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，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工藝中，顯示屏和觸摸屏的對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位貼合位置偏差越小，對提高顯示觸摸屏良品率和市場競爭力有重大意義。

圖1 顯示屏與觸摸屏對位貼合定位工作示意圖

通常定位塊的材料為鑄鐵，鑄鐵具有優良的可塑性，可用于生產各種形狀的模具，但在用于生產高精度定位塊時，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]指出熱處理工藝會在不同程度上降低金屬材料的耐久性；同時，鑄鐵的熱膨脹系數偏高，高精度定位塊即使是產生細微的熱應變對尺寸精度的影響也是不容忽視的，以高精度測量儀器為例，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慎重選擇。結合實際情況，根據現有條件篩選出鎢鈷硬質合金和花崗巖兩種材料。鎢鈷硬質合金以其高硬度、高耐磨性以及低熱膨脹系數常被用于制作各種刀具和模具，花崗巖是世界上最堅硬的巖石之一，同樣具有較低的熱膨脹系數，早在上個世紀劉青云等[3]介紹了其在精密機械、精密測量中的應用，喬雪濤等[4]說明了其為制作精密測量儀器的理想材料，Eduard Relea 等[12]也介紹因其出色的性能被用于機床測量結構。

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鍵構件。其材料的各項指標如：耐磨性、熱膨脹系數、彈性模量、加工性能、獲取難度等對定位塊的使用壽命、精度保持性、結構穩定性、加工成本和尺寸精度、原料成本等有較大影響。選擇合適的材料對提高定位塊的穩定性和實用性有很大的提升，定位塊材料的選擇應根據其工作環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量的情況下，定位栓與定位塊多次摩擦產生的摩擦熱引起的熱應變最小化，盡量減小熱應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，材料的獲取難度應較低且便于加工出高精度尺寸。最后生產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68HRC；硬質合金的表面硬度相對較高，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

熱膨脹系數反映的是材料的熱穩定性，材料應用于高精度定位塊，在產生相同的摩擦熱的情況下，熱膨脹系數越小的材料產生的熱應變越小，定位塊的精度保持性也就越高，定位塊的環境適應能力越好。通過ansys 軟件建立定位塊模型并進行有限元分析，分析過程如圖2所示。

圖2 定位塊熱應變分析流程

圖3 溫度場下的熱應變云圖

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變，由于發熱表面主要是定位栓與定位塊配合時接觸的圓柱面，僅分析單個水平矢量方向上的熱應變即可，分析結果如下表：

由表1 可知，隨著溫度增加，材料的熱應變增加，但花崗巖產生的熱應變始終低于同階段鑄鐵熱應變，同時，鑄鐵各階段熱應變增加量在不斷上升，而花崗巖各階段熱應變增加量比較穩定，說明花崗巖的熱穩定性比鑄鐵好，熱膨脹系數相對較高的材料生產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險。用于顯示觸摸屏的貼合工藝對位的高精度定位塊，要保證在較高產量的情況下，定位栓與定位塊摩擦產生的摩擦熱不能引起過大的熱應變，導致定位栓與定位塊配合不穩定和定位誤差過大降低產品良品率，定位塊材料應選熱膨脹系數較小的。

表1 鑄鐵與花崗巖不同溫度下熱應變對比

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械結構的穩定性。相關公式

式中：E 為材料彈性模量，σ 為材料所受應力，ε 為材料產生的應變量。

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生應力變形，有利于定位塊保持穩定的高精度尺寸和定位精度，同時減小貼合過程中機械結構的振動，使顯示屏和觸摸屏對位貼合精準、穩定可靠。所以，定位塊應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，材料本身具有優良的加工性能，能以較為簡單的加工工藝完成定位塊的生產，有效節約加工成本。定位塊的尺寸精度取決于機床的加工精度，哈爾濱工業大學精密工程研究所是國內率先研發超精密機床的單位之一[5]，研制成功我國第一臺KDP 晶體超精密加工專用銑床,并不斷改進,形成系列化KDP 晶體超精密加工機床，該類機床加工可達2μm 的面形精度和4nm 的表面粗糙度，其優異的性能是高精度定位塊生產的基礎。

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用。原料成本低且容易加工，無論是定位塊的安裝應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

結合高精度定位塊的工作條件，提出對高精度定位塊材料的硬度、熱膨脹系數、彈性模量等各項性能指標的要求，查閱相關文獻[6-10]得到以下數據：

從表2 中不難看出，鎢鈷硬質合金硬度最高，其次是花崗巖；在熱膨脹系數方面，鎢鈷硬質合金和花崗巖都比鑄鐵要低；鎢鈷硬質合金的彈性模量極高，花崗巖則明顯高于鑄鐵。鎢鈷硬質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，實際上應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，而鎢鈷硬質合金脆性大，無法進行切削加工，只能經過粉末冶金燒結后再通過磨床加工，粉末冶金工藝需要專門生產對應的模具，如果定位塊為小批量生產，加工成本偏高；在原料成本上，鎢屬于稀有金屬，鈷為重要戰略資源，同時硬質合金制造工藝復雜，這讓鎢鈷硬質合金的原料成本十分昂貴，而花崗巖的獲取途徑多且簡單，我國花崗巖儲量大，花崗巖巖體占國土面積9%，多達80 多萬平方公里，隨著花崗巖開采技術的不斷革新升級，花崗巖的原料成本也在不斷降低。其各項性能比較優秀，比鑄鐵更低的熱膨脹系數和更高的彈性模量以及耐酸堿性腐蝕意味著更低熱應力膨脹、尺寸高精度保持性和高表面平整度、出色的減振以及結構穩定性。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

花崗巖有著高硬度、低膨脹系數、高彈性模量等良好性能，無論是動態性能還是靜態性能都優于鑄鐵，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用。不考慮成本因素，鎢鈷硬質合金是更好的替代材料，這體現了復合材料的優越性，盡管還存在原料和加工制造工藝的問題需要解決，復合材料有著很好的發展前景。例如，環氧花崗巖在傳統花崗巖的基礎上進一步提高其性能[11]，有望在更多加工制造領域代替部分金屬材料。