CN112677057A

CN112677057A - 一种pcb微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN112677057A
Application number: CN202011600102.9A
Authority: CN
Inventors: 龚文; 王凯平; 涂俊群
Original assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112677057B

Abstract

本发明属于金刚石砂轮领域，具体涉及一种PCB微钻开槽砂轮用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法，其中金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵的体积比为25～35%，45～65%，10～20%；复合结合剂由60/40青铜合金粉及树脂粉组成，树脂粉为改性聚酰亚胺树脂，其固化温度为300~500℃。采用上述金属树脂复合结合剂制备的金刚石砂轮在CNC数控机床上加工PCB微钻时，既具有金属结合剂型面保持性佳，强度高的优点，又具有树脂结合剂弹性好，自锐性优的特点，同时还有孔隙进行容屑、散热，加工中具备优异的性能。加工PCB微钻开槽时，综合加工效率提升100～200%。

Description

一种PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及硬质合金微钻加工，具体为PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，属于金刚石砂轮领域。

背景技术

PCB（ Printed Circuit Board），中文名称为印刷电路板，是电子元器件的支撑体，是电子元器件连接的载体，被称为“电子产品之母”，在绝大多数电子设备及产品中扮演着至关重要的作用。PCB主要应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子、工控医疗、军工航天等领域。PCB按软硬程度分可分为刚性板（RPCB）、挠性板（FPC）及刚挠结合板；按层数可分为单面板、双面板和多层板。由于对应下游终端应用众多，对PCB板材要求也不尽相同。当前在5G时代，5G基站用PCB对高频高速PCB等板材的需求正逐渐加大释放。

现有PCB市场微径刀具（PCB微钻，直径0.2~0.8 mm）高端产品以日本为主，东芝、京瓷、三菱、OSG等企业早早布局中国市场并占领技术高地，其配套的超硬砂轮也是以日本进口为主，欧美进口为辅，极少量的国产产品。现有国产PCB微径刀具加工企业起步较晚，研发周期较长，机床设备精度较低，绝大部分中低端PCB刀具产品为国产，作为配套的加工砂轮，也多以国产为主，辅以进口产品。伴随着国产PCB刀具企业的发展，配套的国产超硬砂轮企业也在发展，技术要求提高，产品性能提高，技术储备逐步丰富，能够应对各种要求。

5G时代用PCB会倾向于更多层的高集成设计，PCB板会向多层板、刚挠结合板发展，且大多PCB电路企业也早早布局。为了应对PCB板的更高要求，PCB刀具企业也做出相应调整，不仅针对硬质合金材质进行调整，同时还更改了钻针的设计方案。硬质合金更换为强度更好，刚性更佳的材质，钻孔锋利，不易断针。而方案设计方面，长径比由普遍的20左右，提升至25甚至更高，满足多层板钻孔加工需求。硬质合金材质的改变，钻针设计方案的改变，意味着钻针加工难度的提升，金刚石砂轮的性能需针对性提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于PCB微钻开槽的金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，该金属树脂复合结合剂以金属组织为骨架，树脂呈液相流动，填补金属结合剂骨架之间的孔隙；同时采用碳酸氢铵作为造孔剂，得到较为合理的气孔率。采用该金属树脂复合结合剂制备的金刚石砂轮兼具优异的锋利性、自锐性及超强的型面保持性性、耐热性，同时还能具备良好的容屑及导热性，使得加工中刀具表面质量良好的同时具备超高的磨削效率及超长的寿命。

为达到上述目的，本发明具体的技术方案是：

一种PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，包括基体及磨削层，磨削层由金刚石微粉、复合结合剂、碳酸氢铵制备；所述复合结合剂由铜锡合金粉、树脂粉组成。本发明的磨削层通过胶水粘接在基体上组成PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮。

本发明进一步公开了上述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，包括以下步骤：将铜锡合金粉、树脂粉混合后与金刚石微粉混合，再与碳酸氢铵混合，得到磨削层混合料；所述磨削层混合料经过热压烧结，得到砂轮坯体；所述砂轮坯体与基体结合，得到PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮。

具体的，本发明PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法包括以下步骤：

（1）将铜锡合金粉与树脂粉在三维混料机中混合，过筛得复合结合剂；

（2）将复合结合剂与金刚石微粉置于丙酮中，混合1 h后过筛，再与碳酸氢铵混合，再次过筛得磨削层混合料；

（3）将磨削层混合料加入模具，刮平，置于真空热压机中热压烧结，冷却后出模得到砂轮坯体；

（4）将砂轮坯体通过胶水粘接在基体上，得到砂轮成型体；

（5）砂轮成型体经过机加工得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。

上述技术方案中，筛网的目数为400目；步骤（2）中，所述金刚石磨料为微粉磨料；步骤（3）中，热压烧结时，真空度≤0.1 Pa，热压压力为20 MPa；烧结的温度曲线为0.5 h由室温升温至300℃，保温0.5 h，然后1 h升温至400~500 ℃，保温2~3 h；步骤（4）中，胶水为金属修补剂；步骤（5）中，机加工包括车床加工、磨床加工，具体为常规技术。

