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【摘要】随着电子产业的迅速发展，PCB微小孔的加工数量越来越多。但是微小孔在钻削加工时存在摩擦、磨损、折断、失效等问题，尤其是高速钻削时钻头与切屑、钻头与孔壁、切屑之间摩擦会造成孔壁质量下降和钻头报废，进而影响生产效率和生产成本的增加。本文论述了PCB高速钻削的摩擦磨损现象、钻头的涂层研究和钻头磨损的在线监测等三个方面，总结了减小摩擦磨损的措施、钻头涂层、钻头磨损在线监测的研究现状以及发展方向等。
【关键词】微钻；摩擦磨损；涂层；在线监测
一、引言
印制电路板加工成型的每一个环节又是相互制约的，比如原来的电路板材料单一，功能也没有太多，由于孔径较大，在钻孔过程不必去考虑太多的微观影响因素；随着电路板功能的提高，需要在电路板有限面积上布置更多的元器件，所以促使电路板向多层高密度的方向发展，并且出现了高密度内层互联板，电路板的材料也是向复合材料(主要有铜箔，玻璃纤维和环氧树脂等)发展。电路板上孔的数量和密度大幅提高，孔径越来越小(孔径小于0.3mm)，要求钻孔的速度(转速大于16万转)越来越高，钻削机理同原来的钻削单一材料的宏观尺寸孔有着明显的不同。对于多层高密度印制板上孔的钻削，由于复合材料各向异性明显，导致钻削环境的特殊性和复杂性，其钻头与切屑，钻头与孔壁，切屑之间的摩擦机理不同于一般的材料与钻头的摩擦，钻头在钻削过程中与不同的材料接触，各个阶段有不同的摩擦机理；也不同于钻削宏观尺寸孔的摩擦机理，印制板上机械钻孔的直径小于0.2mm将成为主流，属于介观尺度范围，原来影响钻头磨损可以忽略的因素有可能成为钻头磨损的重要影响因素，比如极微小的灰尘和颗粒可能会引起钻头的磨损，切削刃等的微小磨损有可能成为影响钻孔质量的关键因素，另外钻削速度的大幅提高共同决定了印制板超微细孔的钻削过程有着很多摩擦学上的特殊性。钻头的磨损不但增大了换刀频率，使得电路板的成本增加，还会对孔壁质量造成影响，造成电路板报废，如图1是由于钻头磨损和破损造成的孔壁的挖破现象。
PCB环氧玻璃布覆铜板对刀具的磨损特别快，所以PCB钻孔用微钻一般采用硬质合金定柄钻头，使其有高的耐磨耐热性和较高的动态同心度。所谓硬质合金是以硬度高耐磨性强碳化钨粉末为基体，以耐冲击及硬度较强的钴粉作粘结剂经加压、烧结而成。
印制电路板的材料一般为铜箔玻璃纤维布、高分子树脂组成。钻孔过程中所发生的摩擦磨损与这些材料的性质息息相关。微钻在钻削过程中主要发生磨粒磨损、粘结磨损、化学磨损，由于微孔加工环境复杂和材料的特殊性，在实际加工中三种磨损还可能存在一定的演变机制。由于高速加工时材料会被钻头的钻入切削撕裂产生碎片或粉末切削，可能对摩擦表面产生切削或刮擦作用，造成合金钻头的合金晶粒剥落，从而引起磨粒磨损；超高速钻削微孔时，切屑带走的热量比例较大，随着钻削深度的增加切屑的排出越来越困难，切削温度升高，树脂材料熔化牢固地将玻璃纤维和铜箔碎片粘结，形成坚韧的切削体，在滑动过程中产生剪切破坏，带走刀具材料或使切削刃和前面小块剥落，由于钻头表面的硬质合金颗粒的剥落，造成粘结磨损。
目前减小高速加工钻头摩擦磨损的研究主要有以下几个方面：1.合理的设计钻头结构，外形和选择合适的参数，使其具有顺畅的排屑性能和良好的抗弯抗扭性能；2.寻求更好钻头的材料提高硬度、耐磨性,并且具有更好的热导率；3.使用涂层技术，使钻头有更好的耐温耐磨和热化学稳定性，大幅提高钻头的寿命；4.采用监测技术，对钻头磨损进行在线监测，目前刀具磨损监测的研究中，较多的是基于声发射法切削力及扭矩、电机电压电流来判断刀具的破损状况[1] ，本文将对高速钻削PCB微细孔的摩擦磨损、钻头的涂层技术、钻头的在线磨损监测等方面的理论研究和现状分析进行探讨。
二、磨损理论研究
在PCB钻削时会发生至少三种形式磨损，但是这三种磨损在整个钻削过程中并不是按一定的顺序发生，有可能是同时发生其中两种或者三种形式磨损，也有可能只发生其中一种磨损。因为钻削过程中材料的性质由于高温会发生较大的变化，从钻头钻入盖板到最终完成钻孔这一过程中，由温度升高等因素影响而形成的复杂恶劣的环境时刻处于一个动态变化过程，在这个极短的钻削过程中，如果能够确定哪个阶段主要发生哪种磨损，从而分析各个阶段磨损的原因，最后综合这些原因，那么就可以为寻求一个最优的钻头设计方案、钻削工艺方案，从而为提高钻头的寿命提供依据。
1. 磨粒磨损
磨粒磨损有两种情况，第一种粗糙而坚硬的表面贴着较软的表面滑动，前面提到由于切削温度的提高会产生坚韧的切削体，若它的硬度高于印制板材料的硬度，表面非常的粗糙，就会对孔壁造成磨损；材料中的硬质点也会对刀具产生微切削作用，造成磨损，微观磨损情况如图2。
第二种情况是游离的坚硬粒子在两表面之间滑动所致，研究表明，来自大气的尘埃是磨粒磨损的主要原因，对于超威细孔的加工有可能粒径很小的灰尘就能造成磨损，微观磨损情况如图3。
所以要通过适当的密封和吸尘装置来减少微粒。硬质合金是以碳化钨粉末为基体，以钴粉作粘结剂经加压、烧结而成的，通常含碳化钨94％，含钴6％。如表1可知，碳化钨硬度极高。
