印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備關鍵技術發展現狀

彭國豪 滿吉鑫 洪圳 高敬辭 王成勇 鄭李娟

摘要：對國內外印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備產品性能進行了分析對比，介紹了印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備的主要類別、關鍵結構及其研究現狀，并提出未來印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備發展趨勢。用于生產印制電路板微鉆（直徑小于或等于0.2 mm）的國產精密數控高速磨削裝備產品的精度、穩定性和效率相比進口設備還有一定差距，差距主要體現在多工位結構、主軸和砂輪，確保主軸可靠性和穩定性、磨削砂輪的性能是解決目前印制電路板微鉆精密數控高速磨削難點的燃眉之急。微鉆精密數控高速磨削裝備主要包括外圓磨床和磨槽磨尖機床，闡述了多工位結構、磨削砂輪、主軸系統、進給系統對微鉆精密高速數控磨削裝備性能的影響，未來印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備將朝著高穩定性、高效、集成、智能化和具備在線監測、狀態監測功能方向發展。

關鍵詞：印制電路板;微鉆;精密數控高速磨削裝備;關鍵結構;發展趨勢

中圖分類號：TG596???????????? 文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0001-06

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Development of PCB Micro Drill Precision CNC High Speed Grinding Machineand Key Structure

Peng Guohao ，Man Jixin ，Hong Zhen ，Gao Jingci ，Wang Chengyong ，Zheng Lijuan ※

（School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The performance of printed circuit board （PCB） micro drill precision CNC high-speed grinding equipment at home and abroad was analyzed and compared. The main categories of PCB micro drill precision CNC high-speed grinding equipment were introduced. The key structures PCB micro drill precision CNC high-speed grinding equipment and their research status were analyzed. The development trend of PCB micro drill precision CNC high-speed grinding equipment in the future was put forward. The precision， stability， and efficiency of domestic precision CNC high-speed grinding equipment for making micro PCB drill（diameter below 0.2 mm） are still far behind those of imported equipment. The gap is mainly reflected in themulti-station structure， spindle， and grinding wheel. Therefore， it is urgent to ensure the reliability and stability of the spindle and the performance of the grinding wheel to solve the difficulties of PCB micro drill precision CNC high-speed? grinding? equipment. PCB? micro? drill? precision? CNC? high-speed? grinding? equipment? mainly? includes? cylindrical? grinding equipment and cutting tool grinding equipment. The influence on the performance of CNC grinding equipment and their research status of multi-station structure， grinding wheel， spindle system， and feed system were described in detail. In the future， PCB micro drill precision CNC high speed grinding equipment will develop towards high stability， high efficiency， integration， intelligence， and online monitoring and condition monitoring.

Key words： printed circuit board; micro drill; precision CNC high speed grinding equipment; key structure; trend

0 引言

印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備是實現印制電路板微鉆結構多樣化的關鍵設備。印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備在印制電路板微鉆制造方面具有不可代替的作用，相對于其他刀具制造方式，其具有高效、高加工精度和低加工成本等優勢。為應對電子產品高頻高速和多功能的需求，印制電路板趨向于微型化、集成化和高厚徑比多層化發展，需要更小直徑的刀具，特別是高深徑比的微鉆（直徑小于0.2 mm）。同時，印制電路板上涌現出越來越多的材料，如：陶瓷填料、 PTFE、改性樹脂等，使微鉆原本交變復雜的加工環境更加惡劣，對刀具微鉆質量和精度提出了更高的要求。磨削在印制電路板鉆頭的典型制造工藝流程中占主導地位[1]。當前印制電路板精密微鉆的制造難點在于制造精度、穩定性、可靠性和效率等方面。

目前最成熟的微鉆制造方法當屬精密磨削工藝，通過金剛石砂輪對刀具材料的磨削去除來實現刀具的高效成型。精密微細磨削工藝的加工效率高，但是由于不可避免地存在磨削力和磨削熱，刀具表面及切削刃的刃口容易出現缺陷，在切削時會影響到刀具的壽命以及切削加工的質量，所能制備的刀具最小直徑也有限[2]。目前，對刀具磨削尺寸精度要求達微米級、制造精度達納米級，PCB微鉆不允許出現鋸齒、中心線波紋、傷痕等缺陷，所以對磨削裝備的多工位結構、磨削砂輪的性能、主軸的旋轉精度、進給系統的定位精度及床身的動態特性等要求很高。

