曹連靜，趙文娟，許春，龔浩

中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 江蘇南京 210000

1 序言

鈹青銅是可熱處理的沉淀硬化型合金，因其具有高的硬度、強(qiáng)度極限、彈性極限，高耐磨性、高溫穩(wěn)定性、高的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率、高的蠕變抗力和耐蝕性，還具有無磁性、沖擊碰撞時(shí)無火花等特性，常用于制造電子元器件的接觸簧片、屏蔽件、傳感器以及各種形式的彈性元件[1，2]。本文研究的鈹青銅扼流片就是用于電子元器件的接觸簧片，它不僅需要有較高的硬度，能夠抵抗一定的振動(dòng)和沖擊，還需要有較高的彈性，以確保使用過程中不發(fā)生塑性變形。

2 成形工藝分析

鈹青銅扼流片的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，零件側(cè)面呈U形，底面有兩個(gè)直徑為2mm的通孔，兩側(cè)上端分布著多個(gè)展開的齒片。毛坯材料為QBe2，厚度為0.05mm，零件展開長度為13mm，寬度為9mm，成形后內(nèi)側(cè)尺寸為6mm，相鄰齒片的齒頂間距為1～2mm。

圖1 鈹青銅扼流片的結(jié)構(gòu)

鈹青銅扼流片屬于異形結(jié)構(gòu)的薄片零件，常規(guī)加工較難實(shí)現(xiàn)，如果采用沖壓成形，一次成形的模具設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)精度也難以保證。本文采用線切割加工展開的外形輪廓，再利用模具進(jìn)行折彎，可加工獲得符合要求的零件。如何將展開外形輪廓加工成最終的形狀是工藝流程中的關(guān)鍵點(diǎn)，未經(jīng)處理的鈹青銅材料，回彈量較大，外力卸載后，零件形狀不能保持，不利于冷加工成形。通過熱處理使材料具有良好的塑性，折彎后保持得到的形狀。扼流片作為接觸簧片使用，要求自身具有良好的彈性，才能保持與盒體側(cè)面及底面的良好接觸，從而實(shí)現(xiàn)零件的功能，經(jīng)熱處理后的扼流片塑性強(qiáng)而彈性不足，因此，需要將折彎成形的扼流片再通過熱處理來恢復(fù)材料的彈性。

在折彎成形前后都要進(jìn)行合理的熱處理，折彎前的熱處理用來改變材料的特性，以實(shí)現(xiàn)加工過程，折彎后的熱處理使零件獲得滿足使用要求的材料性能。鈹青銅扼流片的成形工藝路線如圖2所示。具體作用為：①進(jìn)行熱處理，使得鈹青銅具有良好的塑性，便于折彎成形。②采用線切割進(jìn)行展開輪廓及通孔的加工。③利用模具進(jìn)行折彎成形。④進(jìn)行熱處理來恢復(fù)零件的彈性。

圖2 成形工藝路線

3 熱處理工藝

在折彎成形前后都要進(jìn)行熱處理，在折彎成形前，對硬態(tài)的毛坯材料進(jìn)行固溶淬火處理，使鈹青銅軟化，具有良好的塑性，便于零件折彎成形。在折彎成形后對扼流片進(jìn)行時(shí)效處理，以恢復(fù)零件的彈性，從而獲得較好的最終材料性能。

3.1 預(yù)處理

鈹青銅毛坯料表面存在油污等污染物，為防止高溫條件下油污在材料表面燒結(jié)出難以去除的黑色氧化皮，因此在熱處理前需對材料進(jìn)行預(yù)處理。采用OP乳化劑溶液對材料進(jìn)行清洗，將溶液加熱到70～80℃，浸泡清洗2~3min后取出烘干，可去除材料表面油污。采用電火花線切割加工展開輪廓，鈹青銅表面會(huì)殘留切削液，放電加工過程中會(huì)在材料表面產(chǎn)生黑色氧化物[3]。鈹青銅切割完成后先用煤油浸泡去除殘留的切削液，清水清洗后吹干，再使用10%的氫氧化鈉堿性溶液加熱到70℃浸泡10s，去除放電過程中產(chǎn)生的黑色氧化物。

3.2 固溶工藝

由圖3所示的Cu-Be合金狀態(tài)圖[4]分析鈹青銅的固溶工藝機(jī)理，可見鈹在銅中的溶解度有限，可形成面心立方晶格的α相固溶體、體心立方晶格的β相固溶體及體心立方晶格的γ相固溶體，γ固溶體是具有高硬度的合金化合物CuBe。本文中鈹青銅wBe=1.85%～2.1%，合金組織在高溫下是α相或α+β相，緩慢冷卻時(shí)逐漸析出β相，在575℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成α+γ相。如果冷卻速度足夠快，使擴(kuò)散來不及進(jìn)行，則將保留高溫時(shí)的組織。

