石墨模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝方法分析

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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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)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(jiǎn)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(duì)簡(jiǎn)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(shí)，都會(huì)存在封接應(yīng)力不均勻，從而影響玻璃開裂的風(fēng)險(xiǎn)。故石墨模具設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，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(shí)，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(dòng)，高溫時(shí)會(huì)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(shí)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(dòng)。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(shí)，石墨工件在與刀尖接觸位置有擠壓破碎，會(huì)產(chǎn)生一條裂紋，該裂紋會(huì)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(duì)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(shí)，刀尖與工件剛接觸時(shí)切削深度最大，此時(shí)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(shí)，刀尖與工件剛接觸時(shí)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(shí)，考慮到順銑切削振動(dòng)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(huì)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(shí)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(lái)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(jià)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(duì)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(shí)的切削力，從而減小刀具的振動(dòng)沖擊力。前角、后角采用6°至8°時(shí)，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(lái)考慮切削用量，粗銑時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(rùn)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(shí)應(yīng)采用專用的抽風(fēng)除塵設(shè)備[3]，一來(lái)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(lái)氣流可以對(duì)刀具起到冷卻作用。

4結(jié)論

本文通過對(duì)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(duì)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所