用CNC钻机和铣板机测量钻轴偏转

钻轴偏转问题可以成为隐藏的质量问题、对位问题和在制造可靠性PCB时废品率过高问题。钻轴径向偏转是在nose处钻轴产生的变动度。轴向偏转是测量在旋转轴垂直方向的偏隙。读数由总体标示偏转值（TIR）代表，即最大正方向与最大负方向之间的距离。钻轴可以动态（钻速时）或静态时测量。动态测量是至今为止最精确的，也要求使用非接触型测量设施。

现今空气轴承钻轴比以往的滚珠轴承钻轴更快、精度更高。在一些钻轴的最高速300,000 rpm时，为空气轴承钻轴通常运行可以达到120,000 rpm 到 180,000 rpm范围。因为钻轴中空气轴承浮在空气中，与转动的转子不进行机械接触。径向和轴向偏转都可以维持在非常精确的精度下。更有甚这，有生产商宣称，他们使用高速空气轴承钻轴，PCB钻孔的钻轴小于10 µm：“通常同步径向偏转值<10 µm（告诉时PCB钻孔偏转）”，等于TIR大约小于0.0004。

很多现今的CNC PCB钻机与激光测量组合用来检查运行rpm的偏转。但是，这一组合并不能完全说明具体情况。很多时候设备的内置软件的设置值是警告值的标称水平，提示操作员钻轴偏转偏高。设备的结果可能在钻孔位置的精度上小于期望值，甚至孔的质量也受到与偏转相关问题的影响。这个问题已经变得越来越严重，因为当今的电路板设计要求中，元件密度加大、孔距与线距间允差更小、而且在0.004 in 到0.008 in (0.10 mm 到 0.20 mm)范围内使用硬质合金微型钻头的方向也持续着，使得电路板中每平方英寸的孔数量更多。生产面板的尺寸也成了一个因素，因为生产厂家增大了总面板尺寸，以最大化生产量。其他时候，过多轴向偏隙（end-to-end）的钻轴在钻控制深度，即深度必须维持千分之一或二的孔、维持钻标准通孔的质量问题因素时，如钻盲孔时会导致深度问题。

总体偏转有多个变数，这些变数都对总TIR方程式起着重要的决定因素。TIR不只是受到钻轴本身质量的影响，同时如夹嘴（collet）磨损、夹嘴洁净度、夹嘴的调节也会很大地影响到TIR的指数。夹嘴的破损是由于频繁的开关动作，造成了在金属-金属（metal-to-metal）摩擦表面的磨损。这些磨损点将会随着时间的推移而变得明显。另外，电路板吸尘遗留的碎物会造成磨损和灰尘问题，从而引起不好的TIR指数。夹嘴（collet）如达到使用寿命时，可以通过肉眼或使用放大镜目检观察出来。但是，目检并不能总是发现夹嘴的问题。现今次等夹嘴问题是一个特别的问题区域。因为PCB生产商希望能够节省成本，从而使用便宜的夹嘴。这些夹嘴并不是总能够达到要求。夹嘴的性能，如夹嘴锥与钻轴nose的内锥的契合程度和在钻孔和铣板生产中抓住钻头和铣具的抓力等问题是很多次等夹嘴有待解决的问题。操作员夹嘴调节和清洁维护培训也是电路板生产商人员培训中缺乏的另一方面。为了不断减少成本，有的厂家雇佣一些不了解怎样合适地清洁和调节钻轴夹嘴的新操作员。这导致了在电路板生产过程中总体质量的总降低。

另外引起钻轴偏转和钻轴空气轴承失效的因素是空气供应问题（供应的空气中水分回油份太多）、空压和量（所有设备都使用时空压低）、和由于不适当的供给/速度或操作员失误造成的过大的钻力中钻轴收到的应力。从一个设置到另一个设置时钻深过量（钻到底板中）也可造成损坏。大直径孔的过多的切削符合可造成钻轴空气轴承表面衰减并形成内部损坏。高速下的钻轴可产生大量的空气摩擦。这些摩擦产生热量，可以造成钻轴的早期失效。冷却通道阻塞和不适当维护的热量转换系统也可能是产生过多热量和钻轴失效问题的一个因素。钻机室内的室温空气温度也可能很大程度地影响钻轴寿命。极端温度，不管是冷温还是高温都可导致钻轴的失效。坚持使用钻轴最高速的生产商很可能看到钻轴寿命的减少。一个钻轴的最高速可以达到180,000 rpm 并不意味着这个钻轴应该一直在这个速度上运行。

