微細(xì)銑刀銑削PCB刀具磨損及尺寸精度研究

劉 洋 張弘巍 曾期榜 曾招景

（1.深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518172；2.廣東省高端印制板用精密微型鉆頭工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518116）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品的多功能化、高密度和高可靠性要求的日益提高，對生產(chǎn)高質(zhì)量、高集成的印制電路板（printed circuit board，PCB）的機械銑削加工提出了更高精度的要求。尤其是高性能、精密的電子元器件，對銑削板邊的尺寸精度要求更加嚴(yán)格，為PCB 用銑刀帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)［1-2］。

PCB 由銅箔、玻璃纖維、樹脂和形狀不一的填料組成，在銑削加工過程中，銑刀要分別銑削金屬銅、玻璃纖維及樹脂等非金屬。然而，每一種材料的物理及化學(xué)性能差異較大，因此整個加工過程十分復(fù)雜［3-5］。國內(nèi)外在銑刀磨損機理方面已進行了基礎(chǔ)研究。Hinds 等［6］認(rèn)為PCB 是明顯的各向異性，在銑削過程中銑削溫度高時，樹脂軟化并黏附到切削刃上，導(dǎo)致切削困難和排屑困難，使刀具磨損加劇。

目前，從國內(nèi)外的研究文獻來看，在PCB 銑削這一領(lǐng)域，針對微細(xì)銑刀銑削PCB 的板邊尺寸精度研究相對較少。本文采用微細(xì)銑刀進行銑削加工，對刀具磨損及槽寬尺寸差值等方面展開研究，發(fā)現(xiàn)加工參數(shù)對刀具磨損及槽寬尺寸差值的影響規(guī)律，通過最小二乘法對銑刀刀具磨損進行理論建模，對PCB 銑削加工領(lǐng)域具有一定的參考價值。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 設(shè)備與材料

（1）銑刀。采用深圳市金洲精工科技股份有限公司的斷屑槽銑刀，型號規(guī)格為C5TR 1.30-8.5。該銑刀的設(shè)計特點：容屑槽為U 型，容屑空間大，能有效地提升排屑能力和使用性能。銑刀的基本參數(shù)見表1。

表1 銑刀基本參數(shù)

（2）銑削設(shè)備。采用深圳市金洲精工科技股份有限公司（金洲）加工中心維嘉ULTRA R2L-253型數(shù)控機床。銑削試驗平臺如圖1所示。

圖1 銑削試驗平臺

（3）檢測設(shè)備。采用基恩士IM-6225 進行尺寸數(shù)據(jù)測量，奧林巴斯DSX 1000進行刀具磨損圖片采集。

（4）基板材料。采用生益S1000-2M 環(huán)氧玻璃布基材，厚度為1.6 mm，Tg為180 ℃，熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）（Z軸方向）為2.4%。

（5）銑削疊加。銑削試驗由4 塊PCB 疊加一起進行銑削加工，底部采用2.5 mm 的白色密胺墊板，銑削墊板深度為0.8 mm，保證銑削的穿透性，同時避免銑刀銑削到機臺面。

1.2 試驗方法

采用全因子試驗方法對生益S1000-2M 進行銑削試驗，結(jié)合實際加工中常用的工藝參數(shù)范圍，（試驗參數(shù)見表2 和表3），銑刀銑削壽命設(shè)置為4 m，對刀具磨損和槽寬尺寸精度進行觀察。

表2 全因子銑削試驗參數(shù)

表3 銑削試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同加工參數(shù)對刀具磨損的影響分析

銑刀在銑削PCB 過程中，隨著銑刀使用時間的增加，刃口會逐漸出現(xiàn)磨損，隨著銑刀的磨損，銑刀的切削能力減弱，銑削過程中的切削力和切削溫度均會增大，銑刀外徑會逐步變小，同時，PCB加工槽寬尺寸會受到明顯的影響。

不同加工參數(shù)下銑刀在銑削4 m 后的刀具磨損見表4。由表4 可見，在相同的主軸轉(zhuǎn)速下，隨著刀具進給速度的增大，每轉(zhuǎn)的切削深度增大，銑刀每轉(zhuǎn)1 圈，切削的材料體積增大，刀具與切屑、被加工材料的接觸時間減少，因此刀具磨損呈減小的趨勢。在相同的進給條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，每轉(zhuǎn)的切削厚度減小，銑刀每轉(zhuǎn)1圈切削的材料體積減小，刀具與切屑、被加工材料的接觸時間增大，因此，刀具磨損呈增大的趨勢。

表4 銑切加工參數(shù)與銑刀刃口磨損

結(jié)果可得，在主軸轉(zhuǎn)速s為50 kr/min、進給速度f為8 mm/s 時，刀具磨損最大；在主軸轉(zhuǎn)速s為25 kr/min、進給速度f為20 mm/s 時，刀具磨損最小，如圖2所示。

圖2 不同加工參數(shù)銑刀形貌（4 m）

刀具磨損與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度的三維關(guān)系圖如圖3 所示，圖中X軸為進給轉(zhuǎn)速，Y軸為主軸速度，Z軸為銑刀磨損。由表4可知，不同加工參數(shù)下測得銑刀磨損不一樣。從減少刀具磨損的角度考慮，建議采用低轉(zhuǎn)速、高進給。通過分析圖3曲率變化趨勢可知，在試驗設(shè)計加工參數(shù)范圍內(nèi)進給速度對刀具后刃口磨損的影響大于主軸轉(zhuǎn)速。

