朱 建（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东 深圳 518116）

微型钻头全自动数控精磨机结构设计及精度分析

朱 建
（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东 深圳 518116）

文章介绍了用于微型钻头钻径精加工的全自动数控精磨机的工作原理和主要的结构设计，分析了影响机床加工精度的因素，提出了改善加工精度的措施，对于微钻加工设备的设计有重要参考价值。

微型钻头；磨削；结构设计；精度

印制板数控钻孔仍是主流的孔加工方法，使用的工具是硬质合金微型钻头。在电子产品向轻薄短小方向发展及可靠性要求不断提高的大背景下，对印制板的微孔加工提出了越来越高的要求。提供高品质的微钻是微钻生产企业追求的目标，而高精度、高稳定性的微钻加工设备则是微钻品质的保障。

微型钻头全自动数控精磨机是用于硬质合金微型钻头钻径精磨的全自动、高精度、高效的精加工设备，是微型钻头插接料生产工艺中所用到的重要设备。其加工精度直接影响到微钻最终的尺寸精度，对微钻产品的质量有很大的决定作用。本文结合微型钻头全自动数控精磨机的设计，从介绍该设备的主要结构入手，论证本设备实现微钻工艺的原理及具体措施，对影响其精度的种种因素进行分析，并最终提出提高其加工性能的措施。

1 微型钻头全自动数控精磨机适合的工艺范围

微型钻头全自动数控精磨机主要用于硬质合金微型钻头插接料钻径精磨加工，主要针对钻径0.1 mm ～0.5 mm的产品的半精加工和精加工，精加工尺寸精度0.004 mm，圆度0.001 mm，同轴度0.001 mm。图1是一种产品的加工工艺要求，具体说明该机需要达到的加工精度。图中钻径部分即是微型钻头全自动数控精磨机需要完成加工的部分，在保证其加工精度的同时，还要实现无人值守全自动加工和加工效率要达到每支产品的加工时间为10 s ～ 17 s的加工效率。

2 微型钻头全自动数控精磨机总体结构和精度分析

2.1 微型钻头全自动数控精磨机的工作原理

微型钻头全自动数控精磨机利用定位V型块和压轮实现加工产品的装夹定位，同时利用压轮的转动驱动棒料转动。砂轮轴的下部是数控驱动工作台，利用工作台的进给实现砂轮在棒料的径向进给，直接利用成型砂轮的工作面磨削出棒料的加工面，完成产品的加工。安装在砂轮对边的托架则实现对加工棒料的辅助支撑，抵消砂轮对棒料的大部分切削力，见图2。

2.2 影响微型钻头全自动数控精磨机的精度的几个主要因素

分析图2不难看出，基于微型钻头全自动数控精磨机的加工原理，其加工精度由以下几个因素决定。

2.2.1 棒料的定位精度和棒料转动跳动

棒料的装夹是通过压轮将棒料压在V型块上来实现，压轮的转动驱动棒料转动。棒料柄部尺寸决定其定位精度，其回转精度与棒料的柄径的圆度关系密切，同时受V型块的精度和压轮振动的影响。棒料的定位精度和回转精度直接反映在钻径的尺寸精度和圆度上。

2.2.2 砂轮进刀的重复定位精度

棒料的磨削是通过砂轮沿棒料径向进给来实现，在棒料定位精度保证的前提下，砂轮的重复定位精度直接决定棒料的磨削尺寸，砂轮的定位误差将双倍反映在棒料上。

2.2.3 托架的位置精度

由于本机所加工的棒料多数是加工直径0.3 mm以下，长径比15以上的零件，其刚性较差，必须通过增加辅助支撑来抵消来自砂轮的切削力，避免工件让刀，以实现加工精度。托架位置的准确性直接决定加工零件的尺寸精度。

2.2.4 其它因素

除上述因素外，砂轮的动平衡、设备的振动、工作过程中设备的升温、环境温度等因素都会对设备的加工精度造成影响，克服每个不利因素，才能保证最终零件的加工效果。

2.3 微型钻头全自动数控精磨机的总体结构及精度控制方法

微型钻头全自动数控精磨机在设计之初就充分考虑以上各因素，力求从结构上确保各部分机构都最大限度保证其运动精度，同时对该设备的来料进行严格的控制，确保其最终的加工精度。设备主体部分包含以下结构：数控进给工作台、电主轴及砂轮、V型块及压轮机构、托料机构、调整滑台、砂轮修整器、液压系统、电器系统、底座及周边配套等。下面重点分析与该设备精度关联较密切的几部分机构，结合上述影响精度的种种因素，论述该设备的精度控制方法。