上述技术方案中，以金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵的体积百分数为100%，金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵的体积百分数分别为25～35%、45～65%、余量；所述金刚石磨料为单晶微粉；所述碳酸氢铵为白色结晶粉末，粒度400目；所述复合结合剂中，铜锡合金粉的体积百分数分别为40～60%，余量为树脂粉的体积百分数；所述铜锡合金粉为60/40青铜，粒度400目，堆积密度3.08 g/cm³；所述树脂粉为改性聚酰亚胺树脂粉，为淡黄色固体粉末。

本发明的砂轮制备技术相较传统的金属或者树脂工艺，采用的是烧结砂轮坯体胶粘的工艺。这样做的优点：1、模具设计简单，砂轮坯体烧结无需与基体配合。2、装模方便，只需制备所需形状的砂轮胚体，而无需与基体模具装配，大大提高生产效率。3、一次性烧结可以装模多片，生产效率成倍提升。4、砂轮一致性好，同一炉烧结产品温差小，性能波动小，综合生产效率能大幅度提升。同时考虑到与基体的粘接工艺问题，所用胶水为金属修补剂。金属修补剂为含有金属填充剂的聚合修补材料，相对于传统树脂及其他陶瓷粘胶所用的聚氨酯、环氧类胶水来说，金属修补剂具有强度高，综合机械性能好，施工工艺性好，冬季不受气候影响等优点，能够保证砂轮与基体之间的粘接牢固不因外力而脱落。

本发明将金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵混合制备复合结合剂金刚石砂轮，无需其他物料，采用上述复合结合剂制备的金刚石砂轮在CNC数控机床上加工PCB微钻时，兼具优异的锋利性、自锐性及超强的型面保持性性、耐热性，同时还能具备良好的容屑及导热性，使得加工中刀具表面质量良好的同时具备超高的磨削效率及超长的寿命。加工PCB微钻时线速度可达45 m/s，相较其他树脂砂轮提高50%；进给速度可达1300～1500 mm/min，相较其他树脂砂轮提高30～50%；修整间隔为60000～80000支，相较其他树脂砂轮提高50～100%；寿命相较其他树脂砂轮提高100~150%。在同等的测试条件下，本发明的金属树脂复合结合剂金刚石砂轮相较市场的树脂砂轮综合加工效率提升100～200%。

由于上述方案的应用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、采用该金属树脂复合结合剂制备的金刚石砂轮兼具优异的锋利性、自锐性及超强的型面保持性性、耐热性，同时还能具备良好的容屑及导热性，使得加工中刀具表面质量良好的同时具备超高的磨削效率及超长的寿命。

2、采用该金属树脂复合结合剂制备的金刚石砂轮由于使用金属修补剂粘接磨削层与基体，能够保证砂轮与基体之间的粘接牢固不因外力而脱落，进而能够承受更高的磨削力，从而提升加工效率。

3、本发明公开的金属树脂复合结合剂金刚石砂轮性能优异，与现有树脂砂轮相比，在同等测试条件下，加工线速度可提高50%；进给速度可提高30～50%；修整间隔提高50～100%；寿命提高100～150%，综合加工效率提升100～200%。

4、本发明所公开的金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备工艺简单，生产效率高，原料无特殊要求，生产过程对环境不产生污染，适合于工业化生产与应用。

附图说明

图1为金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的示意图；

图2为金属树脂复合结合剂金刚石砂轮实物；

图3为实施例一加工工件的图片；

图4为对比例一加工工件的图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

本发明的原料都是市购产品，相关特性符合砂轮应用要求；砂轮具体制备操作以及测试加工的具体操作都为常规技术。本发明将铜锡合金粉、改性聚酰亚胺树脂粉混合后与金刚石微粉混合，再与碳酸氢铵混合，得到磨削层混合料；再将磨削层混合料热压烧结，得到砂轮坯体；然后将砂轮坯体与基体用金属修补剂粘接，最后常规机加工，得到PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮。本发明无需其他制备步骤与物料，工艺简单，制备的金刚石砂轮在CNC数控机床上加工PCB微钻时，兼具优异的锋利性、自锐性及超强的型面保持性性、耐热性，同时还能具备良好的容屑及导热性，使得加工中刀具表面质量良好的同时具备超高的磨削效率及超长的寿命。

