半導體設備中鋁合金精密零件尺寸穩(wěn)定性工藝研究

張雅麗

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

由于LY12硬鋁合金經熱處理強化后具有較高的強度，切削加工性在時效狀態(tài)下良好，耐蝕性也較好等優(yōu)點，所以比別的鋁合金得到更多的應用。在我所生產的曝光系列、探針系列、劃片系列、鍵和系列等各類產品中，LY12硬鋁合金得到了廣泛的應用，這其中一些零件結構復雜、精度要求高，通常在ISO標準中達IT8級以上，并且還要求高的尺寸穩(wěn)定性，如鍵和機系列中的前導軌基座、料條框架等（如圖1所示），均為薄壁件，型腔復雜，易變形，要求精密平面的平面度≤0.02 mm，兩平行平面的平行度≤0.03 mm，兩基準面的垂直度≤0.03 mm，在正常工作環(huán)境條件下，零組件尺寸精度穩(wěn)定、設備工作可靠。如何達到設備中零件的這些精度要求，則成為工藝上的技術關鍵問題。

圖1 導軌基座、料條框架

1 影響精密零組件尺寸穩(wěn)定性因素的分析

（1）淬火后的LY12鋁合金存在著較大的內應力，這種內應力經自然時效后不可能得到有效的消除。鋁合金的淬火內應力是由于零件各部位冷卻速度不同而產生的熱應力，表層為內應力，心部為張應力。不論淬火應力如何分布，當進行切削加工時，內應力的平衡狀態(tài)受到破壞，導致零件變形或歪曲。如果成品零件仍有殘余應力，也會因松弛而導致變形。因此，要達到零件的尺寸穩(wěn)定，就應盡量降低和消除淬火內應力。

（2）LY12鋁合金材料的相與組織狀態(tài)的不穩(wěn)定性，LY12鋁合金毛坯處于“CZ”狀態(tài)，當LY12鋁合金處于這種狀態(tài)時，雖然由于長時間的自然時效，第二相（名義成分為CuAl2）從過飽和固溶體中沉淀析出，但仍有不少銅原子未完成從過飽和α固溶體中脫溶的過程。它們在長期使用過程中還會繼續(xù)進行沉淀相的脫溶過程而引起尺寸的改變，影響零組件的尺寸穩(wěn)定性。所以，必須使LY12-CZ鋁合金在加工過程成形前盡量脫溶徹底，以保證尺寸穩(wěn)定。

（3）在機械加工過程中，由于切削力的作用，使零件本身產生一定的內應力，并在其表層形成很不穩(wěn)定的加工硬化層。在切削加工中，有一部分能量會積存在零件的表層中，形成具有殘余應力的表面變質層。在這種加工硬化層內，材料的組織因被形變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，殘余內應力也較大。隨著時間的延長，這種形變了的組織會發(fā)生變化，內應力也要趨于松弛，從而導致零件尺寸的變化，影響尺寸穩(wěn)定性。

另外，由于鍵和機中的零件形狀復雜，就加工方法而言，是銑削加工成形，而銑削加工具有斷續(xù)切削的特點，容易產生沖擊和振動等現象。同時，這些零件又都是薄壁件、剛度差，這兩種情況更加劇了零件在加工中內應力與硬化層的嚴重形成，顯著地影響零組件的尺寸穩(wěn)定性。

2 工藝方案的選擇

針對產品零件的結構特點和精度要求，以及影響零組件尺寸穩(wěn)定性的因素，在選擇工藝方案進行規(guī)程設計時，遵循了如下原則：

（1）通過提高工藝系統(tǒng)的剛度，采用特殊的夾具（自制夾具）和裝夾方法（真空吸盤）、以及特殊的刀具等，解決加工中零件產生微量變形和減小切削應力的技術難題，以保證零組件的加工精度。

