一種線路板的沉孔加工技術(shù)研究與實(shí)際應(yīng)用

紀(jì)龍江 姜曙光（大連崇達(dá)電路有限公司，大連 116600）

一種線路板的沉孔加工技術(shù)研究與實(shí)際應(yīng)用

紀(jì)龍江 姜曙光
（大連崇達(dá)電路有限公司，大連 116600）

電路板上的沉孔是起固定作用，主要分為錐形沉孔與平頭沉孔二大類。目前業(yè)界加工沉孔大多是采用專用刀具在數(shù)控機(jī)床上加工的方法，存在幾個(gè)方面的問題，如切削力的不對(duì)稱導(dǎo)致斷刀率偏高，很難克服在加工φ3.0mm以上沉孔時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械抗力與振動(dòng)，以及底孔與沉孔同心度偏差的存在等。文章對(duì)這些問題作研究與改進(jìn)。

沉孔；鉆削抗力；振動(dòng)；數(shù)控機(jī)床

1 前言

PCB行業(yè)的技術(shù)水平與時(shí)俱進(jìn)，沉孔作為PCB上的一種工藝孔不可或缺。沉孔作為一種主要用來固定工件的工藝孔，因其結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境的不同，而且一般都在較大直徑范圍內(nèi)，有的甚至達(dá)到或超過PCB數(shù)控鉆床的極限加工能力，再加上其加工效率的低下及加工方法及加工刀具的復(fù)雜多樣化，因此，這種工藝孔無論是給設(shè)備使用、生產(chǎn)力水平、制造成本、現(xiàn)場(chǎng)管理、工裝具管理等都帶來較大的影響。現(xiàn)闡述這種特殊的線路板沉孔加工技術(shù)，其最顯著的特征與優(yōu)點(diǎn)就是，使用普通臺(tái)式鉆床及自主研發(fā)的沉孔深度控制裝置、特殊的沉孔加工刀具，徹底解決了常規(guī)沉孔加工方法中存在的各種問題，真正實(shí)現(xiàn)了線路板沉孔的高精度、高效率、高質(zhì)量的加工。

2 存在問題

使用PCB數(shù)控鉆床加工沉孔的過程中存在的最主要問題就是斷刀、孔形異常。嚴(yán)重時(shí)由于斷刀、孔形異常所產(chǎn)生的頓挫力與交變切削阻力對(duì)數(shù)控鉆床的精度、壽命都會(huì)產(chǎn)生非常大的影響甚至損壞。因?yàn)镻CB數(shù)控鉆床的主軸大多是空氣軸承，設(shè)計(jì)理念追求的是高精度、高轉(zhuǎn)速、高速率、低損耗等特點(diǎn)，在加工沉孔特別是φ3.0mm以上較大直徑沉孔時(shí)會(huì)使品質(zhì)與設(shè)備問題更加嚴(yán)重與突出，有時(shí)根本無法生產(chǎn)，常見問題如斷刀、孔邊緣出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象、孔壁凹凸不平。

以上問題分析產(chǎn)生原因如下：

圖1所示，當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)在CNC指令下，按一定的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給下降時(shí)，由于主軸與底孔中心存在一定的偏差，使刀具的一側(cè)必然首先和孔邊接觸，因此在刀柄上形成較大的彎矩與應(yīng)力，在鉆孔參數(shù)、刀具直徑一定的前提下，彎矩與應(yīng)力的大小與定位偏差大小直接相關(guān)，偏差越大，彎矩、應(yīng)力就越大，當(dāng)超出刀具的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)使刀具折斷，圖2為局部放大圖。

圖3所示，當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)在CNC指令下，按一定的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給下降時(shí)，在刀具與工件接觸的一瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的切削阻力，由于切削力大小的變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)，在沉孔的切削表面上便會(huì)形成一系列凹凸不平的溝痕。

圖1

圖2

圖3

另外，沉孔的加工效率很低，表1為某型號(hào)生產(chǎn)板沉孔加工過程。首件累計(jì)用時(shí)70分鐘左右，實(shí)際批量生產(chǎn)時(shí)主要為上/下板、工件準(zhǔn)備及程序運(yùn)行時(shí)間，大約為（10～20）分鐘/循環(huán)，如果鉆床按6軸計(jì)，則每小時(shí)最多可產(chǎn)出生產(chǎn)板6×6=36P，由此可見，加工效率是非常低的！

