纪龙江 姜曙光（大连崇达电路有限公司，大连 116600）

一种线路板的沉孔加工技术研究与实际应用

纪龙江 姜曙光
（大连崇达电路有限公司，大连 116600）

电路板上的沉孔是起固定作用，主要分为锥形沉孔与平头沉孔二大类。目前业界加工沉孔大多是采用专用刀具在数控机床上加工的方法，存在几个方面的问题，如切削力的不对称导致断刀率偏高，很难克服在加工φ3.0mm以上沉孔时所产生的机械抗力与振动，以及底孔与沉孔同心度偏差的存在等。文章对这些问题作研究与改进。

沉孔；钻削抗力；振动；数控机床

1 前言

PCB行业的技术水平与时俱进，沉孔作为PCB上的一种工艺孔不可或缺。沉孔作为一种主要用来固定工件的工艺孔，因其结构、使用环境的不同，而且一般都在较大直径范围内，有的甚至达到或超过PCB数控钻床的极限加工能力，再加上其加工效率的低下及加工方法及加工刀具的复杂多样化，因此，这种工艺孔无论是给设备使用、生产力水平、制造成本、现场管理、工装具管理等都带来较大的影响。现阐述这种特殊的线路板沉孔加工技术，其最显著的特征与优点就是，使用普通台式钻床及自主研发的沉孔深度控制装置、特殊的沉孔加工刀具，彻底解决了常规沉孔加工方法中存在的各种问题，真正实现了线路板沉孔的高精度、高效率、高质量的加工。

2 存在问题

使用PCB数控钻床加工沉孔的过程中存在的最主要问题就是断刀、孔形异常。严重时由于断刀、孔形异常所产生的顿挫力与交变切削阻力对数控钻床的精度、寿命都会产生非常大的影响甚至损坏。因为PCB数控钻床的主轴大多是空气轴承，设计理念追求的是高精度、高转速、高速率、低损耗等特点，在加工沉孔特别是φ3.0mm以上较大直径沉孔时会使品质与设备问题更加严重与突出，有时根本无法生产，常见问题如断刀、孔边缘出现锯齿现象、孔壁凹凸不平。

以上问题分析产生原因如下：

图1所示，当伺服执行机构在CNC指令下，按一定的转速与进给下降时，由于主轴与底孔中心存在一定的偏差，使刀具的一侧必然首先和孔边接触，因此在刀柄上形成较大的弯矩与应力，在钻孔参数、刀具直径一定的前提下，弯矩与应力的大小与定位偏差大小直接相关，偏差越大，弯矩、应力就越大，当超出刀具的屈服强度时就会使刀具折断，图2为局部放大图。

图3所示，当伺服执行机构在CNC指令下，按一定的转速与进给下降时，在刀具与工件接触的一瞬间会产生较大的切削阻力，由于切削力大小的变化转变为机械振动，在沉孔的切削表面上便会形成一系列凹凸不平的沟痕。

图1

图2

图3

另外，沉孔的加工效率很低，表1为某型号生产板沉孔加工过程。首件累计用时70分钟左右，实际批量生产时主要为上/下板、工件准备及程序运行时间，大约为（10～20）分钟/循环，如果钻床按6轴计，则每小时最多可产出生产板6×6=36P，由此可见，加工效率是非常低的！

表1 生产板沉孔加工过程用时例

3 采取措施

3.1 改变钻孔机器

使用台式钻床替代机械数控钻床的加工，台式钻床具有使用简单、操作方便、动态扭力大、上下板快等优点，彻底克服PCB数控钻床高转速低扭力的问题，特别是在加工大直径沉孔时，效果更为明显，使用台式钻床最大可以加工φ12 mm直径的沉孔。

3.2 研发沉孔深度控制装置

若要实现沉孔深度的高度控制，仅靠设备自有的定深装置是远远不能够满足高精度沉孔要求的，为此，自主研发了深度控制装置，如图4所示，该装置及方法已获国家发明专利。

图4 钻孔深度控制装置

图4中：1：锁紧装置固定支架；2：锁紧装置；3：定位装置；4：定位盘；5：导向机构；6：定位装置固定支架；7：工作台；8：待加工线路板；9：定位导柱；10：锪刀；11：沉孔底孔；12：螺杆；13：可动刻度筒；14：传动杆；15：顶丝；16：转柄；17：丝孔。

