印制PCB电路板机械切割的方法
印制PCB电路板机械切割的方法
1 剪切
剪切是印制电路板机械操作的第一步，通过剪切可以给出大致的形状和轮廓。基本的切割方法适用于各种各样的基板，通常厚度不超过2mm 。当切割的板子超过2mm 时，剪切的边缘会出现粗糙和不整齐，因此，一般不采用这种方法。
层压板的剪切可以是人工操作也可以是电动机械操作，不论哪种方法在操作上有共同的特点。剪切机通常有一组可调节的剪切刀片，如图10-1 所示。其刀片为长方形，底部的刀口有大约7°的可调节角度，切割长度能够达到1000mm ，两个刀片之间的纵向角度通常最好选在1°- 1. 5 °之间，使用环氧玻璃基材最大能够达到4° ，两个刀片切割边缘之间的缝隙要小于0.25mm 。
两个刀片之间的角度要根据切割材料的厚度进行选取。材料越厚，需要的角度越大。如果剪切角度太大或两个刀片之间的间隙太宽，在切割纸质基板时会出板龟裂，然而对于环氧玻璃基板，由于材料具有一定的抗弯强度，即使不出现裂缝，板子也会变形。为了在剪切过程中使底板边缘保持整洁，可将材料加热在30 - 100℃范围内。
为了获得整齐的切割，必须通过一个弹簧装置将板子牢牢的压下，以防止板子在剪切过程中出现其他不可避免的移位。另外，视差也可以导致0.3 0.5rnrn的容差，应该使其减到最小，使用角标可提高精度。
剪切机能够处理各种尺寸，能够提供精确的重复尺寸。大型机器每小时能够切割几百千克的基板。
2 锯切
锯切是切割基板的另外一种方法。虽然这种方法的尺寸容差与剪切类似(0. 3 - 0.5 rnrn) ，但是这种方法更为可取，因为其切割边缘非常光滑整齐。
在印制电路板制作工业中，大多选用可移动工作台的圆形锯切机。锯形刀片的速度可调范围为2000 - 6000r/rnin 。但是切割速度一旦设定，则不能更变。它是通过具有不只一个V 带的重滑轮实现的。
高速运动的钢制刀刃的直径大约为3000rnrn ，它可以以2000 - 3000r/rnin 的速率切割纸制酣类材料每1cm圆周上大约为1. 2- 1. 5 齿。对于环氧玻璃基板，使用碳化钨刀刃的刀片。钻石轮的切割效果会更好，虽然它在刚开始时投资大，但是由于其使用寿命长且能够提高边缘切割效果，因此它对以后的工作是非常有益的。
以下是使用切割机时需要注意的几个问题:
1 )注意直接作用在边缘上的切割力，检查轴承的坚固程度。当用手检查时不应有任何异常的感觉；
2) 为了安全起见，齿片应总是被保护装置覆盖着；
3) 应该准确放置安装轴和发动机；
4) 在锯齿片和支架之间的缝隙应该最小，这样可以使板子具有很好的支撑，以便于进行边缘切割；
5) 圆形锯应该可调，刀刃与板子之间的高度范围应该为10-15mm；
6) 钝的齿片和太粗糙的齿会使切割边缘不光滑，最好予以换掉；
7) 错误的切割速率会导致切割边缘不光滑，应适当调配，厚的材料需要选择慢的速度，而薄的材料可以快速切割；
8) 应该按照制造商给出的速度操作；
9) 如果锯的齿片很薄，可以增加一个加固垫以减少振动。
3 冲切
当印制电路板设计除了矩形外还有其他形状或不规则的轮廓时，使用冲切模具是比较快速和经济的方法。基本的冲切操作可以使用冲床完成，其切割边缘整齐，效果优于使用锯切或剪切机。有时，甚至打孔和冲切可同时进行。然而，当要求上好的边缘效果或小的容差时，冲切达不到要求。在印制电路板工业中，冲切一般应用于切割纸制基板，而很少用于切割环氧玻璃材料基板。冲切能够使印制电路板的切割容差在±(0. 1 - o. 2mm) 之内。