表1 生產(chǎn)板沉孔加工過程用時(shí)例

3 采取措施

3.1 改變鉆孔機(jī)器

使用臺(tái)式鉆床替代機(jī)械數(shù)控鉆床的加工，臺(tái)式鉆床具有使用簡(jiǎn)單、操作方便、動(dòng)態(tài)扭力大、上下板快等優(yōu)點(diǎn)，徹底克服PCB數(shù)控鉆床高轉(zhuǎn)速低扭力的問題，特別是在加工大直徑沉孔時(shí)，效果更為明顯，使用臺(tái)式鉆床最大可以加工φ12 mm直徑的沉孔。

3.2 研發(fā)沉孔深度控制裝置

若要實(shí)現(xiàn)沉孔深度的高度控制，僅靠設(shè)備自有的定深裝置是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足高精度沉孔要求的，為此，自主研發(fā)了深度控制裝置，如圖4所示，該裝置及方法已獲國家發(fā)明專利。

圖4 鉆孔深度控制裝置

圖4中：1：鎖緊裝置固定支架；2：鎖緊裝置；3：定位裝置；4：定位盤；5：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；6：定位裝置固定支架；7：工作臺(tái)；8：待加工線路板；9：定位導(dǎo)柱；10：锪刀；11：沉孔底孔；12：螺桿；13：可動(dòng)刻度筒；14：傳動(dòng)桿；15：頂絲；16：轉(zhuǎn)柄；17：絲孔。

使用方法簡(jiǎn)述

（1）加工前確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)完好，把锪刀安裝在設(shè)備主軸上；

（2）調(diào)整深度控制裝置的螺桿與刀具處于同一軸心上；

（3）待加工板放在工作臺(tái)上，使待加工的沉孔正好處于刀具下方，并且與導(dǎo)柱位置對(duì)正；

（4）根據(jù)圖紙要求計(jì)算出螺桿高度，然后鎖緊；

（5）打開電源，使刀具作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，直到導(dǎo)柱前端剛好與螺桿接觸即可；

（6）抬起主軸，使用深度千分尺檢測(cè)沉孔的深度；

（7）通過螺旋千分尺對(duì)沉孔深度進(jìn)行調(diào)整，滿足圖紙要求為準(zhǔn)。

3.3 沉孔專用刀具

沉孔與底孔的同心度是影響沉孔切削表面光潔度不好的主要原因之一。自主研發(fā)了具有導(dǎo)向功能的臺(tái)式鉆床專用刀具（已申請(qǐng)國家發(fā)明專利），該刀具可隨著工件的實(shí)際位置進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向調(diào)整，徹底消除設(shè)備的定位偏差，刀具如圖5所示。

圖5 沉孔專用刀具

刀具柄徑設(shè)計(jì)φ12 mm ～ 15 mm，刀具角度根據(jù)客戶要求制定，導(dǎo)柱部分用主要起導(dǎo)向作用，前端設(shè)計(jì)有15°～ 30°導(dǎo)角，導(dǎo)柱可進(jìn)行修磨，由于該刀具使用臺(tái)式鉆床上使用，為了減小實(shí)際鉆孔時(shí)的機(jī)械振動(dòng)，對(duì)刀具的徑向跳動(dòng)度、導(dǎo)柱與夾持部分的同心度、直線度等形位公差均有比較嚴(yán)格的限定，具體參數(shù)略。

表2 實(shí)驗(yàn)方案表

4 效果確認(rèn)

4.1 加工精度的確認(rèn)與評(píng)估

評(píng)價(jià)：從表3數(shù)據(jù)可以看出，沉孔深尺寸完全可以控制在（5.8±0.075）mm之間，平均Cpk值達(dá)到2.50，過程能力充足。對(duì)于不同孔徑、不同沉孔角度、不同底孔直徑的沉孔，只要調(diào)整刀具和參數(shù)就能達(dá)到同樣的效果。在實(shí)際批量生產(chǎn)過程中，考慮板厚均勻性及刀具磨損的影響，可以將沉孔深度控制在（5.8±0.10）mm之內(nèi)，在制作樣板或小批量加工時(shí)，如果加強(qiáng)過程控制與檢測(cè)，可以將沉孔深度控制在±0.05 mm以內(nèi)，加工精度與數(shù)控鉆床相比無明顯差異，完全滿足要求。

