图像灰度处理是为了实现图像阈值的调节将图片变为黑白色，有效提取金刚石颗粒特征。
基于铝基金刚石复合材料增强相金刚石颗粒的最大直径d0，确定ELID磨削用金属结合剂金刚石砂轮粒度D(增强相金刚石颗粒的2～2.5倍)，进而确定铝基金刚石复合材料粗加工、半精加工及精加工ELID磨削工艺参数。选用增强相金刚石颗粒直径2～2.5倍的粒度的金属结合剂金刚石砂轮，是为了确保刀具有足够的强度和硬度实现增强相金刚石的切削，而2～2.5倍是根据前期大量实验中摸索出的规律。当刀具与材料中金刚石颗粒相当时，刀具磨损严重，同时工件表面存在烧伤等问题；当刀具与材料中金刚石颗粒呈3倍及以上关系时，材料中金刚石颗粒破碎后拔出，表面产生孔洞，表面质量差。
金属结合剂金刚石砂轮粒度确定后，需修形修锐处理。首先是高频脉冲电源下，电火花修整保证金属结合剂金刚石砂轮的磨削精度。由于金属结合剂金刚石砂轮大都采用烧结工艺，冷却过程中的砂轮容易变形，必须进行修整以保证砂轮的形状精度提高磨削精度，采用电火花加工的目的在上文中预处理工件时已经提到，这种方式可以将金刚石颗粒暴露出来，以便于开展下一步切削；但这种修整加工方式会在金属结合剂金刚石砂轮表面产生一层硬质层，降低金刚石磨粒的切削性能，所以就有了第二步树脂砂轮的修整，目的就是去除电火花修整作用后金属结合剂金刚石砂轮表面硬质层；硬质层去除后，金刚石颗粒会有一定程度的磨损，所以在正式加工之前需通过ELID磨削工艺系统对金属基金刚石砂轮的预电解修锐，保证砂轮的切削性能，降低切削力，开始正式的加工。
精密加工的实现过程又分为粗加工、半精加工及精加工阶段，三各阶段均使用同一粒度的金属结合剂金刚石砂轮进行ELID磨削，其中ELID磨削加工过程中使用交流脉冲恒压电源，确保氧化膜生成速率保持稳定的同时提升效率；铝基金刚石复合材料依靠工作台磁力装夹固定在工作台上；电解复合液既包含电解质NaNO3及缓蚀剂等实现金属结合剂金刚石砂轮的在线电解修锐，又包含油性添加剂、表面活性剂、有机醇、防锈剂、冷却清洗剂、防腐剂、消泡剂、极压抗磨剂、金属离子封锁剂等磨削液成分起到润滑、冷却、清洗及防锈的作用。
粗加工时，砂轮进给量为砂轮磨粒的2/9，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm。砂轮进给1～3次；半精加工时，砂轮进给量为砂轮磨粒的1/9，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm。砂轮进给2～4次；精加工时，砂轮进给量为砂轮磨粒的1/18，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm。砂轮进给2～4次。在各阶段加工中刀具成分确定后，便可以确定各项电解参数，因为电解的目的在于去除砂轮表面金属结合剂及黏附于砂轮上的金属碎屑，这是一个动态的过程，参数的改变对加工结果的影响不大。ELID磨削系统下，刀具一次装夹可实现粗加工、半精加工、精加工的根源在于各阶段砂轮进给量不同，进给量不同的区别在于金属结合剂金刚石砂轮的金刚石磨粒刃尖超出氧化膜高度。粗加工时所有磨粒刃尖参与磨削，砂轮进给1～3次后可去除材料表面的一些较大的缺陷，使工件表面有一定的基础精度；半精加工时，大约一半磨粒刃尖参与磨削，砂轮进给2～4次后可去除工件表面由于上一道工序所留下的磨削纹路和划痕，提高工件表面质量；精加工时，磨粒被完全覆盖氧化膜下，此时夹杂金刚石碎屑的氧化膜参与磨削可对材料进行光磨，类似精加工中的研抛过程，实现材料的精密加工。
酒精、去离子水依次清洗铝基金刚石复合材料，压缩空气吹干后检测表面粗糙度。对加工后的工件清洗是为了去除材料表面残留的氧化膜及油污，方便表面粗糙度的测量及表面形貌图像的获取。
本发明的效果和益处是采用金属结合剂金刚石砂轮在ELID磨削工艺系统下，实现了铝基金刚石复合材料的精密加工，同时将此方法扩展应用到增强相为金刚石颗粒的各类复合材料的精密加工中。
附图说明
图1是铝基金刚石复合材料精密加工流程；
图2是金属结合剂金刚石砂轮粒度表；
图3是金刚石粒度50μm的铝基金刚石复合材料精密磨削效果表面形貌图。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
样件为直径φ50mm，厚度10mm的铝基金刚石复合材料，实验使用改造后的MSG-612CNC型高精度平面磨床(配有ELID磨削专用直流脉冲电源、专用电解磨削液、直径φ180mm金属结合剂金刚石砂轮及其配套导电电极)进行，使用TR300粗糙度形状检测仪和S-3400NⅡ型扫描电子显微镜分别对已加工样件表面进行二维和三维形貌测量。
对铝基金刚石复合材料预处理，电火花加工蚀除复合材料表层铝基体及增强相金刚石金属化涂层，使材料表层金刚石颗粒充分地暴露出来；扫描电子显微镜获取电火花加工后复合材料的表面，MATLAB图像灰度处理并提取增强相金刚石颗粒的图像评估金刚石颗粒的最大直径为50μm，查表2确定ELID磨削用金属结合剂金刚石砂轮粒度为120#(砂轮粒径范围200μm～225μm)。
