DE4117486C2

DE4117486C2 - Bohrer

Info

Publication number: DE4117486C2
Application number: DE19914117486
Authority: DE
Inventors: Kunio Arai; Yasuhiko Kanaya
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1991-05-28
Filing date: 1991-05-28
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: DE4117486A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bohrer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Bohrer ist aus der DE-OS 39 36 747 bekannt.

Nachfolgend sollen zunächst Probleme beschrieben werden, die bei der Konstruktion und imm Einsatz derartiger Bohrer zu berücksichtigen sind, wobei auf einzelne Figuren in der Beschreibung Bezug genommen wird.

In Fig. 13 ist ein Bohrer dargestellt, bei dem das Verhältnis zwischen Lochtiefe und Lochdurchmesser 8 oder größer ist. Wenn nicht alle Späne von der Bohrerspitze entfernt wurden, nimmt die Schubbelastung des Bohrers mit der Lochtiefe zu. Die entstehende Bohrerverbiegung führt zu einer Abweichung der Lochposition im unteren Teil des Plattenstapels sowie zu einer Lochvergrößerung. Aufgrund der Erwärmung des Bohrers können außerdem Verschmierungen der Löcher und in den Löchern auftreten.

Gewöhnliche lange und dünne Bohrer sind in den Fig. 14 bis 16 dargestellt. Ein typischer Bohrerdurchmesser ist 0,4 mm (0,016″), die Kerndicke beträgt in etwa 15% des Bohrerdurchmessers, das Verhältnis zwischen Spannute und Führungsfase beträgt etwa 2,0, die Kernverjüngung liegt bei 1,5 bis 2,0 pro 100, der Spannutenwinkel ist 30 bis 35°, das Material ist Hartmetall bzw. aufgekohltes Karbid. Es stellte sich nun heraus, daß die Körperlänge und die Spannutenlänge zum Bohren gedruckter Leiterplatten entweder zu lang oder zu kurz sind. Um das Problem des Zusetzens durch Späne zu vermeiden, wird, wie in Fig. 16 dargestellt, bei einigen Bohrern die Hinterfräsung N₂ auf 0,05 mm (0,002″) ausgehend von der Hinterfräsung N₁ der Fig. 15 verdoppelt. Dies führt zu einer starken Verbesserung, dafür aber bricht der Bohrer öfters ab, und Positionierungsgenauigkeit und Lochqualität verschlechtern sich. Außerdem ergibt sich eine unerwünschte Spannungszunahme an den Enden der Spannuten, die auch die Körper- oder Schaftenden bilden.

Wenn ein derartiger Bohrer für ein Schrittvorschubbohren verwendet wird, zeigt das in Fig. 14 durch die sinusförmige Kurve dargestellte Trägheitsmoment, daß zwischen dem Querschnitt an der Bohrerspitze und dem Querschnitt am Schaftende nur ein sehr kleiner Unterschied besteht, so daß resonanzbedingte Vibrationen, das Auslaufen der Spindel, Zentrierfehler, Rauhigkeiten in der oberen und unteren Plattenoberfläche, durch Glasfaserbündel verursachte Widerstände und das Zusetzen des Bohrers eine Radialbelastung sowie eine Kraft in Pfeilrichtung erzeugen können, was zu einer Verbiegung des Bohrers oder gar zu seinem Brechen führt. Das Trägheitsmoment ändert sich sinusförmig längs der Länge des Bohrers an der mit B bezeichneten Position und durchläuft mehrere Minima, die über die Länge des Bohrers hinweg in etwa konstant sind. Der Betrag der Ablenkung, Y₁, ist, umgekehrt proportional zur Anzahl und Größe dieser Minima. Anders ausgedrückt ist die Ablenkung um so größer, je kleiner diese Größen ihrem Betrag nach sind.

Darüber hinaus ist die elastische Verformbarkeit des o. g. Materials gering. Wird die elastische Grenze überschritten, ergeben sich dauerhafte Verformungen. Wenn ein Stapel von drei Platten gebohrt wird, von denen jede 1,6 mm (0,063″) dick ist, kann die Abweichung des Loches an der unteren Oberfläche der unteren Platte aufgrund der Bohrerbiegung groß sein, so daß sich Löcher ergeben, die nicht zentriert in leitenden Flächen liegen, außerdem ergibt sich ein hoher Plattenausschuß. Bei der Anwendung des Schrittvorschubverfahrens tritt außerdem jedesmal dann, wenn der Bohrer zurückgezogen und wieder eingefahren wird, eine Beschädigung der Lochkante auf, wenn der Bohrer dauerhaft verformt ist.

