PC B機(jī)械鉆孔機(jī)壓力腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

王志剛，宋福民，王 星，陳百?gòu)?qiáng)

(1.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2.深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東深圳 518052)

近幾年來(lái)，在電子信息技術(shù)的推動(dòng)下，微電子 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展加速了電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代。電子產(chǎn)品正朝著數(shù)字化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化的方向發(fā)展，同時(shí)基于成本的考慮，加強(qiáng)了模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而使電子產(chǎn)品的功能更強(qiáng)大、更智能、更輕便[1]。未來(lái)智能電子產(chǎn)品將主要朝多種智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自適應(yīng)進(jìn)化3個(gè)方向發(fā)展，見(jiàn)圖1。多種智能化是電子產(chǎn)品盡可能在其特有的工作功能中模擬多種人的智能思維或智能活動(dòng)的功能；網(wǎng)絡(luò)化的電子產(chǎn)品可以由用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在電子產(chǎn)品之間也可以實(shí)現(xiàn)相互操作；自適應(yīng)進(jìn)化是電子產(chǎn)品根據(jù)自身狀態(tài)和外界環(huán)境自動(dòng)優(yōu)化工作方式和過(guò)程的能力[2][3]。

圖1 電子產(chǎn)品發(fā)展的總趨勢(shì)

圖2 印制電路板

伴隨著歐盟的WEEE（電子電氣產(chǎn)品的廢棄指令）和Rohs（電氣、電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令）的實(shí)施，全球PCB行業(yè)進(jìn)入了無(wú)鉛兼容和無(wú)鹵的環(huán)保時(shí)代。環(huán)保型PCB材料在Rohs的大旗下發(fā)生了巨大變化。這意味著，作為電子產(chǎn)品中所有電子元器件組裝的基板——印刷電路板（PCB，Printed Circuit Board，見(jiàn)圖2），必須發(fā)展成一個(gè)多功能組件，并且具備細(xì)分的裝配和連接技術(shù)。為了順應(yīng)智慧型手機(jī)、筆記本電腦、電腦主板、數(shù)碼產(chǎn)品、液晶顯示器等下游電子消費(fèi)品的多功能化、小型化、輕量化、高密度和高可靠性的要求和發(fā)展趨勢(shì)[4]，下一代電子系統(tǒng)對(duì)PCB的要求是高密度、高集成、封裝化、微細(xì)化、多層化[5]。為了適應(yīng)電子設(shè)備的高性能、信號(hào)高速化和高頻化，達(dá)到幾GHz到幾十GHz頻率要求，以高密度互連板（HDI）、柔性板（FPC）、IC 封裝板（BGA、CSP）既實(shí)現(xiàn)高密度組裝，又使元件間連接線路縮短，減少信號(hào)損衰和干擾。安裝可靠性高的產(chǎn)品正逐漸替代傳統(tǒng)的印制電路板，使得需要機(jī)械加工的直徑小于準(zhǔn)0.2mm的PCB超微細(xì)導(dǎo)通孔數(shù)量急劇增加，見(jiàn)表1。

表1 每平方厘米上孔數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[6]