1.纸制基板的冲切
由于纸制基板比环氧玻璃基板柔软，因此它更适合用冲切的方法切割。当使用冲切工具切割纸制基板时，要考虑材料的回弹或弯曲度。因为纸制基板常常回弹，通常冲切部分要比模具稍微大一点。因此，模具的尺寸选取要依据容差和基材的厚度，比印制电路板稍微小一些，以补偿超过的尺寸。就像人们注意到的，当打孔时，模具大于孔的尺寸，而当冲切时，模具又小于正常尺寸了。
对于外形复杂的电路板来说，最好选用步进的工具，例如对材料进行逐条切割，随着模具对它逐条冲切，材料的形状逐渐改变。这样，通过最初的一步或两步将孔穿通，最终完成其他部分的冲切。加热后再进行冲孔和冲切可改良印制电路板的切割效果，例如将板条加热至50 -70 'C再冲切。然而，必须小心对待使其不能过热，因为这样会使冷却后的伸缩性降低。另外，对于纸制苯酣材料的热膨胀应该加以注意，因为它在Z 方向和y 方向呈现不同的膨胀性能。
2. 环氧玻璃基板的冲切
当用剪切或锯切生产不出环氧玻璃基板所需的形状时，可用一种特殊的打孔方式冲切，虽然这种方式不受欢迎，因此只有当切割边缘或尺寸要求不太严格时才能使用这种方法。因为尽管在功能上可以接受，但是切割边缘看上去不很整齐。由于环氧玻璃基板的回弹性能与纸制基板相比要小，所以冲切环氧玻璃基板的工具在冲模与冲床之间要有紧密的配合。环氧玻璃基板的冲切要在室温下进行。
由于环氧玻璃基板坚硬，冲切困难，所以会使冲床的寿命降低，很快就会被用坏。使用硬质合金顶尖的冲床可以收到较好的切割效果。
4 铣削
铣削通常应用于要求印制电路板切割整齐、边缘光滑以及尺寸精度高的场合。普通的铣削速度在1000 - 3000r/min 范围之内，通常使用直线型或螺旋型齿高速钢铣削机器。然而，对于环氧玻璃基板，最好使用碳化鸽工具，因为其寿命较长。为了避免分层，铣削时印制电路板的背面必须有坚固的衬板。关于铣削机、工具和其他操作方面的详细资料，可参考工厂或商店有关这些设备的标准说明。
5 研磨
为了获得比剪切或锯切更好的边缘效果并达到更高的尺寸精度，特别是当印制电路板有不规则的轮廓线时，可以选择研磨的方法。采用这种方法，当尺寸公差为± (0.1-0.2mm) 时花费的成本比冲切少。因此在有些情况下，在冲切超出的尺寸，可以在随后的研磨过程中修整，得到光滑的切割边缘。
现在所使用的多轴机器使研磨非常迅速，而且工人的投入和总成本都比用冲切时要更少一些。当板子的走线靠近边缘时，研磨可能是能够获得令人满意的电路板切割质量的惟一裁切的方法。
研磨的基本机械操作过程同镜削类似，但它的切割速度和进刀速度要快得多。板子以研磨夹具的基准沿着垂直的磨削面进行移动。研磨夹具根据磨削的需要被固定在一个与磨具同中心的轴衬上。印制电路板在研磨夹具的位置由材料的对位孔决定。
主要有三种研磨系统，它们分别是:
1 )针式研磨系统；
2) 跟踪或记录针研磨系统；
3) 数控( NC) 研磨系统。
1.针式研磨
针式研磨最适合于小批量生产、切割边缘平滑、精度高的研磨。针式研磨系统有一个严格按照印制电路板要求的轮廓制作的钢制或铝制的精确模板，该模板同时也提供了板子定位的针脚。通常有三块或四块板子叠放在工作台上突出的定位针脚上。所用刀具和定位针脚的直径相同，堆叠的板子研磨的方向与刀具的旋转方向相反。通常，由于研磨机容易使板子偏离定位针，因此要经过大约两次或三次循环研磨，以保证正确的研磨轨迹。
