微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度分析

朱 建（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度分析

朱 建
（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

文章介紹了用于微型鉆頭鉆徑精加工的全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的工作原理和主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了影響機(jī)床加工精度的因素，提出了改善加工精度的措施，對(duì)于微鉆加工設(shè)備的設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值。

微型鉆頭；磨削；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；精度

印制板數(shù)控鉆孔仍是主流的孔加工方法，使用的工具是硬質(zhì)合金微型鉆頭。在電子產(chǎn)品向輕薄短小方向發(fā)展及可靠性要求不斷提高的大背景下，對(duì)印制板的微孔加工提出了越來越高的要求。提供高品質(zhì)的微鉆是微鉆生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)，而高精度、高穩(wěn)定性的微鉆加工設(shè)備則是微鉆品質(zhì)的保障。

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)是用于硬質(zhì)合金微型鉆頭鉆徑精磨的全自動(dòng)、高精度、高效的精加工設(shè)備，是微型鉆頭插接料生產(chǎn)工藝中所用到的重要設(shè)備。其加工精度直接影響到微鉆最終的尺寸精度，對(duì)微鉆產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的決定作用。本文結(jié)合微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的設(shè)計(jì)，從介紹該設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)入手，論證本設(shè)備實(shí)現(xiàn)微鉆工藝的原理及具體措施，對(duì)影響其精度的種種因素進(jìn)行分析，并最終提出提高其加工性能的措施。

1 微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)適合的工藝范圍

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)主要用于硬質(zhì)合金微型鉆頭插接料鉆徑精磨加工，主要針對(duì)鉆徑0.1 mm ～0.5 mm的產(chǎn)品的半精加工和精加工，精加工尺寸精度0.004 mm，圓度0.001 mm，同軸度0.001 mm。圖1是一種產(chǎn)品的加工工藝要求，具體說明該機(jī)需要達(dá)到的加工精度。圖中鉆徑部分即是微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)需要完成加工的部分，在保證其加工精度的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)無人值守全自動(dòng)加工和加工效率要達(dá)到每支產(chǎn)品的加工時(shí)間為10 s ～ 17 s的加工效率。

2 微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)總體結(jié)構(gòu)和精度分析

2.1 微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的工作原理

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)利用定位V型塊和壓輪實(shí)現(xiàn)加工產(chǎn)品的裝夾定位，同時(shí)利用壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)棒料轉(zhuǎn)動(dòng)。砂輪軸的下部是數(shù)控驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，利用工作臺(tái)的進(jìn)給實(shí)現(xiàn)砂輪在棒料的徑向進(jìn)給，直接利用成型砂輪的工作面磨削出棒料的加工面，完成產(chǎn)品的加工。安裝在砂輪對(duì)邊的托架則實(shí)現(xiàn)對(duì)加工棒料的輔助支撐，抵消砂輪對(duì)棒料的大部分切削力，見圖2。

2.2 影響微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的精度的幾個(gè)主要因素

分析圖2不難看出，基于微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的加工原理，其加工精度由以下幾個(gè)因素決定。

2.2.1 棒料的定位精度和棒料轉(zhuǎn)動(dòng)跳動(dòng)

棒料的裝夾是通過壓輪將棒料壓在V型塊上來實(shí)現(xiàn)，壓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)棒料轉(zhuǎn)動(dòng)。棒料柄部尺寸決定其定位精度，其回轉(zhuǎn)精度與棒料的柄徑的圓度關(guān)系密切，同時(shí)受V型塊的精度和壓輪振動(dòng)的影響。棒料的定位精度和回轉(zhuǎn)精度直接反映在鉆徑的尺寸精度和圓度上。

2.2.2 砂輪進(jìn)刀的重復(fù)定位精度

棒料的磨削是通過砂輪沿棒料徑向進(jìn)給來實(shí)現(xiàn)，在棒料定位精度保證的前提下，砂輪的重復(fù)定位精度直接決定棒料的磨削尺寸，砂輪的定位誤差將雙倍反映在棒料上。

2.2.3 托架的位置精度

由于本機(jī)所加工的棒料多數(shù)是加工直徑0.3 mm以下，長徑比15以上的零件，其剛性較差，必須通過增加輔助支撐來抵消來自砂輪的切削力，避免工件讓刀，以實(shí)現(xiàn)加工精度。托架位置的準(zhǔn)確性直接決定加工零件的尺寸精度。