（2）正確組合機加工中與熱處理各工序，使之合理匹配，密切結合，以解決零組件的尺寸穩(wěn)定性問題。

a、劃分加工階段

把整個加工過程分為粗加工、半精加工、精加工等幾個階段。粗加工階段主要是切除較多的加工余量，使零件材料的原始內應力獲得部分釋放。在半精、精加工階段，按工序分散原則，編排多道工序，每一工序均采用小切削用量、多次切削加工、順銑和逆銑交替進行的工藝方法，使切削應力減到最小程度，尤其是最終成形的一道精加工工序，其總的切除余量不大于0.05 mm，幾乎不產生切削應力，使零件處于內應力很小的自然狀態(tài)。

b、合理安排中間熱處理工序

零件應力應隨著工序的進展逐級減少。在分階段后，各工序之間合理地安排有關熱處理工序，目的是消除內應力，使零件始終處于應力衰減的過程中。

對LY12-CZ鋁合金板進行一次變CZ狀態(tài)為CS狀態(tài)的人工時效處理。

LY12-CZ鋁合金的組織穩(wěn)定性很差，這對尺寸的穩(wěn)定很不利。因此，我們在零件粗加工后，對處于“CZ”狀態(tài)的LY12半成品進行一次人工時效處理，為了不降低材料的強度，保證零件在隨后加工中的足夠剛度，我們采用了在180℃下長時間保溫的時效工藝，通過這一步人工時效處理，不但使材料由“CZ”狀態(tài)變?yōu)椤癈S”狀態(tài)，穩(wěn)定了組織，而且還達到消除零件粗加工應力的目的。實踐證明，這是必不可少的一個重要工序，它也為以后多道的冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理打下了良好的組織基礎。

（4）在機械加工工序間，安排多道冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理工序，有效地消除零組件內部的殘余應力。通過反復的工藝實踐證明采用△T=200℃的冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理的工藝方法，可使零件處理前的原有應力消除90%左右。即-100℃×4 h/+110℃×4 h。每道工序循環(huán)三次。在整個加工過程中共安排三道這種冷熱循環(huán)三次的穩(wěn)定處理。冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理在消除應力方面之所以有如此明顯的效果，我們認為一方面是因為在處理過程中，由于冷熱溫度梯度產生的熱應力和同時導致的微觀應力，有一部分與零件中已存在的殘余應力相平衡，而另一部分則與殘余應力相疊加，并引起塑性應變，這種塑性應變既釋放掉了一些彈性應力，又使殘余應力重新分布，獲得殘余應力下降的效果；另一方面，冷熱溫度交變的結果，會驅動零件材料內部組織結構發(fā)生變化，形成比較穩(wěn)定的位錯結構，達到穩(wěn)定尺寸的目的。

3 結 論

（1）采用銑削方法加工形狀復雜的薄壁精密零件，應首先注意提高工藝系統(tǒng)的剛度，并要采用特殊的夾具和裝夾方法，以及特殊的刀具，盡量減小加工中附加的應力。

（2）整個機械加工要分階段進行，在精加工階段，最終的切除余量應不大于0.05 mm。同時，要正確地安排好機加工序與熱處理工序的先后秩序，使之合理匹配，密切結合，以保證零件始終處于殘余應力衰減的過程中。

（3）為了保證零件高的精度和尺寸穩(wěn)定性，必須對LY12-CZ狀態(tài)的原材料在粗加工后進行人工時效，使其由原來的“CZ”狀態(tài)變?yōu)椤癈S”狀態(tài)。

（4）殘余內應力是導致零件尺寸不穩(wěn)定的一個重要原因，而采用冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理來消除內應力，是行之有效的重要工藝手段。

生產實踐證明，在不降低LY12-CZ鋁合金機械性能的前提下，采用上述四項原則穩(wěn)定的工藝方案是可行的。它能在銑削加工條件下，成功地達到設備中復雜零件零組件要求的尺寸精度，并可靠地保證了零組件隨后的高尺寸穩(wěn)定性。

4 結束語

通過多次工藝試驗，根據我們設備中精密零組件的高精度、薄壁等特點，在生產實踐中，重視了機加工與熱處理的匹配，并在不降低LY12-CZ原機械性能的前提下，在工藝方案中選取了一道人工時效處理和三道各循環(huán)三次的冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理，使整個零組件從加工、裝配、產品測試和庫存，再到成品試驗的自然時效時間內，原加工精度經過再次復測，沒有發(fā)生變化。說明我們加工LY12-CZ鋁合金精密零組件的工藝方案是可行的。但由于影響零件精度和尺寸穩(wěn)定性的因素比較復雜，我們對尺寸不穩(wěn)定機理的研究和試驗尚不夠充分，這都要求我們在今后的生產實踐中進一步探索。

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