选定后的金属结合剂金刚石砂轮需修形修锐处理，包括以下步骤：1)高频脉冲电源下，电火花修整保证金属结合剂金刚石砂轮的磨削精度；2)树脂砂轮修整金属结合剂金刚石砂轮以去除电火花修整作用后金属结合剂金刚石砂轮表面硬质层；3)ELID磨削工艺系统下金属基金刚石砂轮的预电解修锐，保证砂轮的切削性能，降低切削力。
粗加工，砂轮进给量为砂轮磨粒粒径的40μm，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm。砂轮进给3次。
半精加工，砂轮进给量为砂轮磨粒粒径的20μm，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm。砂轮进给4次。
精加工，砂轮进给量为砂轮磨粒粒径的10μm，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm。砂轮进给4次；酒精、去离子水依次清洗铝基金刚石复合材料，压缩空气吹干后检测表面粗糙度，并检测表面形貌。加工获得表面粗糙度低于0.2μm，表面形貌如图3所示。

Claims (7)

1.一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：铝基金刚石复合材料预处理，电火花加工蚀除复合材料表层铝基体及增强相金刚石金属化涂层，使材料表层金刚石颗粒充分地暴露出来；
步骤2：扫描电子显微镜获取电火花加工后复合材料的表面，MATLAB图像灰度处理并提取增强相金刚石颗粒的图像评估金刚石颗粒的最大直径d0；
步骤3：基于铝基金刚石复合材料增强相金刚石颗粒的最大直径d0，确定ELID磨削用金属结合剂金刚石砂轮粒度D，增强相金刚石颗粒直径的2～2.5倍，进而确定铝基金刚石复合材料粗加工、半精加工及精加工ELID磨削工艺参数；
步骤4：粗加工，砂轮进给量为砂轮磨粒粒径的2/9，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm，砂轮进给1～3次；
步骤5：半精加工，砂轮进给量为砂轮磨粒粒径的1/9，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm，砂轮进给2～4次；
步骤6：精加工，砂轮进给量为砂轮磨粒粒径的1/18，砂轮转速2800r/min，工件移动速度7.5m/min，ELID磨削电参数中电解电压45V，电解电流2A，电解间隙0.5mm，砂轮进给2～4次；
步骤7：酒精、去离子水依次清洗铝基金刚石复合材料，压缩空气吹干后检测表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于，所述步骤1中，电火花加工采用高频脉冲电源，各工艺参数与电火花修整同粒度金属结合剂金刚石砂轮一致。
3.根据权利要求1所述的一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于，所述步骤3中，金属结合剂金刚石砂轮粒度由粒度表确定。
4.根据权利要求1所述的一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于，所述步骤4～6中，ELID磨削采用交流脉冲恒压电源；铝基金刚石复合材料依靠工作台磁力装夹固定在工作台上；电解复合液既包含电解质NaNO3及缓蚀剂实现金属结合剂金刚石砂轮的在线电解修锐，又包含油性添加剂、表面活性剂、有机醇、防锈剂、冷却清洗剂、防腐剂、消泡剂、极压抗磨剂、金属离子封锁剂磨削液成分起到润滑、冷却、清洗及防锈的作用。
5.根据权利要求1所述的一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于，所述步骤7中，表面粗糙度由表面粗糙度测量仪测得。
6.根据权利要求1所述的一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于，所述步骤3中，选定金属结合剂金刚石砂轮需修形修锐处理，包括以下步骤：
步骤31：高频脉冲电源下，电火花修整保证金属结合剂金刚石砂轮的磨削精度；
步骤32：树脂砂轮修整金属结合剂金刚石砂轮以去除电火花修整作用后金属结合剂金刚石砂轮表面硬质层；
步骤33：ELID磨削工艺系统下金属基金刚石砂轮的预电解修锐，保证砂轮的切削性能，降低切削力。
7.根据权利要求1所述的一种铝基金刚石复合材料精密加工方法，其特征在于，所述精密加工方法适用于增强相为金刚石颗粒的各类复合材料。
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