纪龙江 郑 威（大连太平洋电子有限公司，大连 116600）

关于机械数控加工过程中刀具的合理使用控制与研究

纪龙江 郑 威
（大连太平洋电子有限公司，大连 116600）

在越来越追求高效率、低制造成本的今天，各行各业都在研究各种先进工艺以提高生产效率并获取更大的利润。本文就数控加工过程中对刀具的合理使用为研究课题，从切削原理、刀具研磨、过程控制、实验论证等几方面进行简单剖析，希望能达到与业界同仁学用互进的目的与效果！

切削原理；刀具结构；刀具研磨；过程控制

1 前言

要想对机械数控加工中的刀具进行研究，我们还是首先得从切削过程、切削原理方面进行简单剖析，只有真正了解并撑握了钻削过程中存在的一些基本物理、化学变化理论、现象及规律，我们才能在保证产品质量前提下达到更合理利用设备、刀具、能源的目的。虽然在PCB的发展历史上，有太多的人研究过如何提高刀具的使用寿命，而且也取得了不凡的效果，但是本文从另一个层面进行分析，深入浅出的对刀具磨损的3个阶段，初期磨损、正常磨损、急剧磨损，并结合钻削原理、刀具研磨、过程控制、实验论证等几个方面对这个问题进行了更为详尽的阐述与分析，希望能达到与业界同仁学用互进的目的与效果！

2 钻削原理

如图1、图2所示，我们以PCB专用焊接类硬质合金材料的钻头为例进行简要说明。

刀具在一定转速、进给条件下，切削刃/面会对材料产生一定的挤压力，迫使材料产生一定的弹性变形，并且随着变形量的增加，弹形变形开始向塑性变形转变，当朔性变形达到一定程度并超过材料的屈服强度时就会使被切削或挤压部分从基材上脱离下来形成钻屑，这是最基本的切削原理基础。钻屑的变形过程受切削热影响很大，切削热又受刀具类型的影响较大，如果我们以常用的ST/UC型钻头为例将孔壁展开可以得到如图3、图4。

在这个材料被挤压并形成钻屑的过程中，铝盖板、铜箔、玻璃纤维、纸垫板等材料在与钻头的磨擦过程中都会产生大量切削热，这种热量产生的多少与刀具-材料的接触面积有很大关系，接触面积越大，切削阻力就越大，摩擦力就越大，摩擦热随之增大，并且在实际钻孔过程中，随着刀具加工孔数的增多，刀具的磨损度就会增加，磨损度增加又会加剧刀具的快速磨损，刀具的快速磨损将直接导致切削热会快速增加，这样的恶性循环最终导致加工精度的降低、孔内表面质量的恶化、断刀率的增加。图4所示的UC型钻头就是为了减小刀具与孔壁的摩擦，降低切削热的目的而设计的，并且随着PCB行业的快速发展，在孔壁质量要求较越来越高的微小孔中，“UC”型钻头已得到最广泛的使用，可见“UC”型钻头相对“ST”型钻头而言优势还是十分明显的。

针对“UC”型钻头，对“UC”长度的合理控制是对刀具进行最有效使用及管理的关键所在，如下图5、图6所示。

在此我们需要引入一个理念，要想最大化的使用刀具寿命，就必须要了解刀具磨损的3个阶段，即初期磨损、正常磨损、急剧磨损，如图5～图7所示。

大家都知道，刀具在加工不同类别的材料时会体现出不同的磨损状态，特别是在加工高Tg、无卤素、陶瓷及厚铜板等材料时会有较大的磨损，如果按照常规刀具使用寿命去管控的话，往往会使刀具在急剧磨损状态下作业，不仅对产品质量有巨大隐患，而且对刀具使用寿命的管理也是非常不利的，因为经过急剧磨损的钻头将很难研磨，因此，在实际生产过程中，一定要根据材料的特点（强/硬度、叠层、铜厚、最大/小孔径、Tg大小）设计相应的加工参数，特别是在加工无卤素板材时一定要根据刀具的磨损情况进行相应调整，保证刀具始终在“正常磨损”阶段范围内的使用达到最大化，做到既不浪费又不过度使用才行！