1 PCB機(jī)械鉆孔

PCB鉆孔機(jī)械加工一般使用PCB數(shù)控鉆孔機(jī)，見(jiàn)圖3，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭快速進(jìn)給在印制電路板上鉆出層間電路的導(dǎo)通孔及焊接零件的固定孔?；赑CB鉆孔的四項(xiàng)基本性能指標(biāo)——孔位精度、孔壁品質(zhì)、斷針率和效率的綜合平衡。PCB數(shù)控鉆孔機(jī)機(jī)體一般采用彈性模量較高、吸振性能好，對(duì)溫度不敏感的天然花崗石或者鑄鐵材料?；谛实囊螅琙軸運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量盡可能的輕量化，以獲得比較高的速度和加速度。通常PCB印制電路板上的機(jī)械加工孔均采用PCB專用麻花鉆頭，由于鉆頭本身的機(jī)械強(qiáng)度原因，直徑越小的鉆頭切削刃長(zhǎng)度會(huì)越短。鉆頭的鉆柄尺寸固定為準(zhǔn)3.175mm或者準(zhǔn)2mm。針對(duì)PCB板的孔徑范圍，切削刃部分的直徑大部分都在準(zhǔn)6.35mm以下，也有特殊定制的準(zhǔn)10.5mm，一般不會(huì)超出準(zhǔn)12mm。而實(shí)際生產(chǎn)中主要集中在準(zhǔn)1mm以下。由于PCB材料特性要求，鉆頭線速度一般在120m/min到200m/min以內(nèi)。鉆頭在高速電主軸夾持下高速旋轉(zhuǎn)，由鉆孔機(jī)的Z軸（見(jiàn)圖4）驅(qū)動(dòng)，整體軸向上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而X、Y軸負(fù)責(zé)孔位定位，配合既定的程式三軸組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)印制電路板上連續(xù)定位鉆孔[7]，見(jiàn)圖 5。

圖3 PCB數(shù)控鉆孔機(jī)

圖4 Z軸結(jié)構(gòu)放大圖

圖5 鉆孔切削三維模型

如圖6所示，為提高總體鉆孔加工效率，加工PCB板的通孔時(shí)，會(huì)根據(jù)PCB鉆頭的切削刃長(zhǎng)和單張板厚確定一次疊幾張同樣的板進(jìn)行加工；為保護(hù)好PCB板不被刮花，會(huì)在一整疊的PCB板最上層覆上一張蓋板，蓋板材質(zhì)多為鋁和樹(shù)脂[8]；同時(shí)為讓一次能鉆透一整疊PCB板，鉆頭鉆尖會(huì)超出最底層，所以會(huì)在一整疊的PCB板下墊一張墊板。實(shí)際加工中，由蓋板、PCB板、墊板組成的工件系統(tǒng)用銷釘固定在PCB鉆孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上，X、Y軸通過(guò)帶有光柵反饋的閉環(huán)系統(tǒng)確認(rèn)到達(dá)程式預(yù)定位置，Z軸便進(jìn)入快進(jìn)階段。當(dāng)Z軸到達(dá)一定位置，由同步氣缸、吸屑罩和壓力腳組成壓力腳組件壓緊被加工工件，高速旋轉(zhuǎn)的氣浮主軸帶動(dòng)鉆頭實(shí)現(xiàn)一次鉆孔功能。

圖6 鉆孔示意圖

2 工件系統(tǒng)和壓力腳組件

2.1 工件組合

在由蓋板、PCB板（可多層疊加）和墊板組成的工件組合中，印制電路板上面的蓋板主要是防止PCB板表面產(chǎn)生毛刺與刮傷，并起散熱與鉆頭清潔作用，還可引導(dǎo)鉆頭鉆入PCB板的軌道，以提高鉆孔準(zhǔn)確度[9]。

蓋板有一定表面硬度防止鉆孔上表面毛刺，但又不能太硬而磨損鉆頭。若為樹(shù)脂蓋板，其本身樹(shù)脂成分不能過(guò)高，否則鉆孔時(shí)將會(huì)形成熔融的樹(shù)脂球黏附在孔壁。蓋板要有一定的剛性防止提鉆時(shí)板材顫動(dòng)，又要有一定彈性，當(dāng)鉆頭下鉆接觸的瞬間立即變形，使鉆頭精確地對(duì)準(zhǔn)被鉆孔的位置，保證鉆孔位置精度。蓋板材質(zhì)要均勻不能有雜質(zhì)產(chǎn)生軟硬不均的節(jié)點(diǎn)，否則容易斷鉆頭。如果蓋板表面又硬又滑，小直徑的鉆頭導(dǎo)熱系數(shù)越大越好，以便能迅速將鉆孔時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，降低鉆孔時(shí)鉆頭的溫度，防止鉆頭退火[10]。