圖3 鈹-銅二元平衡圖（局部）

QBe2鈹青銅經(jīng)不同溫度固溶處理后的力學(xué)性能[5]見表1（均經(jīng)320℃時(shí)效1h）。由表1可見，QBe2鈹青銅強(qiáng)度隨固溶溫度的升高而增大，但超過800℃力學(xué)性能開始下降。當(dāng)固溶溫度高于800℃，鈹青銅可能出現(xiàn)液態(tài)（見圖3），產(chǎn)生過燒，兩者結(jié)果吻合。當(dāng)固溶溫度過低時(shí)，鈹原子不能充分固溶于基體中，導(dǎo)致材料組織與晶粒分布不均勻，造成材料塑性降低[6]。試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐表明，鈹青銅的固溶溫度以760～800℃為宜，可避免溫度過高或過低產(chǎn)生的弊端[7]。本文采用的固溶溫度為780℃。

表1 鈹青銅不同溫度固溶處理后的力學(xué)性能

固溶處理的保溫時(shí)間將直接影響材料性能，保溫時(shí)間過短，鈹原子未能充分固溶到α固溶體中，達(dá)不到理想的材料性能；固溶處理的保溫時(shí)間過長，則會(huì)導(dǎo)致晶粒過大以及材料氧化，造成材料力學(xué)性能降低、脆性增大。隨著固溶處理溫度升高，其充分固溶所需的時(shí)間就越短，材料有效厚度越薄，所需的保溫時(shí)間也越短，固溶溫度780℃下的常規(guī)保溫時(shí)間見表2[8]，本文采用的保溫時(shí)間為5min。

表2 鈹青銅固溶保溫時(shí)間

高溫鈹青銅如果不能快速冷卻，就會(huì)彌散析出高硬度的γ相鈹化物（見圖3），使材料變硬，還可能造成材料開裂。因此，通常需要在3s內(nèi)將固溶加熱的鈹青銅放入淬火冷卻介質(zhì)中攪動(dòng)，使其快速冷卻，否則將達(dá)不到理想的固溶效果[9]。固溶介質(zhì)采用室溫的純凈水，冷卻效果好，同時(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

因此，將鈹青銅的固溶溫度選擇為780℃，保溫時(shí)間為5min，將達(dá)到固溶時(shí)間的材料從爐中取出后，迅速放入低于20℃的水介質(zhì)中攪拌冷卻。

3.3 時(shí)效工藝

時(shí)效處理是將固溶處理后已經(jīng)折彎成形的零件加熱到一定溫度，保溫后空冷的工藝過程。在扼流片制備過程中，時(shí)效的主要目的是提高鈹青銅的彈性，將決定扼流片零件的最終材料性能，時(shí)效后的性能取決于時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間兩個(gè)因素。QBe2鈹青銅經(jīng)不同溫度時(shí)效處理后的力學(xué)性能[5]見表3（均經(jīng)780℃固溶處理）。時(shí)效強(qiáng)化的機(jī)制是從過飽和固溶體中析出高度彌散的γ相，從而提高鈹青銅的強(qiáng)度、硬度和彈性等性能?？梢姇r(shí)效溫度低于320℃時(shí)，γ相析出不充分。時(shí)效溫度高于340℃時(shí)，γ相發(fā)生聚集和長大，造成力學(xué)性能下降。

表3 鈹青銅不同溫度時(shí)效處理后的力學(xué)性能

圖4所示為時(shí)效溫度與時(shí)間對鈹青銅硬度的影響[9]（材料經(jīng)790℃固溶，＜18℃水淬），可見時(shí)效溫度為310～340℃、保溫1h以上，可獲得較高的硬度。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)時(shí)效溫度越高，達(dá)到最高硬度所需的時(shí)間就越短，在合理溫度范圍內(nèi)，選擇較高的時(shí)效溫度能有效縮短工藝時(shí)間。

圖4 時(shí)效溫度與時(shí)間對硬度的影響

鈹青銅扼流片的彈性是影響使用的關(guān)鍵性能指標(biāo)，通過試驗(yàn)研究時(shí)效溫度和時(shí)間對鈹青銅彈性模量的影響（材料經(jīng)780℃固溶，＜20℃水淬）。當(dāng)保溫時(shí)間為1.5h時(shí)，分別測試鈹青銅時(shí)效溫度為310℃、320℃、330℃、340℃時(shí)的彈性模量，發(fā)現(xiàn)彈性模量隨時(shí)效溫度升高呈先增大后減小的趨勢，時(shí)效溫度為330℃時(shí)達(dá)到最大值，隨后開始下降。當(dāng)時(shí)效溫度為330℃，分別測試鈹青銅時(shí)效時(shí)間為30min、60min、90min、120min時(shí)的彈性模量，鈹青銅的彈性模量隨時(shí)效時(shí)間同樣呈先增大后減小的趨勢，時(shí)效時(shí)間為90min時(shí)達(dá)到最大值，隨后開始下降。