但是研究表明，有的材料即使具有较高的硬度，但是在某些工况中易断裂剥落所以反而不耐磨，如碳化钨材料等[2]。为了改善硬质合金的性能，有的采用在碳化基体上化学汽相沉积一层5～7微米的特硬碳化钛(TIC)或氮化钛(TIN)，使其具有更高的硬度；有的用离子注入技术，将钛、氮、和碳注入其基体一定的深度，不但提高了硬度和强度而且在钻头重磨时这些注入成份还能内迁；还有的用物理方法在钻头顶部生成一层金刚石膜，极大地提高了钻头的硬度与耐磨性[3]；武汉晶泰有一项国际专利，采用独创的金属材料改性技术，制作的“晶泰NW一3—2”新型硬质合金PCB板微钻，由于硬度极大地提高，耐磨性增大，寿命是世界上最好的普通高性能PCB板微钻的3倍，成本只增加了0.5倍[4];中南大学的张立采用纳米棒强化的新概念制作的硬质合金，既具有纳米材料的特性，又具有纤维材料的特性，能实现高耐磨性、高韧性和高热导率的完美结合，是新一代PCB微钻的理想材质[5]。 在高速钻削PCB微细孔的不同阶段，钻头的结构与摩擦磨损的关系，钻削工艺(进给速度、切削速度等)与摩擦磨损的关系还有待试验研究。
另外，有些硬度较低的材料比硬度高的材料更耐磨，却又增加韧性[2]。作者认为，如果能够寻找到一种这样的材料替代硬质合金就能够使钻头的制造更为简单，成本降低。
2. 粘结磨损
实验证明，切削速度提高到一定程度以后温度增加缓慢，甚至切削速度超过某一极限时切削温度会随着切削速度的提高可能会下降[6]。但是在高速钻削PCB微细孔时，加工环境复杂，转速提高的同时，孔内其它因素也会成为问题生成的重要因素。如图4为载荷对于切削温度的影响。
前面已经说明了粘结磨损发生的原因是温度，金属的硬度通常与温度有关，温度越高则硬度越低，由于微凸体发生粘着的可能性和磨损率会随着硬度的降低而增大，因此无其他影响时，它们还会随着温度的升高而增大，这种影响已有M.J.Hordon所证实[7]。钻头材料虽然采用了热硬性较好的碳化钴和钴等，但是究竟在钻孔过程中温度对它们的影响如何还有待试验验证，这对于合理的改进钻头材料也至关重要。
在微孔钻削过程中由于随着切削深度的增大排屑越来越困难，导致载荷的增加，载荷增大会引起摩擦力的增大，因而会引起温升，其产生的影响如前面所述，载荷的增加还会使得轻微的磨损转化为严重磨损，这种转化发生在如下条件下：
此公式已被Barwell和Strang所证实[8]。
由此可见，温度升高会使得硬度H降低，同时随着在载荷W的增加，有可能会发生严重磨损。
以上分析可以看到，温度和载荷是造成这类磨损的主要原因，在高速钻削PCB微细孔的研究中，由于其加工环境复杂，造成温度和载荷上升的原因很多，如切屑的形状、排屑性能、钻头的结构(影响切削力和排屑性能)。另外也有很多有关降低温度措施的研究。可以考虑采用合适的盖板来加强排屑和散热，如图5便为某公司生产的特殊的盖板，它与一般的铝盖板的差异在于它由两层材料组成，一层是润滑层，一层是铝箔，钻头下钻过程中得到了润滑，减少了钻头与被加工孔之间的摩擦，大大减少了热源的产生，使得钻头温度得以降低[9] 。
此外，还有对微钻结构与散热影响的研究。如果钻头的钻尖角较大，则排出物比较容易产生粒状的外形，有利于排屑的排出并将热量带走,但是这时推力增大，扭矩减小，如果钻尖角变小，推力减小，扭矩增大，便容易产生断针的危险；所以合理的设计钻针的形状会使热量减少，减小磨损，提高钻针的寿命。
以上分析可以看出在高速钻削由于影响因素复杂，所以在减少钻削磨损方面还有大量的工作要做，包括钻头的材料、形状，结构等的优化设计，盖板和垫板等材质选择等。
3. 化学磨损
高速钻削微细孔的过程中，除了会发生以上两种形式的磨损外，还会发生化学磨损，一般认为，PCB微钻的化学磨损主要是由于PCB材料中经溴化环氧树脂所释放出的高温分解产物对微钻材料WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学侵蚀所造成的。在300℃左右，这种侵蚀反应已比较明显。降低硬质合金中的Co含量，可有效降低这种化学磨损[10]。
三、微钻涂层研究
钻头形状和各部分参数均对其摩擦磨损有着影响，合理的钻头结构和参数的选择可以更好地改善高速加工的环境，但是仅仅改变这些参数和结构还不够，如果在材料上下功夫，使得钻头有更高的硬度和耐磨性、导热性，那么就会大大提高钻孔质量。对钻头材料的改善往往考虑采用涂层技术。刀具涂层技术是应市场需求而发展起来的一种优质表面改性技术，由于该技术可以使得切削刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率和使用寿命，因此该技术已经成为满足机械加工高效率高精度高可靠性的关键技术之一，世界各国都十分重视涂层技术的发展[11]。我国是半导体集成电路板卡的生产大国，现代电路集成板卡都是采用纤维增强的复合材料制成，对硬质合金钻头的磨损非常严重，钻头消耗占板卡总产值的15%左右[12]。采用涂层钻头有望解决这一问题。
目前普遍采用的两种涂层方法是化学气相沉淀(cvd)和物理气相沉淀(pvd)，而对于采用化学气相沉淀(cvd)的金刚石涂层研究较多。武汉工程大学的邢文娟等人对WC—Co硬质合金钻头经过短时间酸腐蚀和微波等离子体硼氮化处理后，利用热丝CVD方法生长金刚石薄膜，并在电路板和玻璃板上进行了附着力测试，测试结果表明，金刚石薄膜涂层钻头具有更高的寿命[13]； 四川大学的苟立等人将表面低Co含量(Co含量一O.38wt％)的硬质合金基体在微波等离子体化学气相沉积装置中进行金刚石涂层，研究结果表明：不同厚度的金刚石涂层均具有良好的晶型。虽然涂层厚度增加，但是基体表面Co含量较少，是形成涂层，基体附着性能良好的主要原因，6m的金刚石涂层具有较好附着性能[14]；北京科技大学的耿春雷研究了利用线形同轴祸合式微波等离子体CVD法在PCB用硬质合金微型钻头(微钻)表面沉积金刚石涂层过程中遇到的两个主要问题，即涂层前预处理工艺对微钻力学性能的影响，以及微钻金刚石涂层时出现的尖端效应[15]，克服了微钻在热丝cvd法涂层时的缺陷，对于提高PCB微钻的断裂强度和避免尖端效应提供了有力的指导；台湾的H.Y.Ueng采用PVD-ECR-CVD系统进行金刚石涂层，对PCB进行钻孔试验表明，经过此种涂层，微钻寿命提高2.5倍，孔壁质量比未涂层钻孔的钻孔质量高[16]。
