线路板钻孔孔位精度分析方法.pdf

本发明涉及数控钻孔精度分析技术领域，公开一种线路板钻孔孔位精度分析方法，包括如下步骤：S1、钻刀以一定进刀速下钻；S2、钻刀在钻入线路板的入钻面时，主轴竖直中心线与水平中心线存在误差角；S3、钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力；S4、误差角和主轴动态偏移作用，使钻刀的钻尖瞬间滑移；S5、钻刀以钻入线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下钻；S6、线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏差，形成孔位偏差。本发明利用最终的孔位偏差量的精确计算公式，可以在前期对线路板的孔位偏差进行预测，进而指导工程优化和生产操作。

权利要求书
1.  一种线路板钻孔孔位精度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、钻刀以一定进刀速下钻；
S2、所述钻刀在钻入线路板的入钻面时，所述钻刀的主轴竖直中心线 与所述线路板的水平中心线存在误差角；
S3、所述钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力；
S4、所述误差角和主轴动态偏移作用，使所述钻刀的钻尖瞬间滑移；
S5、所述钻刀钻入线路板内，所述钻刀以钻入所述线路板的入钻面瞬 间形成的与竖直方向的夹角进行下钻；
S6、所述线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏 差，形成孔位偏差。

2.  如权利要求1所述的线路板钻孔孔位精度分析方法，其特征在于， 所述S6中孔位偏差计算式为，
σ = σ ′ + Δσ = ( x - x 0 ) 2 + ( runout + σ 0 ) 2 + H * θ + ( H * Δθ ) ]]>
其中，H为线路板厚度，X0为钻孔的理论位置，X为下钻瞬间钻刀钻 尖的实际位置，θ为下钻过程中钻刀的中轴线与线路板平面法线的夹角， σ为反面钻孔孔位偏差，Δσ为正反孔位差值，σ0+runout为钻刀的钻刃弯 曲与钻刀主轴动态偏移的综合偏差值，Δθ为钻刀钻入线路板瞬间与线路板 平面法线夹角θ的修正项。

3.  如权利要求1所述的线路板钻孔孔位精度分析方法，其特征在于， 所述S4中，所述钻尖瞬间滑移的入钻滑移偏位计算式为，
θ = θ 0 + θ 1 ′ = θ 0 + θ 1 + Δ θ 1 = θ 0 + runout L + σ 0 L ]]>
其中，θ0为线路板的中心平面与X/Y平面的夹角，θ1为主轴动态偏差， σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout导致的偏移角， θ1ˊ为钻刀钻尖滑移与主轴动态偏差，σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀 主轴动态偏移runout共同导致的偏移角，σ0为入钻瞬间滑移量。

4.  如权利要求1所述的线路板钻孔孔位精度分析方法，其特征在于， 所述分析方法还包括两个初始条件，所述钻刀钻入所述线路板的入钻面瞬 间，所述钻刀受到的水平分力大于等于线路板的入钻面对钻刀钻尖产生的 最大静摩擦力；所述钻刀在滑移弯曲过程中所形成的水平分力大于所述钻 刀刀体内应力在水平面的分力。

