一種高精度定位塊材料性能分析及選擇

張仕剛，潘麗萍，張仕強(qiáng)，洪仁輝

(四川京龍光電科技有限公司，宜賓 644000）

1 前言

在顯示觸摸屏的生產(chǎn)工藝中，顯示屏和觸摸屏的對(duì)位貼合通過定位栓插入定位塊中完成（如圖1 所示），定位塊的尺寸精度越高，顯示屏和觸摸屏的對(duì)位貼合位置偏差越小，對(duì)提高顯示觸摸屏良品率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重大意義。

圖1 顯示屏與觸摸屏對(duì)位貼合定位工作示意圖

通常定位塊的材料為鑄鐵，鑄鐵具有優(yōu)良的可塑性，可用于生產(chǎn)各種形狀的模具，但在用于生產(chǎn)高精度定位塊時(shí)，其精度保持性有所不足，雖然鑄鐵可通過淬火、低溫回火的方式獲得硬度即耐磨性較好的表面，但陸云等[1]指出熱處理工藝會(huì)在不同程度上降低金屬材料的耐久性；同時(shí)，鑄鐵的熱膨脹系數(shù)偏高，高精度定位塊即使是產(chǎn)生細(xì)微的熱應(yīng)變對(duì)尺寸精度的影響也是不容忽視的，以高精度測(cè)量?jī)x器為例，熱變形引起的誤差占總誤差的三分之一[2]，所以高精度定位塊的材料應(yīng)慎重選擇。結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)有條件篩選出鎢鈷硬質(zhì)合金和花崗巖兩種材料。鎢鈷硬質(zhì)合金以其高硬度、高耐磨性以及低熱膨脹系數(shù)常被用于制作各種刀具和模具，花崗巖是世界上最堅(jiān)硬的巖石之一，同樣具有較低的熱膨脹系數(shù)，早在上個(gè)世紀(jì)劉青云等[3]介紹了其在精密機(jī)械、精密測(cè)量中的應(yīng)用，喬雪濤等[4]說明了其為制作精密測(cè)量?jī)x器的理想材料，Eduard Relea 等[12]也介紹因其出色的性能被用于機(jī)床測(cè)量結(jié)構(gòu)。

2 定位塊材料選擇條件

高精度定位塊是影響最終顯示觸摸屏貼合精度的關(guān)鍵構(gòu)件。其材料的各項(xiàng)指標(biāo)如：耐磨性、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、加工性能、獲取難度等對(duì)定位塊的使用壽命、精度保持性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、加工成本和尺寸精度、原料成本等有較大影響。選擇合適的材料對(duì)提高定位塊的穩(wěn)定性和實(shí)用性有很大的提升，定位塊材料的選擇應(yīng)根據(jù)其工作環(huán)境及需要滿足的使用要求來決定，定位塊要滿足在顯示觸摸屏較高產(chǎn)量的情況下，定位栓與定位塊多次摩擦產(chǎn)生的摩擦熱引起的熱應(yīng)變最小化，盡量減小熱應(yīng)變引起的定位塊尺寸偏差，減小定位誤差。保證定位塊有較高的的使用壽命，材料的獲取難度應(yīng)較低且便于加工出高精度尺寸。最后生產(chǎn)出的高精度定位塊才能滿足顯示觸摸屏的貼合工藝要求。

2.1 耐磨性

通常材料表面硬度越高，材料的耐磨性越好，高耐磨性有助于減少摩擦損耗，提高定位塊的使用壽命和精度保持性。鑄鐵通過淬火和回火等熱處理方式得到的表面硬度最高可達(dá)68HRC；硬質(zhì)合金的表面硬度相對(duì)較高，一般在69-81HRC；花崗巖種類較多，但基本上硬度都比較高，以中國(guó)泰山青花崗巖為例，其表面硬度為64.8HRC；表面硬度大于60HRC 即表明該材料具有較好的耐磨性。

2.2 熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)反映的是材料的熱穩(wěn)定性，材料應(yīng)用于高精度定位塊，在產(chǎn)生相同的摩擦熱的情況下，熱膨脹系數(shù)越小的材料產(chǎn)生的熱應(yīng)變?cè)叫。ㄎ粔K的精度保持性也就越高，定位塊的環(huán)境適應(yīng)能力越好。通過ansys 軟件建立定位塊模型并進(jìn)行有限元分析，分析過程如圖2所示。

圖2 定位塊熱應(yīng)變分析流程

圖3 溫度場(chǎng)下的熱應(yīng)變?cè)茍D

改變接觸面的溫度邊界條件得到不同溫度下定位塊的熱應(yīng)變，由于發(fā)熱表面主要是定位栓與定位塊配合時(shí)接觸的圓柱面，僅分析單個(gè)水平矢量方向上的熱應(yīng)變即可，分析結(jié)果如下表：

