电路板复合材料微小孔加工技术

文章摘要：2.3 钻孔损坏形式(1)分层机械钻削GFRP(玻纤增强)层压板过程中可能会出现各种损坏，其中最严重的是层间分层，由此导致孔壁周围材料性能的急剧下降，钻尖施加的轴向力是产生分层的主要原因。分层可分为钻入分层和钻出分层。钻入分层是钻头切削刃与层板接触时，作用在圆周方向的切削力在轴线方向产生的旋切力通过钻头排削槽使层与层间脱离，在层板上表面形成分层区域；钻出分层是当钻头快接近层板底部时，由于未被切削材料的厚度越来越薄，抵抗变形的能力进一部降低，在载荷超过层板间的粘结力的地方，就出现了分层，而这在层板被钻通之前就发生了。轴向力是导致分层的主要原因，切削速度、基材和纤维束的类型对分层也有影响，环氧复合

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　　2.3 钻孔损坏形式

　　(1)分层

　　机械钻削GFRP(玻纤增强)层压板过程中可能会出现各种损坏，其中最严重的是层间分层，由此导致孔壁周围材料性能的急剧下降，钻尖施加的轴向力是产生分层的主要原因。分层可分为钻入分层和钻出分层。钻入分层是钻头切削刃与层板接触时，作用在圆周方向的切削力在轴线方向产生的旋切力通过钻头排削槽使层与层间脱离，在层板上表面形成分层区域；钻出分层是当钻头快接近层板底部时，由于未被切削材料的厚度越来越薄，抵抗变形的能力进一部降低，在载荷超过层板间的粘结力的地方，就出现了分层，而这在层板被钻通之前就发生了。轴向力是导致分层的主要原因，切削速度、基材和纤维束的类型对分层也有影响，环氧复合材料的钻人和钻出分层随钻削速度的增加减小，且钻出分层损坏程度要比钻人分层大。减少分层的主要措施有：采用变量进给技术、预置导向孔、使用垫板以及无支撑钻削时使用粘性阻尼器等。

　　(2)孔壁损坏

　　在复合材料PCB上钻削微孔，在孔周围出现的各种形式的损坏导致孔金属化后，孔之间的绝缘性能降低及孔壁铜层破裂。切削方向与纤维方向的相对夹角、孔壁玻璃纤维束的厚度、钻点对玻璃布的位置等都会对孔壁损坏造成不同影响。

　　文献6用直径1.0mm钻头，转速5000rpm，钻削玻纤/环氧树脂复合材料(8层90°交错，每层0.2mm)，试验表明：每层钻孔周围的损坏程度不一样，在第1，3，5，7，8层纤维皱褶突出很大，最大突出达30μm；而2，4，6层纤维皱褶突出较小，最小处不到5μm。在纬纱与经纱重叠交叉区域，纤维夹角45°处纤维束厚度最大，孔壁损坏宽度最大；而在中心区域，最大损坏宽度发生在与纤维夹角接近90°处。

　　Aoyama等人研究了刀具主偏角对加工孔壁表面粗糙度的影响，发现主偏角为30°时，孔壁表面粗糙度最大，可达50μm。

　　(3)污斑

　　机械钻削复合材料时，由于钻头横刃与复合材料的挤压、倒锥与孔壁之间摩擦及镶嵌在钻头棱边与孔壁之间细小的切屑随钻头一起回转摩擦所产生的大量切削热，使树脂熔化，并粘附在复合材料的夹层或孔口处的铜箔及孔壁上，形成污斑。适当的切削用量和修磨微小钻头可以减少污斑的产生，降低污斑指数。

　　(4)毛刺

　　钻削复合材料时，由于应力的传递作用，在钻头未到达孔底时，钻头前方的增强材料和基体就会产生许多裂纹，以致增强材料从基体上脱胶，产生拔出现象，导致增强材料不能从根部切断。在孔钻通时，这些未从根部切断的增强材料不能与切屑一起排除，而是向孔边倾倒，基体由于切削热的作用而软化、流动，又重新凝结到这些倾倒在孔边的增强材料上，形成毛刺。出口毛刺大小主要受钻削力和钻削温度的影响。在复合材料钻削加工中使用硬质合金钻头钻削、改变刀具几何尺寸和结构以及采用振动钻削技术可以减少毛刺。

　　3 振动钻削

　　振动钻削属于振动切削的一个分支，是建立在切削理论和振动理论基础上的新颖的钻削加工方法。普通钻削是持续的切削过程，而振动钻削是脉冲断续切削过程，在钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。在振动钻削过程中，当主切削刃与工件不分离(不分离型振动钻削)时，切削速度和方向等参数产生周期性变化；当主切削刃与工件时切时离(分离型振动钻削)时，切削过程变成了脉冲式的断续切削。

　　当振动参数(振动频率和振幅)、进给量和主轴转速等选择合理时，能够明显提高入钻定位精度、尺寸精度和圆度、降低孔表面粗糙度、减少出口毛刺以及延长刀具寿命等。振动钻削GFRP复合材料的轴向力变化趋势类似普通钻削变化趋势，但轴向力小于普通钻削，轴向力受进给量、振动频率和振幅的影响。Wang等的研究表明：当振幅为6μm、振动频率为300Hz、进给量为250mm/min时，轴向力可达到最小1.5N。GFRP材料中的玻璃纤维纵横交错，其强度及硬度很大，不易切断，而它周围的基体则较软，易迫使钻头让刀，改变了钻头前进的方向，形成大的入钻偏差。振动钻削具有刚性化效果，在入钻时，钻头受力作用产生弯曲变形小，入钻定位误差比普通钻削也相应小了许多。

　　对于多层复合材料，阶跃式多元变参数振动钻削是一种更优化的工艺方法，可以很好地解决纤维复合材料钻削质量与效率相互矛盾的难题。它充分考虑多层复合材料的结构、性能和钻削加工的具体过程，在钻削加工中保持最优的加工状态，钻入时采用最上层材料的最优钻入参数，钻出时采用最下层材料的最优钻出参数，将钻削过程分成多个段，其振动参数和切削参数依层合材料性能的不同呈突变式、阶跃式变化，可实现振动切削参数的最优化，加工效果优于相应条件下的普通钻。赵宏伟等人利用电控式微小孔振动钻床对多层复合材料进行微小孔钻削试验。阶跃式三参数振动钻削的入钻定位误差r、孔扩量ΔD、出口毛刺高度H值比普通钻削显著降低。Rumkumar等比较了GFRP复合材料振动钻削和普通钻削的轴向力、扭矩和刀具磨损，发现普通钻削在钻孔数目多于30时会出现轴向力、扭矩急剧增加现象，而振动钻削钻孔数目可多于60，而且振动钻削比普通钻削的轴向力、扭矩和刀具磨损的值都小。

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