切割機(jī)直線導(dǎo)軌安裝座的加工工藝研究

海燕，呂榮華，王春婷

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176 2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊101601)

切割機(jī)是一種封裝成品劃切分割的關(guān)鍵工藝設(shè)備，其工作機(jī)理是采用超薄金剛石刀片作為切割加工刃具，主軸帶動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn)通過強(qiáng)力磨削對(duì)集成電路基片及各種硬脆材料進(jìn)行高精度切槽和分割[1]。切割機(jī)是集機(jī)械、電子、視覺、控制等各方面先進(jìn)技術(shù)于一體的設(shè)備，這種設(shè)備用于電子元器件的精密劃切分割，要求設(shè)備精度高、性能穩(wěn)定，其中直線導(dǎo)軌安裝座就是與其性能相關(guān)的重要零件之一。因此，本文將對(duì)這類典型零件的加工工藝進(jìn)行研究。

2 直線導(dǎo)軌安裝座的性能分析和材料選擇

2.1 性能分析

精密工作臺(tái)的直線導(dǎo)軌安裝座用于安裝超精密級(jí)直線導(dǎo)軌，其導(dǎo)軌安裝面和定位面的形位公差精度要求高，在使用中平面度及平行度應(yīng)該保證在微米數(shù)量級(jí)上，才能充分發(fā)揮超精密級(jí)直線導(dǎo)軌的精密導(dǎo)向作用，實(shí)現(xiàn)精密工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

切割機(jī)直線導(dǎo)軌安裝座如圖1、圖2和圖3所示，這類零件造型較復(fù)雜，要求加工后精度穩(wěn)定，并且能夠吸收振動(dòng)，長期使用后設(shè)備性能穩(wěn)定。

圖1 直線導(dǎo)軌安裝座一

圖2 直線導(dǎo)軌安裝座二

圖3 直線導(dǎo)軌安裝座三

對(duì)于形狀較復(fù)雜的零件，在小批量生產(chǎn)中鑄造的加工方法是一種合理的選擇，不但可以減少加工量節(jié)約加工費(fèi)用，而且可以縮短加工周期，更為重要的是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的造型。鑄造材料的選擇依據(jù)是零件的性能要求，鑄造材料既要考慮材料的強(qiáng)度，也要考慮材料的鑄造性能，而零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要和鑄造工藝結(jié)合起來，才能夠充分發(fā)揮鑄造的優(yōu)勢(shì)。

2.2 灰鑄鐵的機(jī)械性能[2]

HT250灰鑄鐵具有易成形、吸振、耐磨、對(duì)缺口的敏感性差等特點(diǎn)，而且價(jià)格較便宜，是機(jī)械行業(yè)多年來一直采用的基本金屬材料。由于熔煉和鑄造的影響，灰鑄鐵晶粒粗細(xì)不勻，雜質(zhì)多．低牌號(hào)灰鑄鐵含雜質(zhì)較多；較高牌號(hào)的灰鑄鐵則強(qiáng)度高，晶粒細(xì)密，雜質(zhì)含量少，主要成分為 2.7%～3.5%C、1%～2.7%Si、0.5%～1.2%Mn、余量 Fe。

材料屬性：彈性模量E=138 GPa，切變模量G=59.8 GPa，泊松比 μ=0.156，密度 ρ=7.28 g/cm3，抗拉強(qiáng)度σb=250 MPa。

灰鑄鐵因其阻尼比值較鋼材高、韌性值低，故為脆性金屬材料，灰鑄鐵所占的石墨片或其他缺陷所產(chǎn)生的切口，易造成應(yīng)力集中。

HT250灰鑄鐵具有較好的機(jī)械性能和鑄造性能。與低牌號(hào)灰鑄鐵（HT100、HT150）比較，HT250的強(qiáng)度和硬度較高，人工時(shí)效處理后容易加工，且切削性能好，在精加工前通過熱處理定性后，精度穩(wěn)定。與高牌號(hào)灰口鑄鐵（HT300、HT350）比較，HT250的鑄造性能好，鑄造中不易出現(xiàn)鑄造缺陷。