圖3 刀具磨損與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度的三維關(guān)系

2.2 銑刀磨損線性回歸模型的建立

分析試驗采用微細(xì)銑刀銑削PCB 時，進給速度及主軸轉(zhuǎn)速對刀具磨損的影響，對試驗采集的實際數(shù)據(jù)使用Minitab 擬合回歸模型進行訓(xùn)練，采用最小二乘法將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的點連接起來，擬合出一條直線，使這條直線和所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的點構(gòu)成的殘差平方和最小?？稍O(shè)定銑削軸向力與進給速度、主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為

采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行回歸處理，計算得到相應(yīng)的預(yù)測模型為

線性回歸的分析結(jié)果見表5。

表5 線性回歸分析結(jié)果

由表5 可知，預(yù)測模型的方差分析P值=0＜0.05，表明線性回歸模型成立；R2=92.71%（＞80%），表明模型的預(yù)測能力較好；且R2（調(diào)整）=90.28%（＞80%），進一步說明模型的預(yù)測能力較好，預(yù)測模型可用。對系數(shù)P值進行分析，常量和進給速度f的P值=0＜0.05，影響顯著；主軸轉(zhuǎn)速s的P值=0.327＞0.05，影響不顯著。進給速度f的回歸系數(shù)值為-1.422，表明進給速度f對刀具磨損產(chǎn)生顯著的負(fù)向影響；主軸轉(zhuǎn)速s的回歸系數(shù)值為0.083 8，表明主軸轉(zhuǎn)速s對刃口產(chǎn)生不顯著的正向影響。

刀具磨損與主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的殘差正態(tài)概率圖如圖4所示。由圖4可知，分析數(shù)據(jù)無異常點，擬合曲線模型構(gòu)建成立。

圖4 刀具磨損與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度的正態(tài)概率

2.3 不同加工參數(shù)對槽寬尺寸精度的影響分析

試驗得到銑刀在加工4 m 后與新刀在不同加工參數(shù)下銑削PCB槽寬差值的尺寸精度變化規(guī)律，如圖5和圖6所示，面板差值和底板差值的尺寸精度變化規(guī)律相同。通過分析發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速恒定時，隨著進給速度的提升，每轉(zhuǎn)的切削深度增大，銑刀每轉(zhuǎn)1 圈切削的材料體積增大，銑刀與板材接觸面減少，銑刀磨損減少，槽寬尺寸差值呈減少的趨勢。進給速度不變時，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升，銑刀每轉(zhuǎn)一圈切削的材料體積減小，銑刀與板材接觸面增加，銑刀磨損增大，槽寬尺寸差值呈增大的趨勢。綜合可得，從考慮槽寬尺寸差值的角度出發(fā)，選擇低轉(zhuǎn)速、高進給能有效地減少隨著使用時間增加出現(xiàn)的槽寬尺寸差值變化。

圖5 面板差值與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度的三維關(guān)系

圖6 底板差值與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度的三維關(guān)系

采用銑刀在加工4 m 后與新刀在不同加工參數(shù)下銑削PCB 槽寬面板差值和底板差值尺寸精度的對比如圖7所示。由圖7可知，在低轉(zhuǎn)速下槽寬面板差值和底板差值相當(dāng)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，底板槽寬差值均大于面板槽寬差值，在參數(shù)7（主軸轉(zhuǎn)速s為50 kr/min，進給速度f為8 mm/s）處面板差值和底板差值差異最大，達到0.031 mm，在高轉(zhuǎn)速、低進給下銑刀磨損最大。加工過程中，隨著磨損的增加，切削力也增加，銑刀偏擺增大，導(dǎo)致底板差值與面板差值差異大的問題更加顯著。

圖7 不同加工參數(shù)下面板尺寸精度和底板尺寸精度趨勢

3 結(jié)論

（1）在相同轉(zhuǎn)速下，隨著進給速度的增大，刀具磨損呈減小的趨勢；在相同進給速度下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具磨損呈增大的趨勢。從減小刀具磨損的角度考慮，選擇低主軸轉(zhuǎn)速、高進給速度的加工參數(shù)能有效地降低刀具磨損。

（2）采用最小二乘法對試驗采集的數(shù)據(jù)進行回歸處理，計算得到相應(yīng)的預(yù)測模型VB=30.20+0.083 8s－1.422f，對實際的加工生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。對數(shù)據(jù)進行分析表明，進給速度對刀具磨損的影響顯著，主軸轉(zhuǎn)速的影響不顯著。

（3）采用斷屑槽銑刀在加工4 m 后與新刀在不同加工參數(shù)下銑削PCB，面板槽寬差值和底板槽寬差值的變化趨勢一致。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著進給速度的增大，槽寬差值呈減小的趨勢；在相同進給速度下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，槽寬差值呈增大的趨勢；在高轉(zhuǎn)速、低進給的情況下，底板差值明顯大于面板差值。