國(guó)內(nèi)使用的墊板有酚醛紙質(zhì)板、紙板、木屑板。木屑板質(zhì)地均勻度較差，硬度好于紙質(zhì)板，但鉆孔的線路板銅箔大于35μm以上會(huì)產(chǎn)生毛刺。紙板較軟容易產(chǎn)生毛刺，但質(zhì)地均勻不易斷鉆頭和咬鉆頭，價(jià)格便宜，可在銅箔較薄或單面板中使用。同樣國(guó)外有一種復(fù)合墊板，其上、下兩層是0.06mm的鋁合金箔，中間層是純纖維質(zhì)的芯，總厚度是1.50mm，顯然，性能十分出眾又環(huán)保，大大超過(guò)酚醛紙質(zhì)板，特別是鉆多層板和小直徑孔時(shí)可充分體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。

2.2 壓力腳組件

在正確選擇蓋板和墊板的情況下，同步氣缸、吸屑罩和壓力腳組成的壓力腳組件是影響鉆孔品質(zhì)的關(guān)鍵因素。在以往鉆準(zhǔn)0.5mm以上的孔時(shí)，各鉆孔機(jī)設(shè)備廠商為節(jié)約成本，在夠滿足底板反面CPK（工序能力指數(shù)）≥1.33和孔壁粗糙度≤25.4μm的情況下，通常采用固定的吸屑罩和單孔壓力腳（見(jiàn)圖7）配置。

圖7 單孔壓力腳

隨著印制電路板鉆孔孔徑的日漸減?。壳爸饕性?準(zhǔn)0.3mm以下，準(zhǔn)0.1～準(zhǔn)0.2mm居多），傳統(tǒng)吸屑罩和單孔壓力腳配置的壓力腳組件在鉆孔精度和鉆孔品質(zhì)方面都表現(xiàn)得有些力不從心[11]，進(jìn)而影響了加工精度。為此設(shè)計(jì)出切換壓腳組件，內(nèi)徑為準(zhǔn)8.5mm壓力腳負(fù)責(zé)鉆大孔，內(nèi)徑為準(zhǔn)2.5mm壓力腳負(fù)責(zé)鉆小孔，使壓力腳內(nèi)徑與鉆頭之間的空曠區(qū)域較單壓力腳下的明顯減少，PCB工件系統(tǒng)被壓得更牢固和平整。表2列出市面上比較主流的壓腳切換組件。主要分為兩種設(shè)計(jì)理念，一種設(shè)計(jì)理念為德國(guó)Schmoll公司設(shè)計(jì)的壓力腳大、小孔位置一體的設(shè)計(jì)理念。

表2 市面上主流的壓腳切換系統(tǒng)

這種結(jié)構(gòu)的大小壓力腳在同一平面滑板上，見(jiàn)圖8所示，用氣缸直接連接滑板驅(qū)動(dòng)，或者用鋼絲繩連接驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，機(jī)械加工比較容易實(shí)現(xiàn)，使用過(guò)程比較容易維護(hù)；缺點(diǎn)是壓力腳在小孔位置，鉆頭周邊只能有3/4的壓力腳比較緊實(shí)的貼合工件，還剩1/4的壓力腳必須為壓力腳大小孔切換留出通道，只能依靠更遠(yuǎn)的大孔位置的壓力腳壓緊工件系統(tǒng)。另一種設(shè)計(jì)理念是日本Hitachi公司設(shè)計(jì)的大、小孔位置分離的設(shè)計(jì)理念，見(jiàn)圖9。這種結(jié)構(gòu)的大小壓力腳固定在一個(gè)弧形的壓力腳座上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)氣缸連接曲柄連接桿驅(qū)動(dòng)弧形的壓力腳座，實(shí)現(xiàn)壓力腳在大、小孔之間自由切換。優(yōu)點(diǎn)是壓力腳在小孔位置，鉆頭周邊能夠比較緊實(shí)的貼合；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，弧形配合面較難加工，使用過(guò)程也較難維護(hù)。圖10形象地說(shuō)明了鉆孔過(guò)程中壓腳大小及吸塵負(fù)壓對(duì)鋁片的影響，從圖中可明顯地看到，壓腳過(guò)大容易在鉆孔時(shí)由于吸塵負(fù)壓的影響使得鋁片被吸起，造成凸起，容易使鉆孔產(chǎn)生較大偏差，而使用獨(dú)立的小壓腳則由于壓力范圍的集中分布，可減少吸塵負(fù)壓對(duì)鋁片的吸附，提高鉆孔精度[13]。

