TWM607787U - 具有自潤滑硬膜複合塗層的pcb刀具 - Google Patents

Abstract

本創作揭露一種具有多元素複合塗層的PCB刀具，該刀具可以包括銑刀與鑽頭，並且由柄部與具有切削功能的刃部所構成，在所述刀具的刃部的表面依次塗覆有三層薄膜：過渡層、超硬鍍層和自潤滑層。其中，過渡層的作用在於提高塗層附著力；硬化層的作用在於強化PCB刀具的刃部；自潤滑層則具有極低摩擦係數，藉此提高PCB刀具在切削時的排屑性能，降低切削溫度，從而提高其使用壽命與加工精度。

Description

具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具

本創作涉及一種切削印刷電路板 (Printed Circuit Board， 以下簡稱PCB)的刀具，尤其是具有多功能的複合塗層刀具，藉由複合塗層能提高刀具使用壽命與加工精度。

目前已知的PCB刀具是由供CNC數位控制機床夾持的柄部和具有切削功能的刃部所構成，而刀具刃部的材料組成通常為鎢鋼。因為PCB是由堅硬的玻璃纖維所編織而成，近來更因為「無鹵素」的環保要求，以及因應第五代通訊(5G)高頻傳輸需求目的而添加陶瓷粉 (例如氫氧化鎂、氫氧化鋁、氧化矽…等) 進入電路板膠合樹脂中，從而使鎢鋼刀具刃部在切削加工時容易造成衝擊破壞而產生崩缺，而刀刃的崩缺鈍化更導致切削阻力增加，同時使切削溫度與刀刃附近溫度大增，溫度升高的結果將導致PCB板內的樹脂與刃部產生氧化性化學反應，使鍍膜塗層和崩缺的刃部劣化，如此產生惡性循環的雪崩效應，最後使得加工精度陡然下降、刀具壽命大幅縮短，甚至斷刀而損毀電路板。

為了克服習知PCB刀具的上述缺點，本創作提供一種具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，藉由該複合塗層不僅能增加鎢鋼的表面硬度，而且能降低鎢鋼表面的摩擦係數，切削溫度降低，並達到提升刀具壽命與加工精度的目的。

本創作提供的具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其技術手段包含有一柄部以及連接該柄部的一刃部，其特徵在於，還包括：一過渡層，形成在該刃部的表面；一超硬鍍層，形成結合在該過渡層的表面；以及一自潤滑層，形成結合在該超硬鍍層的表面；其中，該過渡層、該超硬鍍層與該自潤滑層共同構成形成在該刃部表面的三層複合薄膜塗層。藉由結合於刀具刃部的該複合塗層能提高刀具使用壽命與加工精度。

較佳地，該過渡層可以為鋯(Zr)、鈦(Ti)或鉻(Cr)的金屬層。

較佳地，該超硬鍍層可以為鋯鋁矽碳氮化物(ZrAlSiCN)、鈦鋯矽碳氮化物(TiZrSiCN)、鈦鋁矽碳氮化物(TiAlSiCN)、鉻鋁矽碳氮化物(CrAlSiCN)或鈦鉻矽碳氮化物(TiCrSiCN)。

較佳地，該自潤滑層可以為類鑽石碳(Diamond Like Carbon)、氮化鉻(CrN)、二硫化鉬(MoS ₂)、二硼化鈦(TiB ₂)、硼化鉻鋁(CrAlB)或硼化鈦鋁(TiAlB)。

較佳地，該過渡層的厚度可以為50~500奈米。

較佳地，該超硬鍍層的厚度可以為200~2000奈米。

較佳地，該自潤滑層的厚度可以為10~500奈米。

因此，相較於習知的PCB刀具，本創作的優點在於可以藉此具有極低摩擦係數，藉此提高PCB刀具在切削時的排屑性能，降低切削溫度，從而提高其使用壽命與加工精度，並且該複合塗層的結構簡單、實用性高。

以下配合圖式及元件符號對本創作的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

圖1為顯示本創作具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具應用於PCB銑刀之實施例示意圖；圖2為顯示本創作具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具應用於PCB鑽頭之實施例示意圖。圖1所示的PCB銑刀A與圖2所示的PCB鑽頭B均具有一柄部1以及連接該柄部1的刃部2。

圖3為顯示本創作具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具之刀部結構之局部剖面放大圖。在圖3所示的局部剖面放大圖中，顯示了在PCB刀具的刃部2的表面依次塗覆有：過渡層3、超硬鍍層4與自潤滑層5；亦即，過渡層3形成刃部2的表面；超硬鍍層4形成結合在過渡層3的表面；以及自潤滑層5形成結合在超硬鍍層4的表面；藉由該過渡層3、超硬鍍層4與自潤滑層5共同構成形成在刃部2表面的三層複合薄膜塗層。

