彭國豪 滿吉鑫 洪圳 高敬辭 王成勇 鄭李娟

摘要：對(duì)國內(nèi)外印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備產(chǎn)品性能進(jìn)行了分析對(duì)比，介紹了印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備的主要類別、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及其研究現(xiàn)狀，并提出未來印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備發(fā)展趨勢(shì)。用于生產(chǎn)印制電路板微鉆（直徑小于或等于0.2 mm）的國產(chǎn)精密數(shù)控高速磨削裝備產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和效率相比進(jìn)口設(shè)備還有一定差距，差距主要體現(xiàn)在多工位結(jié)構(gòu)、主軸和砂輪，確保主軸可靠性和穩(wěn)定性、磨削砂輪的性能是解決目前印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削難點(diǎn)的燃眉之急。微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備主要包括外圓磨床和磨槽磨尖機(jī)床，闡述了多工位結(jié)構(gòu)、磨削砂輪、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)微鉆精密高速數(shù)控磨削裝備性能的影響，未來印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備將朝著高穩(wěn)定性、高效、集成、智能化和具備在線監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測功能方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：印制電路板;微鉆;精密數(shù)控高速磨削裝備;關(guān)鍵結(jié)構(gòu);發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TG596???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0001-06

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(shù)控高速磨削裝備是實(shí)現(xiàn)印制電路板微鉆結(jié)構(gòu)多樣化的關(guān)鍵設(shè)備。印制電路板微鉆精密數(shù)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(duì)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(yōu)勢(shì)。為應(yīng)對(duì)電子產(chǎn)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(fā)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(shí)，印制電路板上涌現(xiàn)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(fù)雜的加工環(huán)境更加惡劣，對(duì)刀具微鉆質(zhì)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(dǎo)地位[1]。當(dāng)前印制電路板精密微鉆的制造難點(diǎn)在于制造精度、穩(wěn)定性、可靠性和效率等方面。

目前最成熟的微鉆制造方法當(dāng)屬精密磨削工藝，通過金剛石砂輪對(duì)刀具材料的磨削去除來實(shí)現(xiàn)刀具的高效成型。精密微細(xì)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(xiàn)缺陷，在切削時(shí)會(huì)影響到刀具的壽命以及切削加工的質(zhì)量，所能制備的刀具最小直徑也有限[2]。目前，對(duì)刀具磨削尺寸精度要求達(dá)微米級(jí)、制造精度達(dá)納米級(jí)，PCB微鉆不允許出現(xiàn)鋸齒、中心線波紋、傷痕等缺陷，所以對(duì)磨削裝備的多工位結(jié)構(gòu)、磨削砂輪的性能、主軸的旋轉(zhuǎn)精度、進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及床身的動(dòng)態(tài)特性等要求很高。

1 印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備國內(nèi)外產(chǎn)品性能對(duì)比

目前標(biāo)準(zhǔn)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(duì)微細(xì)精細(xì)的加工尺寸，國內(nèi)加工直徑為0.2 mm以內(nèi)的刀具制造廠商，所使用的磨床設(shè)備主要依賴于瑞士 Rollomatic 的進(jìn)口設(shè)備，因此一部分中小企業(yè)還處于人工半自動(dòng)化加工狀態(tài)。國內(nèi)存在如深圳友創(chuàng)智能設(shè)備有限公司（簡稱深圳友創(chuàng)智能）自主研制的磨槽磨尖機(jī)床（簡稱開槽機(jī)）和外圓磨床、深圳宏友精密發(fā)展有限公司開槽機(jī)（簡稱深圳宏友）、廣東鼎泰高科技術(shù)股份有限公司（簡稱鼎泰高科）自主研制開槽機(jī)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(shè)備，但可實(shí)現(xiàn)的刀具尺寸有限，且加工精度、加工穩(wěn)定性與國外高端產(chǎn)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(jié)構(gòu)和磨床主軸的穩(wěn)定性、可靠性以及磨削砂輪的性能，國內(nèi)外主要印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備生產(chǎn)企業(yè)及其產(chǎn)品如表1所示。