2.3 灰鑄鐵的熱處理工藝

鑄件熱處理后不但可以獲得較好的切削加工性，更重要的是可以根據(jù)需要獲得較好的機(jī)械性能，消除切削應(yīng)力，均化組織，在后期的使用中不會(huì)出現(xiàn)較大的由應(yīng)力產(chǎn)生的變形。

鑄件完成后首先應(yīng)退火，消除鑄造應(yīng)力，細(xì)化組織，使成分均化。鑄件加熱至705～760℃后保溫，緩慢冷卻。

熱穩(wěn)定化處理應(yīng)放在粗加工之后，以便將鑄造應(yīng)力和粗加工形成的切削應(yīng)力消除；加工較大的平面和孔，在工序安排上應(yīng)該放在熱穩(wěn)定化處理之前完成。對(duì)于精度要求很高的鑄件，在半精加工之后應(yīng)該做第二次穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理是把鑄件加熱至550～600℃后保溫2 h以上，緩慢冷卻。天然穩(wěn)定化處理是把鑄件長時(shí)間（一般在1年以上）擱置在室外，可以使內(nèi)應(yīng)力消除。

為了獲得較高的硬度和強(qiáng)度，鑄件還可以進(jìn)行正火處理，把鑄件加熱至890～930℃后保溫，緩慢冷卻[2]。

在生產(chǎn)過程中鑄造缺陷不可能完全避免，鑄造缺陷雖然可以通過粉末探傷、渦流探傷、X射線機(jī)等檢測，但是內(nèi)部鑄造缺陷在沒有加工前不易發(fā)現(xiàn)，在加工過程中發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷后需要通過焊接的補(bǔ)救措施來彌補(bǔ)，以避免較多的經(jīng)濟(jì)損失。HT250灰鑄鐵具有這種特性，重要的工藝措施是采取合適的熱處理。當(dāng)出現(xiàn)鑄造缺陷后，通過采用不同加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)HT250灰鑄鐵進(jìn)行退火，在750℃加熱保溫1 h后，HT250灰鑄鐵在此時(shí)的鐵素體量最多并且硬度最低，經(jīng)焊接補(bǔ)救后就不會(huì)出現(xiàn)裂紋，完全能滿足室溫焊接的要求[3]。

3 直線導(dǎo)軌安裝座的結(jié)構(gòu)分析

下面以圖2所示的直線導(dǎo)軌安裝座為例，對(duì)這類零件的結(jié)構(gòu)及加工工藝進(jìn)行分析。圖2示的直線導(dǎo)軌安裝座的零件簡圖如圖4和圖5所示，外形尺寸為920 mm×240 mm×129 mm，重要尺寸和形位公差為導(dǎo)軌安裝面與下平面之間的高度123±0.05mm、導(dǎo)軌安裝面與軸承座安裝面之間的高度19±0.005 mm、導(dǎo)軌安裝面的平面度0.008 mm、導(dǎo)軌安裝面與下平面的平行度0.015 mm、軸承座安裝面與下平面的平行度0.012 mm、兩靠柵面平行度0.015 mm、兩靠柵面與導(dǎo)軌安裝面的垂直度0.015mm。該零件的加工難點(diǎn)為外形尺寸較狹長，在加工過程中容易扭曲變形。

圖4 直線導(dǎo)軌安裝座左視圖

圖5 直線導(dǎo)軌安裝座主視圖

4 直線導(dǎo)軌安裝座的加工工藝研究

4.1 工藝路線

考慮到直線導(dǎo)軌安裝座的性能要求及其關(guān)鍵的形位公差要求，所采取的加工工藝路線為：鑄造-退火-鉗（劃線）-粗刨-人工時(shí)效-精刨-粗磨-立加-人工時(shí)效-磨-鉗（刮研）-磨-涂油入庫。