1 印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備國內外產品性能對比

目前標準印制電路板微鉆的鉆頭直徑尺寸范圍是0.01～6.5 mm[3]。面對微細精細的加工尺寸，國內加工直徑為0.2 mm以內的刀具制造廠商，所使用的磨床設備主要依賴于瑞士 Rollomatic 的進口設備，因此一部分中小企業還處于人工半自動化加工狀態。國內存在如深圳友創智能設備有限公司（簡稱深圳友創智能）自主研制的磨槽磨尖機床（簡稱開槽機）和外圓磨床、深圳宏友精密發展有限公司開槽機（簡稱深圳宏友）、廣東鼎泰高科技術股份有限公司（簡稱鼎泰高科）自主研制開槽機以及深圳市金洲精工科技股份有限公司（簡稱金洲精工）自主研制外圓磨床等設備，但可實現的刀具尺寸有限，且加工精度、加工穩定性與國外高端產品相比還有較大差距。造成這些差距的主要原因是多工位結構和磨床主軸的穩定性、可靠性以及磨削砂輪的性能，國內外主要印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備生產企業及其產品如表1所示。

傳統刀具的生產工序分散、工藝流程復雜，很大程度上制約了產品品質和效率的提升。瑞士 Rollomatic 公司率先提出高效大批量生產印制電路板鉆頭的概念，目前世界先進的 PCB 微鉆數控高速磨削裝備就生產于該公司。對于直徑極小的微鉆（小于或等于0.03 mm）， Rollomatic微鉆精密數控高速磨削裝備能用極高的主軸精度、檢測系統精度以及性能優益的磨削砂輪保證微鉆的精度和質量，其主軸可使加工精度保持在0.003 mm 以內，其微鉆精密數控高速磨削裝備能保證砂輪法蘭的安裝同心度低于0.002 mm ，能使砂輪的徑向跳動保持在0.002 mm以內，其擁有在線刀具測量系統，并可以將刀具直徑誤差保證在0.002 mm以內，其自調整桿導向系統和浮動工作頭軸承組件可使同心度公差低于0.001 mm，穩定的主軸性能使其成為能夠制備小0.01 mm 微鉆的企業。

國內的相關企業也在快速追趕當中，部分印制電路板微鉆制造商如鼎泰高科、金洲精工等公司也紛紛自主研制印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備。深圳友創智能推出了商業化的多工位微鉆加工中心、全自動段差粗精磨一體機等先進設備實現了印制電路板微鉆加工的多站點、多工位的加工方式，其 Max-6000型多工位微鉆加工中心可以實現印制電路板加工刀具毛坯的自動上料、開槽加工、磨尖加工、磨背加工和下料的循環工序，具有出色的穩定性、超高的生產效率和極佳的研磨精度。金洲精工針對 PCB外圓磨削的精密數控高速磨削裝備的核心部件和關鍵技術進行深入研發、攻關和突破，以及該公司擁有十幾年設計和制造各種微鉆產品的豐富經驗，造就其研發的 PCB 鉆頭、銑刀等先進產品迅速打入國際知名 PCB制造廠商，能制備小0.01 mm 的超細微型鉆頭，并于2021年成功制成小0.01 mm 的極小徑銑刀。

2 印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備分類

2.1 印制電路板微鉆外圓磨床

印制電路板微鉆外圓磨床主要是應用于印制電路板加工刀具的前期外圓磨削加工，加工工序按外圓粗磨、外圓精磨的順序，加工設備分定心和無心兩種。定心外圓精密數控高速磨削裝備裝夾過程繁瑣，不適用于大批量零件加工，主要用于外圓段差磨削。無心精密數控高速磨削裝備多用于印制電路板加工微鉆的外圓粗磨和精磨，區別在于所用的磨削砂輪種類不同。無心外圓磨削（圖1） 是一種高效率的磨削方法，具有工件中心不固定、工件自定位、工件運動由砂輪、導輪和托板共同控制、磨削過程易實現自動化控制和工件支持剛性好的優點。無心磨削一般有3種方法：貫穿磨削、切入磨削和固定磨削[4]，其主要特點及適用對象如表2所示[5]。