Fig. 6 zeigt die Bohrerspitzenablenkung aufgrund von Biegung, wenn eine biegende Kraft auf die Spitze von verschiedenartigen Bohrern angewendet wird, und Fig. 7 zeigt die Änderung des Lochpositionierungsfehlers mit der Anzahl der gebohrten Löcher, in diesem Fall den Lochfehler am hinteren Ende eines Stapels von drei Leiterplatten. Die Kurven D und E in jeder Figur stellen die Ablenkung und den Fehler jeweils für gewöhnliche Bohrer dar, und man kann sehen, daß sie nicht tolerierbar groß sind.

Gewöhnliche Bohrer weisen eine konstante oder näherungsweise parallele Verjüngung auf, wie in der japanischen Offenlegungsschrift 61-50706 beschrieben, wobei der Führungswinkel (lead angle) 26° übersteigt, die Tiefe des Spannutenanfangs 70 bis 80% des Bohrerradius beträgt und die Spannutenendtiefe zwischen 50 und 80% des Bohrerradius liegt.

Eine andere Ausführungsform von bekannten Bohrern weist am Ende der Spannut ein Verhältnis zwischen Spannute und Führungsfase von größer als eins (1) auf, wobei der Kernverjüngungsbereich von 0,1/100 bis 5/100 reicht, wie in der japanischen Offenlegungsschrift 59-156719 beschrieben.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 61-226209 ist ein Bohrer bekannt, bei dem der Querschnittsradius der Spannute zum Ende der Spannute des Bohrers hin größer wird. Der Spannutenwinkel bleibt hierbei jedoch konstant.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 60-61110 ist ein anderer Bohrer bekannt, bei dem der Führungswinkel (lead angle) zum Spannutenende hin in Richtung auf den Spannutenanfang des Schafts hin kleiner wird. Bei dieser Anordnung ist weder eine Verjüngung vorhanden noch eine Ausführung, bei der der Führungswinkel am Beginn der Spannute größer als der Führungswinkel am Spannutenende wäre.

Die Probleme, die beim Hochgeschwindigkeitsbohren von langen, dünnen Löchern im Hinblick auf Lochverschmierung, Spitzenablenkung und Lochpositionierungsfehler entstehen, werden somit durch die vorbeschriebenen Bohrerarten nicht überwunden.

Nachfolgend wird auf den einschlägigen Stand der Technik eingegangen.

Aus der DE-OS 39 36 747 ist ein Bohrer bekannt. Dieser Bohrer weist in Umfangsrichtung segmentierte Freiflächen auf, die unter unterschiedlichen Winkeln zur zu bohrenden Ebene geneigt sind.

Aus der DE-OS 21 29 406 sind Spiralbohrer bekannt, bei denen die Stegbreite und die Kerndicke von der Spitze des Bohrers zum Ende der Spannuten bzw. zum Schaft des Bohrers hin fortschreitend zunehmen und die Breite der Spiralnuten fortschreitend abnimmt. Beschrieben wird ein beispielhafter Bohrer von 5 mm Durchmesser.

Aus einem Katalog der Firma Stock vom 30. 11. 1970 sind Spiralbohrer mit einem Spitzenwinkel zwischen 130° und 140° sowie mit einem Drallwinkel zwischen 35° und 40° für weiche Kunststoffe bekannt. Bohrer für verschiedene Metalle weisen Drallwinkel zwischen 18 und 30° auf.

Aus der DE-OS 39 27 615 ist ein Spiralbohrer bekannt, bei dem das Verhältnis von Rückbreite zu Nutbreite im Bereich zwischen 0,8 und 0,9 liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bohrer anzugeben, mit dem durch Spitzenablenkung bedingte Positionierungsfehler verringert werden und eine verbesserte Lochqualität erreicht werden kann.

Dadurch werden Vibrationen aufgrund von Resonanzerscheinungen sowie Zusetzungen, die radiale Belastungen verursachen können, die zu Verbiegungen oder zum Bruch des Bohrers führen könnten, minimiert.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Außerdem wurden die Werte des Verhältnisses von Spannute zu Rückenbreite, im folgenden auch "Führungsfase" genannt, der Kerndicke und des Spitzenwinkels, des Schnittwinkels und des Führungswinkels oder des Spannutenwinkels festgestellt, mit denen die Aufgabe der Erfindung gelöst werden kann. Es stellte sich heraus, daß mit einem Bohrer, bei dem die Kerndicke an der Spitze klein ist und zum Schaftende hin zunimmt, wie weiter unten beschrieben und wie inFig. 5 dargestellt, die Spitzenablenkung oder anders ausgedrückt der Bohrfehler stark verringert werden kann. Es ergaben sich außerdem geeignete Werte der Verjüngungsgröße und der Körperlänge für solch einen Bohrer.

Positionierungsfehler, die zu Löchern führen, die nennenswert von der Mitte einer Leiterfläche auf einer gedruckten Leiterplatte abweichen, zu Durchmesserbeschädigungen der Lochkante aufgrund von verbogenen Bohrern und zu Lochrauhigkeit und Verschmierungen führen, wenn ein Stapel von drei Leiterplatten gebohrt wird, können somit stark vermindert werden.