虽然针式研磨系统需要的劳动强度大，要求操作人员技术高，但是其精度高、裁切边缘光滑，最适合小批量和不规则形状板子的研磨。
2. 跟踪研磨
跟踪研磨系统同针式研磨系统一样使用模板进行裁切。这里，记录针在模板上跟踪板子的轮廓线。记录针可以控制固定工作台上钻轴的运动，或者如果固定了钻轴它可以控制工作台的运动。后者经常用于多钻轴机器。模板按照裁切板子的轮廓制造，在它的外缘有一个跟踪轮廓的记录针。裁切的第一步是由记录针跟踪外缘。在第二步中，记录针跟踪内缘，这可以卸掉研磨机上的大部分负载以便更好地控制裁切尺寸。记录针研磨系统比针式研磨系统精度要高。采用一般的操作技术，可使大批量生产的产品容差达到±0. 0l0in(0. 25mm) 。采用多钻轴机器可以同时对20 块板子进行研磨。
3. NC 研磨系统
具有多钻轴的计算机数字控制(CNC) 技术是当今印制电路板制造工业中研磨的首选方法。当生产产品的产量大，且印制电路板的轮廓复杂时，一般选
择数控研磨系统。在这些设备中，工作台、钻轴和切割机的移动都是由计算机控制的，而机器的操作者只负责装载和卸载。特别是对于大批量的生产制作，复杂形状的切割容差非常小。
在数控研磨系统中，控制钻轴在轧机z 方向运动的程序(一系列命令)很容易编写，这些程序能使机器依照一定的路径进行研磨，研磨速度和进刀速度的命令也写进程序当中，可以通过改写软件程序方便地改变设计。切割轮廓的信息直接通过程序输入到计算机中。
碳质数控研磨机的转数通常能达到12000 - 24000r/min ，这就需要发动机有足够的驱动能力，以确保研磨机的转数不至于过低。
加工或定位孔通常在电路板的靠外部分。虽然研磨能够实现直角的外部结构，但是内部结构在第一步研磨中需要用相等半径的刀具进行裁切，然后在第二次操作中通过45° 角切割，这样就可以得到直角的内部结构了。
在数控研磨机中，切割速度和进刀速度参数主要是由基板类型和厚度决定的。切割速度为24000r/min ，进刀速度为150in/min ，可以有效地应用于许多基板，但是对于像聚四氟乙烯的软材料和其他类似的材料，基板的粘合剂在低温下会流出，因此需要12000r/min 的低转速和200in/min 的较高进刀速度，以减少热量的产生。
通常使用的切割机是固态碳化钨类型的。由于数控机器可以精确地控制工作台的移动，保证切割机器的钻头不受震动的影响，因此小直径的切割机裁切效果也很好。
在数控研磨中，切割机齿轮的几何形状起着重要的作用。由于进刀速度高，应选用开放齿轮的切割机，这样碎屑能够迅速并容易地排出。通常，钻石的切割齿轮的寿命达到15000 线性英寸时开始出现磨蚀。如果需要很平滑的切割边缘，就要使用有凹槽的切割机。为了加速装载和卸载，机器自身要有一套有效地装卸和排放碎屑的系统。
可通过不同的方法把板子装载到机器的工作台上，同时正确定位以便于研磨。最常用的方法是采用可以来回移动的工作台，这样在机器切割的同时就可以完成装卸了。
4. 激光研磨
现在，激光也被用于研磨，自由的编程和灵活的操作模式使得紫外线激光特别适用于高精度的HOI 切割。所能达到的切割速度与材料有关，典型范围为每秒50 -500mm。切割后的边缘非常整齐不需要任何处理，效果如同常用的机械研磨或是冲孔或是用CO2 激光切割时要求的那样( Meier 和Schmidt ， 2002)
