關(guān)于機(jī)械數(shù)控加工過(guò)程中刀具的合理使用控制與研究

紀(jì)龍江 鄭 威（大連太平洋電子有限公司，大連 116600）

關(guān)于機(jī)械數(shù)控加工過(guò)程中刀具的合理使用控制與研究

紀(jì)龍江 鄭 威
（大連太平洋電子有限公司，大連 116600）

在越來(lái)越追求高效率、低制造成本的今天，各行各業(yè)都在研究各種先進(jìn)工藝以提高生產(chǎn)效率并獲取更大的利潤(rùn)。本文就數(shù)控加工過(guò)程中對(duì)刀具的合理使用為研究課題，從切削原理、刀具研磨、過(guò)程控制、實(shí)驗(yàn)論證等幾方面進(jìn)行簡(jiǎn)單剖析，希望能達(dá)到與業(yè)界同仁學(xué)用互進(jìn)的目的與效果！

切削原理；刀具結(jié)構(gòu)；刀具研磨；過(guò)程控制

1 前言

要想對(duì)機(jī)械數(shù)控加工中的刀具進(jìn)行研究，我們還是首先得從切削過(guò)程、切削原理方面進(jìn)行簡(jiǎn)單剖析，只有真正了解并撐握了鉆削過(guò)程中存在的一些基本物理、化學(xué)變化理論、現(xiàn)象及規(guī)律，我們才能在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下達(dá)到更合理利用設(shè)備、刀具、能源的目的。雖然在PCB的發(fā)展歷史上，有太多的人研究過(guò)如何提高刀具的使用壽命，而且也取得了不凡的效果，但是本文從另一個(gè)層面進(jìn)行分析，深入淺出的對(duì)刀具磨損的3個(gè)階段，初期磨損、正常磨損、急劇磨損，并結(jié)合鉆削原理、刀具研磨、過(guò)程控制、實(shí)驗(yàn)論證等幾個(gè)方面對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了更為詳盡的闡述與分析，希望能達(dá)到與業(yè)界同仁學(xué)用互進(jìn)的目的與效果！

2 鉆削原理

如圖1、圖2所示，我們以PCB專(zhuān)用焊接類(lèi)硬質(zhì)合金材料的鉆頭為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

刀具在一定轉(zhuǎn)速、進(jìn)給條件下，切削刃/面會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生一定的擠壓力，迫使材料產(chǎn)生一定的彈性變形，并且隨著變形量的增加，彈形變形開(kāi)始向塑性變形轉(zhuǎn)變，當(dāng)朔性變形達(dá)到一定程度并超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)使被切削或擠壓部分從基材上脫離下來(lái)形成鉆屑，這是最基本的切削原理基礎(chǔ)。鉆屑的變形過(guò)程受切削熱影響很大，切削熱又受刀具類(lèi)型的影響較大，如果我們以常用的ST/UC型鉆頭為例將孔壁展開(kāi)可以得到如圖3、圖4。

在這個(gè)材料被擠壓并形成鉆屑的過(guò)程中，鋁蓋板、銅箔、玻璃纖維、紙墊板等材料在與鉆頭的磨擦過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，這種熱量產(chǎn)生的多少與刀具-材料的接觸面積有很大關(guān)系，接觸面積越大，切削阻力就越大，摩擦力就越大，摩擦熱隨之增大，并且在實(shí)際鉆孔過(guò)程中，隨著刀具加工孔數(shù)的增多，刀具的磨損度就會(huì)增加，磨損度增加又會(huì)加劇刀具的快速磨損，刀具的快速磨損將直接導(dǎo)致切削熱會(huì)快速增加，這樣的惡性循環(huán)最終導(dǎo)致加工精度的降低、孔內(nèi)表面質(zhì)量的惡化、斷刀率的增加。圖4所示的UC型鉆頭就是為了減小刀具與孔壁的摩擦，降低切削熱的目的而設(shè)計(jì)的，并且隨著PCB行業(yè)的快速發(fā)展，在孔壁質(zhì)量要求較越來(lái)越高的微小孔中，“UC”型鉆頭已得到最廣泛的使用，可見(jiàn)“UC”型鉆頭相對(duì)“ST”型鉆頭而言?xún)?yōu)勢(shì)還是十分明顯的。