由表1 可知，隨著溫度增加，材料的熱應(yīng)變?cè)黾樱◢弾r產(chǎn)生的熱應(yīng)變始終低于同階段鑄鐵熱應(yīng)變，同時(shí)，鑄鐵各階段熱應(yīng)變?cè)黾恿吭诓粩嗌仙?，而花崗巖各階段熱應(yīng)變?cè)黾恿勘容^穩(wěn)定，說明花崗巖的熱穩(wěn)定性比鑄鐵好，熱膨脹系數(shù)相對(duì)較高的材料生產(chǎn)的高精度定位塊在高溫下工作的可靠性不足，存在定位精度失效的風(fēng)險(xiǎn)。用于顯示觸摸屏的貼合工藝對(duì)位的高精度定位塊，要保證在較高產(chǎn)量的情況下，定位栓與定位塊摩擦產(chǎn)生的摩擦熱不能引起過大的熱應(yīng)變，導(dǎo)致定位栓與定位塊配合不穩(wěn)定和定位誤差過大降低產(chǎn)品良品率，定位塊材料應(yīng)選熱膨脹系數(shù)較小的。

表1 鑄鐵與花崗巖不同溫度下熱應(yīng)變對(duì)比

2.3 彈性模量

材料的彈性模量影響定位塊的抗沖擊和減振能力，材料的減振能力能提高整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。相關(guān)公式

式中：E 為材料彈性模量，σ 為材料所受應(yīng)力，ε 為材料產(chǎn)生的應(yīng)變量。

由公式（1）可知，定位塊材料的彈性模量越大，定位塊剛度越大且不容易產(chǎn)生應(yīng)力變形，有利于定位塊保持穩(wěn)定的高精度尺寸和定位精度，同時(shí)減小貼合過程中機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，使顯示屏和觸摸屏對(duì)位貼合精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠。所以，定位塊應(yīng)選擇彈性模量較大的材料。

2.4 加工性能

加工性能影響定位塊的加工成本和尺寸精度，材料本身具有優(yōu)良的加工性能，能以較為簡(jiǎn)單的加工工藝完成定位塊的生產(chǎn)，有效節(jié)約加工成本。定位塊的尺寸精度取決于機(jī)床的加工精度，哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所是國(guó)內(nèi)率先研發(fā)超精密機(jī)床的單位之一[5]，研制成功我國(guó)第一臺(tái)KDP 晶體超精密加工專用銑床,并不斷改進(jìn),形成系列化KDP 晶體超精密加工機(jī)床，該類機(jī)床加工可達(dá)2μm 的面形精度和4nm 的表面粗糙度，其優(yōu)異的性能是高精度定位塊生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

2.5 獲取途徑

材料的原料成本取決于其獲取難度，獲取難度低且使用性能好的材料更容易得到廣泛應(yīng)用。原料成本低且容易加工，無論是定位塊的安裝應(yīng)用還是維修更換都能有效降低資金消耗。

3 定位塊材料的選擇

結(jié)合高精度定位塊的工作條件，提出對(duì)高精度定位塊材料的硬度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]得到以下數(shù)據(jù)：

從表2 中不難看出，鎢鈷硬質(zhì)合金硬度最高，其次是花崗巖；在熱膨脹系數(shù)方面，鎢鈷硬質(zhì)合金和花崗巖都比鑄鐵要低；鎢鈷硬質(zhì)合金的彈性模量極高，花崗巖則明顯高于鑄鐵。鎢鈷硬質(zhì)合金理論上是最好的高精度定位塊材料，但其原料成本和加工成本較高，實(shí)際上應(yīng)該選擇性能較好的花崗巖。首先，三種材料的硬度都比較高，耐磨性較好，在加工條件上，鑄鐵和花崗巖都有較好的加工性能，而鎢鈷硬質(zhì)合金脆性大，無法進(jìn)行切削加工，只能經(jīng)過粉末冶金燒結(jié)后再通過磨床加工，粉末冶金工藝需要專門生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的模具，如果定位塊為小批量生產(chǎn)，加工成本偏高；在原料成本上，鎢屬于稀有金屬，鈷為重要戰(zhàn)略資源，同時(shí)硬質(zhì)合金制造工藝復(fù)雜，這讓鎢鈷硬質(zhì)合金的原料成本十分昂貴，而花崗巖的獲取途徑多且簡(jiǎn)單，我國(guó)花崗巖儲(chǔ)量大，花崗巖巖體占國(guó)土面積9%，多達(dá)80 多萬平方公里，隨著花崗巖開采技術(shù)的不斷革新升級(jí)，花崗巖的原料成本也在不斷降低。其各項(xiàng)性能比較優(yōu)秀，比鑄鐵更低的熱膨脹系數(shù)和更高的彈性模量以及耐酸堿性腐蝕意味著更低熱應(yīng)力膨脹、尺寸高精度保持性和高表面平整度、出色的減振以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜上，高精度定位塊的材料選擇花崗巖。

表2 高精度定位塊材料的典型性能

4 總結(jié)

花崗巖有著高硬度、低膨脹系數(shù)、高彈性模量等良好性能，無論是動(dòng)態(tài)性能還是靜態(tài)性能都優(yōu)于鑄鐵，可以代替鑄鐵在顯示觸摸屏貼合工藝中高精度定位塊方面的應(yīng)用。不考慮成本因素，鎢鈷硬質(zhì)合金是更好的替代材料，這體現(xiàn)了復(fù)合材料的優(yōu)越性，盡管還存在原料和加工制造工藝的問題需要解決，復(fù)合材料有著很好的發(fā)展前景。例如，環(huán)氧花崗巖在傳統(tǒng)花崗巖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其性能[11]，有望在更多加工制造領(lǐng)域代替部分金屬材料。