2.3.1 棒料定位精度和棒料转动跳动的控制

棒料柄径的尺寸精度和圆度是影响其定位精度和转动跳动的重要因素，因而保证来料的柄径的精度是非常重要的。影响棒料回转精度较大的还有V型块的精度以及压轮的振动。对于V型块，在保证其制作精度的基础上，设计中采用金刚石材料作为其工作面，保证V型块在使用过程中磨损较小，保持其精度。压轮的振动主要是因为压轮在每次压料动作中与棒料的冲击造成压轮工作面上微小凹坑造成，只需调整驱动压轮机构动作的油缸速度，就可以将压轮和棒料的冲击降低到最小。同时在设备的使用过程中定期修整压轮，就可以克服压轮的振动问题。

2.3.2 砂轮进给精度的控制

对于砂轮进给精度，设计采用较成熟数控精密工作台技术，可以很好地保证砂轮的进给精度。如图3数控工作台的机构图所示，与工作台进给精度以及重复定位精度关系密切的因素主要有导轨精度，丝杆和谐波减速器等传动链的传动精度和间隙以及伺服电机的分辨率。

图3 中：1、垫板 2、防护条 3、滚珠丝杆 4、前端板 5、直线导轨 6、滑台面 7、滑台座 8、丝杆轴承压盖 9、组合式角接触球轴承 10、谐波减速器钢齿座 11、后端板 12、谐波减速器钢齿 13、谐波减速器软齿 14、电机法兰 15、伺服电机 16、电机连接轴 17、谐波减速器发生器 18、轴承 19、连轴套

导轨是工作台各部件相对位置关系的基准，也是砂轮运动的基准。导轨的精度要求主要有以下三个方面：导轨工作面的平面度；导轨各面的垂直度；左右导轨的平行度。除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也是造成导轨误差的重要因素。设计选用高精度滚针导轨副，并且在装配中很好地调整相对运动副之间的预紧，完全消除导轨间隙。导轨的滚动摩擦也最大限度地减少导轨面在使用过程中的磨损，使得导轨精度得以保证。

传动链的传动误差是指内联系的传动链中首末两端传动元件之间相对运动的误差。传动误差是由传动链中各组成环节的制造和装配误差，以及使用过程中的磨损所引起。本机构中传动链由谐波减速器和滚珠丝杆组成。丝杆选用高精度无间隙滚珠丝杆副，并且有一定的预紧力。减速器采用1：50的谐波减速器，确保伺服电机工作速度避开性能较差的低速区。设备工作过程每次的磨削进刀自后向前，此种工艺设计最大限度地减小了由于传动链的间隙所带来的传动误差。另外丝杆采用滚珠丝杆，不仅摩擦较小，还不宜磨损，有利于保证工作台的精度稳定性。

导轨和丝杆滚动轴之间的预紧不仅提高了其使用寿命，并且在微进给工作状态下有效避免滑台工作过程中可能出现的爬行现象，从而使磨削过程稳定进行，有利于尺寸精度和圆度的保证。

数控工作台机构采用分辨率十七万以上的伺服电机作为驱动，使得机构的微进给最小尺寸得以保证。以伺服电机的分辨率来计算，配合1∶50的谐波减速器，使得滑台理论进给精度达到纳米级。但在实际使用中，为了是保证工作台在需要快速反应时节省时间，同时避开伺服电机的低速工作区，采用1∶4000的分辨率。依据这个参数，已知滚珠丝杆的导程为5 mm，可算出该数控工作台进给精度理论值为0.000025 mm。

5mm÷50÷4000＝0.000025mm＝0.025μm （1）

该机构装配完成，多次测试其进给精度，测得其重复定位误差小于0.001 mm（所用量具最高精度0.001 mm），无爬行现象。

2.3.3 托架精度控制和调机注意事项

由于微型钻头全自动数控精磨机所加工工件具有直径小，长径比较大的特点，参见图1。因而在磨削过程中需要增加棒料的辅助支撑以确保其加工精度。而托架机构在此设备中正是起到平衡切削力，确保其加工精度的作用。图4是托架机构的结构图，简单示意了托架机构的工作原理。结合图2，当上料时，油缸活塞前伸，托架后撤。加工时，油缸活塞缩回，托架工作面抵上工件前端，平衡砂轮的磨削力。

