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[摘 要]结合生产实际以及PCB数控钻床行程短，精度高的特点，分析了影响数控钻床精度的因素，以及工艺参数，刀具、工装的选择等实际加工因素，给出了提高PCB数控钻孔精度的方法和措施。
[关键词]PCB板孔加工、数控钻床、工艺参数、动态精度
中图分类号：TG527 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0395-01
随着我国信息产业的快速发展，PCB板的需求量不断扩大，并且向轻、小、薄的方向发展。同时对PCB的孔径要求越来越小，给PCB孔加工精度提出了更高的要求。
一、 印制电路技术要求
PCB是电子设备中基础部件。目前电子产品对PCB的技术要求越来越高，并在不同的应用领域中有其具体性能的要求。归纳起来为：基材薄，线宽/线距细，孔小而多，单位面积输入/输出数更多更密，无故障工作时间更长、更可靠。因此要求PCB生产要有高性能材料、高精度设备、高水平工艺和高技术人才以适应新一代电子设备的发展需要。
根据PCB的技术要求，可以归纳出印制电路板孔位加工的特点：
（1）导通孔的数量多，要求加工运行速度快；
（2）布线密度大、焊盘小、孔位精度必须高；
（3）孔径特别小（0.1mm），容易断刀，要求机床动态特性好。
二、影响印制电路板孔位精度的因素
1. 机械系统特性
PCB数控钻床在高速运行状态下动态稳定性，主要由工作台移动和主轴运行（旋转和上、下移动）两方面决定。机床的动态稳定性的重要性在某种情况下甚至超过机床的精度，系统的振动将极大地造成钻头钻孔时的滑移，产生孔位偏差，严重的不稳定将导致钻头的损坏，所以要求机床有优良的动态特性，同时具有良好的抗振性和吸振性。PCB钻孔加工的特点是运动系统移动行程很短，影响机床钻孔加工速度的主要参数是运动加速度，而非最大速度，而运动加速度对运动系统的动态特性影响也最明显。目前国内PCB数控钻床的运动速度在（24～35）m/min，加速度（0.5～0.7）G，三维稳定性大约（10～20）？m，国外先进的PCB数控钻床的运动速度在50m/min，加速度2G，三维稳定性大约（8～10）？m。
2.机械系统定位精度
机床传动系统的精度主要包括丝杆、导轨，它是整个系统精度因素中最基础的环节。传动系统的几何精度和位置精度直接影响到系统的定位精度和重复定位精度。特别是丝杆的螺距误差，反向间隙误差，丝杆的弹性误差。丝杆在满足目前系统要求的高速（35m/min）、高精度（定位精度0.005mm）的前提下，需要解决以下几个问题：
（1）滚珠丝杆副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速Nc，Nc与丝杆的材质、螺纹小径、两端支承方式、支承间距等因素有关；
（2）滚珠在螺纹滚道和通向装置中既通畅又可靠的循环滚动的安全转速，要实现高速化，必须通过改进滚珠螺母反向装置，提高制造精度、安装精度和支承刚度；
（3）解决高速带来的噪音、温升与热变形；
（4）为了改善滚珠丝杆副的加（减）速特性，提高对运动指令的快速跟踪能力，必须提高滚珠丝杆轴承的刚度和丝杆副的轴向刚度，减少起动和停止瞬间弹性变形。
PCB钻床工作行程一般要求达到800毫米，为解决丝杆过长产生的弹性变形，增大临界转速Nc，高速转动带来的噪声、温升与热变形，丝杆的安装方式一般采取两端固定，采用预拉伸以提高丝杆的动态刚性，减少弹性变形，减少运动噪声。利用预拉伸轴向变形量抵消丝杆因温升而产生的热变形。我公司原老款机床传动系统丝杆采用一端固定，一端简支，机床运行速度最大只能达到18m/min，定位精度为35？m，噪音达到70dB。按上述原理改进设计后，丝杆制造精度并未增加的条件下，机床运行速度提高到35m/min，定位精度达到20？m，噪音降为50dB。
3.主轴的转速和动态刚性
超精密加工机床主轴的回转精度直接影响工件的加工精度。在机床领域甚至可以通过主轴的精密和特性评价机床本身的精度。本系统主轴刀具直径为？0.15mm～？6mm，若主轴的转速较低，实现高速精密加工是非常困难的，常会出现断刀、刀尖发生飘移、孔位精度差、孔壁质量不高等情况，给后道工序（孔化）带来严重后果。提高主轴转速、改变主轴系统的动态刚性，可以从工艺措施上解决微小孔高速精密加工的先天不足。目前本系统采用的主轴是高精度的静压空气轴承，转速为105kr/min-180kr/min。空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05？m，最高可达0.03？m，由于轴承中支撑回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度。例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/15～1/20。日本学者研究表明，当轴和轴套的圆度可达到0.15？m～0.2？m的精度时，可以得到10nm的回转精度，并通过FFT测定其所制造的精度最高的空气轴承主轴的回转精度为8nm。另外，空气轴承主轴还具有动态特性良好，精度寿命长，不产生振动、刚性/载荷量具有与使用条件相称的值等优点。