傳統(tǒng)刀具的生產(chǎn)工序分散、工藝流程復(fù)雜，很大程度上制約了產(chǎn)品品質(zhì)和效率的提升。瑞士 Rollomatic 公司率先提出高效大批量生產(chǎn)印制電路板鉆頭的概念，目前世界先進(jìn)的 PCB 微鉆數(shù)控高速磨削裝備就生產(chǎn)于該公司。對(duì)于直徑極小的微鉆（小于或等于0.03 mm）， Rollomatic微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備能用極高的主軸精度、檢測系統(tǒng)精度以及性能優(yōu)益的磨削砂輪保證微鉆的精度和質(zhì)量，其主軸可使加工精度保持在0.003 mm 以內(nèi)，其微鉆精密數(shù)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(dòng)保持在0.002 mm以內(nèi)，其擁有在線刀具測量系統(tǒng)，并可以將刀具直徑誤差保證在0.002 mm以內(nèi)，其自調(diào)整桿導(dǎo)向系統(tǒng)和浮動(dòng)工作頭軸承組件可使同心度公差低于0.001 mm，穩(wěn)定的主軸性能使其成為能夠制備小0.01 mm 微鉆的企業(yè)。

國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)也在快速追趕當(dāng)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(shù)控高速磨削裝備。深圳友創(chuàng)智能推出了商業(yè)化的多工位微鉆加工中心、全自動(dòng)段差粗精磨一體機(jī)等先進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了印制電路板微鉆加工的多站點(diǎn)、多工位的加工方式，其 Max-6000型多工位微鉆加工中心可以實(shí)現(xiàn)印制電路板加工刀具毛坯的自動(dòng)上料、開槽加工、磨尖加工、磨背加工和下料的循環(huán)工序，具有出色的穩(wěn)定性、超高的生產(chǎn)效率和極佳的研磨精度。金洲精工針對(duì) PCB外圓磨削的精密數(shù)控高速磨削裝備的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研發(fā)、攻關(guān)和突破，以及該公司擁有十幾年設(shè)計(jì)和制造各種微鉆產(chǎn)品的豐富經(jīng)驗(yàn)，造就其研發(fā)的 PCB 鉆頭、銑刀等先進(jìn)產(chǎn)品迅速打入國際知名 PCB制造廠商，能制備小0.01 mm 的超細(xì)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(shù)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(yīng)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(shè)備分定心和無心兩種。定心外圓精密數(shù)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(shù)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(qū)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(yùn)動(dòng)由砂輪、導(dǎo)輪和托板共同控制、磨削過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和工件支持剛性好的優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)及適用對(duì)象如表2所示[5]。

在無心精密數(shù)控高速磨削裝備的研究中，錢安寧[6]詳細(xì)論述了磨削區(qū)幾何形狀與圓度誤差的關(guān)系，給出了無心磨削幾何區(qū)域穩(wěn)定圖，介紹了支撐誤差復(fù)映理論在無心固定支撐磨削中的應(yīng)用。肖真健等[7]研究了運(yùn)用無心磨削的成圓理論，計(jì)算得到了最佳切削角范圍和其對(duì)應(yīng)的最佳中心高。紀(jì)國偉[8]利用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的方法使得優(yōu)化后的無心精密數(shù)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(shù)量不一定能提高外圓精密數(shù)控高速磨削裝備床身的動(dòng)剛度。Xu 等[9]提出了一種超聲輔助無心磨削加工的新技術(shù)，建立了可靠的力學(xué)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(jī)床

印制電路板微鉆磨槽磨尖機(jī)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(jī)床的對(duì)鉆尖進(jìn)行刃磨主要有兩種方法：外錐面刃磨法和內(nèi)錐面刃磨法。內(nèi)外錐面刃磨法都是以砂輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為主運(yùn)動(dòng)，刃磨磨削外錐面的形成是鉆頭繞著錐面中心做往復(fù)擺動(dòng)，通過控制鉆頭軸向進(jìn)給可以調(diào)整鉆頭磨削余量，刃磨磨削內(nèi)錐面則是鉆頭于砂輪內(nèi)部接觸包絡(luò)形成[10-11]。