对于物理汽化蒸镀涂层技术(pvd)在微钻上的应用；对于不同的涂层材料对微钻的切削性能(如轴向力，扭矩等)的影响等的研究还很少；对于涂层微钻刃磨工具和涂层的合理应用还有很多需要研究。
四、微钻磨损监测研究
在高速钻削PCB微细孔的过程中，通过对钻头在线磨损的检测，配合以钻削温度和钻削力的在线检测可以研究钻头的磨损与温度和钻削力的关系；通过对涂层和未涂层、不同参数、不同结构和形状的钻头的磨损的在线检测可以建立钻头的耐用度模型，为钻头的设计提供依据；通过在线磨损检测可以确定钻削过程中不同阶段发生的磨损情况，从而对不同阶段的磨损形貌进行观察，可以确定钻头磨损机理。目前国内外的很多学者已经对钻孔磨损的在线检测进行了研究。 目前监测刀具磨损和破损的方法很多，大致可以分为直接测量法和间接测量法两大类。直接法是直接检测刀具磨损面的数值大小，分为光学和非光学方法；间接法是通过检测与刀具磨损状态相关的物理信号来估计刀具磨损状态[17]；间接检测方法中，最为常见也较为有效的方法有切削力检测、声发射检测和电机电流/功率检测等，在某种程度上能够实现在线检测[18]； 直接在线检测刀具磨损的方法是利用基于图像分析的计算机视觉方法，具有非接触、可得到磨损精确量、使用方便且速度快的优点[19]。目前国内外各种方法的研究状况如下。
1. 间接法
国内很多学者研究了根据切削力信号来判断刀具的磨损的方法，西安理工大学的郑建明等人对此进行了大量研究，针对基于时域、频域和时频域特征的监测方法所存在的缺点，提出了利用分维数来描述切削力信号的新方法，指出随着钻头磨损的增加，钻削力分维数呈现下降趋势，运用切削力的分维数特征可以有效实现钻头磨损状态的监测[20]；并且他还研究了一种钻削力功率率谱特征的提取和识别的方法，采用小波变换对功率谱进行多层分解，提取低频分解系数作为功率谱的包络信息，从而实现对功率谱特征的提取和压缩，并利用BP神经网络对功率谱小波低频分解系数进行融合，实现钻削过程钻头磨损状态的智能识别[21]； 他还采用小波分析技术提取表征钻头磨损的切削力信号特征，系统地研究了钻头整个磨损历程中扭矩和轴向力信号小波重构分量的变化特点，分析了切削力信号各频段重构分量时域统计特征——方差随钻头磨损的变化趋势，为实现钻头磨损量的在线监测奠定了基础[22]； 西南交通大学的高见明等人提出了基于B样条模糊神经网络作为刀具磨损量监测模型，该模型能够准确描述刀具磨损和切削力等信号特征的非线性关系，对提高刀具磨损在线监测的准确度和可靠度非常有效[23]；华南理工大学的赵学智等人，利用小波变换对切削力信号进行分析，指出变换结果的模极大值点反映了刀具发生磨损或破损的时刻，而其奇异性指数的大小则反映了刀具的磨损状况，并验证了该方法的有效性[24]。
以上提取和处理钻削力信号的方法均是针对钻削中的随机性和非线性而导致从加工过程采集的传感器信号呈现的不规则性和非平稳性这一缺点而进行的研究。1977年，Grabec和Leskovar对切削过程中所发出的声音进行了收集与分析，1wata和Moriwaki于同年利用声发射来进行切削过程刀具磨损检测。此后，不断有学者利用声发射来进行刀具磨损以及切削过程检测的研究。但是，绝大部分的研究都是建立在波形分析的基础上，利用神经网络等人工智能手段进行模拟与预测，无法在特征统计量与刀具状态之间建立直接的物理联系,东华大学的陈晓智用一种新的声发射刀具磨损小波分析方法来判断刀具状态，克服了以上缺点[25]。
对于采用电机电流的变化来监测刀具的磨损通过建立电流与不同磨损之间的模型来对磨损进行预报。对这一方面的研究也很多了，各种研究的不同之处就在于所建立的数据模型和提取信号特征方法的不同。除了这些，还有通过分析轴向力和扭矩等与磨损之间的关系来对磨损进行进行监测的。
这些方法的一个共同点就是通过检测与刀具磨损状态相关的物理信号来估计刀具磨损状态，但是存在一个缺点就是无法得到刀具磨损的真实几何尺寸，影响测量结果的因素多[19]。尤其是在高速加工时，加工环境复杂多变，切削参数多变，所以应用间接检测法实时性差，不能对状态立即做出反应。
2. 直接法
直接法中的光学法研究和应用较多。直接法检测效果取决于采集图像处理和磨损的模式识别，可以使用各种边界检测和纹理特征的识别方法。该方法的缺陷是只能分析刀具磨损的二维特征，针对这一缺陷，哈尔滨工业大学的杨国辉等人提出了一种基于激光光栅投影技术对硬合金刀具磨损图像进行检测的方法，可以提取三维特征，该方法是在换刀间隙进行检测，可以实现在线检测[19]。作者认为，由于这种方法速度快，可以移植到PCB加工过程中钻头的监测。Su(2000)提出了一个基于视觉识别的刀具磨损检测系统，可以很好地评价钻10层板的刀具磨损情况[26]； Choi, Young-Jo也提出了一种机器视觉系统来监测微钻磨损的方法[27]，可以很好的观测微钻磨损的三维形貌。通过以上总结可以看出，光学监测法的优点在于：(1)可以在线检测钻头磨损形貌，利用图像分析技术可以测定钻头的磨损参数，建立钻头的耐用度模型。(2)实时性好，不受加工环境的影响。