三、钻孔与孔位精度的关系
目前采用的刀具均为定柄麻花钻（硬质合金），合理选择钻头的形状对提高刀具的使用性能有较大的帮助。钻头的主要形状有ST型、UC型和ID型。ST型为常用的钻头，UC型钻头的特点在于钻尖中部的直径比顶部的要小，故在切削过程中整个钻头与孔壁接触面小，减少了摩擦热；ID型钻头被使用在直径3.20mm以上的钻孔，它的特点是有165°的大钻尖角。对于钻槽和在线条式焊盘钻孔易偏孔等情况下，可采用槽钻（SLOT DRILL），因为这种钻头的槽型设计已使钻头本身的强度提高到了最大值。
直径小于0.60mm的孔采用刀具螺旋角30°为佳，直径小于0.3mm的孔采用螺旋角24°为最理想，角度偏大易折损，钻头的最佳出屑槽长度是包括垫板被钻入深度在内的堆板高度的1.15倍为最佳。
四、优化电气控制提高钻孔精度
数控机床的最高运动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于驱动与位置控制系统的动态与静态性能，研究与开发高性能的驱动与位置控制系统一直是研究数控机床的关键技术之一。
伺服拖动系统的精度直接与伺服系统的型号选取、功率及力矩的选定及伺服驱动控制方式，以及其参数设置和调试紧密相关。若驱动力矩不够，控制方式不合理，参数设置不符合矩频特性，不平滑，将会极大程度地造成系统振荡和不稳定。若系统出现误差，为了提高系统精度，可采取电气误差补偿法，设计前馈式或反馈式以及NC式的硬件误差补偿方法，本系统采用了前馈式的补偿方案，并通过三角几何关系的建模方法。
控制软件是整个系统的控制中心，其软件的基本算法是插补方法，位置控制的基本控制模型将会对系统的运行精度产生看不见摸不着的影响。速度与加速度特性若掌控不好，将会影响生产效率，又会影响运行精度。比如，加速时，惯量像动态力矩或力一样作用在进给驱动结构上，如果轨道生产器产生的进给驱动加速指令不平滑，最终施加在滚珠丝杆上的力矩和施加在线性电机驱动上的力就会包含高频分量，这些高频分量将激励进给驱动的结构动态响应，引起不希望的振动。
[关键词]PCB板孔加工、数控钻床、工艺参数、动态精度
中图分类号：TG527 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0395-01
随着我国信息产业的快速发展，PCB板的需求量不断扩大，并且向轻、小、薄的方向发展。同时对PCB的孔径要求越来越小，给PCB孔加工精度提出了更高的要求。
一、 印制电路技术要求
PCB是电子设备中基础部件。目前电子产品对PCB的技术要求越来越高，并在不同的应用领域中有其具体性能的要求。归纳起来为：基材薄，线宽/线距细，孔小而多，单位面积输入/输出数更多更密，无故障工作时间更长、更可靠。因此要求PCB生产要有高性能材料、高精度设备、高水平工艺和高技术人才以适应新一代电子设备的发展需要。
根据PCB的技术要求，可以归纳出印制电路板孔位加工的特点：
（1）导通孔的数量多，要求加工运行速度快；
（2）布线密度大、焊盘小、孔位精度必须高；
（3）孔径特别小（0.1mm），容易断刀，要求机床动态特性好。
二、影响印制电路板孔位精度的因素
1. 机械系统特性
PCB数控钻床在高速运行状态下动态稳定性，主要由工作台移动和主轴运行（旋转和上、下移动）两方面决定。机床的动态稳定性的重要性在某种情况下甚至超过机床的精度，系统的振动将极大地造成钻头钻孔时的滑移，产生孔位偏差，严重的不稳定将导致钻头的损坏，所以要求机床有优良的动态特性，同时具有良好的抗振性和吸振性。PCB钻孔加工的特点是运动系统移动行程很短，影响机床钻孔加工速度的主要参数是运动加速度，而非最大速度，而运动加速度对运动系统的动态特性影响也最明显。目前国内PCB数控钻床的运动速度在（24～35）m/min，加速度（0.5～0.7）G，三维稳定性大约（10～20）？m，国外先进的PCB数控钻床的运动速度在50m/min，加速度2G，三维稳定性大约（8～10）？m。
2.机械系统定位精度
机床传动系统的精度主要包括丝杆、导轨，它是整个系统精度因素中最基础的环节。传动系统的几何精度和位置精度直接影响到系统的定位精度和重复定位精度。特别是丝杆的螺距误差，反向间隙误差，丝杆的弹性误差。丝杆在满足目前系统要求的高速（35m/min）、高精度（定位精度0.005mm）的前提下，需要解决以下几个问题：