吸屑罩設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于高效的吸塵效率，COMSOL的CFD分析結(jié)果見(jiàn)圖11，吸屑罩內(nèi)流線主要是從螺旋后的擴(kuò)展過(guò)程轉(zhuǎn)化為出口管道流線，因此出口方向應(yīng)該盡量符合圓潤(rùn)過(guò)渡原則，出口中心矢線與螺旋線外徑相切，盡量增大吸出斷面面積。出口垂直位置則應(yīng)盡量貼近吸屑罩底部，這樣更利于“洗罩”循環(huán)流，同時(shí)避免對(duì)主軸外圈縫隙入流產(chǎn)生影響和被垂直運(yùn)動(dòng)的主軸遮擋。利用吸屑罩與主軸之間盡可能小的間隙、出口中心矢線與粉塵螺旋線外徑相切以及盡可能輕的質(zhì)量設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)吸屑罩的高效吸塵，同時(shí)注意防止靜電干擾。

圖8 大小孔一體式壓力腳

圖9 大、小孔獨(dú)立分體式壓力腳

圖10 大孔壓力腳與小孔壓力腳工作時(shí)鋁片的狀態(tài)

2.3 壓力腳的型式與材料

圖11 吸屑罩CFD分析全流域流線圖

壓力腳的主要功能是壓緊工件系統(tǒng)，通過(guò)本身的開(kāi)槽透氣結(jié)構(gòu)，提供吸塵系統(tǒng)的空氣補(bǔ)充，形成比較良好的對(duì)流系統(tǒng)，還有比較大的緩沖作用。機(jī)械鉆孔機(jī)設(shè)計(jì)廠家基于不同側(cè)重點(diǎn)的考慮，壓力腳的材料（見(jiàn)表3）有金屬材料和非金屬材料。金屬材料主要使用不銹鋼材料（一般是SUS304）和黃銅材料（C3604BD，相當(dāng)于HPb59-1），非金屬材料主要有PA66、PA6、POM和PU的材料。使用金屬材料（SUS304、C3604BD）主要考慮硬度比較高，比較耐磨損，使用壽命比較長(zhǎng)（正常情況下都可以使用8～10個(gè)月）；缺點(diǎn)是緩沖作用不明顯，很長(zhǎng)一段時(shí)間都沒(méi)有穩(wěn)定下來(lái)。使用工業(yè)橡膠材料（PU、PA6、PA66）主要考慮良好的吸振特性，對(duì)于沖擊過(guò)程，能夠達(dá)到顯著吸振效果，在很短時(shí)間振幅就能減??；缺點(diǎn)是硬度比較低，不耐磨損，壽命比較短，通常在一周左右[14]。

3 工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的確定

利用ABAQUS軟件仿真，調(diào)整壓腳材料，以100N壓腳力以及10kPa真空度進(jìn)行分析[15]，分析采用鋼壓腳和PU壓腳兩種情況。在圖12中上下兩條曲線分別表示在鋼壓腳和PU壓腳下，“下鉆點(diǎn)”的數(shù)值位移曲線。從中可以看出鋼壓腳帶著壓腳力沖擊下來(lái)并激起振蕩，振蕩在0.06s內(nèi)規(guī)則衰減；然而PU壓腳具有明顯吸振效果，在激起振蕩以后，“下鉆點(diǎn)”迅速穩(wěn)定下來(lái)，大約在0.01s達(dá)到穩(wěn)定。基于工業(yè)橡膠良好的吸振性能，目前多數(shù)鉆孔機(jī)廠商都采用工業(yè)橡膠的壓力腳設(shè)計(jì)。