过分使用钻轴时并不总是会失效。钻轴的下进料速度力过量，过空气轴承铣钻轴的横向力过量，可造成内部空气轴承表面的部分划伤。一旦这些部分损伤的钻轴被使用到生产设置上，在钻轴总体失效产生之前，正常的钻力就可能导致孔质量差、钻轴失速、偏转和其他钻轴性能问题。

一些公开的给料和速度图在钻大直径孔时太过度。由于过量的给料和速度与高切削负荷，到孔径1/8 in和更大的孔质量与钻轴寿命减少之间有权衡取舍。PCB行业很多当今使用的给料和速度图是以前标准滚珠轴承适用的。与当今的空气轴承钻轴相比，这些滚珠轴承钻轴可以处理一些大的转力矩，但因为滚珠轴承的波动和偏转问题，而不能产生最佳的孔质量。在很多情况下钻机上上载的用于给料和速度直径页是适用于旧的滚珠轴承变数的，几乎没有变化，如有的话，也是在大直径工具上。这，毫无疑问地导致的空气轴承钻轴的早衰和过量失效。

图 1 空气轴承钻轴剖面

图 2 高速钻轴图

必须针对所钻的叠板数、板厚、材料类型和多层PCB的层数调节切削负荷。在钻厚0.062 in双面板3叠板与钻厚0.062 in四层板三叠板时有本质区别。现今在电路板结构中用到的新型、抗高温、高频材料含有所有会影响使用给料和速度的因素。不管是在钻小孔还是大孔径时都必须考虑到材料的硬度。

钻机生产商也意识到了以前使用的滚珠轴承的转力矩和现在使用的空气轴承转力矩的变化，变小了。设备生产商通过在新设备中使用深孔啄钻来解决这一问题。深孔啄钻包括多重孔钻、逐渐深入，直到进入成孔的整个深度。大多数CNC设备生产商都来自设备生产线，在设备上有多年深孔啄钻经验，但直到最近10-15年才在电路板行业上有这一需求。

铣板也受钻轴偏转的影响

认识铣板生产也会受到钻轴偏转的影响，这点很重要。电路板的尺寸，由于对槽和其他内部切口的允差变小，很大程度地受到钻轴产生的变度的影响。铣机上偏转越大，越多的材料会被带走。一个正常钻轴与另一个有过量偏转的钻轴之间的差距是很明显的。在三叠板上，一个偏转大的钻轴在钻第底板与头层板比时，有明显的对比。生产将受到严重影响，或者是废品率上升，或者是需要更多的时间来完成生产量。如果钻轴严重超标，因为在切板尺寸时的差别，任何时间一个四头铣机上只有一头或两头可用，这在实质上会增加生产时间和加的成本。

测量TIR的设备

Lion Precision生产一种动态非接触型电容偏转测量表，在任何速度下测量钻轴都很理想。有了动态指示器，技术人员可以精确地得知钻轴状况、夹嘴、和从钻轴nose处通常距离下的偏转，该距离是钻具在钻轴生产速度下产生的。

该测量工具由一金属型设备和遥控探头组成。遥控探头可以装在各种手提设备中，但功能最多样化的是一个小型XYZ三角设备。包括一个小型基台，其中探头是与夹子一起放置的。一旦钻轴开始转动，定位精度1/8 in，XYZ三角设施可以放在其中，快速调节到自钻轴的合适高度和距离。通过表上TIR的条形图和数字读数，无须暂停生产或拆掉底板，就可以快速得到测量。

