張 杰，張建翔

(蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233000)

第5代移動通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展表明一個全新的移動通信時代已經(jīng)到來。5G網(wǎng)絡(luò)不僅提高了對通信技術(shù)的要求，也給手機機身造型設(shè)計帶來了一定的挑戰(zhàn)，對手機機身材質(zhì)性能提出了更加嚴格的要求[1]。

小米5尊享版(2016年)、小米MIX2S(2018年)、小米MIX3(2018年)、三星S10(2019年)和2020年上市銷售的華為P40、OPPO FindX2等眾多手機品牌的高端旗艦機型均采用了陶瓷后蓋。手機陶瓷機身從一開始的2D直板型演變到如今的四曲面工藝造型；以小米MIX2S翡翠綠陶瓷手機為開端，機身顏色也從黑白兩色轉(zhuǎn)入彩色時代。但是由于目前制備工藝水平的限制，陶瓷手機后蓋產(chǎn)品的良率較低，且價格昂貴，所以目前只用于各大手機品牌的旗艦機型。今后，隨著制備工藝日益成熟，同時得益于5G通信的快速發(fā)展，陶瓷手機后蓋必定有廣闊的市場前景[2-3]。

1 氧化鋯陶瓷材料

氧化鋯陶瓷具有優(yōu)異的物理性能及良好的力學性能，隨著其成型技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療、電子產(chǎn)品和傳感器等眾多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

后蓋采用氧化鋯陶瓷材質(zhì)的手機機身具有良好的通信信號透過率，信號接收能力強，其硬度、密度及抗彎強度等明顯優(yōu)于塑料和玻璃材質(zhì)，并且具有無電磁干擾，不具備磁性的特點，同時，由于陶瓷材質(zhì)具有良好的可塑性，通過對機身表面的細致處理可塑造出更加高端的視覺形象[2]。

常見的手機后殼材料性能如表1所示[3]。由表1可知，氧化鋯用作手機后殼材料具有良好的機械性能，具體表現(xiàn)在機械強度、耐磨耐腐蝕性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性等方面。同時采用特有的燒結(jié)技術(shù)可使氧化鋯材料具備較好的可加工性，滿足手機后蓋的多曲面設(shè)計需求，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的加工量產(chǎn)。而且氧化鋯陶瓷原材料儲量豐富，使其作為5G通信時代性能優(yōu)良的手機機身材料，具有較高應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景[3]。

表1 常用手機后殼材料性能Table 1 Material properties of common mobile phone back shell

1.1 氧化鋯陶瓷的燒結(jié)

陶瓷塊體材料是由陶瓷粉末燒結(jié)成型的。燒結(jié)技術(shù)直接影響燒結(jié)成型塊體的微觀晶體結(jié)構(gòu)，進而影響材料的物理及機械性能。在燒結(jié)過程中，陶瓷粉末會逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴苄誀顟B(tài)，通過物質(zhì)擴散遷移使晶粒之間互相鍵聯(lián)，發(fā)生晶界遷移、晶粒長大。燒結(jié)過程中的物質(zhì)擴散遷移使得材料逐漸致密化，最終燒結(jié)成致密的多晶體塊體陶瓷材料[4-5]。

氧化鋯存在立方相(c-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)和單斜相(m-ZrO2)3種晶體結(jié)構(gòu)，3種晶體的物理性能如表2所示。其中四方相氧化鋯陶瓷是三者中力學性能最好的一種，具有良好的韌性及可加工性[6]。

氧化鋯陶瓷在燒結(jié)的升溫及冷卻過程中，會出現(xiàn)3種相結(jié)構(gòu)的互相轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是可逆的。當燒結(jié)溫度達到1 170 ℃以上時，單斜相氧化鋯會轉(zhuǎn)變成四方相氧化鋯，當溫度冷卻時，會發(fā)生四方相氧化鋯到單斜相氧化鋯的逆向轉(zhuǎn)變，為了在常溫下獲得四方相氧化鋯，可通過加入穩(wěn)定劑阻止上述逆向轉(zhuǎn)變發(fā)生，常見的穩(wěn)定劑有Y2O3、TiO2等[4-6]。