图4 中：1、托架安装座 2、托架杠杆座 3、合金销（其下部是微分头） 4、托架杠杆 5、弹簧销6、弹簧 7、弹簧垫 8、弹簧调整盖 9、调整螺钉10、油缸 12、托架杆 15、转轴 18、托架

如图4所示，托架在工作时靠弹簧力来平衡砂轮的切削力，切弹力可调，以满足不同产品，不同的切削余量的要求。由于托架和工件的接触良好性直接关系到产品的加工精度，因而需要托架具有较好的可调性。图4中合金销的下部安装有微分头，调机时配合显微镜，可调整托架至最佳工作位置。

在机械加工的每一工序中，总要对工艺系统进行这样或那样的调整工作。由于调整不可能绝对的准确，因而产生调整误差。在本系统中，工件、托架和砂轮在机床上的相互位置精度，是通过调整工作台、V型块以及托架来保证的。当工件、托架和砂轮等的精度都达到工艺要求而又不考虑动态因素时，调整误差的影响，对加工精度起到决定性的作用。

本机调整的重点是托架的调整，确保当工件加工光刀完成的时刻，托架对工件的力刚好消失，也就是工件的加工余量完全去除后托架系统的合金销要刚好和微分头相接触。托架如果位置远离工件，会失去其作用，加工过程中会因为工件的让刀而影响加工精度；反之，如果托架位置顶过，工件光刀完成后托架还有未释放的弹簧力，则会在光刀过程中由于托架的力而使得砂轮光刀过量而影响其尺寸精度，不仅如此，在砂轮退刀时托架亦可能将料顶断。

3 微型钻头全自动数控精磨机工艺效果分析

3.1 同轴度的保证

微型钻头全自动数控精磨机的工作原理决定了其加工工件的同轴度能得到很好的保证。参见图2，工件的装夹基准和切削基准都是棒料的柄部，而同轴度的测量基准也是其柄部。两个基准的重合在原理上保证了该设备加工产品的同轴度不会出现大的偏差。

3.2 尺寸精度的保证

棒料加工的精度主要有砂轮进刀的重复定位精度，托架的调整精度，以及棒料柄径的尺寸一致性决定。本设备所采用精密数控工作台技术保证砂轮进刀重复定位精度达0.001 mm，所加工棒料柄径尺寸控制在0.002 mm的误差范围，配合设备操作人员正确的调机方法，使得该设备加工产品的尺寸精度可以保证在0.002 mm的公差范围内。

3.3 圆度的保证

影响设备加工产品圆度的因素有多种，其中影响最大的是压轮驱动棒料转动时的振动以及设备内部运动部件的振动。控制好这两个因素，就需要设备调试时控制好压轮驱动油缸的速度，避免压轮下压速度过快；其次确保压轮系统的重量不要太轻，防止其在过程中由于砂轮的切削力引起压轮的抖动，最终影响加工产品的圆度。设备中高速转动部件就是砂轮轴了，做好砂轮的动平衡对工件的圆度也一样的重要。控制好以上两个因素，同时按照规范对设备进行正确的安装和调试，加工产品的圆度不难实现。

4 结语

微型钻头全自动数控精磨机通过采用V型块配合压轮的夹持定位结构，设计精密数控进给工作台，同时配合可以方便调整的托架机构。确保了微型钻头钻径加工的尺寸精度、同轴度和圆度。

经测试证明，设备设计结构合理、紧凑、调试方便、运行平稳，所加工产品尺寸一致性较高，完全符合工艺要求。

[1]Fu Lianyu, GuoQiang. Development of micro drill bit with high aspect ratio[J]. Circuit World, 2010, 36 (4)∶30-34

[2]Fu Lianyu, GuoQiang. Development of ultra smallmicro drill bit for packaging substrate[J]. Circuit World, 2010, 36 (3)∶23-27

[3]陈海斌, 付连宇, 邹卫贤. PCB用微钻技术的趋势研究[J]. 印制电路信息, 2008,8∶34-37

Structure design and accuracy analysis of CNC grinding machine for micro drill bit

ZHU Jian

The main working principle and structure design of the CNC grinding machine for micro drill bit are presented. The factors that influence the grinding accuracy of the machine tolerance are analyzed, and the reasonable accuracy improvement measures are proposed. It is of important reference value for the design of similar machine tools for micro drill bit processing.

Microdrill Bit; Grinding; Structure Design; Accuracy

TN41

A

1009-0096（2014）02-0033-04