金刚石磨料为单晶微粉，粒度为10～20 μm，市场有售，质量符合国家标准；碳酸氢铵为分析纯，白色结晶粉末，粒度400目，市场有售；铜锡合金粉为60/40青铜，粒度400目，堆积密度3.08 g/cm³，市场有售，质量符合国家标准；改性聚酰亚胺树脂粉，牌号PI-KF-2，淡黄色固体粉末，市售；金属修补剂牌号为TS2111，灰色，密度1.97 g/cm³，拉伸强度（GB/T6329）54 MPa，弯曲强度（GB/T9341）77 MPa，剪切强度（GB/T7124）21 MPa，工作温度-60~160 ℃，市场有售，根据说明书操作。

实施例一制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，包括以下步骤：

(1) 将体积百分数为60%的60/40铜锡合金粉、40%的改性聚酰亚胺树脂粉置于三维混料机常规混合4 h后，再过400目标准筛，得到复合结合剂；

(2) 将复合结合剂与金刚石微粉置于烧杯中，加丙酮没过粉料，使用磁力搅拌器进行常规混合1 h，自然晾干后过400目标准筛，再加入碳酸氢铵，混合均匀后再过400目标准筛，得到磨削层混合料；

其中，金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵的体积百分数各为：35%、45%、20%；

(3)将磨削层混合料均与投置于现有模具中，刮平，置于真空度0.08 Pa，压力20MPa的环境下，热压烧结，烧结的温度曲线为0.5 h由室温升温至300℃，保温0.5 h，然后1 h升温至500 ℃，保温3 h；自然冷却后出模得到砂轮坯体；

(4) 将砂轮坯体通过金属修补剂常规粘接在预先按图纸制作的基体上，得到砂轮成型体，参见图1；

(5) 根据常规方法，将检验合格的砂轮成型体在车床和磨床上加工至图纸要求的形状和尺寸，参见图2；按金刚石砂轮国家标准JB/T 7425-94检验合格后包装、入库，得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。

本砂轮实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1400 mm/min，较现有用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm）的砂轮提升40%；修整间隙为80000支修整，较现有用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm）的砂轮提升100%；寿命比现有用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm）的砂轮提升150%；综合加工效率提高200%。

参见附图3，本发明砂轮加工工件表面粗糙度、亮度、纹路优异，较现有用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm）的砂轮加工品质略优，同时产品的加工效率大幅度提升。

实施例二

制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，将实施例一步骤（1）的60/40铜锡合金粉、改性聚酰亚胺树脂粉的体积百分数调整为50%的60/40铜锡合金粉、50%的改性聚酰亚胺树脂粉；将实施例一步骤（2）的金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵的体积百分比调整为：30%、55%、15%。其余都按照实施例一的制备方法，得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。

本砂轮实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1400 mm/min；修整间隙为70000支修整，寿命比树脂砂轮提升75%，综合加工效率提高150%。

实施例三

制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，将实施例一步骤（1）的60/40铜锡合金粉、改性聚酰亚胺树脂粉的体积百分数调整为40%的60/40铜锡合金粉、60%的改性聚酰亚胺树脂粉；将实施例一步骤（2）的金刚石磨料、复合结合剂、碳酸氢铵的体积百分比调整为：25%、65%、10%；其余都按照实施例一的制备方法，得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。

本砂轮实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1500 mm/min；修整间隙为60000支修整；寿命比树脂砂轮提升50%；综合加工效率提高100%。

以上可以看出，与现有PCB微钻开槽砂轮相比，本发明砂轮取得显著的进步。

对比例一制备金属结合剂金刚石砂轮，除了不添加改性聚酰亚胺树脂粉，其他与实施例一相同，包括以下步骤：

(1) 将60/40铜锡合金粉与金刚石微粉置于烧杯中，加丙酮没过粉料，使用磁力搅拌器进行混合，混合1 h，晾干后过400目标准筛，再加入碳酸氢铵，混合均匀后再过400目标准筛，得到磨削层混合料；

其中，金刚石磨料、60/40铜锡合金粉、碳酸氢铵的体积百分比各为：35%、45%、20%。

将磨削层混合料根据实施例一的制备方法，得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。本砂轮实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），与现有PCB微钻开槽砂轮采用同样的加工参数，参见附图4，所加工出的产品粗糙度差，刃口锯齿严重，无法满足加工需求。

对比例二制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，除了不添加碳酸氢铵，其他与实施例一相同，即将实施例一步骤（2）中“再加入碳酸氢铵，混合均匀后再过400目标准筛”这一步骤省略，其余不变，得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。本砂轮实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），所加工刀具余量大，砂轮锋利性不足，导致加工粗糙度非常差，刀具刃口崩缺严重，无法满足加工需求。