綜合考慮時(shí)效溫度和時(shí)間對各項(xiàng)性能的影響，將鈹青銅扼流片時(shí)效溫度選擇為330℃，保溫時(shí)間選擇為1.5h。

4 展開輪廓加工

4.1 變形控制

鈹青銅扼流片的展開輪廓采用線切割加工，因?yàn)椴牧虾穸容^薄，所以控制加工過程中的變形是加工過程的關(guān)鍵。本文將鈹青銅薄片夾在上下兩塊鋁板中，鋁板與鈹青銅接觸表面需確保平整無缺陷，利用平行壓板在兩側(cè)將上下夾板緊固，可有效保持毛坯材料在加工過程中保持平整，同時(shí)可防止材料在加工過程中變形。

4.2 通孔的加工

扼流片上有兩個(gè)直徑2mm的通孔，外形輪廓切割完成后再加工，薄片零件裝夾定位比較困難，若采用鉆孔還會(huì)造成零件變形。本文采用在同一次裝夾定位中，由線切割機(jī)床切割成形通孔，可解決二次裝夾定位的難題，同時(shí)有效地避免了常規(guī)鉆孔造成的加工變形。在毛坯料上預(yù)制穿絲孔，切割過程中通過預(yù)制穿絲孔將鉬絲穿過，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的通孔切割加工。通孔與展開輪廓在一次裝夾下加工成形，有效保證了孔相對外形的位置精度。預(yù)制孔選擇在熱處理前使用鉆床加工，是因?yàn)楣倘艽慊鸷蟮牟牧嫌捕葧?huì)增加，使可加工性變差。

4.3 切割效率提升

切割加工時(shí)同時(shí)切割?yuàn)A板與工件，但切割?yuàn)A板屬于無效加工，將損耗切割效率。在保證足夠強(qiáng)度的前提下盡可能選擇薄的夾板，本文中選用的夾板厚度為3mm?？衫脢A板一次裝夾多層毛坯，一次切割多層零件。但當(dāng)毛坯堆疊的厚度過大時(shí)，切削液難以進(jìn)入，會(huì)造成加工表面質(zhì)量下降，還有可能造成上下尺寸偏差。本文選用的堆疊層數(shù)為30層，在保證加工精度的前提下可有效提高加工效率。

綜上所述，展開輪廓的加工工藝為：①夾板裝夾多層堆疊的毛坯料。②鉗工加工穿絲孔。③線切割機(jī)床切割通孔及展開外形。

5 折彎工藝

鈹青銅扼流片的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，將扼流片的折彎工藝流程分為兩步驟進(jìn)行。

第一步，將工件兩側(cè)折彎呈90°，使工件呈U形，保證內(nèi)側(cè)尺寸6mm。

第二步，折彎兩側(cè)頂部的齒片。

第一步的折彎模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。模具分為上面的凸模和下面的凹模兩部分，凸凹模材料選用CrWMn鋼，熱處理硬度60HRC。鈹青銅薄片在模具內(nèi)較易滑移，折彎模具的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于工件的定位。將切割好的工件放在模具的凹模上，并在凹模上對應(yīng)扼流片的圓孔位置安裝兩個(gè)圓形銷釘，利用兩個(gè)銷釘形成定位。下壓凸模將工件壓彎成U形，獲得折彎后的內(nèi)側(cè)尺寸為6mm，移除銷釘可快速取下零件。第二步是將兩側(cè)頂部的齒片折彎。頂部齒片的作用是與器件接觸，因此對齒片彎折角度要求不高，使用鑷子將一側(cè)的齒片依次向兩邊撥開，使齒片形成分散開的兩排即可。此時(shí)被折彎到一側(cè)的齒片角度并不一致，可能影響齒片的接觸，需再進(jìn)行一次折彎，將一側(cè)齒片的角度控制一致。用扁口鑷子將撥開后的一排齒片夾緊、彎折，可保證一側(cè)齒片角度的一致性。采用上述方法分別對4組齒片進(jìn)行折彎，均得到了符合使用要求的齒片。

圖5 折彎模具結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

針對鈹青銅扼流片的特殊異形結(jié)構(gòu)，制定了合理的加工路線，設(shè)計(jì)了合適的加工模具。通過線切割加工出展開的輪廓外形，通過固溶處理使材料獲得良好的塑性，使用模具對零件折彎到最終形狀，再通過時(shí)效處理恢復(fù)零件的彈性，最終制作出的鈹青銅扼流片零件形狀與尺寸符合圖樣要求，材料性能也滿足使用需求。