在無心精密數控高速磨削裝備的研究中，錢安寧[6]詳細論述了磨削區幾何形狀與圓度誤差的關系，給出了無心磨削幾何區域穩定圖，介紹了支撐誤差復映理論在無心固定支撐磨削中的應用。肖真健等[7]研究了運用無心磨削的成圓理論，計算得到了最佳切削角范圍和其對應的最佳中心高。紀國偉[8]利用動態設計的方法使得優化后的無心精密數控高速磨削裝備具有更高的固有頻率，并且指出盲目添加或減少筋板數量不一定能提高外圓精密數控高速磨削裝備床身的動剛度。Xu 等[9]提出了一種超聲輔助無心磨削加工的新技術，建立了可靠的力學模型，有效研磨出長徑比310∶1，直徑為42μm的微棒。

2.2 印制電路板微鉆磨槽磨尖機床

印制電路板微鉆磨槽磨尖機床主要是用于印制電路板加工刀具的螺旋槽和鉆尖磨削。使用磨槽磨尖機床的對鉆尖進行刃磨主要有兩種方法：外錐面刃磨法和內錐面刃磨法。內外錐面刃磨法都是以砂輪的回轉運動作為主運動，刃磨磨削外錐面的形成是鉆頭繞著錐面中心做往復擺動，通過控制鉆頭軸向進給可以調整鉆頭磨削余量，刃磨磨削內錐面則是鉆頭于砂輪內部接觸包絡形成[10-11]。

在磨槽磨尖機床加工工藝研究方面，江湘顏等[12]分析了砂輪粒度、進給速度、工序順序、刀軌密度角度等影響因素，指出砂輪粒度越低、進給速度越低（一定范圍內）、加工順序越合理、刀軌密度越高可使得鋸齒量越小。Chen等[13]通過規劃磨削的加工過程，包括各軸的前進和后退順序以及磨削參數等，采用刀具磨削 CAM 系統設置合適的磨削參數，使得加工效率提高了40%。 Nguyen等[14]利用切線條件和接觸線的相同概念，著重研究了在材料去除過程中，在規則砂輪表面和鋒利砂輪表面產生螺旋槽的問題，指出了兩種砂輪與工件位置的確定方法：圖形推理法和切線法，并開發了刀具設計、仿真、制造和奇點求解軟件。

3 印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備關鍵結構

3.1 多工位結構

隨著印制電路板加工用微鉆的需求越來越大，多工位結構的微鉆精密高速磨削裝備成為微鉆磨削設備的發展趨勢。傳統的分布位式磨削方式多次裝夾工件，效率低，不易保證加工精度，已經很難滿足大量的印制電路板微鉆的生產需求，多工位結構可以改善大批量硬質合金微鉆生產過程中的生產效率低、加工周期長、加工質量不穩定的情況，裝備的多工位結構可以實現一次裝夾對鉆頭前刀面、后刀面、刃帶等進行磨削，可以實現一次裝夾對工件進行粗磨、精磨、拋光等，使工序集中，極大的提高生產效率和加工精度[15]。

20世紀90年代，國外的精密數控高速磨削裝備企業就開始了多工位微鉆精密數控高速磨削裝備的研究。圖2[16]所示為 Rollomatic公司研發的 NanoGrindTM4000XD 四工位微鉆精密數控高速磨削裝備，其中1個工位用于裝卸，其他3個工位用于磨削，工位之間的移動僅需0.6 s。