在磨槽磨尖機(jī)床加工工藝研究方面，江湘顏等[12]分析了砂輪粒度、進(jìn)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(jìn)給速度越低（一定范圍內(nèi)）、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(guī)劃磨削的加工過程，包括各軸的前進(jìn)和后退順序以及磨削參數(shù)等，采用刀具磨削 CAM 系統(tǒng)設(shè)置合適的磨削參數(shù)，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(guī)則砂輪表面和鋒利砂輪表面產(chǎn)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(fā)了刀具設(shè)計(jì)、仿真、制造和奇點(diǎn)求解軟件。

3 印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

3.1 多工位結(jié)構(gòu)

隨著印制電路板加工用微鉆的需求越來越大，多工位結(jié)構(gòu)的微鉆精密高速磨削裝備成為微鉆磨削設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)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(jīng)很難滿足大量的印制電路板微鉆的生產(chǎn)需求，多工位結(jié)構(gòu)可以改善大批量硬質(zhì)合金微鉆生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率低、加工周期長、加工質(zhì)量不穩(wěn)定的情況，裝備的多工位結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾對(duì)鉆頭前刀面、后刀面、刃帶等進(jìn)行磨削，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾對(duì)工件進(jìn)行粗磨、精磨、拋光等，使工序集中，極大的提高生產(chǎn)效率和加工精度[15]。

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

3.2 磨削砂輪

砂輪是印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備中，與零件直接接觸的關(guān)鍵部件，直接影響微鉆加工質(zhì)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(zhuǎn)與工件進(jìn)給配合，實(shí)現(xiàn)材料的微量（納米級(jí)）去除。因此，砂輪的設(shè)計(jì)、配方、制造對(duì)微鉆加工質(zhì)量具有重要的影響，在微鉆精磨中對(duì)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(jié)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(xì)、砂輪的硬度，從這幾個(gè)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(yīng)用范疇，例如印制電路板微鉆的材料大部分是硬質(zhì)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(jìn)行磨削。

金剛石磨料經(jīng)由樹脂結(jié)合劑附著在砂輪上，加入適當(dāng)?shù)奶畛洳牧希?jīng)過配方設(shè)計(jì)、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(jié)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(dá)260℃。由樹脂結(jié)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(zhì)量。

張俊[20]設(shè)計(jì)了一種表面結(jié)構(gòu)化 CVD 金剛石砂輪，并建立了結(jié)構(gòu)化砂輪磨削紋理的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂輪結(jié)構(gòu)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(jié)合劑的特點(diǎn)、制備和原材料，提出用超硬磨具通用陶瓷結(jié)合劑可以降低生產(chǎn)磨具的綜合成本，環(huán)保節(jié)能，調(diào)節(jié)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有利于集約式發(fā)展。劉小磐[22]對(duì)陶瓷金剛石砂輪的磨削性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合劑含量為24 wt%，金剛石粒度為140#/170#時(shí)的未涂覆金剛石砂輪加工單晶硅的磨損比出現(xiàn)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(tǒng)

微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備的主軸系統(tǒng)主要由磨床主軸、密封件、支撐軸承和定位元件組成，作為關(guān)鍵部件其應(yīng)該具有高剛度、抗振性、高旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)精度對(duì)磨削加工精度影響巨大，砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)誤差會(huì)“復(fù)映”到工件上。因此主軸系統(tǒng)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(shù)控高速磨削裝備正朝著超精密、高效率方向發(fā)展，單軸雙端面精密數(shù)控高速磨削裝備主軸也已被設(shè)計(jì)出來。雙端面精密數(shù)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(gè)精密磨削主軸結(jié)構(gòu)，該主軸通過皮帶輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩砂輪組件進(jìn)行高效加工。