使用方法简述

（1）加工前确认设备状态完好，把锪刀安装在设备主轴上；

（2）调整深度控制装置的螺杆与刀具处于同一轴心上；

（3）待加工板放在工作台上，使待加工的沉孔正好处于刀具下方，并且与导柱位置对正；

（4）根据图纸要求计算出螺杆高度，然后锁紧；

（5）打开电源，使刀具作直线进给运动，直到导柱前端刚好与螺杆接触即可；

（6）抬起主轴，使用深度千分尺检测沉孔的深度；

（7）通过螺旋千分尺对沉孔深度进行调整，满足图纸要求为准。

3.3 沉孔专用刀具

沉孔与底孔的同心度是影响沉孔切削表面光洁度不好的主要原因之一。自主研发了具有导向功能的台式钻床专用刀具（已申请国家发明专利），该刀具可随着工件的实际位置进行自动导向调整，彻底消除设备的定位偏差，刀具如图5所示。

图5 沉孔专用刀具

刀具柄径设计φ12 mm ～ 15 mm，刀具角度根据客户要求制定，导柱部分用主要起导向作用，前端设计有15°～ 30°导角，导柱可进行修磨，由于该刀具使用台式钻床上使用，为了减小实际钻孔时的机械振动，对刀具的径向跳动度、导柱与夹持部分的同心度、直线度等形位公差均有比较严格的限定，具体参数略。

表2 实验方案表

4 效果确认

4.1 加工精度的确认与评估

评价：从表3数据可以看出，沉孔深尺寸完全可以控制在（5.8±0.075）mm之间，平均Cpk值达到2.50，过程能力充足。对于不同孔径、不同沉孔角度、不同底孔直径的沉孔，只要调整刀具和参数就能达到同样的效果。在实际批量生产过程中，考虑板厚均匀性及刀具磨损的影响，可以将沉孔深度控制在（5.8±0.10）mm之内，在制作样板或小批量加工时，如果加强过程控制与检测，可以将沉孔深度控制在±0.05 mm以内，加工精度与数控钻床相比无明显差异，完全满足要求。

表3 沉孔深度检测结果数据表

4.2 加工效率的确认与评估

评价：从表4可以明显看出，在加工PCB沉孔时，台式钻床操作简单、方便灵活、经济耐用的特点，在加工过程中能体现出更大的优势与效果；数控钻床在加工这种单位面积孔特别少的产品时，时间大多浪费在上下板的时间上，发挥不出其固有的优势与特点。综合比较，台式钻床要明显优于数控钻床，且具有较好的操作性。

表4 数控钻床与台式钻床的首件加工效率数据表

4.3 其它外观方面的确认与评估

台式钻床由于其转速平稳，在自主研发的带有千分尺的深度控制装置、专用锪孔刀具的应用下，能够加工出质量、精度、速率等各方面都要明显优于数控钻床的产品。因此，在台式钻床加工PCB沉孔方面，如果控制装置、手段、方法方面加以进一步的研究，会取得更加显著的效果。

5 结论

（1）该项技术成功解决了PCB沉孔加工时所存在的各种问题。

（2）用普通台式钻床加工PCB沉孔的技术完全可行，在日常生产过程中需要对机床、定深装置、刀具等进行维护保养，以保证产品质量的稳定。

（3）各种不同类型、不同角度、不同规格的沉孔层出不穷，需要不断的探索和钻研，采取更加切实有效措施来对应，今后对新技术的开发也会及时的开展下去。

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

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

图6 阻焊返洗前后

图7 返洗前后CTI值

根据返洗前后SEM图6和CTI测试图7：

（1）未经过油墨返洗的图片板面呈现规律的蜂窝状，“返洗”后的板面，蜂窝状已经受到严重损伤；

（2）不同树脂层厚度板子返洗前后树脂层厚度出现明显降低，CTI测试值随树脂含量减少而降低。

4 结论

PCB加工对覆铜板CTI影响及机理研究，包括PCB工厂对覆铜板材料选择及PCB具体加工工序对CTI影响：

（1）外层使用7628高CTI粘结片，板子外层树脂层厚度达到约20 mm即可满足高CTI600V要求；

（2）102.9 mm（3 oz）及以上铜厚，蚀刻铜箔后，板面粗糙度增加CTI下降；

（3）长时高温烤板可能导致树脂老化，CTI值下降，建议不烤板或低温烤板；

（4）含有片状填料的阻焊油墨，对PCB的CTI值有辅助左右；

（5）阻焊油墨“返洗”后的板面，树脂层降低，CTI值也随树脂层减少而降低。

参考文献

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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