針對(duì)“UC”型鉆頭，對(duì)“UC”長(zhǎng)度的合理控制是對(duì)刀具進(jìn)行最有效使用及管理的關(guān)鍵所在，如下圖5、圖6所示。

在此我們需要引入一個(gè)理念，要想最大化的使用刀具壽命，就必須要了解刀具磨損的3個(gè)階段，即初期磨損、正常磨損、急劇磨損，如圖5～圖7所示。

大家都知道，刀具在加工不同類(lèi)別的材料時(shí)會(huì)體現(xiàn)出不同的磨損狀態(tài)，特別是在加工高Tg、無(wú)鹵素、陶瓷及厚銅板等材料時(shí)會(huì)有較大的磨損，如果按照常規(guī)刀具使用壽命去管控的話，往往會(huì)使刀具在急劇磨損狀態(tài)下作業(yè)，不僅對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有巨大隱患，而且對(duì)刀具使用壽命的管理也是非常不利的，因?yàn)榻?jīng)過(guò)急劇磨損的鉆頭將很難研磨，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一定要根據(jù)材料的特點(diǎn)（強(qiáng)/硬度、疊層、銅厚、最大/小孔徑、Tg大?。┰O(shè)計(jì)相應(yīng)的加工參數(shù)，特別是在加工無(wú)鹵素板材時(shí)一定要根據(jù)刀具的磨損情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，保證刀具始終在“正常磨損”階段范圍內(nèi)的使用達(dá)到最大化，做到既不浪費(fèi)又不過(guò)度使用才行！

“UC”過(guò)短可能造成的后果：

雖然“UC”部分可以減少刀體與孔壁的接觸面積，但也并不是越短越好。隨著研磨次數(shù)的增加，UC部分會(huì)逐漸縮短，副切削刃即“棱邊”也會(huì)產(chǎn)生的一定的鈍圓半徑，即便棱邊磨損狀態(tài)不是很?chē)?yán)重的情況下，當(dāng)UC部分縮短到一定程度時(shí)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成一定的影響，如圖8所示。

當(dāng)“UC”很短時(shí)（目前我們按刀徑的80%左右長(zhǎng)度進(jìn)行管控），刀具在下鉆過(guò)程中可能對(duì)材料的不均勻性所產(chǎn)生的阻力作用而引起機(jī)械振動(dòng)，并發(fā)生偏位或斷刀等異?，F(xiàn)象。在如上圖所示內(nèi)容中，假設(shè)鉆頭在下鉆過(guò)程中受到了玻纖等材料硬度的不均勻作用產(chǎn)生f1、f2抗力，其合力f、L使刀具產(chǎn)生一定的偏斜，偏斜大小為s=L*tanθ，tanθ=S/L，可見(jiàn)L越小，產(chǎn)生偏位的隱患就越大，因此，保證L的有效長(zhǎng)度是合理利用刀具的關(guān)鍵所在！

3 刀具研磨

隨著刀具壽命的增加，刀具磨損度加大，摩擦加劇，機(jī)械振動(dòng)增加、切削熱增加，進(jìn)而影響孔壁質(zhì)量、孔位精度、斷刀率等情況，此時(shí)就要對(duì)刀具進(jìn)行研磨，研磨過(guò)程中要注意對(duì)研磨次數(shù)的控制，經(jīng)過(guò)返修的刀具與正常研磨的刀具區(qū)別管理，同時(shí)也要注意對(duì)研磨量進(jìn)行管控（一般控制在30 μm/次 ～50 μm/次），如圖9所示，研磨時(shí)必須要保證徹底去除主、副切削刃的磨損層，恢復(fù)刀具的正常鋒利程度。

4 過(guò)程控制

PCB鉆孔關(guān)鍵控制點(diǎn)，孔位精度、孔襞粗糙度、孔邊毛刺、釘頭狀態(tài)、燈芯效應(yīng)、斷刀率，這些是鉆孔加工過(guò)程中必須要考慮的問(wèn)題，無(wú)論是鉆孔參數(shù)的設(shè)計(jì)、疊層的設(shè)計(jì)、板材及設(shè)備的選擇、輔助工具或輔助設(shè)備的配備與選擇等，都要從以上幾個(gè)問(wèn)題為根本出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究，而對(duì)刀具進(jìn)行合理的管控與研究是充分保證上面各技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明。

4.1 要想增加刀具研磨次數(shù)，首先要看“刃面夠不夠光”