國內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)精密數(shù)控高速磨削裝備的主軸進(jìn)行了研究。張華[23]建立了深淺腔液體動(dòng)靜壓軸承油膜-涂層-軸承的耦合模型，應(yīng)用 FLUENT 流體分析軟件精確計(jì)算油膜溫度場，聯(lián)合 ANSYS有限元分析軸承的熱變形，得出主軸在轉(zhuǎn)速為1600 r/min時(shí)最大變形量為9.730μm。潘宇倩[24]通過磨削加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)主軸系統(tǒng)做了臨界轉(zhuǎn)速分析，獲得了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)低階臨界轉(zhuǎn)速和共振峰值。Hou 等[26]對(duì)轉(zhuǎn)子-主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合特性進(jìn)行理論建模，對(duì)軸承的預(yù)緊力，支撐跨度和主軸質(zhì)量進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了其對(duì)固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速的影響。武智[27]設(shè)計(jì)了磨床主軸系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)速得到了提高。在高速精密磨床主軸動(dòng)靜壓軸承研究方面，丁海兵等[28]使用雷諾方程和連續(xù)性方程，聯(lián)合能量方程，并且考慮溫度對(duì)黏度的影響，建立并改進(jìn)了動(dòng)靜壓潤滑理論分析模型，使得計(jì)算結(jié)果更貼近于實(shí)際情況。

3.4 進(jìn)給系統(tǒng)

微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備的進(jìn)給系統(tǒng)一般由伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成。進(jìn)給系統(tǒng)是微鉆磨削裝備實(shí)現(xiàn)空間可控運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)部位，精確改變工件和砂輪的相對(duì)位置是確保微鉆磨削質(zhì)量的重要條件，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)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(fù)定位精度。進(jìn)給系統(tǒng)的移動(dòng)速度和加、減速度會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性和工作效率[29]，進(jìn)給速度應(yīng)均勻準(zhǔn)確，縱向進(jìn)給最小速度應(yīng)達(dá)0.3 m/min ，橫向進(jìn)給應(yīng)達(dá)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(jī)是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件，是決定機(jī)床性能的關(guān)鍵。為保證微鉆磨削能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地進(jìn)行，伺服電機(jī)應(yīng)該至少具備有力矩大、低慣性、良好的控制性能等條件[31]。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，平移型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般由滾珠絲杠和聯(lián)軸器構(gòu)成，用于將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般由渦輪桿和工作臺(tái)組成用于改變傳動(dòng)方向，還可以增加伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力[32]。機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)需要具備高傳動(dòng)剛度、低摩擦、低慣性等特點(diǎn)，保證足夠的剛度和接觸剛度，能減小振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能和加工質(zhì)量的影響;降低運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的摩擦因數(shù)從而降低摩擦力，使運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，同時(shí)減小熱量累計(jì)帶來的熱變形，從而保證定位精度;輕量化設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以減少慣性，使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)于頻繁啟停、變速、變向等，保證其動(dòng)態(tài)特性。

3.5 床身

床身是精密數(shù)控高速磨削裝備重量支撐基礎(chǔ)，頭架、尾架、工件、工作臺(tái)和砂輪架等關(guān)鍵零部件都由其支撐。床身的動(dòng)態(tài)特性，關(guān)系著微鉆精密數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高磨削裝備的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)還能節(jié)約材料，降低成本[33]。

精密數(shù)控高速磨削裝備的床身是多軸數(shù)控刀具精密數(shù)控高速磨削裝備的承載件，支撐著 X、Y、Z 方向進(jìn)給模塊、A 回轉(zhuǎn)進(jìn)給模塊、W 回轉(zhuǎn)進(jìn)給模塊以及磨頭模塊。床身的材料選型、強(qiáng)度、剛度對(duì)以上模塊的運(yùn)動(dòng)精度有著較大的影響。與此同時(shí)，床身需要進(jìn)行靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)。床身采用整體性設(shè)計(jì)，床身基座和底座采取桶槽設(shè)計(jì)，可以提高 X、Y、Z 進(jìn)給模塊的裝配精度和運(yùn)動(dòng)精度。王春燕[34]對(duì)機(jī)床的床身進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的精密數(shù)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(jī)床床身的材料選型對(duì)其靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、熱變形具有影響。精密數(shù)控高速磨削裝備在運(yùn)行過程中會(huì)受到來自于伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦、工件材料的去除等多種熱源的影響，這些熱量會(huì)通過各種不同的途徑傳遞到機(jī)床立柱、床身、導(dǎo)軌等精密載重部件，使精密數(shù)控高速磨削裝備中的精密部件產(chǎn)生不均勻的溫度場和熱變形，從而對(duì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的幾何精度和加工過程中的定位精度造成影響。熱量對(duì)精密數(shù)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(xiàn)代精密數(shù)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(fù)合材料，具有優(yōu)良的阻尼特性、動(dòng)靜態(tài)特性、熱穩(wěn)定性、高整合性以及耐酸堿性、綠色無污染等特點(diǎn)。國內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)人造花崗巖的材料配比優(yōu)化、力學(xué)性能及其增強(qiáng)機(jī)理、阻尼特性、蠕變機(jī)理、熱變形等進(jìn)行了研究[35-37]。喬雪濤等[38]對(duì)人造花崗巖復(fù)合材料精密數(shù)控高速磨削裝備床身進(jìn)行了瞬態(tài)熱應(yīng)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(duì)數(shù)控精密數(shù)控高速磨削裝備的床身進(jìn)行有限元分析，找出了床身的薄弱環(huán)節(jié)，確定了其共振頻率，對(duì)后續(xù)機(jī)床其他零部件的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