Im folgenden werden einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrers;

Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten Bohrerspitze;

Fig. 2A eine Draufsicht auf eine der Fig. 2 ähnliche Bohrerspitze mit einem näherungsweise symmetrischen runden Schleifstein;

Fig. 2B eine Draufsicht einer der Fig. 2 ähnlichen Bohrerspitze mit einem unsymmetrischen Schleifstein;

Fig. 3 eine Einzelansicht der Bohrerspitze aus Fig. 1, bei der der Spitzenwinkel Θ_p dargestellt ist;

Fig. 4 eine Teilansicht der Bohrerspitze aus Fig. 1, bei der ein erster Freiwinkel Θ₂ und ein zweiter Freiwinkel Θ₃ dargestellt sind;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrers, bei der die Auswirkung einer zunehmenden Kerndicke auf die Ablenkung im Hinblick auf das Trägheitsmoment dargestellt ist;

Fig. 6 eine Kurve, die die Beziehung zwischen Biegekraft und Ablenkung einer Bohrerspitze darstellt;

Fig. 7 eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Anzahl der gebohrten Löcher und dem Positionierungsfehler der Löcher darstellt;

Fig. 8 eine Seitenansicht einer anderen erfindungsgemäßen Bohrerausführungsform, bei der eine Gesamtverjüngung aus zwei einzelnen, linearen Verjüngungen besteht;

Fig. 9 eine Seitenansicht einer anderen erfindungsgemäßen Bohrerausführungsform, bei der eine Verjüngung gemäß einem Potenzgesetz vorliegt;

Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der aus Fig. 5, aber mit einem Bohrer, dessen Spitzenwinkel 24° ist;

Fig. 11 eine Seitenansicht ähnlich der aus Fig. 5, bei der aber die Ablenkung einer Bohrerspitze dargestellt ist, deren Spannutenwinkel am Spannutenanfang 32° ist und deren Spannutenwinkel am Spannutenende 20° ist;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer Bohrmaschine, bei der die Bohrer der Fig. 1, 5, 8, 9, 10 und 11 verwendet werden;

Fig. 13 die Beziehung zwischen Bohrschubbelastung und Lochtiefe;

Fig. 14 eine Seitenansicht ähnlich der aus Fig. 5, jedoch bei einem vorbekannten Bohrer sowie die Ablenkung derselben im Hinblick auf das Trägheitsmoment; und

Fig. 15 und 16 Draufsichten von zwei verschiedenen vorbekannten Bohrerspitzen.

In den Fig. 1 bis 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen langen, dünnen Bohrers dargestellt. Dabei bedeuten:

D Bohrerdurchmesser
W minimale Kerndicke
Θ_FS Spannutenwinnkel am Anfang der Spannute (Schneidkante)
Θ_FE Spannutenwinkel am Ende der Spannute
W_E Kerndicke am Schleifende
F/L Verhältnis von Spannute zu Führungsfase
N Hinterfräsungstiefe
Θ_p Spitzenwinkel
Θ_F Spannuten- oder Führungs- oder erster Schnittwinkel
Θ₂ erster Freiwinkel
Θ₃ zweiter Freiwinkel
Θ_c Querschneidenwinkel
L_c Querschneidenlänge
L_e Schneidkantenlänge
P_TE Verjüngungsende, Beschleifungsende
P_FE Spannutenende
P_BE Körper- oder Schaftende
L_B Körperlänge (Bereich mit Nenndurchmesser)
L_f Spannutenlänge
L_A maximale Kerndicke mit Verjüngung

Bei einem erfindungsgemäßen dünnen Hochgeschwindigkeitsbohrer kann der Bohrerdurchmesser 0,4 mm (0,016″) sein, die Kerndicke W an der Bohrerspitze beträgt 15% des Bohrerdurchmessers, das Verhältnis zwischen Spannute und Führungsfase beträgt 2,0, der Spitzenwinkel Θ_p ist 130°, der erste Freiwinkel Θ₂ ist 20° und der zweite Freiwinkel Θ₃ ist 30°. Θ₂ und Θ₃ werden dabei in einer Ebene gemessen, die parallel zur Bohrerlängsachse und senkrecht durch eine der Hauptschneiden verläuft. Die Winkel Θ₂ und Θ₃ ergeben sich dann zwischen der gedachten zu bohrenden Bohrerfläche und der Konturlinie der Freifläche des Bohrers (Fig. 4). Der Führungs- oder Spannutenwinkel Θ_F ist 32°, die Hinterfräsungstiefe beträgt 25 µm (0,001″), die Körperlänge L_B ist etwa 7 mm (0,256″) und die Entfernung zwischen dem Körperende und dem Spannutenende beträgt 0,25 mm (0,01″). An der Stelle, die dem Ende der Spannute entspricht, beträgt die Spannutenfläche nur etwa 5% der Körperquerschnittsfläche. Anstelle der Materialien K30, K20 oder K10, die einen niedrigen Young'schen Modul aufweisen, werden Materialien mit einem großen oder zumindest größeren Young'schen Modul für die erfindungsgemäßen Bohrer verwendet. Der Übergangsbereich zwischen dem Spannutenende und dem Körperende führt außerdem zu einer merklichen Spannungsverringerung.

