印制电路板(Printed Circuit Board,简称“PCB”)广泛应用于移动通讯、数码电子和屏幕显示等领域,其微孔可实现内、外层线路间电气连接和元器件装配定位。印制电路板为各向异性层状复合难加工材料,弱刚性微钻钻削微孔时存在入钻偏差大、排屑困难、微钻磨损断裂严重、孔位精度差、孔壁粗糙度大、毛刺和钉头严重等影响加工质量及电路板可靠性的问题。微钻失效损耗制约整个PCB行业利润空间和生产效率的提升。亟需通过优化微细钻头结构,提高微钻寿命和微孔加工质量,继而提高PCB产品性能,以及终端电子产品的可靠性和使用寿命。本文针对上述问题,基于印制电路板的结构及微孔加工特点,通过研究不同钻尖结构的微钻钻削高速板和柔性板的过程,揭示了PCB微钻结构对钻削性能和微孔质量的影响规律,提出了多钻尖角新型微钻结构,揭示了新型微钻扭转断裂、压缩断裂和弯曲断裂机理,分析了新型微钻动态特性,仿真揭示了印制电路板微孔孔壁成形机制以及钻削过程中热力耦合作用机制,最后提出了3D打印微钻制备技术。主要结论如下。在微钻结构对印制电路板微孔钻削性能和微孔质量影响规律方面:印制电路板微孔钻削过程中,微钻钻尖角、第一后角和第二后角对切屑形貌的影响很小,没有显著变化;刀尖第二后角对钻削轴向力、微孔质量和刀具磨损影响较小。印制电路板钻削轴向力随着微钻钻尖的增大而增大,第一后角对钻削轴向力影响较小。110°和140°钻尖角的微钻钻削高速板,130°钻尖角的微钻钻削双面柔性覆铜板,磨损均较小。使用20°第一后角的微钻,磨损较为严重,易崩刃。对微孔质量影响较大的微钻钻尖结构参数是钻尖角,其次是第一后角。使用小钻尖角钻高速板可得到孔壁粗糙度较小的微孔,对柔性板宜采用130°钻尖角。使用较小的第一后角钻削印制电路板可得到孔壁粗糙度较小的微孔。微钻钻尖角越小,产生的毛刺高度越小。钻削高速板产生的出口毛刺较柔性板的小。钻尖角对高速板微孔钻削孔位精度影响较大,孔位精度随钻尖角度的增大而增大。高速板微孔钻削,孔位精度随第一后角的增加先减小再增大,而柔性板孔位精度随第一面角的增大而增大。在微钻结构参数化设计方面:使用UG NX三维建模软件建立了微钻三维模型,包括钻体成型、切钻尖、开螺旋槽、切UC和结构成型等;并以此为基础,获得PCB微钻设计插件,能够实现微钻结构的变化。在此基础上,提出多钻尖角微钻结构设计,钻尖部分增加两对后刀面,形成三个钻尖的钻尖结构,增长微钻切削刃长度正前角,增加切削刃有效切削时间,提高后刀面抗磨损能力。在新型结构微钻可靠性分析方面:微钻在钻削过程中同时受到扭转、压缩和弯曲三种载荷的共同作用。微钻在扭转载荷作用下,应力从钻尖向钻柄方向传递并依次增大;在压缩载荷作用下,微钻应力主要集中在钻尖部分和刃长与钻台的过渡部分;在弯曲载荷作用下,载荷集中的地方应力迅速集中并失效,微钻发生断裂。多钻尖角结构设计有效延长切削刃长度,保证微钻扭矩、压缩和弯曲三种载荷下的刚度。新型结构微钻固有频率和模态振型从低阶到高阶固有频率上升平稳,具有较好的动态特性。钻尖部分振型平缓过渡到整个钻体,无集中瞬态应力分布。微钻在钻削过程中,应力分布由钻头与工件接触部分向外扩散,温度则由接触部分向周围传递。温度变化较应力变化滞后,单孔的钻削温度除孔壁传递出去外,大部分随切屑排出。工件应力和温度集中与扩散几乎同步。新型结构微钻具备加工可行性。在新型微钻制备方面:采用3D打印技术可实现新型复杂结构微钻制造。在上述微钻模型基础上,先用树脂3D打印验证模型,检验3D成型质量,再进行金属3D打印,再对较钝的刃部进行刃磨处理,最后用其进行印制电路板钻孔实验。与常规结构钻头相比,新型结构钻头钻削切屑以碎屑式短屑为主,少有带状切屑,排屑更顺畅。