切割机直线导轨安装座的加工工艺研究

海燕，吕荣华，王春婷

(1.北京中电科电子装备有限公司，北京100176 2.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊101601)

切割机是一种封装成品划切分割的关键工艺设备，其工作机理是采用超薄金刚石刀片作为切割加工刃具，主轴带动刀片高速旋转通过强力磨削对集成电路基片及各种硬脆材料进行高精度切槽和分割[1]。切割机是集机械、电子、视觉、控制等各方面先进技术于一体的设备，这种设备用于电子元器件的精密划切分割，要求设备精度高、性能稳定，其中直线导轨安装座就是与其性能相关的重要零件之一。因此，本文将对这类典型零件的加工工艺进行研究。

2 直线导轨安装座的性能分析和材料选择

2.1 性能分析

精密工作台的直线导轨安装座用于安装超精密级直线导轨，其导轨安装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应该保证在微米数量级上，才能充分发挥超精密级直线导轨的精密导向作用，实现精密工作台的运动平稳性。

切割机直线导轨安装座如图1、图2和图3所示，这类零件造型较复杂，要求加工后精度稳定，并且能够吸收振动，长期使用后设备性能稳定。

图1 直线导轨安装座一

图2 直线导轨安装座二

图3 直线导轨安装座三

对于形状较复杂的零件，在小批量生产中铸造的加工方法是一种合理的选择，不但可以减少加工量节约加工费用，而且可以缩短加工周期，更为重要的是可以实现复杂的造型。铸造材料的选择依据是零件的性能要求，铸造材料既要考虑材料的强度，也要考虑材料的铸造性能，而零件的结构设计要和铸造工艺结合起来，才能够充分发挥铸造的优势。

2.2 灰铸铁的机械性能[2]

HT250灰铸铁具有易成形、吸振、耐磨、对缺口的敏感性差等特点，而且价格较便宜，是机械行业多年来一直采用的基本金属材料。由于熔炼和铸造的影响，灰铸铁晶粒粗细不匀，杂质多．低牌号灰铸铁含杂质较多；较高牌号的灰铸铁则强度高，晶粒细密，杂质含量少，主要成分为 2.7%～3.5%C、1%～2.7%Si、0.5%～1.2%Mn、余量 Fe。

材料属性：弹性模量E=138 GPa，切变模量G=59.8 GPa，泊松比 μ=0.156，密度 ρ=7.28 g/cm3，抗拉强度σb=250 MPa。

灰铸铁因其阻尼比值较钢材高、韧性值低，故为脆性金属材料，灰铸铁所占的石墨片或其他缺陷所产生的切口，易造成应力集中。

HT250灰铸铁具有较好的机械性能和铸造性能。与低牌号灰铸铁（HT100、HT150）比较，HT250的强度和硬度较高，人工时效处理后容易加工，且切削性能好，在精加工前通过热处理定性后，精度稳定。与高牌号灰口铸铁（HT300、HT350）比较，HT250的铸造性能好，铸造中不易出现铸造缺陷。

2.3 灰铸铁的热处理工艺

铸件热处理后不但可以获得较好的切削加工性，更重要的是可以根据需要获得较好的机械性能，消除切削应力，均化组织，在后期的使用中不会出现较大的由应力产生的变形。

铸件完成后首先应退火，消除铸造应力，细化组织，使成分均化。铸件加热至705～760℃后保温，缓慢冷却。

热稳定化处理应放在粗加工之后，以便将铸造应力和粗加工形成的切削应力消除；加工较大的平面和孔，在工序安排上应该放在热稳定化处理之前完成。对于精度要求很高的铸件，在半精加工之后应该做第二次稳定化处理。稳定化处理是把铸件加热至550～600℃后保温2 h以上，缓慢冷却。天然稳定化处理是把铸件长时间（一般在1年以上）搁置在室外，可以使内应力消除。

为了获得较高的硬度和强度，铸件还可以进行正火处理，把铸件加热至890～930℃后保温，缓慢冷却[2]。

在生产过程中铸造缺陷不可能完全避免，铸造缺陷虽然可以通过粉末探伤、涡流探伤、X射线机等检测，但是内部铸造缺陷在没有加工前不易发现，在加工过程中发现铸造缺陷后需要通过焊接的补救措施来弥补，以避免较多的经济损失。HT250灰铸铁具有这种特性，重要的工艺措施是采取合适的热处理。当出现铸造缺陷后，通过采用不同加热温度和保温时间对HT250灰铸铁进行退火，在750℃加热保温1 h后，HT250灰铸铁在此时的铁素体量最多并且硬度最低，经焊接补救后就不会出现裂纹，完全能满足室温焊接的要求[3]。

