微小孔的高效加工技術(shù)

         近年來，隨著IT技術(shù)的迅速發(fā)展，印刷電路板的設(shè)計(jì)、制作技術(shù)也有了空前的進(jìn)步。其中，印刷電路板孔加工也日益要求實(shí)現(xiàn)小直徑化和高精度化。為了提 高加工效率，目前印刷電路板大都采取多層重迭加工方式，這就要求所用刀具也必須朝著小直徑化、高剛性化方向發(fā)展。日本東芝Tungaloy公司最近開發(fā)的 微型鉆頭，即可滿足上述加工要求。?

孔加工刀具小直徑化及長度加工帶來的問題

         加工印刷電路板的鉆頭總是要求長度加大精度更高。長度加大是為了更好地進(jìn)行印刷電路板的重迭加工，這意味著在縮小刀具直徑的同時(shí)，還必須加大L/D(長度/直徑)之比；精度更高則意味著孔定位精度和孔內(nèi)壁精度都必須進(jìn)一步提高。?

但是，長度加大和提高精度是互相矛盾的，這種矛盾表現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)長度加大，直徑縮小，必須降低鉆頭的機(jī)械剛性，從而易使孔出現(xiàn)彎曲，影響孔的位置精度；(2)長度加大后，排屑性能下降，將使孔內(nèi)壁表面精度降低。?

針 對上述問題，通常對孔加工刀具采取的措施是：(1)采用加大鉆芯厚度等方式，提高鉆頭剛性，借以保持孔的位置精度(不增大孔的偏斜度)；(2)隨著剛性的 提高，鉆溝容積將有所減小，對此應(yīng)調(diào)整槽寬比例和芯厚錐度，確定一個(gè)最佳值；同時(shí)應(yīng)采用大螺旋角以提高排屑性能和切削鋒利度，獲得良好的孔內(nèi)壁加工精度。

        隨著印刷電路板高密度多層重迭加工不斷進(jìn)展，僅僅依靠單純提高鉆頭剛性和增大鉆溝容積等刀具形狀的改進(jìn)，仍難以實(shí)現(xiàn)高效率高精度微小孔加工。本文擬從刀具形狀之外的另一角度來探討上述問題。?

加工條件的最佳化

在 進(jìn)行高效率印刷電路板孔加工時(shí)，提高進(jìn)給速度是最直接的手段。高速進(jìn)給使加工間隙減少，可望降低生產(chǎn)成本。而要實(shí)現(xiàn)這種高效率加工，就必須做到加工條件最 佳化。鉆頭的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量是實(shí)現(xiàn)加工條件最佳化的兩個(gè)關(guān)鍵因素�，F(xiàn)以東芝Tungaloy公司0.20mm硬質(zhì)合金鉆頭為例，考查這些因素對切削效率的影 響。表1所示為試驗(yàn)方法，使用刀具為0.20mm鉆頭，轉(zhuǎn)速為100000～160000r/min，進(jìn)給量在10～25μm/rev范圍內(nèi)變化。

表1 加工條件

印刷電路板：BT樹脂材料(兩面用板，銅箔18μm)，t0.40mm×5層重迭

刀具進(jìn)入口墊片：鋁片(t0.15mm)

底層襯片：酸醛塑料(t1.5mm)

加工條件：N=100000～160000r/min，f=10～25μm/rev

加工孔數(shù)：3000個(gè)

使用工具：φ0.20mm鉆頭，刃長4.0mm

         研究鉆頭切削刃刀尖圓弧處的磨損量Vs′和轉(zhuǎn)速N、進(jìn)給量f的關(guān)系可知，在任何轉(zhuǎn)速條件下，Vs′均隨著進(jìn)給量f的增大而減小。同時(shí)還可看出，隨著轉(zhuǎn)速的增 大，Vs′同樣也逐漸減小。眾所周知，進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速增大后，刃尖處的發(fā)熱量隨之增大，切削溫度也隨之升高。在金屬切削加工中，隨著切削溫度的升高，熱磨損 便會增大，摩擦等機(jī)械性磨損相應(yīng)有所減少。在印刷電路板加工中也有相似的現(xiàn)象，不過由于其溫度范圍比金屬加工時(shí)狹小得多，大約為100℃～200℃，因 此，其熱磨損可忽略不計(jì)。由此看來，隨著進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速增大而導(dǎo)致的切削溫度升高微乎其微，作為主要磨損形式的機(jī)械磨損自然也就逐漸減小，可見切削條件對刀 具磨損有著很大的影響。?