此外，要制備彩色氧化鋯陶瓷，還需加入CoO、Cr2O3、Fe2O3等過渡金屬或者稀土金屬的氧化物作為著色相。目前常用的彩色陶瓷制備方法有：固相混合法、液相浸滲法、化學共沉淀法等。要制備出顏色豐富、性能良好的彩色氧化鋯陶瓷,在燒結(jié)過程中必須注意避免著色相和陶瓷基體產(chǎn)生的團聚現(xiàn)象[7]。

表2 氧化鋯的基本物理性能Table 2 Basic physical properties of zirconia

1.2 氧化鋯陶瓷后蓋的加工

氧化鋯陶瓷材料分子結(jié)構(gòu)致密，硬度高、脆性大，屬于難加工材料，但當其為四方相晶體結(jié)構(gòu)時則具有一定的韌性，并且由于脆性材料切削加工存在延性域，通過調(diào)整合適的切削參數(shù)，可使其材料切屑以塑性變形的方式被去除，避免脆性材料出現(xiàn)因切削而產(chǎn)生的缺陷[8]。

燒結(jié)成型后的氧化鋯陶瓷毛坯可采用CNC機床加工。目前用于氧化鋯陶瓷手機后蓋加工的刀具多選用單層金剛石電鍍砂輪，這種砂輪主要以Ni基材料作為基體，對金剛石磨粒具有很強的機械把持力，可保持磨頭表面的磨粒鋒利度、容屑空間及加工能力。單層磨粒砂輪保持了一定的圓度誤差，解決了多層磨粒砂輪中磨粒脫落而導(dǎo)致的砂輪不平度等問題，同時也提高了加工效率。使用不同粒度的金剛石磨粒配合不同的切削參數(shù)可以實現(xiàn)手機陶瓷后蓋的粗、精加工，目前常用的電鍍金剛石砂輪粒度有80目、100目和200目，選擇不同砂輪能滿足不同產(chǎn)品相應(yīng)的加工質(zhì)量及精度要求[9-10]。

用于氧化鋯陶瓷加工的CNC機床應(yīng)達到以下要求：主軸高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速可達30 000 r/min，帶刀庫功能可自動換刀，360°無死角冷卻噴水，支持自動探測功能，支持刀具長度、刀具直徑、路徑旋轉(zhuǎn)等補償功能，以及為延長磨頭壽命，機床應(yīng)具有一定的剛性和抑震性。

2 陶瓷手機后蓋的制備工藝

陶瓷手機后蓋的制備工藝按加工順序主要分為：干壓/燒結(jié)、外形磨邊、粗磨厚度、CNC內(nèi)腔加工、CNC弧面外形粗加工、退火、精磨平面、粗拋、激光切割、CNC弧面外形精加工、精拋。具體加工流程可根據(jù)工藝要求進行調(diào)整。

2.1 干壓/燒結(jié)

氧化鋯陶瓷粉體在壓力作用下被壓制成具有一定形狀的致密坯體，這種坯體在燒結(jié)前是由許多單個固體顆粒組成的，坯體中存在許多氣孔，氣孔率一般為40%～60%。對固態(tài)素坯進行高溫加熱時，素坯中的固體顆粒會發(fā)生物質(zhì)遷移，達到某一溫度時坯體發(fā)生收縮，出現(xiàn)晶粒長大，伴隨氣孔排除，最終在低于熔點的溫度下，素坯變成多晶的陶瓷材料。這一過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表面翹曲、裂紋等缺陷，可以通過調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度曲線進行改良。

文獻[11]指出，在氧化鋯陶瓷粉體成型時將其放入手機后蓋模具中進行壓實處理，所得的素坯經(jīng)過燒結(jié)后得到的毛坯尺寸精度較高，加工余量小，可提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)成本。

2.2 磨床加工

使用金剛石砂輪磨床對來料毛坯的外形四邊進行磨邊修平，對背面進行粗磨加工，減薄厚度，按照設(shè)計工藝標準加工至相應(yīng)尺寸。進行外形修邊及厚度減薄加工的毛坯，具有相應(yīng)的精度，粗磨平面的背面作為CNC內(nèi)腔加工的加工基準，精修四邊能夠?qū)崿F(xiàn)CNC工序中自動檢測分中定位的精度要求，滿足相應(yīng)的工藝基準。