也有其他光学或涡沦技术偏转指示器，但他们不如电容结构的有多样性也不如其精确。涡沦技术与电容技术相比，得出的输出信号没有后者干净。很多这类设备都与仪表和感觉探头压缩在一起一体。这类设备必须在钻轴中间位置，而随着钻轴盲目地下降到测量孔的规定深度。生产必须停止，而且在很多情况下软的底板必须移去，从而为这个设备提供空间。压合光学和涡沦偏转指示器的一个主要问题就是假阴性和假阳性结果（是的当成不是的，不是的当成是的）。

静态测量读数是测量TIR的一种老式方法。可以通过一个拨盘指示器和一个精度为gage pin的定位器得到。把定位器插到夹嘴中，把与钻轴的nose距离0.800 in，用拨盘指示器进行接触，通过手动慢速旋转钻轴，拨盘指示器会显示TIR。但是，这种测量有很多限制。手转动钻轴的横向力可能影响读数。同时，因为钻轴不能在缟高速下运行，就没有办法测出在生产速度下的情况。这种静态测量仅仅是权益之计。把静态与动态、和其他所有测量钻轴偏转的设备对比，动态偏转测量应是唯一的能适当分析钻轴的方法。

准备额外的成本和时间

不要认为作为一个样板或实际生产商，你要做的仅仅是测量偏转，其他的一切都很乐观，这可是一个错误。测量偏转对你的本质问题不会有改变。要在生产质量上有本质的改善，你要准备花钱。在合适地测量钻轴中也要花费很多的时间。手头上应留有备份使用的夹嘴，最好也有备份的钻轴，一旦出现问题可以使用。在一家钻轴店里发现一半以上的钻轴彻底地不合规格，也不是不常见的事。通常一个较好的方法是开始花点时间来看有钻轴的地方。当首次检查钻轴的条件时，在清洁夹嘴前测量钻轴。这将提供一个基础，看出你的设备在实际生产设置中表现。一旦记录好这些数据之后，开始清洁夹嘴并进行下一回测量。当度数在某些钻轴上也是超规，就必须更换这些超规的钻轴并对新钻轴重新测量。更换钻轴所用的分解时间也是重要的。考虑到当今很多钻机换一个钻轴需要一两个小时，很换就能算出把一台设备变得符合规范需要的时间。另外，重建和新的钻轴的成本通常在USD 1,500到USD 5,000.00之间，加起来很快就是一比小的财富。

图 3 动态偏转系统

质量控制的建议

从把最差的钻轴分隔和更换开始。如果钻轴的读数偏转在任何速度下都超过0.001 in，就可把这个钻轴标为尽快更换。看到一些偏转读数为0.002 到 0.004 inches (50 to 100 µm)甚至更大的TIR也是不异常的。如果涉及到的生产钻机很多，就要考虑能把哪台设备尽快提到更小的允差度上。这样，可以使用这些设备来制作允差要求小的板子。这种分流法要求全厂的配合来建议板生产中的标准和参数、决定钻轴在什么程度就不适合使用了。当重建好钻轴后，确保重建钻轴的人在所有钻速下多动态偏转检查，以此作为最后检验标准。有些人会因为知道大多数板厂不会在厂内检查钻轴，就把这一步骤省略。如果这种钻轴工艺的重建一直在贵厂操作了多年，不检查也不衡量，很有可能有很大数量的钻轴已经超差、在生产线上在造成问题。

图 4测量Excellon钻轴偏差

管理层决定：向前看

为了保持这个行业的成功，电路板生产商有必要率先持续地改善钻孔质量。在改善钻孔机和铣机性能时，肯定要花费一定的金钱，但在当今的市场上，客户随时随地都会无缘无故地离开，在一个问题发展壮大、丢失一个客户之前在钻轴上做点投资是很明智的。如果你发现你现在在生产中遇到的挑战，如对位问题、孔质量和废品率过高问题等，可能都来自钻轴偏转问题的话，你可能会吃惊的。

图 5 带XYZ基台的钻轴偏转探头近图

本文来自：PCB资源网 - 用CNC钻机和铣板机测量钻轴偏转

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