上述研究中对钻头磨损和钻削力、轴向力、振动等的关系没有研究，如果将间接测量法中的钻削力特征的处理方法同光学法结合使用，可能就能建立钻头磨损与钻削力等的关系模型。
五、结论
文章论述了高速钻削时微钻头的减小摩擦磨损的措施、钻头涂层、钻头磨损在线监测的研究现状以及发展方向，提出了目前研究的不足。由于高速钻削PCB微孔的特殊性，有必要对钻头的摩擦磨损机理，钻头的涂层和在线磨损监测进行更深入的研究，为钻头最优化设计提供依据，以满足高速钻削PCB的需要。
参考文献：
[1]刘晓明，杨平.加工中心刀具破损实时监控技术的研究.控制与检测,2005(4):71-73
[2]黄智文.谈谈磨粒磨损.表面技术,2000,39(4):34-36
[3]线路板数控钻床钻头研究.深圳市东顺电子科技有限公司网
[4]武汉晶泰微钻技术达国际先进水平.工具技术:70
[5]张立.WC纳米棒强化的硬质合金—PCB微钻的材料与工艺设计.硬质合金,2001,18(4):193-196
[6]丁锦宏.高速数控机床概述.中国制造信息化，2006，35(11)：36-41
[7]M.J.Hordon.Adhesion or Cold Welding of Materials in Space Environment.A.S.T.M,STP,1967(431):109-127
[8]J.T.Burwell,C.D.Strang Metallicwear.Proc.R.Soc, 1952(212A),470-77 [9]程分喜，杨宏强，王洪.微孔精密技术研究.Journal of the HKPCA,2007(23):10-25
[10]台湾电路板协会.电路板机械加工技术.2004:87-88
[11]孙永红，朱派龙.钻削刀具及其工艺新发展.广东轻工职业技术学院学报,2005(4),3:7-9
[12]吕反修．CVD金刚石膜的产业化应用与目前存在的问题．新材料产业，2003，7：63—67
[13]邢文娟,王升高,陈宁,汪建华,王传新,吴雪梅.微型硬质合金钻头上金刚石涂层研究.金刚石与磨料磨具工程,2007(6):23-30
[14]苟立,李洪林,冉均国,张继芳.硬质合金金刚石涂层的附着性能.硬质合金,2007(24),3:144-147
[15]耿春雷.微波等离子体CVD法在硬质合金微钻表面进行金刚石涂层的研究.北京科技大学硕士论文.2006
[16]H.Y. Uenga,C.T.Guo,K.H.Dittrich.Development of a hybrid coating process for deposition of diamond-like carbon films on microdrills.Surface&Coatings Technology,2006:2900-2908
[17]MAGEE J,SIDHU J,COOKER L,A .prototype laser forming system[J].Opt.Laser Eng.,2000，34(4)：339—353．
[18]ALHABAIBEH A，GINDY N．A new approach for systematic design of condition monitoring systems for milling processes．J．Mater．Process．Techno1．，2000，107(2)：243—251．
[19]姜宇,杨国辉.基于光栅投影技术的刀具磨损三维特征提取方法.光学精密工程,2007(15),3:390-395
[20]郑建明,李言,肖继明,黄玉美，洪 伟.分形在钻头磨损切削力特征提取中的应用.应用科学学报.2004(22),3:337-341
[21]郑建明,李言,肖继明,洪 伟.基于功率谱小波分解的神经网络钻头磨损监测.应用科学学报.2004(22),4:513-517
[22]郑建明,李言,肖继明,黄玉美.基于小波重构的钻头磨损切削力特征提取.西安理工大学学报,2001(11),2:133-137
[23]高宏力，傅 攀，许明恒.基于B样条模糊神经网络的刀具磨损监测.机械科学与技术,2005(24),6:751-753
[24]向文江，赵学智，陈文戈.基于小波变换的刀具磨损检测方法.工具技术，2000(34)，5：34-36
[25]陈晓智，李蓓智，杨建国.一种新的声发射刀具磨损小波分析方法. 无损检测，2007(29)，1：12-34
[26]Su J.C., Huang C.K., Tarng Y.S.. An automated flank wear measurement of microdrills using machine vision. Journal of Materials Processing Technology, 2000,180(1-3): 328-335
[27]Choi,Young-Jo,Chung,Sung-Chong.Monitoring of micro-drill wear by using the machine vision syste.Transactions of the North American Manufacturing Research Institute of SME,2006:143-150