3.2 磨削砂輪

砂輪是印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備中，與零件直接接觸的關鍵部件，直接影響微鉆加工質量和微鉆磨削裝備加工性能。微鉆磨削裝備中的砂輪通過高速旋轉與工件進給配合，實現材料的微量（納米級）去除。因此，砂輪的設計、配方、制造對微鉆加工質量具有重要的影響，在微鉆精磨中對砂輪的寬度與砂輪面的角度有一定要求，特別是小0.10 mm 及以下直徑的微鉆，砂輪的寬度不超過2 mm ，為避免干涉，砂輪與砂輪面形成45°[17]。

砂輪主要由磨料和結合劑組成，影響砂輪性能的因素主要是磨料的性能、粒度的粗細、砂輪的硬度，從這幾個方面可以判斷砂輪是否適用[18]。砂輪的磨料類型決定了其應用范疇，例如印制電路板微鉆的材料大部分是硬質合金，無法用常用的單層電鍍 CBN砂輪磨削[19]，通常用金剛石砂輪進行磨削。

金剛石磨料經由樹脂結合劑附著在砂輪上，加入適當的填充材料，經過配方設計、熱壓成型、二次固化、后處理等工藝可制成超硬金剛石砂輪磨具。樹脂結合劑常采用酚醛樹脂或聚酰亞胺樹脂，前者耐溫性較差，后者耐溫性較好，高達260℃。由樹脂結合劑制成的金剛石砂輪在磨削過程中具有較好的自銳性，不易堵塞，加工得到的工件能獲得較好的表面質量。

張俊[20]設計了一種表面結構化 CVD 金剛石砂輪，并建立了結構化砂輪磨削紋理的數學模型，結果發現砂輪結構化率在從80%減小為25%過程中，紋理間距從1.4 mm增大至5.4 mm ，紋理形貌特征不變。邊華英[21]介紹了低熔陶瓷結合劑的特點、制備和原材料，提出用超硬磨具通用陶瓷結合劑可以降低生產磨具的綜合成本，環保節能，調節產品和產業結構，有利于集約式發展。劉小磐[22]對陶瓷金剛石砂輪的磨削性能進行了研究，發現結合劑含量為24 wt%，金剛石粒度為140#/170#時的未涂覆金剛石砂輪加工單晶硅的磨損比出現極大值981.6，隨著磨料粒徑的減小，單晶硅表面的粗糙度 Ra 值下降。

3.3 主軸系統

微鉆精密數控高速磨削裝備的主軸系統主要由磨床主軸、密封件、支撐軸承和定位元件組成，作為關鍵部件其應該具有高剛度、抗振性、高旋轉精度、良好的精度保持性和低熱變形的特性。微鉆磨削裝備的砂輪主軸旋轉精度對磨削加工精度影響巨大，砂輪主軸的旋轉誤差會“復映”到工件上。因此主軸系統的精度決定了微鉆磨削裝備的加工精度，如工件圓度、平面度、圓柱度等幾何形狀精度和表面粗糙度。精密數控高速磨削裝備正朝著超精密、高效率方向發展，單軸雙端面精密數控高速磨削裝備主軸也已被設計出來。雙端面精密數控高速磨削裝備主軸通過單主軸和兩端的高精密軸承組成一個精密磨削主軸結構，該主軸通過皮帶輪同時驅動兩砂輪組件進行高效加工。

國內有不少學者對精密數控高速磨削裝備的主軸進行了研究。張華[23]建立了深淺腔液體動靜壓軸承油膜-涂層-軸承的耦合模型，應用 FLUENT 流體分析軟件精確計算油膜溫度場，聯合 ANSYS有限元分析軸承的熱變形，得出主軸在轉速為1600 r/min時最大變形量為9.730μm。潘宇倩[24]通過磨削加工對比實驗表明，磨削電主軸比普通磨削主軸加工精度更高。陳桂平[25]采用傳遞矩陣法對主軸系統做了臨界轉速分析，獲得了轉子系統低階臨界轉速和共振峰值。Hou 等[26]對轉子-主軸系統的動態耦合特性進行理論建模，對軸承的預緊力，支撐跨度和主軸質量進行了數值分析，得到了其對固有頻率和臨界轉速的影響。武智[27]設計了磨床主軸系統的新結構，有效抑制了主軸的撓曲變形，使得主軸的固有頻率和臨界轉速得到了提高。在高速精密磨床主軸動靜壓軸承研究方面，丁海兵等[28]使用雷諾方程和連續性方程，聯合能量方程，并且考慮溫度對黏度的影響，建立并改進了動靜壓潤滑理論分析模型，使得計算結果更貼近于實際情況。

