硅鋁合金銑削技術研究

成都四威高科技產業園公司（四川 611730) 高 鍵 楊小衛 王天石

硅鋁合金由于具有熱膨脹系數低 (且可以廣域調整)、熱傳導性能良好、密度低、合理的強度和剛度、易于精密加工、電鍍性能好、焊接性能良好以及無毒等優越性能而適應大多數通用微電子設備和基體，在電子及相關行業受到越來越多的重視。

硅鋁合金CE11含硅量為50%，相對于常用的普通鋁合金來說是一種新型復合材料。其物理、力學性能如表1所示。其強度和塑性較普通鋁合金低，在試加工過程中也表現出明顯的脆性。因此，只有解決了硅鋁合金零件的切削加工技術問題，才能制造出滿足需求的硅鋁合金零件。

表1 硅鋁合金CE11物理、力學性能

1.前期加工問題

在硅鋁合金零件試加工前期，由于缺乏對該材料的認識和加工經驗，加工出的零件總是或多或少出現崩邊的現象，加工狀態極不穩定。如圖1所示為某硅鋁合金盒體加工情況，其中表面、深1.2mm、深5.4mm和深5.8mm的獨立凸臺以及側面多芯插座通腔處是最容易崩邊的地方。

圖1 硅鋁合金前期加工問題

如圖2所示是在采用普通鋁合金切削加工過程中常用的螺旋下刀方式進銑削過程中，刀具重疊量不夠出現的加工缺陷，加工后腔的底面出現崩裂坑。

圖2 螺旋下刀加工缺陷

2.問題分析及優化方法

為了研究影響硅鋁合金加工缺陷的因素，我們指定某普通三軸加工，通過理論分析及試驗設計分別對切削參數、切削路徑和刀具進行了大量試驗及數據分析研究。

(1)切削參數。在試驗過程中硅鋁合金CE11出現崩邊、脆斷的狀況，與該材料的屈服強度較低、塑性差 (脆性材料)有關，因此在切削參數設定時應注意減小切削力。根據切削力公式可知，切削力F與齒數 (z)、切深 (a)和每齒進給量 (fz)有關(K為切削力系數)，而由主軸轉速、刀具直徑、進給量和切深可以換算出這3個參數，切削力公式如下

通過硅鋁合金CE11材料的物性參數，結合切削力公式，可以預分析出適合CE11的切削參數范圍。在粗加工時，刀具轉速適當降低，吃刀量及進給量適當減小。精加工時，根據粗加工余量情況、零件表面粗糙度、尺寸精度等技術要求，再做適當調整。現以φ6mm(4齒)刀具舉例說明粗加工時各參數的設置 (見表2)。

表2 φ6mm刀具切削參數

(2)切削路徑。在銑刀切入工件時，刀齒和工件在接觸瞬間為非切削狀態，此時由于刀齒和工件的碰撞，動量從工件傳遞至刀齒，產生較大的接觸力，此時接觸應力大于CE11材料的屈服強度。而由于CE11材料塑性較普通鋁合金差，塑性變形區域很短，刀齒和工件的交互作用由塑性變形區域很快進入破壞區域 (見圖3)。此時，材料的去除并不是由刀齒切削造成，而是由工件材料的脆斷造成，因此造成了工件在銑刀切入點出現斷裂損壞，從而形成了崩邊。

圖3

由此可見，切削加工的進刀和出刀階段是導致硅鋁合金CE11出現崩邊的關鍵階段，因此在設計切削路徑時應盡量避免刀具側刃與工件的接觸，而應多采用刀具底刃與工件接觸的方式。如圖4所示為表面銑削時，設置刀具至少要有d/2在零件邊緣外，這樣可避免崩邊。

3.刀具

在加工硅鋁合金時，為了避免切削力過大導致材料脆斷，刀具一定要鋒利，這樣保證在加工過程中是通過切削去除材料，而不是擠壓和磨削去除材料。另一方面，由于硅鋁合金硅含量為50%，硅的硬度約為74HRC，刀具材料硬度應高于硅顆粒的硬度，因此，硬度約為80HRC的硬質合金刀具是合適的選擇。

實際加工過程中，要考慮刀具成本與加工效率，可以用某國產刀具先粗加工，側壁留0.05～0.10mm的余量，精加工用某金剛石涂層刀具。

圖4 表面銑削路徑設置

4.優化后的加工效果

加工后的成品如圖5所示。使用50倍顯微鏡觀察工件臺階如圖6所示，臺階邊緣輪廓非常清晰，基本沒有微崩邊狀況發生，加工質量較好。

圖5

對加工工件進行尺寸精度、表面粗糙度和平面度檢測，檢測結果如表3所示，加工后的工件質量達到了技術指標要求，加工一次合格率達到95%。

圖6 臺階局部放大形貌

表3 工件質量檢測結果

5.結語

硅鋁合金CE11是一種新型難加工復合材料，在進行機械加工時容易產生裂紋、脆斷和崩邊等缺陷。本文通過研究硅鋁合金零件關鍵銑削技術，包括切削路徑、切削參數、刀具，獲得了優化的硅鋁合金CE11銑削工藝技術，解決了硅鋁合金CE11的銑削難題，掌握了制造技術。