1 剪切
剪切是印制电路板机械操作的第一步，通过剪切可以给出大致的形状和轮廓。基本的切割方法适用于各种各样的基板，通常厚度不超过2mm 。当切割的板子超过2mm 时，剪切的边缘会出现粗糙和不整齐，因此，一般不采用这种方法。
层压板的剪切可以是人工操作也可以是电动机械操作，不论哪种方法在操作上有共同的特点。剪切机通常有一组可调节的剪切刀片，如图10-1 所示。其刀片为长方形，底部的刀口有大约7°的可调节角度，切割长度能够达到1000mm ，两个刀片之间的纵向角度通常最好选在1°- 1. 5 °之间，使用环氧玻璃基材最大能够达到4° ，两个刀片切割边缘之间的缝隙要小于0.25mm 。
两个刀片之间的角度要根据切割材料的厚度进行选取。材料越厚，需要的角度越大。如果剪切角度太大或两个刀片之间的间隙太宽，在切割纸质基板时会出板龟裂，然而对于环氧玻璃基板，由于材料具有一定的抗弯强度，即使不出现裂缝，板子也会变形。为了在剪切过程中使底板边缘保持整洁，可将材料加热在30 - 100℃范围内。
为了获得整齐的切割，必须通过一个弹簧装置将板子牢牢的压下，以防止板子在剪切过程中出现其他不可避免的移位。另外，视差也可以导致0.3 0.5rnrn的容差，应该使其减到最小，使用角标可提高精度。
剪切机能够处理各种尺寸，能够提供精确的重复尺寸。大型机器每小时能够切割几百千克的基板。
2 锯切
锯切是切割基板的另外一种方法。虽然这种方法的尺寸容差与剪切类似(0. 3 - 0.5 rnrn) ，但是这种方法更为可取，因为其切割边缘非常光滑整齐。
在印制电路板制作工业中，大多选用可移动工作台的圆形锯切机。锯形刀片的速度可调范围为2000 - 6000r/rnin 。但是切割速度一旦设定，则不能更变。它是通过具有不只一个V 带的重滑轮实现的。
高速运动的钢制刀刃的直径大约为3000rnrn ，它可以以2000 - 3000r/rnin 的速率切割纸制酣类材料每1cm圆周上大约为1. 2- 1. 5 齿。对于环氧玻璃基板，使用碳化钨刀刃的刀片。钻石轮的切割效果会更好，虽然它在刚开始时投资大，但是由于其使用寿命长且能够提高边缘切割效果，因此它对以后的工作是非常有益的。
以下是使用切割机时需要注意的几个问题:
1 )注意直接作用在边缘上的切割力，检查轴承的坚固程度。当用手检查时不应有任何异常的感觉；
2) 为了安全起见，齿片应总是被保护装置覆盖着；
3) 应该准确放置安装轴和发动机；
4) 在锯齿片和支架之间的缝隙应该最小，这样可以使板子具有很好的支撑，以便于进行边缘切割；
5) 圆形锯应该可调，刀刃与板子之间的高度范围应该为10-15mm；
6) 钝的齿片和太粗糙的齿会使切割边缘不光滑，最好予以换掉；
7) 错误的切割速率会导致切割边缘不光滑，应适当调配，厚的材料需要选择慢的速度，而薄的材料可以快速切割；
8) 应该按照制造商给出的速度操作；
9) 如果锯的齿片很薄，可以增加一个加固垫以减少振动。
3 冲切
当印制电路板设计除了矩形外还有其他形状或不规则的轮廓时，使用冲切模具是比较快速和经济的方法。基本的冲切操作可以使用冲床完成，其切割边缘整齐，效果优于使用锯切或剪切机。有时，甚至打孔和冲切可同时进行。然而，当要求上好的边缘效果或小的容差时，冲切达不到要求。在印制电路板工业中，冲切一般应用于切割纸制基板，而很少用于切割环氧玻璃材料基板。冲切能够使印制电路板的切割容差在±(0. 1 - o. 2mm) 之内。