2.3 CNC內(nèi)腔加工

氧化鋯陶瓷手機后蓋的CNC加工需要使用數(shù)控自動編程軟件，加工前需要對相應(yīng)的手機模型進行建模。CNC內(nèi)腔加工對象主要是后蓋的內(nèi)腔曲面、內(nèi)高及外圍尺寸。使用磨床粗磨后的毛坯背面作為基準進行定位，制作亞克力材質(zhì)的真空吸附治具，模型如圖1所示。最外圈采用密封條進行密封，其余氣槽保證真空吸附均勻。用自動探測探頭進行四周分中和旋轉(zhuǎn)補償定位，選用不同目數(shù)的電鍍金剛石磨頭，通過粗、精加工分別將內(nèi)腔及外形等加工至工藝要求的尺寸。一般情況下手機陶瓷后蓋的內(nèi)腔不直接面對消費者，其表面質(zhì)量要求較背面而言較低。加工好的內(nèi)腔具有相應(yīng)的尺寸及精度要求，作為CNC弧面外形粗加工的基準。

圖1 CNC加工真空吸附治具模型Fig 1 Model of vacuum adsorption fixture for CNC machining

2.4 CNC弧面外形加工

CNC弧面外形加工主要是對手機后蓋的外弧面進行加工，因此，CNC內(nèi)腔加工時內(nèi)腔面需要與夾具表面進行貼合定位，此工序一般需要根據(jù)手機內(nèi)腔弧面，制作亞克力材質(zhì)的真空吸附仿形治具，用自動探測探頭進行四周分中和旋轉(zhuǎn)補償定位，然后采用不同目數(shù)的電鍍金剛石磨頭對外弧面進行粗、精加工。

2.5 精磨平面與退火

經(jīng)過CNC外弧面加工的表面變形較大，翹曲嚴重，需要經(jīng)過精磨修正平面翹曲。由于CNC加工及精磨平面工序去除的余量較大，此時工件的應(yīng)力變形較大，需要通過退火處理消除應(yīng)力。

2.6 粗拋與激光切割

經(jīng)過兩道CNC加工工序，磨頭會在工件表面留下明顯刀印，需要進行粗拋去除，粗拋后進行攝像孔及閃光孔的激光切割。粗拋工序放在激光切割之前是因為激光切割工序會產(chǎn)生很多碎渣留在切割表面，粗拋時碎渣脫落會劃傷工件表面導(dǎo)致良率降低。同時，由于激光切割產(chǎn)生的碎渣殘留，需要對工件進行CNC精加工。

2.7 CNC弧面外形精加工及精拋

采用電鍍金剛石磨頭對激光切割過的孔及弧面外形進行精修，達到表面質(zhì)量及尺寸要求后進行精拋加工，以達到最終產(chǎn)品要求。

上述為氧化鋯陶瓷手機后蓋的主要制備工藝。氧化鋯陶瓷屬于脆性難加工材料，采用金剛石刀具用CNC機床進行加工，可以使其具有更為復(fù)雜精美的外觀。CNC銑削加工對于陶瓷手機后蓋成型十分重要。精雕機常采用高轉(zhuǎn)速、快進給、小被吃刀量的切削模式進行銑削加工，調(diào)整合適的切削參數(shù)使陶瓷材料在加工過程中通過缺陷和裂紋的成形或延展、剝落及碎裂等方式去除，解決脆性材料難加工的問題。

3 結(jié)語

5G通信時代，隨著通信技術(shù)的發(fā)展及消費者需求的提高，對手機機身材質(zhì)性能的要求越來越高。氧化鋯陶瓷因其優(yōu)異的性能，越來越多地被應(yīng)用到手機后蓋材質(zhì)中，隨著手機陶瓷后蓋制備工藝水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品良率將不斷提升，生產(chǎn)成本進一步降低，陶瓷手機后蓋必定有更加廣闊的市場前景。