表3 壓力腳的材料

圖12 不同材料壓腳的振動(dòng)分析

采用以上方法設(shè)計(jì)的壓力腳組件，在相同的環(huán)境和鉆孔參數(shù)下，調(diào)整不同的壓腳氣缸壓力和吸塵負(fù)壓，測(cè)試鉆板精度，同時(shí)用PV-check（見(jiàn)圖13，最大測(cè)試壓力為250N，分辨率1N；真空吸附最大壓力30kPa，分辨率0.1kPa）測(cè)試壓腳氣缸壓力和真空負(fù)壓。結(jié)果顯示，只有在壓力腳壓力設(shè)置在100N左右和吸塵真空負(fù)壓在10kPa左右的狀況下，鉆孔精度高，鉆孔品質(zhì)好。

圖13 PV-check

4 結(jié) 論

PCB數(shù)控鉆孔機(jī)作為印制電路板加工中的重要設(shè)備，其加工質(zhì)量對(duì)電子產(chǎn)品性能影響極大。其吸屑罩與壓力腳組合結(jié)構(gòu)是影響孔加工質(zhì)量的主要因素之一。吸屑罩與壓力腳組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)良設(shè)計(jì)和合理的壓力腳壓力與吸塵負(fù)壓設(shè)置是保證印制電路板高品質(zhì)鉆孔的關(guān)鍵。在大多數(shù)工況條件下，實(shí)現(xiàn)吸屑罩與主軸之間盡可能小的間隙、出口中心矢線與粉塵螺旋線外徑相切以及盡可能輕的質(zhì)量的設(shè)計(jì)，配合吸振性能優(yōu)良的工業(yè)橡膠壓力腳，壓力腳壓力設(shè)置約在100N和吸塵真空負(fù)壓約在10kPa的狀況下，可以實(shí)現(xiàn)吸屑罩的高效吸塵和高品質(zhì)鉆孔。

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[1]胡南斌.高端服務(wù)器類印制電路板的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)[J].印制電路信息，2011(4)：1-4.

[2]李宓.2013年個(gè)人電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)展望勢(shì)[EB/OL].http://www.stdaily.com/stdaily/content/2013-01/04/content_558322.htm，2013-01-04.

[3]奇嶸.探秘家電發(fā)展十大趨勢(shì)[EB/OL].http://news.xinmin.cn/rollnews/2012/09/07/16233503.html，2012-09-07.

[4]王成勇，黃立新，鄭李娟，陳明.印刷電路板超細(xì)微鉆削加工及其關(guān)鍵技術(shù)[J].工具技術(shù)，2010，44(1)：3-10.

[5]陳永建.PCB技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)展望[J].中國(guó)科技信息，2010(17)：92-93.

[6]王英章.高精高速微孔PCB數(shù)控鉆床關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].重慶大學(xué)，2004.

[7]黎勇軍.多軸級(jí)聯(lián)PCB鉆孔機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[8]王星，宋福民，肖俊君.PCB數(shù)控鉆孔機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用綜述[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，4：30-36.

[9]陳海斌，付連宇，羅春峰.PCB用微鉆技術(shù)的趨勢(shì)研究[J].印制電路信息，2008（8）：34-37.

[10]陳漢泉，石紅雁.PCB微鉆的三維精確建模[J].工具技術(shù)，2010（44）：40-42.

[11]程分喜，楊宏強(qiáng)，王 洪.微孔精密鉆孔技術(shù)研究[J].HKPCA，2007（23）：10-25.

[12]戴云錦.改良的印刷電路板鉆孔機(jī)用的壓力角座[P].中國(guó)專利：ZL 200620139336.7.

[13]董曄弘，向東，段廣洪，劉暢.基于貝葉斯網(wǎng)的PCB微小孔鉆孔質(zhì)量建模研究木[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(4)：1-3.

[14]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.6.3-493-3-525.

[15]石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例講解.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.30-50.