1.纸制基板的冲切
由于纸制基板比环氧玻璃基板柔软，因此它更适合用冲切的方法切割。当使用冲切工具切割纸制基板时，要考虑材料的回弹或弯曲度。因为纸制基板常常回弹，通常冲切部分要比模具稍微大一点。因此，模具的尺寸选取要依据容差和基材的厚度，比印制电路板稍微小一些，以补偿超过的尺寸。就像人们注意到的，当打孔时，模具大于孔的尺寸，而当冲切时，模具又小于正常尺寸了。
对于外形复杂的电路板来说，最好选用步进的工具，例如对材料进行逐条切割，随着模具对它逐条冲切，材料的形状逐渐改变。这样，通过最初的一步或两步将孔穿通，最终完成其他部分的冲切。加热后再进行冲孔和冲切可改良印制电路板的切割效果，例如将板条加热至50 -70 'C再冲切。然而，必须小心对待使其不能过热，因为这样会使冷却后的伸缩性降低。另外，对于纸制苯酣材料的热膨胀应该加以注意，因为它在Z 方向和y 方向呈现不同的膨胀性能。
2. 环氧玻璃基板的冲切
当用剪切或锯切生产不出环氧玻璃基板所需的形状时，可用一种特殊的打孔方式冲切，虽然这种方式不受欢迎，因此只有当切割边缘或尺寸要求不太严格时才能使用这种方法。因为尽管在功能上可以接受，但是切割边缘看上去不很整齐。由于环氧玻璃基板的回弹性能与纸制基板相比要小，所以冲切环氧玻璃基板的工具在冲模与冲床之间要有紧密的配合。环氧玻璃基板的冲切要在室温下进行。
由于环氧玻璃基板坚硬，冲切困难，所以会使冲床的寿命降低，很快就会被用坏。使用硬质合金顶尖的冲床可以收到较好的切割效果。
4 铣削
铣削通常应用于要求印制电路板切割整齐、边缘光滑以及尺寸精度高的场合。普通的铣削速度在1000 - 3000r/min 范围之内，通常使用直线型或螺旋型齿高速钢铣削机器。然而，对于环氧玻璃基板，最好使用碳化鸽工具，因为其寿命较长。为了避免分层，铣削时印制电路板的背面必须有坚固的衬板。关于铣削机、工具和其他操作方面的详细资料，可参考工厂或商店有关这些设备的标准说明。
5 研磨
为了获得比剪切或锯切更好的边缘效果并达到更高的尺寸精度，特别是当印制电路板有不规则的轮廓线时，可以选择研磨的方法。采用这种方法，当尺寸公差为± (0.1-0.2mm) 时花费的成本比冲切少。因此在有些情况下，在冲切超出的尺寸，可以在随后的研磨过程中修整，得到光滑的切割边缘。
现在所使用的多轴机器使研磨非常迅速，而且工人的投入和总成本都比用冲切时要更少一些。当板子的走线靠近边缘时，研磨可能是能够获得令人满意的电路板切割质量的惟一裁切的方法。
研磨的基本机械操作过程同镜削类似，但它的切割速度和进刀速度要快得多。板子以研磨夹具的基准沿着垂直的磨削面进行移动。研磨夹具根据磨削的需要被固定在一个与磨具同中心的轴衬上。印制电路板在研磨夹具的位置由材料的对位孔决定。
主要有三种研磨系统，它们分别是:
1 )针式研磨系统；
2) 跟踪或记录针研磨系统；
3) 数控( NC) 研磨系统。
1.针式研磨
针式研磨最适合于小批量生产、切割边缘平滑、精度高的研磨。针式研磨系统有一个严格按照印制电路板要求的轮廓制作的钢制或铝制的精确模板，该模板同时也提供了板子定位的针脚。通常有三块或四块板子叠放在工作台上突出的定位针脚上。所用刀具和定位针脚的直径相同，堆叠的板子研磨的方向与刀具的旋转方向相反。通常，由于研磨机容易使板子偏离定位针，因此要经过大约两次或三次循环研磨，以保证正确的研磨轨迹。