说明书线路板钻孔孔位精度分析方法
技术领域
本发明涉及数控钻孔精度分析技术领域，特别涉及一种线路板钻孔孔 位精度分析方法。
背景技术
随着电子产品不断向多功能化、小型轻量化、高性能化的方向发展， 对印制线路板的微细化、高密度化的要求也日益提高，其产品也由传统印 制板向高密度积层印制板发展。在印制板制作过程中钻孔是实现高密度要 求最为关键的工序，只有实现了线路板钻孔工序高孔位精度的制程能力， 才可适应高密度积层印制板的发展需求。
目前，行业内对线路板钻孔孔位精度的一般要求是+/-3mil，cpk不小于 1.33。然而，由于高密度积层印制板的发展，一方面，此精度水平已无法满 足高端产品对于线路板钻孔的技术需求；另一方面，孔位精度受到板厚、 铜厚、钻刀等多因素的影响，以上精度水平也只能在特定的条件范围内才 可达到。
因此，如何针对不同条件情况下分析钻孔孔位精度，并提升孔位精度 则成为线路板钻孔中最为关键的环节。现有的提升孔位精度的方法中，更 多的是依据单因素的实验结果来进行优化；对于孔位偏差的产生机理以及 多因素综合在一起的情况，则未能给出明确的分析。
发明内容
本发明旨在克服现有线路板钻孔的缺陷，实现高密度积层印制板对孔 位精度的需求，提供一种线路板钻孔孔位精度分析方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种线路板钻孔孔位精度分析方法，包括如下步骤：S1、 钻刀以一定进刀速下钻；S2、所述钻刀在钻入线路板的入钻面时，所述钻 刀的主轴竖直中心线与所述线路板的水平中心线存在误差角；S3、所述钻 刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力；S4、所述误差角和主轴 动态偏移作用，使所述钻刀的钻尖瞬间滑移；S5、所述钻刀钻入线路板内， 所述钻刀以钻入所述线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下 钻；S6、所述线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏 差，形成孔位偏差。
优选地，所述S6中孔位偏差计算式为，
σ = σ ′ + Δσ = ( x - x 0 ) 2 + ( runout + σ 0 ) 2 + H * θ + ( H * Δθ ) ]]>
其中，H为线路板厚度，X0为钻孔的理论位置，X为下钻瞬间钻刀钻 尖的实际位置，θ为下钻过程中钻刀的中轴线与线路板平面法线的夹角， σ为反面钻孔孔位偏差，Δσ为正反孔位差值，σ0+runout为钻刀的钻刃弯 曲与钻刀主轴动态偏移的综合偏差值，Δθ为钻刀钻入线路板瞬间与线路板 平面法线夹角θ的修正项。
优选地，所述S4中，所述钻尖瞬间滑移的入钻滑移偏位计算式为，
θ = θ 0 + θ 1 ′ = θ 0 + θ 1 + Δ θ 1 = θ 0 + runout L + σ 0 L ]]>
其中，θ0为线路板的中心平面与X/Y平面的夹角，θ1为主轴动态偏差， σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout导致的偏移角， θ1ˊ为钻刀钻尖滑移与主轴动态偏差，σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀 主轴动态偏移runout共同导致的偏移角，σ0为入钻瞬间滑移量。
优选地，所述分析方法还包括两个初始条件，所述钻刀钻入所述线路 板的入钻面瞬间，所述钻刀受到的水平分力大于等于线路板的入钻面对钻 刀钻尖产生的最大静摩擦力；所述钻刀在滑移弯曲过程中所形成的水平分 力大于所述钻刀刀体内应力在水平面的分力。
本发明的有益效果在于：利用最终的孔位偏差量的精确计算公式，可 以在前期对线路板的孔位偏差进行预测，进而指导工程优化和生产操作； 利用分析孔位偏差量的计算公式，可以对每一个因素进行求偏导研究其对 孔位偏差量的影响规律，进而指导提升钻孔孔位精度的研究思路和改善方 向。
附图说明
图1示意性示出根据本发明一个实施例的孔位精度分析方法的流程图。
图2示意性示出根据本发明一个实施例的孔位偏差的位置关系图。
图3示意性示出根据本发明一个实施例的入钻滑移的位置关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
为提升线路板钻孔的孔位精度，以实现高密度积层印制板对孔位精度 的需求；从根本上解释钻孔孔位偏差的基本规律，并找出孔位偏差与各影 响因素的内在量化关系。本发明提出的线路板钻孔孔位精度分析方法，满 足如下特征：
T1、钻刀的主轴竖直中心线与待加工的线路板的水平中心线有一误差 角，该误差角为一定角度；即相对于90°而言，上述主轴竖直中心线与水 平中心线并非完全垂直；
T 2、钻刀未钻入该线路板内时，钻刀在X/Y方向是完全自由的，不受 到外部力影响；
钻刀钻入该线路板内时，并在持续钻孔过程中，钻刀在X/Y方向是完 全受束缚的，受到外部力(线路板)影响；
T 3、钻刀在钻入该线路板的入钻面瞬间，钻刀的钻尖具有一在X/Y方 向滑移，上述滑移形成一偏移量；