具體而言，在圖1所示的實施例中，可以提供長度為38mm的PCB銑刀A，其具有直徑為3.175mm且材質為鎢鋼的柄部1以及直徑為1.2mm的刃部2。在刃部2表面形成所述三層複合薄膜塗層之前，將該PCB銑刀A預先以超音波設備在清潔液中去除表面油污，再烘乾附著於該PCB銑刀A的水分，然後在真空鍍膜設備中以電漿(plasma)清洗該PCB銑刀A的表面，並以陰極電弧沉積(cathodic arc deposition)方式對PCB銑刀A之刃部2進行表面塗覆。

首先以陰極電弧沉積技術對所述刃部2塗覆過渡層3，其中使用的靶材可為鋯(Zr)、鈦(Ti)或鉻(Cr)等金屬，並且在真空度為0.2Pa，溫度為攝氏450度的環境下進行真空鍍膜，以在刃部2表面形成鋯金屬層、鈦金屬層或鉻金屬層以作為過渡層3。該過渡層3的厚度可為50～500奈米，例如可以是厚度為400奈米的鉻(Cr)金屬塗層。

在刃部2表面完成過渡層3的塗覆後，再以相同的所述陰極電弧沉積技術在過渡層3表面塗覆超硬鍍層4，其中使用的靶材可為鋯鋁矽(ZrAlSi)、鈦鋯矽(TiZrSi)、鈦鋁矽(TiAlSi)、鉻鋁矽(CrAlSi)或鈦鉻矽(TiCrSi)等合金，並且在真空度為0.2Pa，溫度為攝氏450度的環境下進行真空鍍膜，以在過渡層3表面形成超硬鍍層4。該超硬鍍層4的厚度可為200～2000奈米，例如可以是厚度為1800奈米且維克氏(Vicker’s， 10g荷重)硬度為Hv4200的鉻鋁矽碳氮化物(CrAlSiCN)塗層。本創作藉由過渡層3作為超硬鍍層4結合於刃部2表面的介質，可以達到最佳的塗覆牢固性。

在過渡層3表面完成超硬鍍層4的塗覆後，再以相同的所述陰極電弧沉積技術在超硬鍍層4表面塗覆自潤滑層5，其中使用的靶材可為石墨、鉻、二硫化鉬(MoS ₂)、二硼化鈦(TiB ₂)、硼化鉻鋁(CrAlB)或硼化鈦鋁(TiAlB)，並且在真空度為0.2Pa，溫度為攝氏450度的環境下進行真空鍍膜，以在超硬鍍層4表面形成自潤滑層5。該自潤滑層5的厚度可為50～800奈米，例如可以是厚度為400奈米的氮化鉻(CrN)塗層。

本創作藉由該過渡層3、超硬鍍層4與自潤滑層5共同構成形成在PCB銑刀A之刃部2表面的具有自潤滑硬膜的三層複合薄膜塗層，使得此實施例中的PCB銑刀A的切削壽命可以達到無塗層銑刀的2.5倍。

在圖2所示的實施例中，可以提供長度為38mm的PCB鑽頭B，其具有直徑為3.175mm且材質為不銹鋼的柄部1以及直徑為0.15mm的刃部2。在刃部2表面形成所述三層複合薄膜塗層之前，將該PCB鑽頭B預先以超音波設備在清潔液中去除表面油污，再烘乾附著於該PCB鑽頭B的水分，然後在真空鍍膜設備中以電漿(plama)清洗該PCB銑刀A的表面，並以磁控濺射沉積(magnetron sputtering deposition)方式對PCB鑽頭B之刃部2進行表面塗覆。

首先以磁控濺射沉積技術對所述刃部2塗覆過渡層3，其中使用的靶材可為鋯(Zr)、鈦(Ti)或鉻(Cr)等金屬，並且在真空度為0.2Pa，溫度為攝氏450度的環境下進行真空鍍膜，以在刃部2表面形成鋯金屬層、鈦金屬層或鉻金屬層以作為過渡層3。該過渡層3的厚度可為50～500奈米，例如可以是厚度為300奈米的鈦(Ti)金屬塗層。

在刃部2表面完成過渡層3的塗覆後，再以相同的所述磁控濺射沉積技術在過渡層3表面塗覆超硬鍍層4，其中使用的靶材可為鋯鋁矽(ZrAlSi)、鈦鋯矽(TiZrSi)、鈦鋁矽(TiAlSi)、鉻鋁矽(CrAlSi)或鈦鉻矽(TiCrSi)等合金，並且在真空度為1.3Pa，溫度為攝氏350度以下的環境下進行真空鍍膜，以在過渡層3表面形成鋯鋁矽碳氮化物(ZrAlSiCN)、鈦鋯矽碳氮化物(TiZrSiCN)、鈦鋁矽碳氮化物(TiAlSiCN)、鉻鋁矽碳氮化物(CrAlSiCN)或鈦鉻矽碳氮化物(TiCrSiCN)之超硬鍍層4。該超硬鍍層4的厚度可為200～2000奈米，例如可以是厚度為900奈米的鈦鋁矽碳氮化物(TiAlSiCN)且維克氏(Vicker’s， 10g荷重)硬度為Hv4100之塗層。本創作藉由過渡層3作為超硬鍍層4結合於刃部2表面的介質，可以達到最佳的塗覆牢固性。