虽然针式研磨系统需要的劳动强度大，要求操作人员技术高，但是其精度高、裁切边缘光滑，最适合小批量和不规则形状板子的研磨。
2. 跟踪研磨
跟踪研磨系统同针式研磨系统一样使用模板进行裁切。这里，记录针在模板上跟踪板子的轮廓线。记录针可以控制固定工作台上钻轴的运动，或者如果固定了钻轴它可以控制工作台的运动。后者经常用于多钻轴机器。模板按照裁切板子的轮廓制造，在它的外缘有一个跟踪轮廓的记录针。裁切的第一步是由记录针跟踪外缘。在第二步中，记录针跟踪内缘，这可以卸掉研磨机上的大部分负载以便更好地控制裁切尺寸。记录针研磨系统比针式研磨系统精度要高。采用一般的操作技术，可使大批量生产的产品容差达到±0. 0l0in(0. 25mm) 。采用多钻轴机器可以同时对20 块板子进行研磨。
3. NC 研磨系统
具有多钻轴的计算机数字控制(CNC) 技术是当今印制电路板制造工业中研磨的首选方法。当生产产品的产量大，且印制电路板的轮廓复杂时，一般选
择数控研磨系统。在这些设备中，工作台、钻轴和切割机的移动都是由计算机控制的，而机器的操作者只负责装载和卸载。特别是对于大批量的生产制作，复杂形状的切割容差非常小。
在数控研磨系统中，控制钻轴在轧机z 方向运动的程序(一系列命令)很容易编写，这些程序能使机器依照一定的路径进行研磨，研磨速度和进刀速度的命令也写进程序当中，可以通过改写软件程序方便地改变设计。切割轮廓的信息直接通过程序输入到计算机中。
碳质数控研磨机的转数通常能达到12000 - 24000r/min ，这就需要发动机有足够的驱动能力，以确保研磨机的转数不至于过低。
加工或定位孔通常在电路板的靠外部分。虽然研磨能够实现直角的外部结构，但是内部结构在第一步研磨中需要用相等半径的刀具进行裁切，然后在第二次操作中通过45° 角切割，这样就可以得到直角的内部结构了。
在数控研磨机中，切割速度和进刀速度参数主要是由基板类型和厚度决定的。切割速度为24000r/min ，进刀速度为150in/min ，可以有效地应用于许多基板，但是对于像聚四氟乙烯的软材料和其他类似的材料，基板的粘合剂在低温下会流出，因此需要12000r/min 的低转速和200in/min 的较高进刀速度，以减少热量的产生。
通常使用的切割机是固态碳化钨类型的。由于数控机器可以精确地控制工作台的移动，保证切割机器的钻头不受震动的影响，因此小直径的切割机裁切效果也很好。
在数控研磨中，切割机齿轮的几何形状起着重要的作用。由于进刀速度高，应选用开放齿轮的切割机，这样碎屑能够迅速并容易地排出。通常，钻石的切割齿轮的寿命达到15000 线性英寸时开始出现磨蚀。如果需要很平滑的切割边缘，就要使用有凹槽的切割机。为了加速装载和卸载，机器自身要有一套有效地装卸和排放碎屑的系统。
可通过不同的方法把板子装载到机器的工作台上，同时正确定位以便于研磨。最常用的方法是采用可以来回移动的工作台，这样在机器切割的同时就可以完成装卸了。
4. 激光研磨
现在，激光也被用于研磨，自由的编程和灵活的操作模式使得紫外线激光特别适用于高精度的HOI 切割。所能达到的切割速度与材料有关，典型范围为每秒50 -500mm。切割后的边缘非常整齐不需要任何处理，效果如同常用的机械研磨或是冲孔或是用CO2 激光切割时要求的那样( Meier 和Schmidt ， 2002)