T 4、钻刀的刀柄至钻刀的钻刃末端为绝对刚性，即整个钻刀为不可弯 曲，以保证线路板钻孔方向控制。
如图1所示，本发明实施例提供一种线路板钻孔孔位精度分析方法， 包括如下步骤：
S1、钻刀以一定进刀速下钻，其中下钻的进刀速为一定值，具体根据 线路板材质、厚度而调整；
S2、钻刀在钻入该线路板的入钻面时，钻刀的主轴竖直中心线与线路 板的水平中心线存在误差角；
S3、钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力，该水平方向 为X/Y方向；
S4、误差角和主轴动态偏移作用，使钻刀的钻尖瞬间滑移；
S5、钻刀钻入线路板内，在X/Y方向受到完全束缚，即水平方向阻力 无穷大，钻刀以钻入线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下 钻；
S6、该线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏差， 形成孔位偏差。
如图2所示，本发明线路板钻孔孔位精度分析方法的钻孔孔位偏差图。 其中，H为线路板厚度，L为钻刀刃长，X0为钻孔的理论位置，Xˊ为钻刀 主轴的实际定位位置，X为下钻瞬间钻刀钻尖的实际位置，θ为偏移角即 下钻过程中钻刀的中轴线与线路板平面法线的夹角，σ为反面钻孔孔位偏 差，Δσ为正反孔位差值，σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏 移的综合偏差值。
一般地，钻孔偏位为几十微米，而钻刀刃长为几个毫米，在图2中的 偏移角θ非常小，因此，近似认为钻刀滑移为一个等力臂的旋转运动，图2 中给出的位置关系可以确定，孔位偏差计算式：
σ = σ ′ + Δσ = ( x - x 0 ) 2 + ( runout + σ 0 ) 2 + H * θ + ( H * Δθ ) - - - ( 1 ) ]]>
其中，第一项：σˊ为钻刀在线路板的入钻面(正面)的孔位偏移量； 第二项：Δσ为钻刀在线路板的出钻面与入钻面(即反面与正面)的孔位 偏移量之差；第三项：Δθ为钻刀钻入线路板瞬间与线路板平面法线夹角θ 的修正项，为实际钻孔过程中由于钻刀四周受力的不均匀会有一定的误差。
根据上式可知，钻刀钻入线路板的入钻面瞬间滑移量σ0及钻刀与线路 板平面法线夹角θ与钻刀刀径、刃长、入钻面等因素的关系，从而计算不 同情况钻孔偏位量。
如图3所示，本发明线路板钻孔孔位精度分析方法的入钻滑移偏位图。 其中，θ0为线路板的中心平面与X/Y平面的夹角，θ1为主轴动态偏差，Δ σ为正反孔位差值，σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移 runout导致的偏移角，θ1ˊ为钻刀钻尖滑移与主轴动态偏差，Δσ为正反孔 位差值，σ0+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout共同导致 的偏移角，σ0为入钻瞬间滑移量，钻刀钻入线路板的入钻面瞬间钻尖的滑 移量。
从图3中给出的位置关系可以确定，入钻滑移偏位计算式：
θ = θ 0 + θ 1 ′ = θ 0 + θ 1 + Δ θ 1 = θ 0 + runout L + σ 0 L - - - ( 2 ) ]]>
其中，入钻瞬间滑移量σ0通过钻尖受力平衡方程和弹性杆弯曲原理推 导得出与影响因素的函数关系式：
σ0＝f(入钻初始角σ0，主轴动态值run-out，刃长L，盖板μ，钻刃弯曲 系数k，钻刃轴向力F)(3)
上式中，σ0与入钻面、刀径、刃长等因素有关的变量，因此，找出与 已知量的关系式即可建立孔位偏差。
在进行孔位精度分析中，为保证孔位偏差与滑移偏位计算准确，具备 两个初始条件，之一为钻刀钻入线路板的入钻面瞬间，钻刀受到的水平分 力必须大于等于线路板的入钻面对钻刀钻尖产生的最大静摩擦力；之一为 钻刀在滑移弯曲过程中所形成的水平分力必须大于钻刀刀体内应力在水平 面的分力。
本发明实施案例基于分析步骤及公式第(1)、(2)、(3)，通过代数变 换得出反面孔位偏差量与已知影响因素的量化函数关系式，同时基于初始 条件和实验数据即可精确的找出函数关系中未知的常量，从而得出完整的 量化计算式。
本发明线路板钻孔孔位精度分析方法，利用最终的孔位偏差量的精确 计算公式，可以在前期对线路板的孔位偏差进行预测，进而指导工程优化 和生产操作；利用分析孔位偏差量的计算公式，可以对每一个因素进行求 偏导研究其对孔位偏差量的影响规律，进而指导提升钻孔孔位精度的研究 思路和改善方向。
通过本发明的孔位精度分析方法，实现最高孔位精度+/-1.5mil内 cpk>1.33的钻孔精度要求，同时也限制了部分无法达到高孔位精度要求的 应用范围，为实现高孔位精度的制作提供了技术支持，也及时限制了不适 用于高精度钻孔的品质报废。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。 任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包 含在本发明权利要求的保护范围内。