Bei den oben beschriebenen Bohrern mit einem Durchmesser zwischen 0,3 und 0,5 mm (0,012″ bis 0,020″) trägt die Spannutenform sehr effektiv zur Spanbeseitigung bei. Durch Vergrößerung der Bohrerquerschnittsfläche kann, wie in Fig. 2B gezeigt, dieser Effekt verstärkt werden, bei der die Querschnittsfläche für eine Schleifsteinbearbeitung geeignet ist bzw. dessen Oberflächenform entspricht. In Fig. 2B wird die Fläche an Wert größer (Fz-Fz′) als beim Bohrer der Fig. 2A, obwohl das Verhältnis zwischen Spannute und Führungsfase bei beiden dasselbe ist, obwohl die Bohrschubbelastung leicht erhöht ist, weil die Querschneidenlänge Lc in Fig. 2B ein wenig größer als in Fig. 2A ist und weil die Schnittlänge Le in Fig. 2B ein wenig kürzer als in Fig. 2A ist, jeweils innerhalb eines begrenzten Bereichs L_c von kleiner als 40% und eines Bereichs L_e von über 30%. Es ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Lochqualität (Rauhigkeit, Verschmierungen), und die Bohrtiefe innerhalb eines jeden Schritts kann an die Obergrenze herangeführt werden, wie beispielsweise 6 mal D im ersten Schritt, 3 mal D im zweiten Schritt und 2,5 mal D im dritten und in den weiteren Schritten. In den Fig. 2A und B bezeichnet Wsr den in etwa symmetrischen, rund ausgebildeten Schleifstein; Wse einen unsymmetrisch ausgebildeten Schleifstein; und Fz-Fz′ stellt die Zunahme des Spannutenquerschnitts bei einem Bohrer mit unsymmetrischer Spannute in bezug auf einen Bohrer mit näherungsweise symmetrischer Spannute dar.

Der bezüglich seiner Geometrie in den Fig. 1 bis 4 beschriebene Bohrer ist nochmals in Fig. 5 dargestellt. Die Kerndicke verjüngt sich vom Schaft her (der dicke Bereich) zur Bohrerspitze hin (der dünnste Bereich). Stärke und Steifigkeit eines derartigen Bohrers mit sich verjüngendem Kern sind denen eines herkömmlichen Bohrers mit näherungsweise konstanter Kerndicke überlegen.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Auslenkung in Abhängigkeit von der Biegelast (Fig. 6) einer erfindungsgemäßen Ausführungsform im Vergleich zum Stand der Technik (Kurven D und E) zeigt Kurve A das Verhalten des in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Bohrers mit einer linearen Verjüngung der Führungsfase. In ähnlicher Weise zeigt Kurve A in Fig. 7 die Verbesserung des Lochpositionierungsfehlers bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Bohrers im Vergleich zu einem vorbekannten Bohrer (Kurven D und E).

Erfindungsgemäß können dabei auch andere als lineare Verjüngungen der Führungsfase angewendet werden. Es können z. B. zwei lineare Verjüngungen zusammengesetzt werden (zwei Beispiele sind durch eine durchgezogene und eine gepunktete Linie in Fig. 8 dargestellt, wo t₁ und t₃ die ersten Verjüngungslängen sind, t₂ und t₄ die zweiten Verjüngungslängen und L_t die Spannutenlänge bis zum Schleifende), oder es kann eine Verjüngung gemäß einem Potenzgesetz y=axⁿ+b oder y=ax^1/n+b vorgesehen sein (wie jeweils durch durchgezogene und gepunktete Linien in Fig. 9 dargestellt), indem die radiale Vorschubgeschwindigkeit und die axiale Vorschubgeschwindigkeit von Bohrer gegenüber kreisförmiger Schleifscheibe geändert wird, wobei y der Kerndurchmesser ist und x die Entfernung von der Bohrerspitze.

Ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 10 sowie durch Kurve B in Fig. 6 und 7 beschrieben, dort ist der Spannutenwinkel Θ_F auf 24° verkleinert, wohingegen die anderen Gesichtspunkte der Bohrerkonstruktion identisch zu denen bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 4 sind. Über die Bohrerlänge hinweg durchläuft dann das Trägheitsmoment lediglich vier Minima, so daß sich eine Zunahme der Bohrersteifigkeit und eine Verbesserung der Lochpositionierungsgenauigkeit ergibt. Es stellte sich heraus, daß dieser Winkel insbesondere zum Bohren von doppelseitigen Platten geeignet ist.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist der Spannutenwinkel Θ_FS am Anfang der Spannute 32°, wohingegen er am Ende 20° beträgt, um eine Ablenkung der Bohrerspitze zu minimieren. Diese Ausführungsform wird durch die Kurve C in den Fig. 6 und 7 beschrieben.

Bei einem Bohrer mit einer Verjüngung gemäß einem Potenzgesetz, bei dem sich eine besonders geringe Abnutzung der Schneidkanten ergibt, ist der Spannutenwinkel Θ_F 32°, der Winkel Θ_FE dagegen nimmt auf 20° am Schaftende ab, indem Vorschubwinkel und axiales Vorschubverhältnis von Bohrer zu Schleifstein entsprechend y=axⁿ+b wie oben beschrieben verändert wird (durchgezogene Linie in Fig. 9).

Die Schubbelastung einer Bohrerspitze während eines Bohrvorgangs hängt vom Spitzenwinkel Θ_p und dem Spannuten- oder Führungswinkel Θ_F ab, die die schneidenden Komponenten bilden, und von der abwärtsgerichteten Querschneidenkraft über einem Bereich, der ein Kreis mit einem Durchmesser gleich der Querschneidenlänge L_c ist. Einerseits kann nun, wenn der Spitzenwinkel Θ_p, der erste Freiwinkel Θ₂ und der zweite Freiwinkel Θ₃ vergleichsweise groß sind, die Querschneidenlänge L_c bis zu 40% des Bohrerdurchmessers sein, und die Schubbelastung der Bohrerspitze wird sehr groß. Dies kann zum Abbrechen des Bohrers und zum Aufsplittern der Leiterplatte führen. Und da außerdem die Schneidlänge Le klein ist, können Lochrauhigkeiten und Verschmierungen auftreten. Da aber die radiale Schneidkomponente klein ist, ist die Positionierungsgenauigkeit verbessert. Andererseits verschwinden die weiter oben genannten Probleme, wenn Spitzenwinkel und zweiter und dritter Schnittwinkel vergleichsweise klein sind, es verschlechtert sich damit aber auch die Positionierungsgenauigkeit.

Es stellte sich heraus, daß für gedruckte Leiterplatten, bei denen die Positionierungsgenauigkeit am höchsten sein sollte und bei denen die Schubbelastung am niedrigsten ist, für Durchmesser zwischen 0,3 und 0,5 mm (0,012 bis 0,020″) die optimale Kerndicke 10% bis 20% des Bohrerdurchmessers beträgt, das optimale Verhältnis zwischen Spannute und Führungsfase zwischen 1,5 und 2,5 liegt, der optimale Spitzenwinkel zwischen 118° und 140° liegt, der zweite Schnittwinkel zwischen 15° und 20° liegt und der dritte Schnittwinkel zwischen 25° und 30° liegt, und der Spannutenwinkel 20° bis 35° beträgt. Die optimale Körperlänge liegt zwischen 6 mm und 7 mm (0,24″ bis 0,28″), die Hinterfräsungstiefe liegt zwischen 25 µm und 50 µm (0,001″ bis 0,002″), die Querschnittsfläche der Spannute beträgt nicht mehr als 40% (vorzugsweise 25% der entsprechenden Kreisfläche am Ende der Verjüngung, das optimale Material ist K10- oder K20-Material und der Abstand zwischen Körperende und Spannutenende liegt zwischen 0,25 mm und 1,25 mm (0,01″ bis 0,05″).

Es stellte sich heraus, daß bei einem Schrittvorschubbohrvorgang die beste Lochpositionierungsgenauigkeit und die beste Lochqualität mit einer optimalen Bohrerform erreicht werden kann. Insbesondere werden die zu dimensionierenden Formen für jede Bohrergröße wie folgt optimiert. Für Bohrer mit einem Durchmesser zwischen 0,3 mm und 0,5 mm (0,012″ und 0,020″), um eine knapp 5 mm (0,189″) dicke Platte (entsprechend drei 1,6 mm dicken Platten (0,063″)) zu bohren, liegt die optimale Kerndicke W zwischen 10% und 28% des Bohrerdurchmessers. Die oben genannten Bereiche sind näherungsweise umgekehrt proportional zum Bohrerdurchmesser, und ein dünnerer Bohrerkern ist besser für die Lochqualität, ergibt jedoch eine etwas schlechtere Positionierungsgenauigkeit. Ein dickerer Kern dagegen ergibt eine bessere Lochgenauigkeit, dafür eine leicht verschlechterte Lochqualität, und die Bohrtiefen für jeden der Schritte nähern sich dem unteren Minimalwert wie 4 mal D für den ersten Schritt, 2 mal D für den zweiten Schritt und 1,5 mal D für den dritten und die weiteren Schritte an, so daß ein Wert zwischen 12% und 23% für einen Bohrer von 0,4 mm (0,016″) zu bevorzugen ist.