作者简介：
秦莉君，女，1983年生，五星控股集团，学士，主要研究方向：PCB钻削加工研究。
【关键词】微钻；摩擦磨损；涂层；在线监测
一、引言
印制电路板加工成型的每一个环节又是相互制约的，比如原来的电路板材料单一，功能也没有太多，由于孔径较大，在钻孔过程不必去考虑太多的微观影响因素；随着电路板功能的提高，需要在电路板有限面积上布置更多的元器件，所以促使电路板向多层高密度的方向发展，并且出现了高密度内层互联板，电路板的材料也是向复合材料(主要有铜箔，玻璃纤维和环氧树脂等)发展。电路板上孔的数量和密度大幅提高，孔径越来越小(孔径小于0.3mm)，要求钻孔的速度(转速大于16万转)越来越高，钻削机理同原来的钻削单一材料的宏观尺寸孔有着明显的不同。对于多层高密度印制板上孔的钻削，由于复合材料各向异性明显，导致钻削环境的特殊性和复杂性，其钻头与切屑，钻头与孔壁，切屑之间的摩擦机理不同于一般的材料与钻头的摩擦，钻头在钻削过程中与不同的材料接触，各个阶段有不同的摩擦机理；也不同于钻削宏观尺寸孔的摩擦机理，印制板上机械钻孔的直径小于0.2mm将成为主流，属于介观尺度范围，原来影响钻头磨损可以忽略的因素有可能成为钻头磨损的重要影响因素，比如极微小的灰尘和颗粒可能会引起钻头的磨损，切削刃等的微小磨损有可能成为影响钻孔质量的关键因素，另外钻削速度的大幅提高共同决定了印制板超微细孔的钻削过程有着很多摩擦学上的特殊性。钻头的磨损不但增大了换刀频率，使得电路板的成本增加，还会对孔壁质量造成影响，造成电路板报废，如图1是由于钻头磨损和破损造成的孔壁的挖破现象。
PCB环氧玻璃布覆铜板对刀具的磨损特别快，所以PCB钻孔用微钻一般采用硬质合金定柄钻头，使其有高的耐磨耐热性和较高的动态同心度。所谓硬质合金是以硬度高耐磨性强碳化钨粉末为基体，以耐冲击及硬度较强的钴粉作粘结剂经加压、烧结而成。
印制电路板的材料一般为铜箔玻璃纤维布、高分子树脂组成。钻孔过程中所发生的摩擦磨损与这些材料的性质息息相关。微钻在钻削过程中主要发生磨粒磨损、粘结磨损、化学磨损，由于微孔加工环境复杂和材料的特殊性，在实际加工中三种磨损还可能存在一定的演变机制。由于高速加工时材料会被钻头的钻入切削撕裂产生碎片或粉末切削，可能对摩擦表面产生切削或刮擦作用，造成合金钻头的合金晶粒剥落，从而引起磨粒磨损；超高速钻削微孔时，切屑带走的热量比例较大，随着钻削深度的增加切屑的排出越来越困难，切削温度升高，树脂材料熔化牢固地将玻璃纤维和铜箔碎片粘结，形成坚韧的切削体，在滑动过程中产生剪切破坏，带走刀具材料或使切削刃和前面小块剥落，由于钻头表面的硬质合金颗粒的剥落，造成粘结磨损。
目前减小高速加工钻头摩擦磨损的研究主要有以下几个方面：1.合理的设计钻头结构，外形和选择合适的参数，使其具有顺畅的排屑性能和良好的抗弯抗扭性能；2.寻求更好钻头的材料提高硬度、耐磨性,并且具有更好的热导率；3.使用涂层技术，使钻头有更好的耐温耐磨和热化学稳定性，大幅提高钻头的寿命；4.采用监测技术，对钻头磨损进行在线监测，目前刀具磨损监测的研究中，较多的是基于声发射法切削力及扭矩、电机电压电流来判断刀具的破损状况[1] ，本文将对高速钻削PCB微细孔的摩擦磨损、钻头的涂层技术、钻头的在线磨损监测等方面的理论研究和现状分析进行探讨。
二、磨损理论研究
在PCB钻削时会发生至少三种形式磨损，但是这三种磨损在整个钻削过程中并不是按一定的顺序发生，有可能是同时发生其中两种或者三种形式磨损，也有可能只发生其中一种磨损。因为钻削过程中材料的性质由于高温会发生较大的变化，从钻头钻入盖板到最终完成钻孔这一过程中，由温度升高等因素影响而形成的复杂恶劣的环境时刻处于一个动态变化过程，在这个极短的钻削过程中，如果能够确定哪个阶段主要发生哪种磨损，从而分析各个阶段磨损的原因，最后综合这些原因，那么就可以为寻求一个最优的钻头设计方案、钻削工艺方案，从而为提高钻头的寿命提供依据。
1. 磨粒磨损
磨粒磨损有两种情况，第一种粗糙而坚硬的表面贴着较软的表面滑动，前面提到由于切削温度的提高会产生坚韧的切削体，若它的硬度高于印制板材料的硬度，表面非常的粗糙，就会对孔壁造成磨损；材料中的硬质点也会对刀具产生微切削作用，造成磨损，微观磨损情况如图2。
第二种情况是游离的坚硬粒子在两表面之间滑动所致，研究表明，来自大气的尘埃是磨粒磨损的主要原因，对于超威细孔的加工有可能粒径很小的灰尘就能造成磨损，微观磨损情况如图3。
所以要通过适当的密封和吸尘装置来减少微粒。硬质合金是以碳化钨粉末为基体，以钴粉作粘结剂经加压、烧结而成的，通常含碳化钨94％，含钴6％。如表1可知，碳化钨硬度极高。
但是研究表明，有的材料即使具有较高的硬度，但是在某些工况中易断裂剥落所以反而不耐磨，如碳化钨材料等[2]。为了改善硬质合金的性能，有的采用在碳化基体上化学汽相沉积一层5～7微米的特硬碳化钛(TIC)或氮化钛(TIN)，使其具有更高的硬度；有的用离子注入技术，将钛、氮、和碳注入其基体一定的深度，不但提高了硬度和强度而且在钻头重磨时这些注入成份还能内迁；还有的用物理方法在钻头顶部生成一层金刚石膜，极大地提高了钻头的硬度与耐磨性[3]；武汉晶泰有一项国际专利，采用独创的金属材料改性技术，制作的“晶泰NW一3—2”新型硬质合金PCB板微钻，由于硬度极大地提高，耐磨性增大，寿命是世界上最好的普通高性能PCB板微钻的3倍，成本只增加了0.5倍[4];中南大学的张立采用纳米棒强化的新概念制作的硬质合金，既具有纳米材料的特性，又具有纤维材料的特性，能实现高耐磨性、高韧性和高热导率的完美结合，是新一代PCB微钻的理想材质[5]。 在高速钻削PCB微细孔的不同阶段，钻头的结构与摩擦磨损的关系，钻削工艺(进给速度、切削速度等)与摩擦磨损的关系还有待试验研究。