2.2.4 其它因素

除上述因素外，砂輪的動(dòng)平衡、設(shè)備的振動(dòng)、工作過程中設(shè)備的升溫、環(huán)境溫度等因素都會(huì)對(duì)設(shè)備的加工精度造成影響，克服每個(gè)不利因素，才能保證最終零件的加工效果。

2.3 微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及精度控制方法

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)在設(shè)計(jì)之初就充分考慮以上各因素，力求從結(jié)構(gòu)上確保各部分機(jī)構(gòu)都最大限度保證其運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)對(duì)該設(shè)備的來料進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保其最終的加工精度。設(shè)備主體部分包含以下結(jié)構(gòu)：數(shù)控進(jìn)給工作臺(tái)、電主軸及砂輪、V型塊及壓輪機(jī)構(gòu)、托料機(jī)構(gòu)、調(diào)整滑臺(tái)、砂輪修整器、液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、底座及周邊配套等。下面重點(diǎn)分析與該設(shè)備精度關(guān)聯(lián)較密切的幾部分機(jī)構(gòu)，結(jié)合上述影響精度的種種因素，論述該設(shè)備的精度控制方法。

2.3.1 棒料定位精度和棒料轉(zhuǎn)動(dòng)跳動(dòng)的控制

棒料柄徑的尺寸精度和圓度是影響其定位精度和轉(zhuǎn)動(dòng)跳動(dòng)的重要因素，因而保證來料的柄徑的精度是非常重要的。影響棒料回轉(zhuǎn)精度較大的還有V型塊的精度以及壓輪的振動(dòng)。對(duì)于V型塊，在保證其制作精度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中采用金剛石材料作為其工作面，保證V型塊在使用過程中磨損較小，保持其精度。壓輪的振動(dòng)主要是因?yàn)閴狠喸诿看螇毫蟿?dòng)作中與棒料的沖擊造成壓輪工作面上微小凹坑造成，只需調(diào)整驅(qū)動(dòng)壓輪機(jī)構(gòu)動(dòng)作的油缸速度，就可以將壓輪和棒料的沖擊降低到最小。同時(shí)在設(shè)備的使用過程中定期修整壓輪，就可以克服壓輪的振動(dòng)問題。

2.3.2 砂輪進(jìn)給精度的控制

對(duì)于砂輪進(jìn)給精度，設(shè)計(jì)采用較成熟數(shù)控精密工作臺(tái)技術(shù)，可以很好地保證砂輪的進(jìn)給精度。如圖3數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)圖所示，與工作臺(tái)進(jìn)給精度以及重復(fù)定位精度關(guān)系密切的因素主要有導(dǎo)軌精度，絲桿和諧波減速器等傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度和間隙以及伺服電機(jī)的分辨率。

圖3 中：1、墊板 2、防護(hù)條 3、滾珠絲桿 4、前端板 5、直線導(dǎo)軌 6、滑臺(tái)面 7、滑臺(tái)座 8、絲桿軸承壓蓋 9、組合式角接觸球軸承 10、諧波減速器鋼齒座 11、后端板 12、諧波減速器鋼齒 13、諧波減速器軟齒 14、電機(jī)法蘭 15、伺服電機(jī) 16、電機(jī)連接軸 17、諧波減速器發(fā)生器 18、軸承 19、連軸套

導(dǎo)軌是工作臺(tái)各部件相對(duì)位置關(guān)系的基準(zhǔn)，也是砂輪運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。導(dǎo)軌的精度要求主要有以下三個(gè)方面：導(dǎo)軌工作面的平面度；導(dǎo)軌各面的垂直度；左右導(dǎo)軌的平行度。除了導(dǎo)軌本身的制造誤差外，導(dǎo)軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量，也是造成導(dǎo)軌誤差的重要因素。設(shè)計(jì)選用高精度滾針導(dǎo)軌副，并且在裝配中很好地調(diào)整相對(duì)運(yùn)動(dòng)副之間的預(yù)緊，完全消除導(dǎo)軌間隙。導(dǎo)軌的滾動(dòng)摩擦也最大限度地減少導(dǎo)軌面在使用過程中的磨損，使得導(dǎo)軌精度得以保證。

傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差是指內(nèi)聯(lián)系的傳動(dòng)鏈中首末兩端傳動(dòng)元件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差。傳動(dòng)誤差是由傳動(dòng)鏈中各組成環(huán)節(jié)的制造和裝配誤差，以及使用過程中的磨損所引起。本機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)鏈由諧波減速器和滾珠絲桿組成。絲桿選用高精度無間隙滾珠絲桿副，并且有一定的預(yù)緊力。減速器采用1：50的諧波減速器，確保伺服電機(jī)工作速度避開性能較差的低速區(qū)。設(shè)備工作過程每次的磨削進(jìn)刀自后向前，此種工藝設(shè)計(jì)最大限度地減小了由于傳動(dòng)鏈的間隙所帶來的傳動(dòng)誤差。另外絲桿采用滾珠絲桿，不僅摩擦較小，還不宜磨損，有利于保證工作臺(tái)的精度穩(wěn)定性。

導(dǎo)軌和絲桿滾動(dòng)軸之間的預(yù)緊不僅提高了其使用壽命，并且在微進(jìn)給工作狀態(tài)下有效避免滑臺(tái)工作過程中可能出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，從而使磨削過程穩(wěn)定進(jìn)行，有利于尺寸精度和圓度的保證。

數(shù)控工作臺(tái)機(jī)構(gòu)采用分辨率十七萬以上的伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，使得機(jī)構(gòu)的微進(jìn)給最小尺寸得以保證。以伺服電機(jī)的分辨率來計(jì)算，配合1∶50的諧波減速器，使得滑臺(tái)理論進(jìn)給精度達(dá)到納米級(jí)。但在實(shí)際使用中，為了是保證工作臺(tái)在需要快速反應(yīng)時(shí)節(jié)省時(shí)間，同時(shí)避開伺服電機(jī)的低速工作區(qū)，采用1∶4000的分辨率。依據(jù)這個(gè)參數(shù)，已知滾珠絲桿的導(dǎo)程為5 mm，可算出該數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)給精度理論值為0.000025 mm。

5mm÷50÷4000＝0.000025mm＝0.025μm （1）

該機(jī)構(gòu)裝配完成，多次測試其進(jìn)給精度，測得其重復(fù)定位誤差小于0.001 mm（所用量具最高精度0.001 mm），無爬行現(xiàn)象。

2.3.3 托架精度控制和調(diào)機(jī)注意事項(xiàng)

由于微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)所加工工件具有直徑小，長徑比較大的特點(diǎn)，參見圖1。因而在磨削過程中需要增加棒料的輔助支撐以確保其加工精度。而托架機(jī)構(gòu)在此設(shè)備中正是起到平衡切削力，確保其加工精度的作用。圖4是托架機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，簡單示意了托架機(jī)構(gòu)的工作原理。結(jié)合圖2，當(dāng)上料時(shí)，油缸活塞前伸，托架后撤。加工時(shí)，油缸活塞縮回，托架工作面抵上工件前端，平衡砂輪的磨削力。

圖4 中：1、托架安裝座 2、托架杠桿座 3、合金銷（其下部是微分頭） 4、托架杠桿 5、彈簧銷6、彈簧 7、彈簧墊 8、彈簧調(diào)整蓋 9、調(diào)整螺釘10、油缸 12、托架桿 15、轉(zhuǎn)軸 18、托架

如圖4所示，托架在工作時(shí)靠彈簧力來平衡砂輪的切削力，切彈力可調(diào)，以滿足不同產(chǎn)品，不同的切削余量的要求。由于托架和工件的接觸良好性直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工精度，因而需要托架具有較好的可調(diào)性。圖4中合金銷的下部安裝有微分頭，調(diào)機(jī)時(shí)配合顯微鏡，可調(diào)整托架至最佳工作位置。

在機(jī)械加工的每一工序中，總要對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行這樣或那樣的調(diào)整工作。由于調(diào)整不可能絕對(duì)的準(zhǔn)確，因而產(chǎn)生調(diào)整誤差。在本系統(tǒng)中，工件、托架和砂輪在機(jī)床上的相互位置精度，是通過調(diào)整工作臺(tái)、V型塊以及托架來保證的。當(dāng)工件、托架和砂輪等的精度都達(dá)到工藝要求而又不考慮動(dòng)態(tài)因素時(shí)，調(diào)整誤差的影響，對(duì)加工精度起到?jīng)Q定性的作用。