对比例三制备树脂结合剂金刚石砂轮，除了不含金属组分，其他与实施例一相同，包括以下步骤：

(1) 将改性聚酰亚胺树脂粉与金刚石微粉置于烧杯中，加丙酮没过粉料，使用磁力搅拌器进行混合，混合1 h，晾干后过400目标准筛，再加入碳酸氢铵，混合均匀后再过400目标准筛，得到磨削层混合料；

其中，金刚石磨料、改性聚酰亚胺树脂粉、碳酸氢铵的体积百分比各为：35%、45%、20%。

将磨削层混合料根据实施例一的制备方法，得到PCB微钻开槽用复合结合剂金刚石砂轮。本砂轮实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），加工工件粗糙度、刃口质量满足要求，但是砂轮修整间隔与现有树脂砂轮比，差30%，总体寿命相差50%，无法满足加工需求。

对比例四制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，除了将60/40铜锡合金粉更换为铜粉、锡粉（铜粉、锡粉的重量比为6∶4），其他与实施例一相同，得到复合结合剂金刚石砂轮，实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1000 mm/min，修整间隙为30000支修整。

对比例五制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，除了将60%的60/40铜锡合金粉更换为50%的60/40铜锡合金粉与10%钛粉，其他与实施例一相同，得到复合结合剂金刚石砂轮，实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1100 mm/min，修整间隙为40000支修整。

对比例六制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，除了碳酸氢铵更换为聚苯乙烯微球，其他与实施例一相同，得到复合结合剂金刚石砂轮，实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1100 mm/min，修整间隙为50000支修整。

对比例七制备金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，除了将体积百分数为60%的60/40铜锡合金粉、40%的改性聚酰亚胺树脂粉调整为体积百分数为70%的60/40铜锡合金粉、30%的改性聚酰亚胺树脂粉，其他与实施例一相同，得到复合结合剂金刚石砂轮，实际应用于PCB微钻（0.5mm直径）刀具开槽（0.12mm），进给速度为1000 mm/min，修整间隙为50000支修整。

5G时代用PCB会倾向于更多层的高集成设计，PCB板会向多层板、刚挠结合板发展。为了应对PCB板的更高要求，PCB刀具所用硬质合金强度更高，刚性更好，长径比更大。传统的树脂结合剂砂轮已经无法满足快速发展的PCB微钻刀具使用需求，本发明公开了一种兼具锋利性好、自锐性优及强度高、保型性佳，同时具备容屑及散热性的新型金属树脂复合结合剂金刚石砂轮及其制备方法，通过组分调整，使得金属结合剂为骨架的情况下，树脂呈液相流动，填补金属结合剂骨架之间的孔隙。同时采用碳酸氢铵作为造孔剂，得到较为合理的气孔率。与现有砂轮相比，在同等测试条件下，加工线速度可提高50%；进给速度可提高30～50%；修整间隔可提高50～100%；寿命可提高100~150%，效率提升100～200%。

Claims

1.一种PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，包括基体及磨削层，其特征在于，所述磨削层由金刚石微粉、复合结合剂、碳酸氢铵制备；所述复合结合剂由铜锡合金粉、树脂粉组成。

2.根据权利要求1所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮，其特征在于，金刚石微粉、复合结合剂、碳酸氢铵的体积百分数为25～35%、45～65%、余量；所述复合结合剂中，铜锡合金粉的体积百分数为40～60%。

3.权利要求1所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铜锡合金粉、树脂粉混合后与金刚石微粉混合，再与碳酸氢铵混合，得到磨削层混合料；所述磨削层混合料经过热压烧结，得到砂轮坯体；所述砂轮坯体与基体结合，得到所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮。

4.根据权利要求3所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，热压烧结时，真空度≤0.1 Pa，热压压力为20 MPa；烧结的温度曲线为0.5 h升温至300℃，保温0.5 h，然后1 h升温至400~500 ℃，保温2~3 h。

5.根据权利要求3所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，所述铜锡合金粉为60/40青铜；所述树脂粉为改性聚酰亚胺树脂粉。

6.根据权利要求3所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，金刚石微粉的粒径为10~20 μm。

7.根据权利要求3所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮的制备方法，其特征在于，将砂轮坯体通过胶水粘接在基体上，实现砂轮坯体与基体结合，得到砂轮成型体；砂轮成型体经过机加工得到PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮。

8.权利要求1所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮在制备PCB微钻加工工具中的应用。

9.权利要求1所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮在PCB微钻加工中的应用。

10.一种PCB微钻加工的方法，其特征在于，利用权利要求1所述PCB微钻开槽用金属树脂复合结合剂金刚石砂轮进行PCB微钻开槽，完成PCB微钻加工。