微小孔的高效加工技术

作者：《工具展望》何易 编译

欢迎访问e展厅 展厅 6 镗床/钻床展厅 摇臂钻床, 钻铣床, 镗床, 镗铣床, 钻攻中心, ... 近年来，随着IT技术的迅速发展，印刷电路板的设计、制作技术也有了空前的进步。其中，印刷电路板孔加工也日益要求实现小直径化和高精度化。为了提高加工效率，目前印刷电路板大都采取多层重迭加工方式，这就要求所用刀具也必须朝着小直径化、高刚性化方向发展。日本东芝Tungaloy公司最近开发的微型钻头，即可满足上述加工要求。 孔加工刀具小直径化及长度加工带来的问题 加工印刷电路板的钻头总是要求长度加大精度更高。长度加大是为了更好地进行印刷电路板的重迭加工，这意味着在缩小刀具直径的同时，还必须加大L/D(长度/直径)之比；精度更高则意味着孔定位精度和孔内壁精度都必须进一步提高。 但是，长度加大和提高精度是互相矛盾的，这种矛盾表现在两个方面：(1)长度加大，直径缩小，必须降低钻头的机械刚性，从而易使孔出现弯曲，影响孔的位置精度；(2)长度加大后，排屑性能下降，将使孔内壁表面精度降低。 针对上述问题，通常对孔加工刀具采取的措施是：(1)采用加大钻芯厚度等方式，提高钻头刚性，借以保持孔的位置精度(不增大孔的偏斜度)；(2)随着刚性的提高，钻沟容积将有所减小，对此应调整槽宽比例和芯厚锥度，确定一个最佳值；同时应采用大螺旋角以提高排屑性能和切削锋利度，获得良好的孔内壁加工精度。 随着印刷电路板高密度多层重迭加工不断进展，仅仅依靠单纯提高钻头刚性和增大钻沟容积等刀具形状的改进，仍难以实现高效率高精度微小孔加工。本文拟从刀具形状之外的另一角度来探讨上述问题。 加工条件的最佳化 在进行高效率印刷电路板孔加工时，提高进给速度是最直接的手段。高速进给使加工间隙减少，可望降低生产成本。而要实现这种高效率加工，就必须做到加工条件最佳化。钻头的转速和进给量是实现加工条件最佳化的两个关键因素。现以东芝Tungaloy公司0.20mm硬质合金钻头为例，考查这些因素对切削效率的影响。表1所示为试验方法，使用刀具为0.20mm钻头，转速为100000～160000r/min，进给量在10～25μm/rev范围内变化。 表1 加工条件 印刷电路板：BT树脂材料(两面用板，铜箔18μm)，t0.40mm×5层重迭 刀具进入口垫片：铝片(t0.15mm) 底层衬片：酸醛塑料(t1.5mm) 加工条件：N=100000～160000r/min，f=10～25μm/rev 加工孔数：3000个 使用工具：φ0.20mm钻头，刃长4.0mm 研究钻头切削刃刀尖圆弧处的磨损量Vs′和转速N、进给量f的关系可知，在任何转速条件下，Vs′均随着进给量f的增大而减小。同时还可看出，随着转速的增大，Vs′同样也逐渐减小。众所周知，进给量和转速增大后，刃尖处的发热量随之增大，切削温度也随之升高。在金属切削加工中，随着切削温度的升高，热磨损便会增大，摩擦等机械性磨损相应有所减少。在印刷电路板加工中也有相似的现象，不过由于其温度范围比金属加工时狭小得多，大约为100℃～200℃，因此，其热磨损可忽略不计。由此看来，随着进给量和转速增大而导致的切削温度升高微乎其微，作为主要磨损形式的机械磨损自然也就逐渐减小，可见切削条件对刀具磨损有着很大的影响。 加工条件的变化对孔的位置精度也有很大影响。印刷电路板的孔位置精度平均约3μm，转速和进给量增大后，由于机械磨损减小，钻头良好的切削锋利性得以保持，因此，随着进给速度的提高，孔的位置精度也相应提高。不过，进给速度提高后，会出现排屑性能下降的问题，这将给已加工孔内壁造成一定的损伤。由试验可知，当转速为160000r/min时，如进给速度超过3.2m/min，所加工孔的内壁精度恶化十分严重，因此，应将转速控制在160000r/min左右，将进给速度控制在3.2m/min以内，此时排屑状况良好。由此可见，进给速度上升，对延长钻头寿命和保持孔的位置精度有利，但对排屑效果有一定影响。因此，在确定切削条件时，必须考虑钻头几何形状、被加工材料的类别，同时还应兼顾排屑效果。 改进刀具材料 为了减轻磨损，除正确选定切削条件外，刀具材料的改进也十分重要。刀具材料的诸种性能中，以纵弹性模量最为重要。就孔加工刀具来看，在几何形状相同的情况下，纵弹性模量的优劣对是否出现弯曲影响极大，纵弹性模量越高，刀具的抗弯曲性能就越强。因此，提高刀具材料的耐磨性、纵弹性模量对工具寿命有着极为重要的影响。 东芝Tungaloy公司在生产印刷电路板孔加工用钻头时，开发出的新型刀具材料具有优异的耐磨性和较高的纵弹性模量。表2所示为该公司三种刀具材料的性能比较。 表2 刀具材料的主要特性 材料牌号：MD15 硬度(HRA)：91.5～92.0 纵弹性模量(kgf/mm2)：61500 材料牌号：MD08F 硬度(HRA)：92.5～93.5 纵弹性模量(kgf/mm2)：61500 材料牌号：试验用新材料 硬度(HRA)：92.5～93.5 纵弹性模量(kgf/mm2)：64500 其中，MD15与MD08F具有相同的纵弹性模量，MD08F与新开发的试验用材料具有相同的硬度。在相同的条件下(钻头直径均为0.30mm，刃长6.0mm),MD08F与新材料虽然硬度相同，但由于新材料的纵弹性模量高，因而加工孔的位置精度也较高；MD08F与MD15虽然纵弹性模量相同，但由于MD08F硬度较高，因此，加工孔的位置精度也更高。由此可见，刀具材料的性能对加工孔位置精度有着重要影响。当然，影响钻头性能的因素除硬度和纵弹性模量外，还有抗弯强度。抗弯强度高，可有效防止钻头折断。 总之，要进行高效率、高精度的微小孔加工，刀具材料必须不断改进。东芝Tungaloy公司开发的上述材料已显示出优异的加工性能，其市场前景十分可观。 今后的课题 为了实现钻头的小直径化和增大刃长，除了选取适宜的加工条件和不断改进刀具材料外，还有不少问题值得考虑。譬如在工具形状的设计方面，不仅应考虑减小切削力，而且应考虑增大容屑槽空间，以便顺利排除切屑；同时还应考虑如何使刀具保持良好的刚性，等等。微型钻头主要用于印刷电路板的微小孔加工，随着高速高精度性能机床的出现，在进行印刷电路板的微小加工时，还应开发出微孔加工必不可少的切入口垫片、切出口垫片等辅助材料。 钻头小直径化和刃长增大还将进一步发展，尤其是0.10mm以下小直径钻头的应用将逐渐增多。对于这种超小直径钻头的工具形状、刀具材料都必须加以充分的关注。面对激光在超小孔加工中的应用日益增多，工具生产厂家必须开发出新的适用技术，才能在微孔加工领域激烈的竞争中占有相应的市场份额。 (end)

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