3 直线导轨安装座的结构分析

下面以图2所示的直线导轨安装座为例，对这类零件的结构及加工工艺进行分析。图2示的直线导轨安装座的零件简图如图4和图5所示，外形尺寸为920 mm×240 mm×129 mm，重要尺寸和形位公差为导轨安装面与下平面之间的高度123±0.05mm、导轨安装面与轴承座安装面之间的高度19±0.005 mm、导轨安装面的平面度0.008 mm、导轨安装面与下平面的平行度0.015 mm、轴承座安装面与下平面的平行度0.012 mm、两靠栅面平行度0.015 mm、两靠栅面与导轨安装面的垂直度0.015mm。该零件的加工难点为外形尺寸较狭长，在加工过程中容易扭曲变形。

图4 直线导轨安装座左视图

图5 直线导轨安装座主视图

4 直线导轨安装座的加工工艺研究

4.1 工艺路线

考虑到直线导轨安装座的性能要求及其关键的形位公差要求，所采取的加工工艺路线为：铸造-退火-钳（划线）-粗刨-人工时效-精刨-粗磨-立加-人工时效-磨-钳（刮研）-磨-涂油入库。

4.2 工艺流程

整个零件的加工过程为：粗加工-半精加工-精加工的顺序进行，中间穿插了2次热处理，精加工阶段采用了磨削和刮研两种手段。通过粗加工将零件的大部分加工量去除，此加工过程产生热量和加工应力，因此在加工过程中要注意切削三要素的选择，尽量减小零件变形；为了进一步消除变形影响，保证零件的设计尺寸和形位公差要求，通过精加工减小变形，以达到图纸的设计要求。

退火处理：零件首先进行退火的目的就是为了消除铸造应力。以50～100℃/h的速度加热至500～550℃，保温3～5 h后，以20～50℃/h的速度冷却至200℃后空冷。

人工时效：由于在粗加工过程中会产生加工应力，从而引起加工完成后放置一段时间应力释放，使零件发生变形。刚刚加工完成时的尺寸精度和形位精度并不是最终的精度，因此在此工艺过程的粗加工和半精加工完成后，为了消除加工应力，应对零件进行人工时效处理。以低于100℃/h的速度加热至500～550℃，保温4～6 h后，再以20～30℃/h的速度炉冷却至200℃后空冷。

磨削加工为精加工的一种手段，本零件的磨削采用电磁吸盘吸住零件，磨削前要修整砂轮，将台面擦拭干净，修整平台面，在磨削过程中要注意切削速度和进给量，不断翻面，反复翻转磨削，每道工序内部要将粗、精加工分开，加工过程中要不断修整砂轮，由于磨削过程会产生大量的热量，因此在加工过程中要用冷却液进行冷却处理。

对于本直线导轨安装座的加工：首先要将基准面进行磨削，提高精度，然后再以A面为基准，磨削其他的台阶、导轨面等，并且采用该工艺流程中安排的工艺，逐步达到图纸的精度要求。由于本车间设备精度的局限性，最后采用刮研的方法达到平面度的要求，粗磨为刮研提供了一个良好的基础。

刮研是在工件已加工的表面上，用刮刀刮除工件表面薄层而达到精度要求的一种加工方法，刮研是在标准工具的工作面上涂以显示剂，与被刮工件两者合研显示（凸点），然后利用刮刀将高点金属刮除。这种方法具有切削量小、切削力小、产生热量小、加工方便和装夹变形小等特点。通过刮研后的工件表面，能获得很高的形位精度、尺寸精度、传动精度及表面的粗糙度等。在本零件的钳工刮研工序，是将A基准面进行刮研，使平面度达到0.008 mm，粗糙度Ra达到0.4。

最后，再以刮研的A面为基准，精磨两处导轨面及凸台面，严格按照磨削加工的操作要求，高速、小吃刀量进行磨削，以达到图纸设计的各精度要求。

5 结 论

本文所采用的的工艺流程，通过对本零件多批次直线导轨安装座的加工，零件的加工精度完全符合图纸的要求，在设备的安装、调试的过程中可以发现，直线导轨安装座的加工精度也符合切割机设备的精度要求。另外，本文所采用的工艺流程也为其他类似的导轨安装座的加工起到一定的借鉴作用。

[1]甄万财.砂轮划片机划切技术的研究[J].电子工业专用设备，2004，（9）：68-71.

[2]成大先.机械设计手册第4版第1卷[M].化学工业出版社，2002.

[3]王国凡等.HT250灰口铸铁的退火工艺和性能试验[J].金属热处理，2004，（29）：9-12.

[4]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].机械工业出版社，2003.