PCB鉆孔屬半封閉式干切削加工模式，切削熱不易散出，因此，要盡可能保證刀具各個(gè)切削表面的光潔度，以減小摩擦阻力、減小機(jī)械振動(dòng)、降低切削熱，因此在每次鉆孔使用前，都需要由專(zhuān)人用X80倍放大鏡檢查刀具的各個(gè)面（主前/后刀面、副后刀面即棱表面、容屑槽表面）是否光滑整潔，是否有粉塵、雜質(zhì)、崩刃、缺損、裂痕等缺陷（圖10）。

4.2 要想增加刀具研磨次數(shù)，要看“刃是否鋒利”

切削刃的完好性、對(duì)稱(chēng)性是保證平穩(wěn)鉆削的重要條件，如果使用前刀具的主、副切削刃就已破損將直接導(dǎo)致鉆削力的不平衡性，并因此發(fā)生斷刀、偏位、孔粗糙度大、毛刺、釘頭、燈芯超差等一系列孔質(zhì)量問(wèn)題，因此，鉆頭在使用前必須由專(zhuān)人用X80倍放大鏡檢查刀具的各個(gè)刃的狀態(tài)是否完好無(wú)損，特別是在每次研磨后并準(zhǔn)備鉆孔前的管控更是非常重要，研磨次數(shù)越是增加，越要注意刃（主/副切削刃、橫刃、刀尖等）的狀態(tài)是否完好、磨損狀態(tài)是否有異常等現(xiàn)象。

4.3 要想增加刀具研磨次數(shù)，要看“參數(shù)是否調(diào)整至最佳化”

隨著刀具使用壽命、研磨次數(shù)的增加，無(wú)論怎么管控都無(wú)法保證副切削刃達(dá)到新刀時(shí)的鋒利程度狀態(tài)，稍有不慎就可能會(huì)影響到孔壁質(zhì)量，包括孔壁粗糙度、釘頭、燈芯等問(wèn)題。因此，刀具在每次研磨后應(yīng)該有相應(yīng)的選別控制體系，特別是在X80倍放大鏡下檢查副切削刃有明顯鈍圓現(xiàn)象時(shí)更要慎重使用，同時(shí)要相應(yīng)調(diào)整鉆孔參數(shù)與刀具、板材的匹配性，理論上來(lái)說(shuō)，刀具磨損后，切削力會(huì)下降，磨擦力會(huì)增加，因此要相應(yīng)提高轉(zhuǎn)速以保證切削力，增大進(jìn)給以保證切削熱的快速散除、降低刀具壽命以保證刀具在“正常磨損”階段狀態(tài)下使用。

4.4 要想增加刀具研磨次數(shù)，要看“鉆頭研磨、鉆孔管控體系是否完善”

如圖12所示，重點(diǎn)是要對(duì)研磨及檢查工位進(jìn)行管控。研磨要控制研磨次數(shù)，嚴(yán)格控制返修率，一旦發(fā)生返修情況，返修刀具就要作為當(dāng)前研磨次數(shù)的下次研磨刀具使用，我們以某廠家生產(chǎn)的φ0.25 mm鉆頭為例說(shuō)明：

刀具規(guī)格：φ0.25 mm

設(shè)計(jì)UC長(zhǎng)度：L新=0.60 mm

最低UC長(zhǎng)度：L低=0.25×0.80=0.20 mm

可研磨量，L磨=L新- L低=0.60-0.20=0.40 mm

研磨量控制：（30～50）μm/次

最多研磨次數(shù)：T=0.40/0.05≈8次

假如刀具已研磨2次，并在鉆孔后準(zhǔn)備再研磨時(shí)，如果：

研磨1次就能達(dá)到研磨標(biāo)準(zhǔn)的即作為研磨3次刀具使用；

返修1次達(dá)到研磨標(biāo)準(zhǔn)的即作為研磨4次刀具使用；

返修2次達(dá)到研磨標(biāo)準(zhǔn)的即作為研磨5次刀具使用，若仍不合格的報(bào)廢處理。

鉆孔工作站，一方面要對(duì)出庫(kù)刀具進(jìn)行鉆孔前的復(fù)檢，同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)鉆孔過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量的確認(rèn)，首件加工完畢后要檢查孔位精度、孔壁狀態(tài)項(xiàng)目，一旦發(fā)現(xiàn)異常能及時(shí)反饋相應(yīng)的技術(shù)/品質(zhì)人員進(jìn)行處理，避免刀具的盲目使用。做為工廠，在每次工藝技術(shù)變革的初期，都要加強(qiáng)對(duì)在線使用環(huán)節(jié)的管控與確認(rèn)，一切確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后再形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范類(lèi)文件才能充分保證產(chǎn)品質(zhì)量！