“UC”过短可能造成的后果：

虽然“UC”部分可以减少刀体与孔壁的接触面积，但也并不是越短越好。随着研磨次数的增加，UC部分会逐渐缩短，副切削刃即“棱边”也会产生的一定的钝圆半径，即便棱边磨损状态不是很严重的情况下，当UC部分缩短到一定程度时也会对产品质量造成一定的影响，如图8所示。

当“UC”很短时（目前我们按刀径的80%左右长度进行管控），刀具在下钻过程中可能对材料的不均匀性所产生的阻力作用而引起机械振动，并发生偏位或断刀等异常现象。在如上图所示内容中，假设钻头在下钻过程中受到了玻纤等材料硬度的不均匀作用产生f1、f2抗力，其合力f、L使刀具产生一定的偏斜，偏斜大小为s=L*tanθ，tanθ=S/L，可见L越小，产生偏位的隐患就越大，因此，保证L的有效长度是合理利用刀具的关键所在！

3 刀具研磨

随着刀具寿命的增加，刀具磨损度加大，摩擦加剧，机械振动增加、切削热增加，进而影响孔壁质量、孔位精度、断刀率等情况，此时就要对刀具进行研磨，研磨过程中要注意对研磨次数的控制，经过返修的刀具与正常研磨的刀具区别管理，同时也要注意对研磨量进行管控（一般控制在30 μm/次 ～50 μm/次），如图9所示，研磨时必须要保证彻底去除主、副切削刃的磨损层，恢复刀具的正常锋利程度。

4 过程控制

PCB钻孔关键控制点，孔位精度、孔襞粗糙度、孔边毛刺、钉头状态、灯芯效应、断刀率，这些是钻孔加工过程中必须要考虑的问题，无论是钻孔参数的设计、叠层的设计、板材及设备的选择、辅助工具或辅助设备的配备与选择等，都要从以上几个问题为根本出发点进行研究，而对刀具进行合理的管控与研究是充分保证上面各技术指标的关键，下面简要说明。

4.1 要想增加刀具研磨次数，首先要看“刃面够不够光”

PCB钻孔属半封闭式干切削加工模式，切削热不易散出，因此，要尽可能保证刀具各个切削表面的光洁度，以减小摩擦阻力、减小机械振动、降低切削热，因此在每次钻孔使用前，都需要由专人用X80倍放大镜检查刀具的各个面（主前/后刀面、副后刀面即棱表面、容屑槽表面）是否光滑整洁，是否有粉尘、杂质、崩刃、缺损、裂痕等缺陷（图10）。

4.2 要想增加刀具研磨次数，要看“刃是否锋利”

切削刃的完好性、对称性是保证平稳钻削的重要条件，如果使用前刀具的主、副切削刃就已破损将直接导致钻削力的不平衡性，并因此发生断刀、偏位、孔粗糙度大、毛刺、钉头、灯芯超差等一系列孔质量问题，因此，钻头在使用前必须由专人用X80倍放大镜检查刀具的各个刃的状态是否完好无损，特别是在每次研磨后并准备钻孔前的管控更是非常重要，研磨次数越是增加，越要注意刃（主/副切削刃、横刃、刀尖等）的状态是否完好、磨损状态是否有异常等现象。

4.3 要想增加刀具研磨次数，要看“参数是否调整至最佳化”

随着刀具使用寿命、研磨次数的增加，无论怎么管控都无法保证副切削刃达到新刀时的锋利程度状态，稍有不慎就可能会影响到孔壁质量，包括孔壁粗糙度、钉头、灯芯等问题。因此，刀具在每次研磨后应该有相应的选别控制体系，特别是在X80倍放大镜下检查副切削刃有明显钝圆现象时更要慎重使用，同时要相应调整钻孔参数与刀具、板材的匹配性，理论上来说，刀具磨损后，切削力会下降，磨擦力会增加，因此要相应提高转速以保证切削力，增大进给以保证切削热的快速散除、降低刀具寿命以保证刀具在“正常磨损”阶段状态下使用。

