封装用石墨模具结构设计与加工工艺

1   石墨材料的选取
三高石墨（即高强度、高密度、高纯度）具备受热膨胀率小、热传导性能优良等特点，主要应用于军工、空航对产品质量要求较高的行业。普通石墨杂质较多，在高温下会挥发出复杂的气体或生成复杂成分的氧化膜影响密封件的性能。
2   石墨模具的结构设计
2.1   典型密封件简介
密封件主要有底座、中心引脚、玻璃绝缘子三部分组成。传统金属 - 玻璃封接件中心引脚呈直棒状，如图 1 （a）所示，结构相对简单。我所封装件需要引脚两端呈压扁状，如图 1（b）所示，该种产品要求引脚两端的压扁在同一竖直方向，且引脚位于玻璃绝缘子中心。
2.2   石墨模具结构设计
上述的金属 - 玻璃封接件典型结构，当引脚在玻璃中不居中或不垂直时，都会存在封接应力不均匀，从而影响玻璃开裂的风险。故石墨模具设计时应重点考虑引脚的限位，与玻璃的垂直度控制。在设计模具时，显然限制引脚的自由度才能有效保证引脚的垂直。故采用定位下模与定位上模的配合时，要保证上、下模的垂直度。初始模具结构上、下模均采用环形槽的方    式（如图 2 所示），引脚可在环形槽内随意滑动，高温时会造成引脚倾斜于熔融状态的玻璃体中。很多企业将定位下模结构改成了打孔的方式（如图 3 所示），限制了引脚在下模的自由度，但定位上模仍然是环形槽方式，虽然减少了引脚的倾斜概率，但不垂直于玻璃中心的情况时有发生。我所设计的石墨模具上、下模配合采用方形槽限位，避免了上模在下模圆形槽内不受自由度控制的转动。另外模具上、下模结构中均设计了压扁的固定槽，保证压扁方向上下同向，且垂直于密封件玻璃中心。
3   石墨模具的加工工艺方法
3.1   石墨加工切削机理
石墨属于非均质结构的脆性材料，刀具在切削过程中刀尖圆弧及前刀面挤压于工件表面，石墨材料发生脆性断裂，形成细   小颗粒状或粉末状切屑。同时，石墨工件在与刀尖接触位置有挤压破碎，会产生一条裂纹，该裂纹会向刀尖前下方延伸，再逐渐延伸到工件表面，产生块状切屑，切屑通常沿着刀具前刀面滑   移，造成刀具的磨损，并在石墨工件已加工表面留下崩碎、凹坑[1][2]。
3.2   加工方法及参数的选择
传统石墨加工方法有车、钳、铣、磨、加工中心等，根据我所石墨模具的结构特点，选用加工中心进行加工，后面将对加工方法及主要切削用量参数的选取进行介绍。
3.2.1   铣削方式
顺铣时，刀尖与工件刚接触时切削深度最大，此时待加工表面受力指向工件内部，切削力最大，石墨屑呈块状沿着前刀面飞离工件；随着刀具继续进给，切削深度不断较小，已加工表面与后刀面接触面积逐渐减小，刀具切削力随之减小，形成小碎块和粉末切屑[2]。逆铣时，刀尖与工件刚接触时切削深度最小，切屑呈细小碎末状；刀具继续进给，切削深度逐渐增大，待加工表面受力由内部逐渐向工件外部扩散，反而待切削层强度降低，易形成大块碎屑及崩裂，切削力减小，不利于加工表面的粗糙度[2]。
所以在加工石墨模具时，考虑到顺铣切削振动小，能得到较好的表面状态，多采用顺铣方式进行铣削加工。
3.2.2   刀具的选择
石墨是一种硬脆材料，在加工过程中切削冲击力大，且碎屑会沿着刀尖方向滑移，造成刀具严重磨损，使用寿命不佳，故加工石墨时应选取耐磨损性和抗冲击性强的刀具。生产中常用的刀具有高速钢刀具、硬质合金刀具、金刚石刀具等，为了增加刀具的耐磨性，涂层刀具得到了越来越广泛的应用。金刚石涂层刀具具有高硬度、高耐磨性及良好的抗粘着性，从切削性能角度出发是最适合加工石墨材料的刀具，但因其制造工艺不成熟、价格昂贵，没有得到广泛的应用[2]。我所主要采用的是 AlTiN 涂层硬质合金刀具，该种刀具具备良好的耐磨粒磨损性和抗冲击性，足以满足石墨模具的加工工艺要求，刀具寿命显著提升。石墨加工刀具的角度对工件表面质量有着重要的影响。合理的前角、后角角度，有助于石墨块状切屑和粉末状切屑的排出，减小加工时的切削力，从而减小刀具的振动冲击力。前角、后角采用 6°至 8°时，加工的石墨模具表面质量最佳。
3.2.3   切削用量的选取
加工工艺参数的选取要综合考虑机床特性、刀具特性、石墨模具结构等多方面因素，合理的切削用量才能加工出高质量的石墨模具。按粗加工和精加工来考虑切削用量，粗铣时采用高主轴转速、大进给速度、大切削深度，提高加工效率[1]；精铣时采用高主轴转速、大进给速度、小切削深度，提高表面质量。按结构考虑，在石墨模具拐弯部位、圆角部位、微孔部位等应采用高主轴转速、小进给速度、小切削深度，防止加工过程中材料的崩裂。
我所石墨模具加工切削用量在粗加工时主轴转速 6000～ 7000r/min，进给速度 4000～5000mm/min，切削深度 0.8～1mm；精加工时主轴转速 7000 ～8000r/min，进给速度 3000 ～4000mm/min，切削深度 0.08～0.2mm。孔加工时钻头转速 2000～3000r/min，进给速度 200～300mm/min，切削深度 0.5～1mm。
3.3   石墨粉尘切屑处理方式
石墨因其脆性在加工中的切屑已粉尘颗粒形式存在，石墨本身具有良好的润滑性，若采用冷却液冷却，则石墨颗粒将粘着于刀具表面，影响刀具散热，降低刀具使用寿命。石墨具有导电性，在加工中，石墨灰若不慎散落于机床内部电路系统，则可能造成机床短路，后果不堪设想[1]。故在石墨模具加工时应采用专用的抽风除尘设备[3]，一来可以将石墨颗粒迅速抽入除尘设备，不粘附于刀具表面；二来气流可以对刀具起到冷却作用。
4   结论
本文通过对石墨模具结构的改进，解决了封接件引脚与玻璃不垂直的缺陷，避免了封接件由于引脚倾斜造成应力不均匀从而影响密封性、力学性能的情况。通过对石墨材料加工机理的分析，制定出合理的加工工艺方法及切削用量参数，提高了刀具的使用寿命，保证了石墨模具的产品质量。

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