6 實(shí)驗(yàn)論證

6.1 實(shí)驗(yàn)板材（表1）6.2 實(shí)驗(yàn)刀具（表2）

（1）所有刀具100%檢查確認(rèn)，不允許有大小頭、間隙、重疊、弧形、崩刃、缺口及刃口裂痕缺陷。

（2）研磨后的刀具，使用超聲波清洗，刀具表面要干凈整潔，不允許有雜質(zhì)、手污現(xiàn)象。

（3）研磨后的刀具，要使用X80倍放大鏡重點(diǎn)檢查各個(gè)切削面、刃的完好性。

（4）鉆孔后的刀具，100%確認(rèn)刀具磨損狀態(tài)，無(wú)明顯崩刃、缺口現(xiàn)象。

（5）加工參數(shù)設(shè)計(jì)，鉆孔疊2層，鉆孔參數(shù)φ0.25-S150/F64/B1000；φ0.30-S109/F77/B1000。

6.2 檢測(cè)項(xiàng)目

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6.2.1 孔位精度檢測(cè)結(jié)果評(píng)估（圖12）

小結(jié)：完全滿足要求，合格。

6.2.2 孔壁狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估（圖13、圖14）

小結(jié)：完全滿足要求，合格。

6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，增加鉆頭研磨次數(shù)的方案完全可以滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，并且每年至少可以節(jié)約刀具使用成本100萬(wàn)元以上人民幣！

7 最終結(jié)論及下一步工作方向

提高生產(chǎn)效率，降低制造成本是永恒話題，并且通過(guò)以上分析與實(shí)驗(yàn)證明，只有對(duì)刀具的各個(gè)控制環(huán)節(jié)、加工參數(shù)、鉆削原理等各方面有了明確的認(rèn)識(shí)以后，才能達(dá)到更好的利用能源、節(jié)約成本的目的，并且通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)方法，我們有信心通過(guò)更科學(xué)有效的管理達(dá)到對(duì)刀具的更合理使用的目的！

經(jīng)過(guò)多年的研究、學(xué)習(xí)，我們?cè)诘毒吖芸胤矫嬉研我惶仔兄行Ч芾眢w系，建立并完善了磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中能夠依據(jù)不同的板材特點(diǎn)、工藝要求、合理地選擇并使用刀具，這樣既保證了產(chǎn)品質(zhì)量又節(jié)約了制造成本。按照上面的實(shí)驗(yàn)方法，我們每年僅在刀具方面至少可以為公司節(jié)約100萬(wàn)元以上的材料成本。在以后我們會(huì)繼續(xù)發(fā)楊這種理論指導(dǎo)實(shí)踐的工作方法、腳踏實(shí)地的工作作風(fēng)，為PCB明天更加輝煌的發(fā)展獻(xiàn)上自己的一點(diǎn)綿薄之力，并希望PCB的事業(yè)發(fā)展有更加燦爛的明天！

[1]陳玉婷, 陳曉宇等.高厚銅板鉆孔工藝探討[C]. 2011秋季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇.

[2]紀(jì)龍江等. 420 μm以上超厚銅線路板鉆孔加工技術(shù)研究[C]. 2012春季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇.

[3]韓榮第, 周明. 金屬切削原理與刀具[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1997,4.

[4]李旦, 王廣林, 李益民. 機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1997,10.

紀(jì)龍江，DPEC技術(shù)中心干區(qū)區(qū)域經(jīng)理。

鄭威，DPEC技術(shù)中心部長(zhǎng)。

Research for drill logical use and control in mechanical numerical control production process

JI Long-jiang ZHEN Wei

This is the time that people always hanker high efficiency and low cost for production. This article makes the drill’s logical use in numerical control production process as the research subject, and analyses simply from the sides of cutting principle, drill’s grinding, process control and experiment argumentation, to share with industry colleagues and go ahead together.

Cutting Principle; Drill’s Configuration; Drill’s Grinding; Process Control

TN41

A

1009-0096（2014）02-0037-05