另外，有些硬度较低的材料比硬度高的材料更耐磨，却又增加韧性[2]。作者认为，如果能够寻找到一种这样的材料替代硬质合金就能够使钻头的制造更为简单，成本降低。
2. 粘结磨损
实验证明，切削速度提高到一定程度以后温度增加缓慢，甚至切削速度超过某一极限时切削温度会随着切削速度的提高可能会下降[6]。但是在高速钻削PCB微细孔时，加工环境复杂，转速提高的同时，孔内其它因素也会成为问题生成的重要因素。如图4为载荷对于切削温度的影响。
前面已经说明了粘结磨损发生的原因是温度，金属的硬度通常与温度有关，温度越高则硬度越低，由于微凸体发生粘着的可能性和磨损率会随着硬度的降低而增大，因此无其他影响时，它们还会随着温度的升高而增大，这种影响已有M.J.Hordon所证实[7]。钻头材料虽然采用了热硬性较好的碳化钴和钴等，但是究竟在钻孔过程中温度对它们的影响如何还有待试验验证，这对于合理的改进钻头材料也至关重要。
在微孔钻削过程中由于随着切削深度的增大排屑越来越困难，导致载荷的增加，载荷增大会引起摩擦力的增大，因而会引起温升，其产生的影响如前面所述，载荷的增加还会使得轻微的磨损转化为严重磨损，这种转化发生在如下条件下：
此公式已被Barwell和Strang所证实[8]。
由此可见，温度升高会使得硬度H降低，同时随着在载荷W的增加，有可能会发生严重磨损。
以上分析可以看到，温度和载荷是造成这类磨损的主要原因，在高速钻削PCB微细孔的研究中，由于其加工环境复杂，造成温度和载荷上升的原因很多，如切屑的形状、排屑性能、钻头的结构(影响切削力和排屑性能)。另外也有很多有关降低温度措施的研究。可以考虑采用合适的盖板来加强排屑和散热，如图5便为某公司生产的特殊的盖板，它与一般的铝盖板的差异在于它由两层材料组成，一层是润滑层，一层是铝箔，钻头下钻过程中得到了润滑，减少了钻头与被加工孔之间的摩擦，大大减少了热源的产生，使得钻头温度得以降低[9] 。
此外，还有对微钻结构与散热影响的研究。如果钻头的钻尖角较大，则排出物比较容易产生粒状的外形，有利于排屑的排出并将热量带走,但是这时推力增大，扭矩减小，如果钻尖角变小，推力减小，扭矩增大，便容易产生断针的危险；所以合理的设计钻针的形状会使热量减少，减小磨损，提高钻针的寿命。
以上分析可以看出在高速钻削由于影响因素复杂，所以在减少钻削磨损方面还有大量的工作要做，包括钻头的材料、形状，结构等的优化设计，盖板和垫板等材质选择等。
3. 化学磨损
高速钻削微细孔的过程中，除了会发生以上两种形式的磨损外，还会发生化学磨损，一般认为，PCB微钻的化学磨损主要是由于PCB材料中经溴化环氧树脂所释放出的高温分解产物对微钻材料WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学侵蚀所造成的。在300℃左右，这种侵蚀反应已比较明显。降低硬质合金中的Co含量，可有效降低这种化学磨损[10]。
三、微钻涂层研究
钻头形状和各部分参数均对其摩擦磨损有着影响，合理的钻头结构和参数的选择可以更好地改善高速加工的环境，但是仅仅改变这些参数和结构还不够，如果在材料上下功夫，使得钻头有更高的硬度和耐磨性、导热性，那么就会大大提高钻孔质量。对钻头材料的改善往往考虑采用涂层技术。刀具涂层技术是应市场需求而发展起来的一种优质表面改性技术，由于该技术可以使得切削刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率和使用寿命，因此该技术已经成为满足机械加工高效率高精度高可靠性的关键技术之一，世界各国都十分重视涂层技术的发展[11]。我国是半导体集成电路板卡的生产大国，现代电路集成板卡都是采用纤维增强的复合材料制成，对硬质合金钻头的磨损非常严重，钻头消耗占板卡总产值的15%左右[12]。采用涂层钻头有望解决这一问题。
目前普遍采用的两种涂层方法是化学气相沉淀(cvd)和物理气相沉淀(pvd)，而对于采用化学气相沉淀(cvd)的金刚石涂层研究较多。武汉工程大学的邢文娟等人对WC—Co硬质合金钻头经过短时间酸腐蚀和微波等离子体硼氮化处理后，利用热丝CVD方法生长金刚石薄膜，并在电路板和玻璃板上进行了附着力测试，测试结果表明，金刚石薄膜涂层钻头具有更高的寿命[13]； 四川大学的苟立等人将表面低Co含量(Co含量一O.38wt％)的硬质合金基体在微波等离子体化学气相沉积装置中进行金刚石涂层，研究结果表明：不同厚度的金刚石涂层均具有良好的晶型。虽然涂层厚度增加，但是基体表面Co含量较少，是形成涂层，基体附着性能良好的主要原因，6m的金刚石涂层具有较好附着性能[14]；北京科技大学的耿春雷研究了利用线形同轴祸合式微波等离子体CVD法在PCB用硬质合金微型钻头(微钻)表面沉积金刚石涂层过程中遇到的两个主要问题，即涂层前预处理工艺对微钻力学性能的影响，以及微钻金刚石涂层时出现的尖端效应[15]，克服了微钻在热丝cvd法涂层时的缺陷，对于提高PCB微钻的断裂强度和避免尖端效应提供了有力的指导；台湾的H.Y.Ueng采用PVD-ECR-CVD系统进行金刚石涂层，对PCB进行钻孔试验表明，经过此种涂层，微钻寿命提高2.5倍，孔壁质量比未涂层钻孔的钻孔质量高[16]。
