高频微波印制板高性能切削关键技术研究

摘要

高频微波印制板是一种新型的聚四氟乙烯基陶瓷颗粒增强的复合材料，在雷达、通讯以及其他电子行业具有广泛的应用前景。但是，高频微波印制板介质层是由陶瓷与聚四氟乙烯组成，由于陶瓷材料的高硬度以及聚四氟乙烯的低导热性，使得高频微波印制板介质层成为一种典型的难加工材料，针对电子工业中高频微波印制板加工出现的振纹、铜箔翻边和刀具磨损严重等问题，本文通过对微波印制板加工机理和关键技术的研究，进行了切削参数的优化，研究了微波印制板难加工材料的切削规律，提高了微波印制板的加工效率，改善了微波印制板的加工质量，为高频微波印制板的高性能切削加工奠定了基础。
　　本文完成的主要工作和取得的成果如下:
　　①进行了高速铣削微波印制板切削力的研究。研究了铣削参数、冷却方式以及刀具涂层对高速铣削微波印制板切削力的影响;基于多元回归理论，建立了切削力的曲面响应方程模型;基于绿色制造的理念，采用低温喷雾冷却改善高频微波印制板的加工性，有效的改善切削区域的冷却润滑条件，显著降低了切削力。
　　②进行了小直径立铣刀动态特性数值模拟分析以及高速铣削颤振稳定域的研究。使用Pro/E对整体硬质合金立铣刀进行了三维精确建模，在ABAQUS软件中进行动态特性的数值模拟分析，得到了小直径整体硬质合金立铣刀的动态特性。研究结果显示，立铣刀悬伸量和切宽对于立铣刀颤振稳定域的临界切深有着明显的影响，随着悬伸量的增加，临界切深明显降低，随着切宽的增加，临界切深也明显降低。通过小直径立铣刀颤振稳定域的研究，提高了铣削过程的稳定性，消除了微波印制板铣削振纹。
　　③研究了高速铣削微波印制板过程中的切削热产生与传递，以及切削温度的分布变化规律。本文基于热源法建立了高速铣削微波印制板温度场有限元模型，使用ANSYS对微波印制板的高速铣削温度场进行了数值模拟，通过测温实验验证了有限元模型的有效性。研究结果表明:印制板的切削温度随进给速度和主轴转速的增加而增加，转速的影响更为显著;在低温喷雾冷却条件下，高速铣削微波印制板时切削速度不宜超过150m/min，否则会导致切削区域温度过高，容易使聚四氟乙烯介质熔化，降低介质与铜箔的结合力，产生毛刺和翘皮，影响加工质量。
　　④通过高速铣削实验，研究了加工高频微波印制板介质层复合材料的刀具磨损特性和磨损机理等。TiN涂层的硬质合金刀具切削高频微波印制板介质层时，刀具的磨钝标准为VB=40μm。刀具经过磨损后，涂层脱落、WC颗粒脱落造成刀刃被磨钝，从而导致微波印制板容易产生翻边;使用低温喷雾冷却有助于降低切削温度，减少扩散磨损和粘结磨损，有效的提高刀具寿命，产品合格率从70％提高到98％，生产效率提高了46％，显著降低了生产成本。
　　⑤建立了高频微波印制板的铣削参数优化模型。基于遗传-粒子群算法对高频微波印制板的铣削参数优化方法展开了研究，以最大生产率为优化目标，转速n与进给量f(z)为优化变量，建立了优化目标函数;从机床、刀具、工件、加工要求等多个方面建立了约束条件方程。研究了遗传-粒子群算法在微波印制板铣削参数优化中的应用，建立了优化流程，提出了有实际意义的适应度函数表达式，并给出了算法中的各个主要参数，获得了微波印制板铣削的优化参数;并对微波印制板数控加工工艺进行了优化，显著提高了产品的质量与效率。
　　⑥设计和开发了基于B/S模式的铣削参数数据库系统。对数据库系统进行了需求分析、概念设计、逻辑设计，给出了具体的数据库表，实现了系统功能;对数据库系统与CAM的集成方法进行了研究。给出了系统的功能模块及B/S的设计结构，建立系统的E-R模型，基于Microsoft SQL Server数据库设计了系统的数据表，采用ASP语言开发实现了系统功能，实现了铣削参数的查询、显示、增加、修改、删除等操作。通过Pro/Toolkit二次开发接口及与MFC程序接口的开发，完成了数据库系统与Pro/E系统中CAM模块的集成，数控编程人员可以方便的在Pro/E系统的CAM模块中查询和调用铣削优化参数数据库，该系统已在生产现场得到了推广应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高频微波印制板及其应用