Das optimale Verhältnis F/L zwischen Spannute und Führungsfase liegt zwischen 1,5 und 2,5 und der obige Bereich ist näherungsweise proportional zum Bohrerdurchmesser. Ein kleineres F/L liefert eine bessere Lochgenauigkeit, dafür aber auch kürzer werdende Bohrschritte. Ein größeres F/L liefert eine bessere Lochqualität, ergibt jedoch eine leicht verschlechterte Lochgenauigkeit, so daß insgesamt für einen Bohrer von 0,4 mm (0,016″) ein Verhältnis zwischen 1,7 und 2,3 zu bevorzugen ist.

Das optimale Verhältnis Fa/Ba (Fig. 5) zwischen Querschnittsfläche der Spannute und der Körperquerschnittsfläche am Ende der Verjüngung ist nicht größer als 40%, diese Bereiche sind näherungsweise umgekehrt proportional zum Bohrerdurchmesser, ein kleineres Fa/Ba ergibt eine bessere Lochqualität, jedoch kürzere Bohrschritte, wohingegen ein größeres Fa/Ba eine bessere Lochqualität ergibt, jedoch eine schlechtere Lochgenauigkeit, so daß ein Wert von nicht mehr als 25% für einen Bohrer von 0,4 mm (0,016″) zu bevorzugen ist.

Die optimale Spannutenlänge Lf liegt zwischen 5,5 mm und 7 mm (0,22″ und 0,28″), und die minimal bzw. maximal notwendigen Spannutenlängen Lfmin und Lfmax können aus einer durch Erfahrungen bei der Entfernung von Spänen gewonnenen Formel dargestellt werden:

Lfmin=Tb+Db+N×D,

wobei
Tb die Plattendicke ist;
Db ein Sicherheitszuschlag für die Lochtiefe;
z. B. Db=0,3 mm (0,2 mm < D ≦ 0,36 mm)
(0,012″, 0,008″, 0,014″)
Db=0,4 mm (0,35 mm < D ≦ 0,65 mm)
(0,016″, 0,014″, 0,026″)
N eine mit dem Bohrerdurchmesser in Zusammenhang stehende Konstante
z. B. N=2,0 (0,2 mm < D ≦ 0,55 mm) (0,008″, 0,022″)
so daß dann gilt Lfmax=Lfmin+1 mm (3,2 mm < D ≦ 4,8 mm) (0,04″, 0,126″, 0,189″), wobei die Konstante 1 mm (0,04″) sich auf die Beibehaltung einer guten Lochqualität zum verläßlichen Entfernen von Spänen und auf den Gesamtfehler der Plattendicke bezieht.

Demzufolge ist eine Spannutenlänge zwischen 5,8 mm und 6,8 mm für einen Bohrer von 0,4 mm wünschenswert (0,23″, 0,27″, 0,016″).

Die optimale Körperlänge Lb liegt zwischen 5,8 mm und 7,3 mm (0,23″, 0,29″), minimal und maximal notwendige Körperlänge Lbmin und Lbmax können aufgrund experimenteller Daten wie folgt dargestellt werden:

Lbmin=Lfmin+0,25 mm (0,01″)
Lbmax=Lfmax+0,25 mm (0,01″),
und 0,25 mm ≦ Lb-Lf ≦ 1,25 mm (0,01″, 0,05″)

wobei die Konstante 0,25 mm etwas mit der Verhütung von Spannungszunahmen am Körperende zu tun hat.

Demzufolge ist für einen Bohrer mit 0,4 mm (0,016″) eine Körperlänge zwischen 6 mm und 7 mm (0,24″, 0,28″) zu bevorzugen.

Die in Fig. 2B dargestellte optimale Spannutenform trägt äußerst effektiv zur Verbesserung der Lochqualität und zur Verbesserung der Lochgenauigkeit bei, da sich die Bohrtiefen für jeden Schritt tendenziell vergrößern, wie das auch bei einem Bohrer mit einem großen Verhältnis zwischen Spannute und Führungsfase der Fall ist.