4.4 要想增加刀具研磨次数，要看“钻头研磨、钻孔管控体系是否完善”

如图12所示，重点是要对研磨及检查工位进行管控。研磨要控制研磨次数，严格控制返修率，一旦发生返修情况，返修刀具就要作为当前研磨次数的下次研磨刀具使用，我们以某厂家生产的φ0.25 mm钻头为例说明：

刀具规格：φ0.25 mm

设计UC长度：L新=0.60 mm

最低UC长度：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

最多研磨次数：T=0.40/0.05≈8次

假如刀具已研磨2次，并在钻孔后准备再研磨时，如果：

研磨1次就能达到研磨标准的即作为研磨3次刀具使用；

返修1次达到研磨标准的即作为研磨4次刀具使用；

返修2次达到研磨标准的即作为研磨5次刀具使用，若仍不合格的报废处理。

钻孔工作站，一方面要对出库刀具进行钻孔前的复检，同时要加强对钻孔过程中产品质量的确认，首件加工完毕后要检查孔位精度、孔壁状态项目，一旦发现异常能及时反馈相应的技术/品质人员进行处理，避免刀具的盲目使用。做为工厂，在每次工艺技术变革的初期，都要加强对在线使用环节的管控与确认，一切确认没有问题后再形成标准、规范类文件才能充分保证产品质量！

6 实验论证

6.1 实验板材（表1）6.2 实验刀具（表2）

（1）所有刀具100%检查确认，不允许有大小头、间隙、重叠、弧形、崩刃、缺口及刃口裂痕缺陷。

（2）研磨后的刀具，使用超声波清洗，刀具表面要干净整洁，不允许有杂质、手污现象。

（3）研磨后的刀具，要使用X80倍放大镜重点检查各个切削面、刃的完好性。

（4）钻孔后的刀具，100%确认刀具磨损状态，无明显崩刃、缺口现象。

（5）加工参数设计，钻孔叠2层，钻孔参数φ0.25-S150/F64/B1000；φ0.30-S109/F77/B1000。

6.2 检测项目

6.2 实验结果

6.2.1 孔位精度检测结果评估（图12）

小结：完全满足要求，合格。

6.2.2 孔壁状态检测结果评估（图13、图14）

小结：完全满足要求，合格。

6.3 实验结论

在保证产品质量的前提下，增加钻头研磨次数的方案完全可以满足产品质量要求，并且每年至少可以节约刀具使用成本100万元以上人民币！

7 最终结论及下一步工作方向

提高生产效率，降低制造成本是永恒话题，并且通过以上分析与实验证明，只有对刀具的各个控制环节、加工参数、钻削原理等各方面有了明确的认识以后，才能达到更好的利用能源、节约成本的目的，并且通过以上实验方法，我们有信心通过更科学有效的管理达到对刀具的更合理使用的目的！

经过多年的研究、学习，我们在刀具管控方面已形一套行之有效管理体系，建立并完善了磨钝标准，在实际生产过程中能够依据不同的板材特点、工艺要求、合理地选择并使用刀具，这样既保证了产品质量又节约了制造成本。按照上面的实验方法，我们每年仅在刀具方面至少可以为公司节约100万元以上的材料成本。在以后我们会继续发杨这种理论指导实践的工作方法、脚踏实地的工作作风，为PCB明天更加辉煌的发展献上自己的一点绵薄之力，并希望PCB的事业发展有更加灿烂的明天！

[1]陈玉婷, 陈晓宇等.高厚铜板钻孔工艺探讨[C]. 2011秋季国际PCB技术/信息论坛.

[2]纪龙江等. 420 μm以上超厚铜线路板钻孔加工技术研究[C]. 2012春季国际PCB技术/信息论坛.

[3]韩荣第, 周明. 金属切削原理与刀具[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 1997,4.

[4]李旦, 王广林, 李益民. 机械制造工艺学[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 1997,10.

纪龙江，DPEC技术中心干区区域经理。

郑威，DPEC技术中心部长。

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