封裝用石墨模具結構設計與加工工藝方法

王 波 丁一冉

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300381）

1 石墨材料的選取

三高石墨（即高強度、高密度、高純度）具備受熱膨脹率小、熱傳導性能優良等特點，主要應用于軍工、空航對產品質量要求較高的行業。普通石墨雜質較多，在高溫下會揮發出復雜的氣體或生成復雜成分的氧化膜影響密封件的性能。

2 石墨模具的結構設計

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。

傳統金屬- 玻璃封接件中心引腳呈直棒狀，如圖1（a）所示，結構相對簡單。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。

圖1 封接產品圖

2.2 石墨模具結構設計

上述的金屬- 玻璃封接件典型結構，當引腳在玻璃中不居中或不垂直時，都會存在封接應力不均勻，從而影響玻璃開裂的風險。故石墨模具設計時應重點考慮引腳的限位，與玻璃的垂直度控制。在設計模具時，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。初始模具結構上、下模均采用環形槽的方式（如圖2 所示），引腳可在環形槽內隨意滑動，高溫時會造成引腳傾斜于熔融狀態的玻璃體中。很多企業將定位下模結構改成了打孔的方式（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生。我所設計的石墨模具上、下模配合采用方形槽限位，避免了上模在下模圓形槽內不受自由度控制的轉動。另外模具上、下模結構中均設計了壓扁的固定槽，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 石墨加工切削機理

圖2 初始石墨模具上、下模

圖3 傳統石墨模具上、下模

石墨屬于非均質結構的脆性材料，刀具在切削過程中刀尖圓弧及前刀面擠壓于工件表面，石墨材料發生脆性斷裂，形成細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 加工方法及參數的選擇

傳統石墨加工方法有車、鉗、銑、磨、加工中心等，根據我所石墨模具的結構特點，選用加工中心進行加工，后面將對加工方法及主要切削用量參數的選取進行介紹。

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；隨著刀具繼續進給，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，切屑呈細小碎末狀；刀具繼續進給，切削深度逐漸增大，待加工表面受力由內部逐漸向工件外部擴散，反而待切削層強度降低，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，多采用順銑方式進行銑削加工。

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，造成刀具嚴重磨損，使用壽命不佳，故加工石墨時應選取耐磨損性和抗沖擊性強的刀具。生產中常用的刀具有高速鋼刀具、硬質合金刀具、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，沒有得到廣泛的應用[2]。我所主要采用的是AlTiN涂層硬質合金刀具，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量最佳。

3.2.3 切削用量的選取

加工工藝參數的選取要綜合考慮機床特性、刀具特性、石墨模具結構等多方面因素，合理的切削用量才能加工出高質量的石墨模具。按粗加工和精加工來考慮切削用量，粗銑時采用高主軸轉速、大進給速度、大切削深度，提高加工效率[1]；精銑時采用高主軸轉速、大進給速度、小切削深度，提高表面質量。按結構考慮，在石墨模具拐彎部位、圓角部位、微孔部位等應采用高主軸轉速、小進給速度、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速6000～7000r/min，進給速度4000～5000mm/min，切削深度0.8～1mm；精加工時主軸轉速7000 ～8000r/min，進給速度3000 ～4000mm/min，切削深度0.08～0.2mm。孔加工時鉆頭轉速2000～3000r/min，進給速度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。石墨具有導電性，在加工中，石墨灰若不慎散落于機床內部電路系統，則可能造成機床短路，后果不堪設想[1]。故在石墨模具加工時應采用專用的抽風除塵設備[3]，一來可以將石墨顆粒迅速抽入除塵設備，不粘附于刀具表面；二來氣流可以對刀具起到冷卻作用。

4 結論

本文通過對石墨模具結構的改進，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力不均勻從而影響密封性、力學性能的情況。通過對石墨材料加工機理的分析，制定出合理的加工工藝方法及切削用量參數，提高了刀具的使用壽命，保證了石墨模具的產品質量。