4.2 工藝流程

整個(gè)零件的加工過程為：粗加工-半精加工-精加工的順序進(jìn)行，中間穿插了2次熱處理，精加工階段采用了磨削和刮研兩種手段。通過粗加工將零件的大部分加工量去除，此加工過程產(chǎn)生熱量和加工應(yīng)力，因此在加工過程中要注意切削三要素的選擇，盡量減小零件變形；為了進(jìn)一步消除變形影響，保證零件的設(shè)計(jì)尺寸和形位公差要求，通過精加工減小變形，以達(dá)到圖紙的設(shè)計(jì)要求。

退火處理：零件首先進(jìn)行退火的目的就是為了消除鑄造應(yīng)力。以50～100℃/h的速度加熱至500～550℃，保溫3～5 h后，以20～50℃/h的速度冷卻至200℃后空冷。

人工時(shí)效：由于在粗加工過程中會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力，從而引起加工完成后放置一段時(shí)間應(yīng)力釋放，使零件發(fā)生變形。剛剛加工完成時(shí)的尺寸精度和形位精度并不是最終的精度，因此在此工藝過程的粗加工和半精加工完成后，為了消除加工應(yīng)力，應(yīng)對(duì)零件進(jìn)行人工時(shí)效處理。以低于100℃/h的速度加熱至500～550℃，保溫4～6 h后，再以20～30℃/h的速度爐冷卻至200℃后空冷。

磨削加工為精加工的一種手段，本零件的磨削采用電磁吸盤吸住零件，磨削前要修整砂輪，將臺(tái)面擦拭干凈，修整平臺(tái)面，在磨削過程中要注意切削速度和進(jìn)給量，不斷翻面，反復(fù)翻轉(zhuǎn)磨削，每道工序內(nèi)部要將粗、精加工分開，加工過程中要不斷修整砂輪，由于磨削過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此在加工過程中要用冷卻液進(jìn)行冷卻處理。

對(duì)于本直線導(dǎo)軌安裝座的加工：首先要將基準(zhǔn)面進(jìn)行磨削，提高精度，然后再以A面為基準(zhǔn)，磨削其他的臺(tái)階、導(dǎo)軌面等，并且采用該工藝流程中安排的工藝，逐步達(dá)到圖紙的精度要求。由于本車間設(shè)備精度的局限性，最后采用刮研的方法達(dá)到平面度的要求，粗磨為刮研提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

刮研是在工件已加工的表面上，用刮刀刮除工件表面薄層而達(dá)到精度要求的一種加工方法，刮研是在標(biāo)準(zhǔn)工具的工作面上涂以顯示劑，與被刮工件兩者合研顯示（凸點(diǎn)），然后利用刮刀將高點(diǎn)金屬刮除。這種方法具有切削量小、切削力小、產(chǎn)生熱量小、加工方便和裝夾變形小等特點(diǎn)。通過刮研后的工件表面，能獲得很高的形位精度、尺寸精度、傳動(dòng)精度及表面的粗糙度等。在本零件的鉗工刮研工序，是將A基準(zhǔn)面進(jìn)行刮研，使平面度達(dá)到0.008 mm，粗糙度Ra達(dá)到0.4。

最后，再以刮研的A面為基準(zhǔn)，精磨兩處導(dǎo)軌面及凸臺(tái)面，嚴(yán)格按照磨削加工的操作要求，高速、小吃刀量進(jìn)行磨削，以達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的各精度要求。

5 結(jié) 論

本文所采用的的工藝流程，通過對(duì)本零件多批次直線導(dǎo)軌安裝座的加工，零件的加工精度完全符合圖紙的要求，在設(shè)備的安裝、調(diào)試的過程中可以發(fā)現(xiàn)，直線導(dǎo)軌安裝座的加工精度也符合切割機(jī)設(shè)備的精度要求。另外，本文所采用的工藝流程也為其他類似的導(dǎo)軌安裝座的加工起到一定的借鑒作用。

[1]甄萬財(cái).砂輪劃片機(jī)劃切技術(shù)的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004，（9）：68-71.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第4版第1卷[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]王國凡等.HT250灰口鑄鐵的退火工藝和性能試驗(yàn)[J].金屬熱處理，2004，（29）：9-12.

[4]陳宏鈞.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.