在過渡層3表面完成超硬鍍層4的塗覆後，再以相同的所述磁控濺射沉積技術在超硬鍍層4表面塗覆自潤滑層5，其中使用的靶材可為石墨、鉻、二硫化鉬(MoS ₂)、二硼化鈦(TiB ₂)、硼化鉻鋁(CrAlB)或硼化鈦鋁(TiAlB)，並且在真空度為1.3Pa，溫度為攝氏350度以下的環境下進行真空鍍膜，以在超硬鍍層4表面形成自潤滑層5。該自潤滑層5的厚度可為10～500奈米，例如可以是厚度為300奈米的類鑽石碳(Diamond Like Carbon, DLC)塗層。

本創作藉由該過渡層3、超硬鍍層4與自潤滑層5共同構成形成在PCB鑽頭B之刃部2表面的三層複合薄膜塗層，使得此實施例中的PCB鑽頭B的鑽孔數量可以達到無塗層鑽頭的3倍。

進一步而言，本創作的技術方案是：在PCB刀具的刃部表面依次塗覆三層薄膜複合塗層：過渡層3、超硬鍍層4和自潤滑層5。其中，過渡層3的作用在於提高超硬鍍層4的塗層附著力；超硬鍍層4的作用在於強化PCB刀具的刃部2；而自潤滑層5的作用則是利用真空鍍膜製程形成低摩擦係數的塗層,所以可促進切削加工時的排屑,降低切削溫度，以保護PCB刀具的刃部2。

所述過渡層3以Zr(鋯)、Ti(鈦)或Cr(鉻)之金屬層作為刃部2之鎢鋼和超硬鍍層4之間的中介層，具有緩和內應力與增加附著力的作用。再者，以鋯鋁矽碳氮化物(ZrAlSiCN)、鈦鋯矽碳氮化物(TiZrSiCN)、鈦鋁矽碳氮化物(TiAlSiCN)、鉻鋁矽碳氮化物(CrAlSiCN)或鈦鉻矽碳氮化物(TiCrSiCN)等五種元素作為超硬鍍層4，藉由碳與氮原子的摻入使微觀材料結構上的晶格變形，以及氮化矽的晶粒細化作用，比一般習知的二元素硬化層如氮化鋯(ZrN)、氮化鈦(TiN)和氮化鉻(CrN)具有更高的硬度。此外，以類鑽石碳(Diamond Like Carbon)、氮化鉻(CrN)、二硫化鉬(MoS ₂)、二硼化鈦(TiB ₂)、硼化鉻鋁(CrAlB)或硼化鈦鋁(TiAlB)作為自潤滑層5，能降低鎢鋼表面的摩擦係數，切削溫度降低，並達到提升刀具壽命與加工精度的目的。

以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖具以對本創作做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。

A:PCB銑刀 B:PCB鑽頭 1:柄部 2:刃部 3:過渡層 4:超硬鍍層 5:自潤滑層

圖1為顯示本創作具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具應用於PCB銑刀之實施例示意圖； 圖2為顯示本創作具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具應用於PCB鑽頭之實施例示意圖；以及 圖3為顯示本創作具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具之刀部結構之局部剖面放大圖。

2:刃部

3:過渡層

4:超硬鍍層

5:自潤滑層

Claims (7)

1. 一種具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，包含有一柄部以及連接該柄部的一刃部，其特徵在於，還包括： 一過渡層，形成在該刃部的表面； 一超硬鍍層，形成結合在該過渡層的表面；以及 一自潤滑層，形成結合在該超硬鍍層的表面； 其中，該過渡層、該超硬鍍層與該自潤滑層共同構成形成在該刃部表面的三層複合薄膜塗層。
2. 如請求項1所述之具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其中，該過渡層為鋯(Zr)、鈦(Ti)或鉻(Cr)的金屬層。
3. 如請求項2所述之具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其中，該超硬鍍層為鋯鋁矽碳氮化物(ZrAlSiCN)、鈦鋯矽碳氮化物(TiZrSiCN)、鈦鋁矽碳氮化物(TiAlSiCN)、鉻鋁矽碳氮化物(CrAlSiCN)或鈦鉻矽碳氮化物(TiCrSiCN) 。
4. 如請求項3所述之具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其中，該自潤滑層為類鑽石碳(Diamond Like Carbon)、氮化鉻(CrN)、二硫化鉬(MoS ₂)、二硼化鈦(TiB ₂)、硼化鉻鋁(CrAlB)或硼化鈦鋁(TiAlB)。
5. 如請求項1或2所述之具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其中，該過渡層的厚度為50~500奈米。
6. 如請求項1或3所述之具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其中，該超硬鍍層的厚度為200~2000奈米。
7. 如請求項1或4所述之具有自潤滑硬膜複合塗層的PCB刀具，其中，該自潤滑層的厚度為10~500奈米。

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