加工條件的變化對孔的位置精度也有很大影響。印刷電路板的孔位置精度平均約3μm，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量增大后，由于機(jī) 械磨損減小，鉆頭良好的切削鋒利性得以保持，因此，隨著進(jìn)給速度的提高，孔的位置精度也相應(yīng)提高。不過，進(jìn)給速度提高后，會出現(xiàn)排屑性能下降的問題，這將 給已加工孔內(nèi)壁造成一定的損傷。由試驗(yàn)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為160000r/min時(shí)，如進(jìn)給速度超過3.2m/min，所加工孔的內(nèi)壁精度惡化十分嚴(yán)重，因 此，應(yīng)將轉(zhuǎn)速控制在160000r/min左右，將進(jìn)給速度控制在3.2m/min以內(nèi)，此時(shí)排屑狀況良好。由此可見，進(jìn)給速度上升，對延長鉆頭壽命和保 持孔的位置精度有利，但對排屑效果有一定影響。因此，在確定切削條件時(shí)，必須考慮鉆頭幾何形狀、被加工材料的類別，同時(shí)還應(yīng)兼顧排屑效果。?

改進(jìn)刀具材料

         為了減輕磨損，除正確選定切削條件外，刀具材料的改進(jìn)也十分重要。刀具材料的諸種性能中，以縱彈性模量最為重要。就孔加工刀具來看，在幾何形狀相同的情況 下，縱彈性模量的優(yōu)劣對是否出現(xiàn)彎曲影響極大，縱彈性模量越高，刀具的抗彎曲性能就越強(qiáng)。因此，提高刀具材料的耐磨性、縱彈性模量對工具壽命有著極為重要 的影響。?

東芝Tungaloy公司在生產(chǎn)印刷電路板孔加工用鉆頭時(shí)，開發(fā)出的新型刀具材料具有優(yōu)異的耐磨性和較高的縱彈性模量。表2所示為該公司三種刀具材料的性能比較。

表2 刀具材料的主要特性

材料牌號：MD15 硬度(HRA)：91.5～92.0 縱彈性模量(kgf/mm2)：61500

材料牌號：MD08F 硬度(HRA)：92.5～93.5 縱彈性模量(kgf/mm2)：61500

材料牌號：試驗(yàn)用新材料 硬度(HRA)：92.5～93.5 縱彈性模量(kgf/mm2)：64500

        其中，MD15與MD08F具有相同的縱彈性模量，MD08F與新開發(fā)的試驗(yàn)用材料具有相同的硬度。在相同的條件下(鉆頭直徑均為0.30mm，刃長 6.0mm),MD08F與新材料雖然硬度相同，但由于新材料的縱彈性模量高，因而加工孔的位置精度也較高；MD08F與MD15雖然縱彈性模量相同，但 由于MD08F硬度較高，因此，加工孔的位置精度也更高。由此可見，刀具材料的性能對加工孔位置精度有著重要影響。當(dāng)然，影響鉆頭性能的因素除硬度和縱彈 性模量外，還有抗彎強(qiáng)度。抗彎強(qiáng)度高，可有效防止鉆頭折斷。

總之，要進(jìn)行高效率、高精度的微小孔加工，刀具材料必須不斷改進(jìn)。東芝Tungaloy公司開發(fā)的上述材料已顯示出優(yōu)異的加工性能，其市場前景十分可觀。

今后的課題

         為了實(shí)現(xiàn)鉆頭的小直徑化和增大刃長，除了選取適宜的加工條件和不斷改進(jìn)刀具材料外，還有不少問題值得考慮。譬如在工具形狀的設(shè)計(jì)方面，不僅應(yīng)考慮減小切削 力，而且應(yīng)考慮增大容屑槽空間，以便順利排除切屑；同時(shí)還應(yīng)考慮如何使刀具保持良好的剛性，等等。微型鉆頭主要用于印刷電路板的微小孔加工，隨著高速高精 度性能機(jī)床的出現(xiàn)，在進(jìn)行印刷電路板的微小加工時(shí)，還應(yīng)開發(fā)出微孔加工必不可少的切入口墊片、切出口墊片等輔助材料。?

鉆頭小直徑化和刃 長增大還將進(jìn)一步發(fā)展，尤其是0.10mm以下小直徑鉆頭的應(yīng)用將逐漸增多。對于這種超小直徑鉆頭的工具形狀、刀具材料都必須加以充分的關(guān)注。面對激光在 超小孔加工中的應(yīng)用日益增多，工具生產(chǎn)廠家必須開發(fā)出新的適用技術(shù)，才能在微孔加工領(lǐng)域激烈的競爭中占有相應(yīng)的市場份額。