表3 沉孔深度檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表

4.2 加工效率的確認(rèn)與評(píng)估

評(píng)價(jià)：從表4可以明顯看出，在加工PCB沉孔時(shí)，臺(tái)式鉆床操作簡(jiǎn)單、方便靈活、經(jīng)濟(jì)耐用的特點(diǎn)，在加工過程中能體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)與效果；數(shù)控鉆床在加工這種單位面積孔特別少的產(chǎn)品時(shí)，時(shí)間大多浪費(fèi)在上下板的時(shí)間上，發(fā)揮不出其固有的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。綜合比較，臺(tái)式鉆床要明顯優(yōu)于數(shù)控鉆床，且具有較好的操作性。

表4 數(shù)控鉆床與臺(tái)式鉆床的首件加工效率數(shù)據(jù)表

4.3 其它外觀方面的確認(rèn)與評(píng)估

臺(tái)式鉆床由于其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，在自主研發(fā)的帶有千分尺的深度控制裝置、專用锪孔刀具的應(yīng)用下，能夠加工出質(zhì)量、精度、速率等各方面都要明顯優(yōu)于數(shù)控鉆床的產(chǎn)品。因此，在臺(tái)式鉆床加工PCB沉孔方面，如果控制裝置、手段、方法方面加以進(jìn)一步的研究，會(huì)取得更加顯著的效果。

5 結(jié)論

（1）該項(xiàng)技術(shù)成功解決了PCB沉孔加工時(shí)所存在的各種問題。

（2）用普通臺(tái)式鉆床加工PCB沉孔的技術(shù)完全可行，在日常生產(chǎn)過程中需要對(duì)機(jī)床、定深裝置、刀具等進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

（3）各種不同類型、不同角度、不同規(guī)格的沉孔層出不窮，需要不斷的探索和鉆研，采取更加切實(shí)有效措施來對(duì)應(yīng)，今后對(duì)新技術(shù)的開發(fā)也會(huì)及時(shí)的開展下去。

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

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

圖6 阻焊返洗前后

圖7 返洗前后CTI值

根據(jù)返洗前后SEM圖6和CTI測(cè)試圖7：

（1）未經(jīng)過油墨返洗的圖片板面呈現(xiàn)規(guī)律的蜂窩狀，“返洗”后的板面，蜂窩狀已經(jīng)受到嚴(yán)重?fù)p傷；

（2）不同樹脂層厚度板子返洗前后樹脂層厚度出現(xiàn)明顯降低，CTI測(cè)試值隨樹脂含量減少而降低。

4 結(jié)論

PCB加工對(duì)覆銅板CTI影響及機(jī)理研究，包括PCB工廠對(duì)覆銅板材料選擇及PCB具體加工工序?qū)TI影響：

（1）外層使用7628高CTI粘結(jié)片，板子外層樹脂層厚度達(dá)到約20 mm即可滿足高CTI600V要求；

（2）102.9 mm（3 oz）及以上銅厚，蝕刻銅箔后，板面粗糙度增加CTI下降；

（3）長(zhǎng)時(shí)高溫烤板可能導(dǎo)致樹脂老化，CTI值下降，建議不烤板或低溫烤板；

（4）含有片狀填料的阻焊油墨，對(duì)PCB的CTI值有輔助左右；

（5）阻焊油墨“返洗”后的板面，樹脂層降低，CTI值也隨樹脂層減少而降低。

參考文獻(xiàn)

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Deep hole processing research and practical application of a kind of the PCB

JI Long-jiang JIANG Shu-guang

The sink holes on PCB is mainly for fixing purpose, and are mainly divided into taper sink hole and flat countersunk hole, two categories. The current industry processing method is using special tool machining in CNC machine tools, which has several problems: the cutting force will cause high knife broken rate, even cannot guarantee normal production when serious; vibration produced in the process is strong with overφ3.0mm sink hole, and the bottom hole and sink hole concentricity deviation exists objectively. The paper aims at making research and improvement for the problems.

Sink Hole; Drilling Resistance; Vibration; Numerical Control Machine

TN41

：A

1009-0096（2015）02-0041-05