Der optimale Spannutenwinkel liegt zwischen 20° und 35°. Ein kleinerer Spannutenwinkel trägt effektiv zur Verbesserung der Lochqualität bei doppelseitigen Platten und bei mehrschichtigen Platten mit wenigen Schichten bei, ergibt aber schlechtere Eigenschaften hinsichtlich der Abnutzung der Schneidkante. Ein größerer Spannutenwinkel trägt effektiv zur Verbesserung der Lochqualität bei hochdichten, mehrschichtigen Platten bei, ergibt jedoch eine leicht verschlechterte Lochgenauigkeit. Spannutenwinkel sind näherungsweise proportional zum Bohrerdurchmesser, so liegen z. B. Bohrer mit dünnem Durchmesser zwischen 20° und 33°, Bohrer mit großem Durchmesser zwischen 24° und 35°, und für einen Bohrer mit 0,4 mm (0,016″) sind Werte zwischen 23° und 33° zu bevorzugen. Bei Bohrern mit sich änderndem Spannutenwinkel sollte der Spannutenwinkel Θ_FS am Spannutenanfang zwischen 18° und 26° liegen und der Spannutenwinkel Θ_FE am Spannutenende zwischen 28° und 35°, für einen Bohrer von 0,4 mm (0,016″) ist ein Θ_FS zwischen 18° und 22° und ein Θ_FE zwischen 29° und 33° zu bevorzugen.

Der optimale Spitzenwinkel Θ_p liegt zwischen 118° und 140°. Ein kleinerer Spitzenwinkel ergibt zwar eine bessere Lochqualität, jedoch wegen der Zunahme der Radialkomponente der Bohrkraft schlechtere Ergebnisse hinsichtlich der Lochgenauigkeit. Ein größerer Spitzenwinkel ergibt eine verbesserte Lochgenauigkeit, jedoch aufgrund der zunehmenden Schubkomponente bei der Bohrkraft schlechtere Werte hinsichtlich der Lochqualität. Für einen Bohrer mit 0,4 mm (0,016″) ist somit ein Spitzenwinkel zwischen 125° und 140° zu bevorzugen.

Ein optimaler erster Freiwinkel Θ₂ liegt zwischen 15° und 20° und ein optimaler zweiter Freiwinkel Θ₃ liegt zwischen 24° und 30°. Diese Winkel sind in etwa proportional zum Bohrerdurchmesser, so daß beispielsweise kleinere Winkel Θ₂ und Θ₃ für kleinere Bohrer zu verwenden sind, weil dadurch die Schneidkante verstärkt wird, wobei sich jedoch eine etwas verschlechterte Lochqualität beim Bohren mit hoher Vorschubgeschwindigkeit ergibt. Größere Winkel Θ₂ und Θ₃ sind in größeren Bohrern anzuwenden, da sich dann keine merkliche Beeinflussung der Schneidkantenschwäche ergibt, außerdem bewirken sie eine verbesserte Lochqualität.

Die optimale Hinterfräsungstiefe N liegt zwischen 25 µm und 50 µm (0,001″, 0,002″) und ist näherungsweise proportional zum Bohrerdurchmesser, so ist z. B. ein N zwischen 25 µm und 38 µm (0,001″, 0,0015″) für Bohrer von 0,5 mm (0,020″) zu verwenden (vorzugsweise zwischen 25 µm und 33 µm (0,001″, 0,0013″)), wohingegen ein N zwischen 30 µm und 50 µm (0,0012″, 0,002″) für größere Bohrer zu verwenden ist, und bei Bohrern unter ca. 0,05 mm (0,0018″) ist kein N gebräuchlich.

Bohrer mit einer Verjüngung gemäß der gepunkteten Linie in Fig. 8 und 9 haben hinsichtlich Lochgenauigkeit, Lochqualität und Bohrschrittiefe ein sehr ähnliches Verhalten zu Bohrern mit einem größeren Fa/Ba-Verhältnis, wohingegen Bohrer mit einer Verjüngung gemäß der durchgezogenen Linie in Fig. 8 und 9 ein dazu näherungsweise entgegengesetztes Verhalten zeigen.

Die vorher beschriebene Bohrerform bezog sich auf einen Bohrer mit einem Durchmesser zwischen 0,3 mm und 0,5 mm (0,012″, 0,020″), vorzugsweise 0,4 mm (0,016″), um eine knapp 5 mm (0,189″) dicke Platte zu bohren. Es stellte sich aber heraus, daß bei Bohrern unterhalb von 0,3 mm (0,012″) Durchmesser für Plattendicken von 1,6 mm und 3,2 mm (0,063″, 0,126″) (3,2 mm entsprechend zwei Platten von jeweils 1,6 mm (0,063″)) sowie für Bohrer eines Durchmessers über 0,5 mm (0,020″) für Platten von 3,2 mm (0,126″) oder dicker, die optimale Bohrerform fast dieselben Abmessungseigenschaften haben, um in Verbindung mit dem Schrittvorschubbohren und der Spansäuberung mittels Luftstrahl eine hohe Lochgenauigkeit und hohe Lochqualität zu erhalten.

Bei Löchern von 0,5 mm (0,02″) Durchmesser und kleiner ist K20-Material zum Erhalt einer besseren Lochgenauigkeit aufgrund seines hohen Young'schen Moduls vorteilhaft. In Löchern eines Durchmessers von 0,35 mm (0,014″) und darüber ist K20-Material aufgrund seines höheren Young'schen Moduls für eine höhere Genauigkeit vorteilhaft, es weist jedoch eine geringere transversale Bruchbeständigkeit auf.