对于物理汽化蒸镀涂层技术(pvd)在微钻上的应用；对于不同的涂层材料对微钻的切削性能(如轴向力，扭矩等)的影响等的研究还很少；对于涂层微钻刃磨工具和涂层的合理应用还有很多需要研究。
四、微钻磨损监测研究
在高速钻削PCB微细孔的过程中，通过对钻头在线磨损的检测，配合以钻削温度和钻削力的在线检测可以研究钻头的磨损与温度和钻削力的关系；通过对涂层和未涂层、不同参数、不同结构和形状的钻头的磨损的在线检测可以建立钻头的耐用度模型，为钻头的设计提供依据；通过在线磨损检测可以确定钻削过程中不同阶段发生的磨损情况，从而对不同阶段的磨损形貌进行观察，可以确定钻头磨损机理。目前国内外的很多学者已经对钻孔磨损的在线检测进行了研究。 目前监测刀具磨损和破损的方法很多，大致可以分为直接测量法和间接测量法两大类。直接法是直接检测刀具磨损面的数值大小，分为光学和非光学方法；间接法是通过检测与刀具磨损状态相关的物理信号来估计刀具磨损状态[17]；间接检测方法中，最为常见也较为有效的方法有切削力检测、声发射检测和电机电流/功率检测等，在某种程度上能够实现在线检测[18]； 直接在线检测刀具磨损的方法是利用基于图像分析的计算机视觉方法，具有非接触、可得到磨损精确量、使用方便且速度快的优点[19]。目前国内外各种方法的研究状况如下。
1. 间接法
国内很多学者研究了根据切削力信号来判断刀具的磨损的方法，西安理工大学的郑建明等人对此进行了大量研究，针对基于时域、频域和时频域特征的监测方法所存在的缺点，提出了利用分维数来描述切削力信号的新方法，指出随着钻头磨损的增加，钻削力分维数呈现下降趋势，运用切削力的分维数特征可以有效实现钻头磨损状态的监测[20]；并且他还研究了一种钻削力功率率谱特征的提取和识别的方法，采用小波变换对功率谱进行多层分解，提取低频分解系数作为功率谱的包络信息，从而实现对功率谱特征的提取和压缩，并利用BP神经网络对功率谱小波低频分解系数进行融合，实现钻削过程钻头磨损状态的智能识别[21]； 他还采用小波分析技术提取表征钻头磨损的切削力信号特征，系统地研究了钻头整个磨损历程中扭矩和轴向力信号小波重构分量的变化特点，分析了切削力信号各频段重构分量时域统计特征——方差随钻头磨损的变化趋势，为实现钻头磨损量的在线监测奠定了基础[22]； 西南交通大学的高见明等人提出了基于B样条模糊神经网络作为刀具磨损量监测模型，该模型能够准确描述刀具磨损和切削力等信号特征的非线性关系，对提高刀具磨损在线监测的准确度和可靠度非常有效[23]；华南理工大学的赵学智等人，利用小波变换对切削力信号进行分析，指出变换结果的模极大值点反映了刀具发生磨损或破损的时刻，而其奇异性指数的大小则反映了刀具的磨损状况，并验证了该方法的有效性[24]。
以上提取和处理钻削力信号的方法均是针对钻削中的随机性和非线性而导致从加工过程采集的传感器信号呈现的不规则性和非平稳性这一缺点而进行的研究。1977年，Grabec和Leskovar对切削过程中所发出的声音进行了收集与分析，1wata和Moriwaki于同年利用声发射来进行切削过程刀具磨损检测。此后，不断有学者利用声发射来进行刀具磨损以及切削过程检测的研究。但是，绝大部分的研究都是建立在波形分析的基础上，利用神经网络等人工智能手段进行模拟与预测，无法在特征统计量与刀具状态之间建立直接的物理联系,东华大学的陈晓智用一种新的声发射刀具磨损小波分析方法来判断刀具状态，克服了以上缺点[25]。
对于采用电机电流的变化来监测刀具的磨损通过建立电流与不同磨损之间的模型来对磨损进行预报。对这一方面的研究也很多了，各种研究的不同之处就在于所建立的数据模型和提取信号特征方法的不同。除了这些，还有通过分析轴向力和扭矩等与磨损之间的关系来对磨损进行进行监测的。
这些方法的一个共同点就是通过检测与刀具磨损状态相关的物理信号来估计刀具磨损状态，但是存在一个缺点就是无法得到刀具磨损的真实几何尺寸，影响测量结果的因素多[19]。尤其是在高速加工时，加工环境复杂多变，切削参数多变，所以应用间接检测法实时性差，不能对状态立即做出反应。
2. 直接法
直接法中的光学法研究和应用较多。直接法检测效果取决于采集图像处理和磨损的模式识别，可以使用各种边界检测和纹理特征的识别方法。该方法的缺陷是只能分析刀具磨损的二维特征，针对这一缺陷，哈尔滨工业大学的杨国辉等人提出了一种基于激光光栅投影技术对硬合金刀具磨损图像进行检测的方法，可以提取三维特征，该方法是在换刀间隙进行检测，可以实现在线检测[19]。作者认为，由于这种方法速度快，可以移植到PCB加工过程中钻头的监测。Su(2000)提出了一个基于视觉识别的刀具磨损检测系统，可以很好地评价钻10层板的刀具磨损情况[26]； Choi, Young-Jo也提出了一种机器视觉系统来监测微钻磨损的方法[27]，可以很好的观测微钻磨损的三维形貌。通过以上总结可以看出，光学监测法的优点在于：(1)可以在线检测钻头磨损形貌，利用图像分析技术可以测定钻头的磨损参数，建立钻头的耐用度模型。(2)实时性好，不受加工环境的影响。