1．2 高频微波印制板切削加工的主要问题

1．3 国内外相关研究现状

1．3．1 高性能涂层刀具与超硬刀具

1．3．2 高速切削加工技术

1．3．3 低温冷风切削加工技术

1．3．4 切削参数优化技术

1．4 论文拟开展研究的工作

1．4．1 研究思路和技术路线

1．4．2 论文的主要研究内容

2 高速铣削微波印制板的切削力研究

2．1 引言

2．2 实验方案设计

2．3 切削参数对高速切削力的影响

2．3．1 切削速度对切削力的影响

2．3．2 每齿进给量对切削力的影响

2．3．3 轴向切深对切削力的影响

2．3．4 径向切深对切削力的影响

2．3．5 冷却方式对切削力的影响

2．3．6 刀具涂层对切削力的影响

2．4 切削力方程的多元回归建模

2．4．1 回归分析的数学基础

2．4．2 切削力曲面响应方程

2．5 本章小结

3 微波印制板高速铣削稳定性的研究

3．1 引言

3．2 高速铣削瞬时切削力模型

3．2．1 瞬时切削力模型

3．2．2 切削力系数的辨识

3．3 高速铣削颤振有限元建模及分析

3．3．1 高速铣削颤振稳定原理

3．3．2 机床-刀具动态响应特性有限元分析

3．3．3 颤振稳定域分析

3．4 本章小结

4 高速铣削微波印制板的切削温度数值仿真研究

4．1 引言

4．2 低温喷雾冷却的传热学分析

4．2．1 低温喷雾冷却换热机理

4．2．2 传热学分析

4．3 微波印制板切削温度有限元建模

4．3．1 切削温度的有限元模型

4．3．2 温度场仿真结果及其验证

4．3．3 切削温度场计算结果及其讨论

4．4 本章小结

5 高速铣削微波印制板刀具磨损研究

5．1 引言

5．2 刀具磨损规律的研究

5．2．1 实验参数

5．2．2 实验结果与分析

5．3 刀具耐用度的研究

5．3．1 实验参数

5．3．2 实验结果与讨论

5．4 刀具磨损机理的分析

5．4．1 磨粒磨损

5．4．2 扩散磨损

5．4．3 粘结磨损

5．5 本章小结

6 微波印制板铣削参数与工艺优化研究

6．1 引言

6．2 微波印制板铣削参数优化

6．2．1 目标函数与约束条件

6．2．2 基于遗传-粒子群算法的切削参数优化的理论基础

6．2．3 基于遗传-粒子群算法的铣削参数优化

6．3 微波印制板零件数控铣削工艺研究

6．3．1 典型微波印制板零件工艺分析

6．3．2 微波印制板零件数控加工工艺设计

6．3．3 典型微波印制板零件加工效果

6．4 本章小结

7 基于B／S的铣削参数数据库系统设计与实现

7．1 引言

7．2 铣削参数数据库系统的设计

7．2．1 系统设计思想

7．2．2 系统功能模块划分

7．2．3 系统结构设计

7．2．4 系统框架设计

7．2．5 系统集成设计

7．3 数据库管理系统的选择

7．4 数据库设计

7．4．1 数据库需求分析

7．4．2 数据库概念设计

7．4．3 数据库逻辑设计

7．5 铣削参数数据库系统的开发与实现

7．5．1 基于ASP的动态网页系统开发技术

7．5．2 与数据库的连接技术

7．5．3 基于Ajax技术的异步交互技术

7．5．4 系统实现

7．6 与CAM系统的集成

7．7 本章小结

8 总结与展望

8．1 全文总结

8．1．1 本文完成的主要工作

8．1．2 本文创新之处

8．2 后继研究工作展望

致谢

参考文献

1．攻读博士学位期间发表的论文、出版著作和申请专利情况

2．攻读博士学位期间获得的科研奖励

3．攻读博士学位期间主持与参加的科研项目