Für ein Schrittvorschubbohrverfahren und ein Luftstrahl-Spansäuberungsverfahren wird erfindungsgemäß wie weiter oben beschrieben somit ein optimaler Bohrer angegeben. Demzufolge haben derartige Bohrer zum Bohren langer, dünner Löcher eine verbesserte Zuverlässigkeit (kein Bohrerbruch), eine erhöhte Genauigkeit (Lochpositionierungsgenauigkeit), Lochqualität und Produktivität. Es kann dann auch die Schaltungsdichte (z. B. die Anzahl von Leitungen pro Gittereinheit) auf Leiterplatten von 1 bis 2 Leitern pro Gittereinheit auf 3 bis 5 Leiter pro Gittereinheit erhöht werden, da es nunmehr möglich ist, kleinere, hochqualitative Löcher zu bohren. Außerdem kann die Anzahl von inneren Schichten und somit die Plattendicke merklich erhöht werden, was die Herstellung von hochdichten mehrschichtigen Platten erlaubt.

Erfindungsgemäß ergeben sich somit bemerkenswerte Verbesserungen hinsichtlich der Verarbeitungsgeschwindigkeit und auch hinsichtlich eines konstanteren Lärmpegels. Schließlich ergibt sich mit den derartig gebohrten Platten für große Computeranlagen und andere elektronische Schaltungen eine merkliche Verkleinerung ihrer Abmessungen.

In Fig. 12 ist zur Verdeutlichung eine mit dem erfindungsgemäßen Bohrer ausgestattete Bohrmaschine dargestellt, die beim Schüttvorschub Bohren von dünnen Löchern in Leiterplatten oder ähnlichem mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird. Ein Maschinenbett 101 trägt einen Tisch 102, der, wie durch einen ersten Pfeil angedeutet, in X-Richtung verschiebbar ist. Eine Säule bzw. ein Rahmen 103 trägt einen Spindelwagen 104, der, wie durch einen zweiten Pfeil angedeutet, in Y-Richtung beweglich ist. Der Spindelwagen 104 trägt den Bohrkopf 105, der, wie durch einen dritten Pfeil angedeutet, in Z-Richtung beweglich ist. Einzelne oder aufeinandergestapelte Leiterplatten 109 sind auf dem Tisch 102 befestigt und durch einen bekannten Andrückschuh 107 gehalten, durch den hindurch ein in einer Spindel 106 gehaltener Bohrer 108 die Schrittvorschubbohrtätigkeit ausführen kann. Ein System zur Säuberung und Kühlung mittels eines Luftstrahls ist in der Bohrmaschine aus Fig. 12 vorgesehen, um die erfindungsgemäßen Bohrer zu säubern.

Claims

1. Bohrer mit wendelförmigen Spannuten für Leiterplatten, mit stirnseitig unter einem Spitzenwinkel angeschliffenen Schneiden und segmentierten Freiflächen für die Schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer folgende Werte aufweist:
einen Spitzenwinkel (Θ_p) zwischen 118° und 140°,
einen ersten Freiwinkel (Θ₂) einer ersten Freifläche zwischen 15° und 20°,
einen zweiten Freiwinkel (Θ₃) einer zweiten Freifläche zwischen 25° und 30°,
einen Spannutenwinkel (Θ_F) zwischen 20° und 35°, und
ein Verhältnis (F/L) zwischen sich nach rückwärts verjüngender Spannut (F) und Rückenbreite (L) von zwischen 1,5 und 2,5.

2. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Körperende (P_BE) und dem Spannutende (P_FE) etwa 0,25 mm ist.

3. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Körperende (P_BE) und dem Spannutende (P_FE) zwischen 0,25 mm und 1 mm liegt.

4. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Verjüngunng der Spannut (F) axial vom Spannutende beabstandet ist.

5. Bohrer nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Stapel von gedruckten Leiterplatten die Körperlänge (L_B) zwischen 6,25 mm und 7 mm liegt.

6. Bohrer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung eine zusammengesetzte Verjüngung ist.

7. Bohrer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Verjüngung aus zwei linearen Verjüngungen besteht.

8. Bohrer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrerkern eine gemäß einer Potenzfunktion verlaufende Verjüngung seiner Dicke aufweist.

9. Bohrer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung durch die Beziehung y=axⁿ+b definiert ist, wobei y der Kernradius ist, x der Abstand von der Bohrerspitze und a, b und n Konstanten.

10. Bohrer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung durch die Beziehung y=ax^1/n+b definiert ist, wobei y der Kerndurchmesser ist, x der Abstand von der Bohrerspitze und a, b und n Konstanten sind.