本機(jī)調(diào)整的重點(diǎn)是托架的調(diào)整，確保當(dāng)工件加工光刀完成的時(shí)刻，托架對(duì)工件的力剛好消失，也就是工件的加工余量完全去除后托架系統(tǒng)的合金銷要?jiǎng)偤煤臀⒎诸^相接觸。托架如果位置遠(yuǎn)離工件，會(huì)失去其作用，加工過程中會(huì)因?yàn)楣ぜ淖尩抖绊懠庸ぞ?；反之，如果托架位置頂過，工件光刀完成后托架還有未釋放的彈簧力，則會(huì)在光刀過程中由于托架的力而使得砂輪光刀過量而影響其尺寸精度，不僅如此，在砂輪退刀時(shí)托架亦可能將料頂斷。

3 微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)工藝效果分析

3.1 同軸度的保證

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)的工作原理決定了其加工工件的同軸度能得到很好的保證。參見圖2，工件的裝夾基準(zhǔn)和切削基準(zhǔn)都是棒料的柄部，而同軸度的測量基準(zhǔn)也是其柄部。兩個(gè)基準(zhǔn)的重合在原理上保證了該設(shè)備加工產(chǎn)品的同軸度不會(huì)出現(xiàn)大的偏差。

3.2 尺寸精度的保證

棒料加工的精度主要有砂輪進(jìn)刀的重復(fù)定位精度，托架的調(diào)整精度，以及棒料柄徑的尺寸一致性決定。本設(shè)備所采用精密數(shù)控工作臺(tái)技術(shù)保證砂輪進(jìn)刀重復(fù)定位精度達(dá)0.001 mm，所加工棒料柄徑尺寸控制在0.002 mm的誤差范圍，配合設(shè)備操作人員正確的調(diào)機(jī)方法，使得該設(shè)備加工產(chǎn)品的尺寸精度可以保證在0.002 mm的公差范圍內(nèi)。

3.3 圓度的保證

影響設(shè)備加工產(chǎn)品圓度的因素有多種，其中影響最大的是壓輪驅(qū)動(dòng)棒料轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)以及設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件的振動(dòng)?？刂坪眠@兩個(gè)因素，就需要設(shè)備調(diào)試時(shí)控制好壓輪驅(qū)動(dòng)油缸的速度，避免壓輪下壓速度過快；其次確保壓輪系統(tǒng)的重量不要太輕，防止其在過程中由于砂輪的切削力引起壓輪的抖動(dòng)，最終影響加工產(chǎn)品的圓度。設(shè)備中高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件就是砂輪軸了，做好砂輪的動(dòng)平衡對(duì)工件的圓度也一樣的重要?？刂坪靡陨蟽蓚€(gè)因素，同時(shí)按照規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行正確的安裝和調(diào)試，加工產(chǎn)品的圓度不難實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

微型鉆頭全自動(dòng)數(shù)控精磨機(jī)通過采用V型塊配合壓輪的夾持定位結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)精密數(shù)控進(jìn)給工作臺(tái)，同時(shí)配合可以方便調(diào)整的托架機(jī)構(gòu)。確保了微型鉆頭鉆徑加工的尺寸精度、同軸度和圓度。

經(jīng)測試證明，設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、緊湊、調(diào)試方便、運(yùn)行平穩(wěn)，所加工產(chǎn)品尺寸一致性較高，完全符合工藝要求。

[1]Fu Lianyu, GuoQiang. Development of micro drill bit with high aspect ratio[J]. Circuit World, 2010, 36 (4)∶30-34

[2]Fu Lianyu, GuoQiang. Development of ultra smallmicro drill bit for packaging substrate[J]. Circuit World, 2010, 36 (3)∶23-27

[3]陳海斌, 付連宇, 鄒衛(wèi)賢. PCB用微鉆技術(shù)的趨勢研究[J]. 印制電路信息, 2008,8∶34-37

Structure design and accuracy analysis of CNC grinding machine for micro drill bit

ZHU Jian

The main working principle and structure design of the CNC grinding machine for micro drill bit are presented. The factors that influence the grinding accuracy of the machine tolerance are analyzed, and the reasonable accuracy improvement measures are proposed. It is of important reference value for the design of similar machine tools for micro drill bit processing.

Microdrill Bit; Grinding; Structure Design; Accuracy

TN41

A

1009-0096（2014）02-0033-04