（1）滚珠丝杆副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速Nc，Nc与丝杆的材质、螺纹小径、两端支承方式、支承间距等因素有关；
（2）滚珠在螺纹滚道和通向装置中既通畅又可靠的循环滚动的安全转速，要实现高速化，必须通过改进滚珠螺母反向装置，提高制造精度、安装精度和支承刚度；
（3）解决高速带来的噪音、温升与热变形；
（4）为了改善滚珠丝杆副的加（减）速特性，提高对运动指令的快速跟踪能力，必须提高滚珠丝杆轴承的刚度和丝杆副的轴向刚度，减少起动和停止瞬间弹性变形。
PCB钻床工作行程一般要求达到800毫米，为解决丝杆过长产生的弹性变形，增大临界转速Nc，高速转动带来的噪声、温升与热变形，丝杆的安装方式一般采取两端固定，采用预拉伸以提高丝杆的动态刚性，减少弹性变形，减少运动噪声。利用预拉伸轴向变形量抵消丝杆因温升而产生的热变形。我公司原老款机床传动系统丝杆采用一端固定，一端简支，机床运行速度最大只能达到18m/min，定位精度为35？m，噪音达到70dB。按上述原理改进设计后，丝杆制造精度并未增加的条件下，机床运行速度提高到35m/min，定位精度达到20？m，噪音降为50dB。
3.主轴的转速和动态刚性
超精密加工机床主轴的回转精度直接影响工件的加工精度。在机床领域甚至可以通过主轴的精密和特性评价机床本身的精度。本系统主轴刀具直径为？0.15mm～？6mm，若主轴的转速较低，实现高速精密加工是非常困难的，常会出现断刀、刀尖发生飘移、孔位精度差、孔壁质量不高等情况，给后道工序（孔化）带来严重后果。提高主轴转速、改变主轴系统的动态刚性，可以从工艺措施上解决微小孔高速精密加工的先天不足。目前本系统采用的主轴是高精度的静压空气轴承，转速为105kr/min-180kr/min。空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05？m，最高可达0.03？m，由于轴承中支撑回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度。例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/15～1/20。日本学者研究表明，当轴和轴套的圆度可达到0.15？m～0.2？m的精度时，可以得到10nm的回转精度，并通过FFT测定其所制造的精度最高的空气轴承主轴的回转精度为8nm。另外，空气轴承主轴还具有动态特性良好，精度寿命长，不产生振动、刚性/载荷量具有与使用条件相称的值等优点。
三、钻孔与孔位精度的关系
目前采用的刀具均为定柄麻花钻（硬质合金），合理选择钻头的形状对提高刀具的使用性能有较大的帮助。钻头的主要形状有ST型、UC型和ID型。ST型为常用的钻头，UC型钻头的特点在于钻尖中部的直径比顶部的要小，故在切削过程中整个钻头与孔壁接触面小，减少了摩擦热；ID型钻头被使用在直径3.20mm以上的钻孔，它的特点是有165°的大钻尖角。对于钻槽和在线条式焊盘钻孔易偏孔等情况下，可采用槽钻（SLOT DRILL），因为这种钻头的槽型设计已使钻头本身的强度提高到了最大值。
直径小于0.60mm的孔采用刀具螺旋角30°为佳，直径小于0.3mm的孔采用螺旋角24°为最理想，角度偏大易折损，钻头的最佳出屑槽长度是包括垫板被钻入深度在内的堆板高度的1.15倍为最佳。
四、优化电气控制提高钻孔精度
数控机床的最高运动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于驱动与位置控制系统的动态与静态性能，研究与开发高性能的驱动与位置控制系统一直是研究数控机床的关键技术之一。
伺服拖动系统的精度直接与伺服系统的型号选取、功率及力矩的选定及伺服驱动控制方式，以及其参数设置和调试紧密相关。若驱动力矩不够，控制方式不合理，参数设置不符合矩频特性，不平滑，将会极大程度地造成系统振荡和不稳定。若系统出现误差，为了提高系统精度，可采取电气误差补偿法，设计前馈式或反馈式以及NC式的硬件误差补偿方法，本系统采用了前馈式的补偿方案，并通过三角几何关系的建模方法。
控制软件是整个系统的控制中心，其软件的基本算法是插补方法，位置控制的基本控制模型将会对系统的运行精度产生看不见摸不着的影响。速度与加速度特性若掌控不好，将会影响生产效率，又会影响运行精度。比如，加速时，惯量像动态力矩或力一样作用在进给驱动结构上，如果轨道生产器产生的进给驱动加速指令不平滑，最终施加在滚珠丝杆上的力矩和施加在线性电机驱动上的力就会包含高频分量，这些高频分量将激励进给驱动的结构动态响应，引起不希望的振动。