4 印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備未來發(fā)展趨勢(shì)

為制備更小直徑的印制電路板微鉆，同時(shí)提高其生產(chǎn)效率、質(zhì)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(gè)方向發(fā)展：高穩(wěn)定性、高效、集成、智能化和具備在線檢測、狀態(tài)監(jiān)測功能。

（1） 高穩(wěn)定性。在微鉆的磨削過程中，磨床的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響到刀具精度及表面質(zhì)量。因此需要保證精密數(shù)控高速磨削裝備具有高穩(wěn)定性，避免磨削過程中的顫振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)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(qū)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(zhì)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(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)以及砂輪磨削量的實(shí)時(shí)檢測是十分關(guān)鍵的，這就需要各組成部分各司其責(zé)、相互影響，共同實(shí)現(xiàn)，達(dá)到高精度、高效率的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，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(zhì)量問題上有10%～15%的產(chǎn)值損失，同時(shí)裝夾、找正、對(duì)刀等非加工時(shí)間占時(shí)較多，實(shí)際磨削時(shí)間僅為30%，而采用在線檢測技術(shù)可以避免以上情況的發(fā)生[41]。

（3） 狀態(tài)監(jiān)測。隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛運(yùn)用，對(duì)于設(shè)備管理就提出了更高的要求，機(jī)床的狀態(tài)檢測的目的在于預(yù)測故障的發(fā)生，提高設(shè)備的可靠性，降低運(yùn)行成本，其中需要對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并且依靠先進(jìn)的算法和模型進(jìn)行診斷。一般來說通常采取外置轉(zhuǎn)矩、加速度、溫度、聲發(fā)射、圖像、位移、切削力等傳感器獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，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(shí)現(xiàn)印制電路板微鉆的快速成型，磨削裝備的多工位結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shù)的普及和先進(jìn) AI 技術(shù)的逐漸成熟，萬物互聯(lián)正在成為現(xiàn)實(shí)，印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備應(yīng)該與之結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)加工效率的飛躍。

5 結(jié)束語

本文對(duì)國內(nèi)外印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備性能進(jìn)行了對(duì)比，并介紹了印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備的分類以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和研究現(xiàn)狀，結(jié)論如下。

（1） 國產(chǎn)印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備實(shí)現(xiàn)的刀具尺寸有限，且加工精度、加工穩(wěn)定性與國外高端產(chǎn)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(jié)構(gòu)和磨床主軸的穩(wěn)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(shù)控高速磨削裝備主要依賴進(jìn)口。

（2） 印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包括多工位結(jié)構(gòu)、磨削砂輪、主軸系統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)和床身，這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)直接影響印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備的加工精度。

（3） 在印制電路板微鉆精密數(shù)控高速磨削裝備發(fā)展趨勢(shì)方面，將朝著高穩(wěn)定性、高效、集成、智能化和具備在線監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測功能發(fā)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(lǐng)域?yàn)橛≈齐娐钒寮庸ぁ?/p>

※通訊作者簡介：鄭李娟（1987-），女，福建廈門人，博士，教授，研究領(lǐng)域?yàn)殡娮与娐窂?fù)合材料高效精密綠色加工理論、刀具與工藝，已發(fā)表論文70篇。

（編輯：王智圣）