3.4 進給系統

微鉆精密數控高速磨削裝備的進給系統一般由伺服電機、機械傳動結構組成。進給系統是微鉆磨削裝備實現空間可控運動的關鍵基礎部位，精確改變工件和砂輪的相對位置是確保微鉆磨削質量的重要條件，對進給系統的進給精度和性能提出了很高要求，其決定了微鉆磨削裝備的定位精度和重復定位精度。進給系統的移動速度和加、減速度會影響機床的動態特性和工作效率[29]，進給速度應均勻準確，縱向進給最小速度應達0.3 m/min ，橫向進給應達單行程0.001～0.002 mm ，從而保證磨削的尺寸精度、幾何形狀精度和表面粗糙度[30]。

伺服電機是速度和軌跡控制的執行元件，是決定機床性能的關鍵。為保證微鉆磨削能夠準確、穩定地進行，伺服電機應該至少具備有力矩大、低慣性、良好的控制性能等條件[31]。機械傳動結構有平移型傳動機構和旋轉型傳動機構，平移型傳動結構一般由滾珠絲杠和聯軸器構成，用于將伺服電機的旋轉運動轉化為工作臺的直線運動，旋轉型傳動結構一般由渦輪桿和工作臺組成用于改變傳動方向，還可以增加伺服電機的驅動力[32]。機械傳動結構需要具備高傳動剛度、低摩擦、低慣性等特點，保證足夠的剛度和接觸剛度，能減小振動對系統性能和加工質量的影響;降低運動機構之間的摩擦因數從而降低摩擦力，使運動更平穩，同時減小熱量累計帶來的熱變形，從而保證定位精度;輕量化設計傳動機構以減少慣性，使傳動結構適應于頻繁啟停、變速、變向等，保證其動態特性。

3.5 床身

床身是精密數控高速磨削裝備重量支撐基礎，頭架、尾架、工件、工作臺和砂輪架等關鍵零部件都由其支撐。床身的動態特性，關系著微鉆精密數控高速磨削裝備的加工精度、使用壽命、可靠性，合理的床身結構設計可以提高磨削裝備的動態特性，同時還能節約材料，降低成本[33]。

精密數控高速磨削裝備的床身是多軸數控刀具精密數控高速磨削裝備的承載件，支撐著 X、Y、Z 方向進給模塊、A 回轉進給模塊、W 回轉進給模塊以及磨頭模塊。床身的材料選型、強度、剛度對以上模塊的運動精度有著較大的影響。與此同時，床身需要進行靜態特性和動態特性設計。床身采用整體性設計，床身基座和底座采取桶槽設計，可以提高 X、Y、Z 進給模塊的裝配精度和運動精度。王春燕[34]對機床的床身進行模態分析，發現設計的精密數控高速磨削裝備床身最大參考變形量為6.4262 mm ，在約束條件下床身的一階固有頻率為3424.3 Hz。

機床床身的材料選型對其靜態特性、動態特性、熱變形具有影響。精密數控高速磨削裝備在運行過程中會受到來自于伺服電機的運轉、機械結構的摩擦、工件材料的去除等多種熱源的影響，這些熱量會通過各種不同的途徑傳遞到機床立柱、床身、導軌等精密載重部件，使精密數控高速磨削裝備中的精密部件產生不均勻的溫度場和熱變形，從而對機床整體結構的幾何精度和加工過程中的定位精度造成影響。熱量對精密數控高速磨削裝備的精度影響包括線性位移變化、垂直度和平行度變化、部件直線度變化。現代精密數控高速磨削裝備的床身材料常采用人造花崗巖，這是一種復合材料，具有優良的阻尼特性、動靜態特性、熱穩定性、高整合性以及耐酸堿性、綠色無污染等特點。國內外有不少學者對人造花崗巖的材料配比優化、力學性能及其增強機理、阻尼特性、蠕變機理、熱變形等進行了研究[35-37]。喬雪濤等[38]對人造花崗巖復合材料精密數控高速磨削裝備床身進行了瞬態熱應力分析，得到了床身的溫度場分布圖、床身溫升曲線。Fan 等[39]通過 ANSYS軟件對數控精密數控高速磨削裝備的床身進行有限元分析，找出了床身的薄弱環節，確定了其共振頻率，對后續機床其他零部件的設計具有重要的參考意義。

