数控外圆磨床加工硬质合金微钻精磨方法探讨

孙秋华

（深圳市金州精工科技股份有限公司，广东 深圳 518116）

1 引言

微细钻头在印制电路板加工钻孔领域越来越受到行业重视，特别是φ0.10 mm及以下直径，发展前景巨大，但目前加工成品，通常精度低、生产效率低、成本居高不下，尤其是加工φ0.10 mm及以下直径的精磨工序。精度低、生产效率低、成本居高不下等问题都抑制了微细钻头的发展空间，现在数控外圆磨床加工硬质合金微细钻头精磨，通过工艺研究有效解决了上述难点。实现了大批量、高质量、高效率的生产。

2 问题描述

典型0.10 mm微钻精磨见图1，微钻精磨示意图（以下设计的相关尺寸作为举例说明），其特点：加工材料硬质合金硬度高、尺寸精度高、外圆公差0.003 mm、长径比大（通常超过了10倍）、圆柱0.1处长径比为30、圆柱0.6处长径比为20、圆柱1.0处长径比为10、圆度要求高0.003 mm、直线度要求高0.003 mm，此精度要求在机械加工行业属于领先水平。

一般工艺流程见图2：（1）首先无心磨精磨φ3柄径总长45、倒角；（2）外圆磨床上A部分粗磨、精磨；（3）外圆磨床上B部分粗磨、精磨；（4）外圆磨床上C部分粗磨、精磨。

图1 φ0.10mm微钻精磨示意图

图2 一般工艺流程图

此过程有如下缺点：（1）ABC部分独立加工，至少6次加工，流程长；（2）由于长径比高，每个部分的直线度，由于砂轮影响，控制困难；（3）相互之间的同轴度控制困难；（4）每个部分的直径公差，圆度控制困难。

3 主要工艺研究

3.1 数控外圆磨床的砂轮优化

（1）X轴为粗磨砂轮轴（见图4），V轴为精磨砂轮轴（见图4）；

（2）分别装有经过静平衡和动平衡的粗、精磨砂轮；

（3）粗磨选用金刚石金属结合剂砂轮SD100以上，主要目的将加工件粗磨至规定的尺寸，并留有精磨余量，所以选择金刚石砂轮，同时选择粒度较粗，满足高磨削力，金属结合剂的耐磨损程度好，可保证砂轮的不易变形，延长粗磨砂轮的使用寿命，保持精磨余量的稳定性；

（4）精磨选用金刚石金属树脂结合剂砂轮SD10以下，主要目的将粗磨留的余量精磨掉，保证加工件的直径精度、圆度、稳定性，所以粒度较细。

（5）粗磨砂轮轴轴线安装在与工件水平呈80°夹角上（见图4），同时砂轮修整见图3。

图3 粗磨、精磨砂轮示意图

（6）粗磨砂轮（宽度不超过2 mm）角度： 100砂轮面与粗磨砂轮轴安装角组合成与加工件成90°垂直，形成主磨削过程；-80°（宽度不超过1 mm）砂轮面与粗磨砂轮轴安装角组合成与加工件成0°水平，形成轴向光刀支撑。

（7）精磨砂轮（宽度不超过2 mm）角度：45°砂轮面为避免干涉；-90°砂轮面与精磨砂轮轴安装角组合成与加工件成90°垂直，形成主磨削过程；0°（宽度不超过1 mm）形成轴向光刀支撑。

3.2 数控外圆磨床的程序优化

现工艺主要部分流程见图4、图5：

图4 加工过程开始图

图5 加工过程图

（1）首先无心磨精磨φ3柄径总长45、倒角；

（2）外圆磨床Y轴（长度进给）X轴（粗磨）V轴（精磨）联动；

（3）在棒料最前端，用V型块做向上支撑，用高硬度、高圆度滚轮向下压紧，保证在加工部件的每段加工位靠近V型块支撑；

（4）通过控制X轴V轴到达加工件的中心的垂直位移（1/2直径）确定直径，同时控制X轴到中心的位移比V轴到中心的位移大0.01 mm，此为粗磨留给精磨的余量；

（5）同时控制X轴V轴在Y轴方向的位移0.5 mm，使得粗磨精磨互为支撑；

（6）当加工φ0.1直径时X轴V轴到位后，Y轴均匀进给长度3 mm，然后X轴V轴同时退位到φ0.6直径，Y轴均匀进给长度12 mm，然后X轴V轴同时退位到φ1.0直径，Y轴均匀进给长度10 mm，退位到安全位置。

3.3 数控外圆磨床的速度优化

虽然从外圆磨的程序控制工艺改善，砂轮的工艺改善，速度匹配也是非常重要的，为了保证直线度、圆度、直径稳定性，对于三大主要因素的速度控制，对以上的性能指标产生积极的影响，所以需要完成速度的详尽实验数据，三大主要因素的速度控制都采取变频器控制速度，在各个速度区间做相关性分析。

运用6σ工具DOE实验分析，运用3因子（主轴转速、粗磨转速、精磨转速）2水平实验验证，数据见表1。

表2 主要效应分布表

表1 3因子2水平矩阵表

通过实验：得出效应柏拉图见图6：

图6 标准化效应图

通过实验：得出主要效应分布见表2：

最终在反复实验验证的基础上，得出如下结论：精磨转速对工件的影响因子最为明显，其次为粗磨转速，精磨与粗磨对结果又交互影响。优化后：

（1）主轴（夹持工件）最佳转速为2000转/分～2500转/分。

（2）粗磨最佳转速为4500转/分～5000转/分。

（3）精磨最佳转速为5000转/分～5500转/分。

4 结论

通过对金刚石砂轮的优化、对数控外圆磨床的程序优化、对数控外圆磨床各相关速度的优化。比较成功了解决了长径比大、小直径0.10 mm及以下直径的微钻精磨问题，提高了精磨的圆度、直线度，提高了生产效率，降低了生产成本。为后续的开槽和磨尖工序及保证微钻的使用性能打下坚实的基础。

[1]王成勇等.印制电路板超细微孔钻削加工及其关键技术[J].工具技术, 2010,44(3):3-10.