上述研究中对钻头磨损和钻削力、轴向力、振动等的关系没有研究，如果将间接测量法中的钻削力特征的处理方法同光学法结合使用，可能就能建立钻头磨损与钻削力等的关系模型。
五、结论
文章论述了高速钻削时微钻头的减小摩擦磨损的措施、钻头涂层、钻头磨损在线监测的研究现状以及发展方向，提出了目前研究的不足。由于高速钻削PCB微孔的特殊性，有必要对钻头的摩擦磨损机理，钻头的涂层和在线磨损监测进行更深入的研究，为钻头最优化设计提供依据，以满足高速钻削PCB的需要。
参考文献：
[1]刘晓明，杨平.加工中心刀具破损实时监控技术的研究.控制与检测,2005(4):71-73
[2]黄智文.谈谈磨粒磨损.表面技术,2000,39(4):34-36
[3]线路板数控钻床钻头研究.深圳市东顺电子科技有限公司网
[4]武汉晶泰微钻技术达国际先进水平.工具技术:70
[5]张立.WC纳米棒强化的硬质合金—PCB微钻的材料与工艺设计.硬质合金,2001,18(4):193-196
[6]丁锦宏.高速数控机床概述.中国制造信息化，2006，35(11)：36-41
[7]M.J.Hordon.Adhesion or Cold Welding of Materials in Space Environment.A.S.T.M,STP,1967(431):109-127
[8]J.T.Burwell,C.D.Strang Metallicwear.Proc.R.Soc, 1952(212A),470-77 [9]程分喜，杨宏强，王洪.微孔精密技术研究.Journal of the HKPCA,2007(23):10-25
[10]台湾电路板协会.电路板机械加工技术.2004:87-88
[11]孙永红，朱派龙.钻削刀具及其工艺新发展.广东轻工职业技术学院学报,2005(4),3:7-9
[12]吕反修．CVD金刚石膜的产业化应用与目前存在的问题．新材料产业，2003，7：63—67
[13]邢文娟,王升高,陈宁,汪建华,王传新,吴雪梅.微型硬质合金钻头上金刚石涂层研究.金刚石与磨料磨具工程,2007(6):23-30
[14]苟立,李洪林,冉均国,张继芳.硬质合金金刚石涂层的附着性能.硬质合金,2007(24),3:144-147
[15]耿春雷.微波等离子体CVD法在硬质合金微钻表面进行金刚石涂层的研究.北京科技大学硕士论文.2006
[16]H.Y. Uenga,C.T.Guo,K.H.Dittrich.Development of a hybrid coating process for deposition of diamond-like carbon films on microdrills.Surface&Coatings Technology,2006:2900-2908
[17]MAGEE J,SIDHU J,COOKER L,A .prototype laser forming system[J].Opt.Laser Eng.,2000，34(4)：339—353．
[18]ALHABAIBEH A，GINDY N．A new approach for systematic design of condition monitoring systems for milling processes．J．Mater．Process．Techno1．，2000，107(2)：243—251．
[19]姜宇,杨国辉.基于光栅投影技术的刀具磨损三维特征提取方法.光学精密工程,2007(15),3:390-395
[20]郑建明,李言,肖继明,黄玉美，洪 伟.分形在钻头磨损切削力特征提取中的应用.应用科学学报.2004(22),3:337-341
[21]郑建明,李言,肖继明,洪 伟.基于功率谱小波分解的神经网络钻头磨损监测.应用科学学报.2004(22),4:513-517
[22]郑建明,李言,肖继明,黄玉美.基于小波重构的钻头磨损切削力特征提取.西安理工大学学报,2001(11),2:133-137
[23]高宏力，傅 攀，许明恒.基于B样条模糊神经网络的刀具磨损监测.机械科学与技术,2005(24),6:751-753
[24]向文江，赵学智，陈文戈.基于小波变换的刀具磨损检测方法.工具技术，2000(34)，5：34-36
[25]陈晓智，李蓓智，杨建国.一种新的声发射刀具磨损小波分析方法. 无损检测，2007(29)，1：12-34
[26]Su J.C., Huang C.K., Tarng Y.S.. An automated flank wear measurement of microdrills using machine vision. Journal of Materials Processing Technology, 2000,180(1-3): 328-335
[27]Choi,Young-Jo,Chung,Sung-Chong.Monitoring of micro-drill wear by using the machine vision syste.Transactions of the North American Manufacturing Research Institute of SME,2006:143-150
作者简介：
秦莉君，女，1983年生，五星控股集团，学士，主要研究方向：PCB钻削加工研究。