4 印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備未來發展趨勢

為制備更小直徑的印制電路板微鉆，同時提高其生產效率、質量和成品率等，未來印制電路板微鉆高速精密磨削裝備將朝著以下幾個方向發展：高穩定性、高效、集成、智能化和具備在線檢測、狀態監測功能。

（1） 高穩定性。在微鉆的磨削過程中，磨床的振動會嚴重影響到刀具精度及表面質量。因此需要保證精密數控高速磨削裝備具有高穩定性，避免磨削過程中的顫振現象，實現超高速高精密磨削。超高速磨削能夠使微鉆磨削過程中變形區域明顯減小，磨削效率大大增加，砂輪磨損減小，提高微鉆表面質量[40]。高精度磨床能夠有利于減小磨削誤差、延長使用壽命等，有利于實現微鉆的超精密磨削加工。

（2） 在線檢測。在高精度磨削過程中，能否獲得精確的定位和數據以及砂輪磨削量的實時檢測是十分關鍵的，這就需要各組成部分各司其責、相互影響，共同實現，達到高精度、高效率的運動狀態，才能磨削出符合要求的加工工件。目前我國在廢品、次品、返修品等質量問題上有10%～15%的產值損失，同時裝夾、找正、對刀等非加工時間占時較多，實際磨削時間僅為30%，而采用在線檢測技術可以避免以上情況的發生[41]。

（3） 狀態監測。隨著數控機床的廣泛運用，對于設備管理就提出了更高的要求，機床的狀態檢測的目的在于預測故障的發生，提高設備的可靠性，降低運行成本，其中需要對海量的數據進行分析并且依靠先進的算法和模型進行診斷。一般來說通常采取外置轉矩、加速度、溫度、聲發射、圖像、位移、切削力等傳感器獲取設備狀態數據，但也存在著成本高、安裝不便的問題[42]。

（4） 高效、集成、智能化。為實現印制電路板微鉆的快速成型，磨削裝備的多工位結構需要配置多樣化的砂輪架和高硬度、高耐磨性和抗裂性的砂輪，實現微鉆在一次裝夾中的外圓、鉆尖和螺旋槽等多部位磨削，可實現中小批量甚至大批量印制電路板微鉆的磨削[43]。隨著5G技術的普及和先進 AI 技術的逐漸成熟，萬物互聯正在成為現實，印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備應該與之結合，從而實現加工效率的飛躍。

5 結束語

本文對國內外印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備性能進行了對比，并介紹了印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備的分類以及關鍵結構和研究現狀，結論如下。

（1） 國產印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備實現的刀具尺寸有限，且加工精度、加工穩定性與國外高端產品相比還有較大差距，造成這些差距的主要原因是多工位結構和磨床主軸的穩定性、可靠性以及磨削砂輪的性能。加工直徑為0.2 mm以下的微鉆精密數控高速磨削裝備主要依賴進口。

（2） 印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備關鍵結構主要包括多工位結構、磨削砂輪、主軸系統進給系統和床身，這些關鍵結構直接影響印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備的加工精度。

（3） 在印制電路板微鉆精密數控高速磨削裝備發展趨勢方面，將朝著高穩定性、高效、集成、智能化和具備在線監測、狀態監測功能發展。

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第一作者簡介：彭國豪（1998-），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究領域為印制電路板加工。

※通訊作者簡介：鄭李娟（1987-），女，福建廈門人，博士，教授，研究領域為電子電路復合材料高效精密綠色加工理論、刀具與工藝，已發表論文70篇。

（編輯：王智圣）