Выпуск #6/2017
С.Ванцов, Зве Маунг Маунг
Использование тепловой модели для определения параметров процесса сверления печатных плат
Использование тепловой модели для определения параметров процесса сверления печатных плат
Просмотры: 682
В данной статье авторы представляют примеры практического применения ранее представленных (№8 за 2016 год, №2 за 2017 год) механизмов развития тепловых явлений и модели изменения температуры в зоне резания для определения параметров и режимов процесса сверления.
УДК 621.3.049, 621.95.01
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.166.6.190.192
УДК 621.3.049, 621.95.01
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.166.6.190.192
Теги: allowable number of drilling drilling conditions drill resource limiting wear overheating of the drill pcb drilling допустимое число сверлений перегрев сверла предельный износ режимы сверления ресурс сверла сверление печатных плат
Характерной особенностью процесса получения отверстий в печатных платах (до нескольких тысяч отверстий в одной оплате) является его цикличность, то есть чередование нагревания сверла во время резания основания платы и охлаждения при переходе от отверстия к отверстию.[1]
Изменение температуры вершины сверла, как наиболее нагретой части, во время резания определяется по формуле [1]:
, (1)
где τ – время; T0 – начальная температура вершины сверла; μ – коэффициент трения по задней грани сверла; N – сила, направленная по нормали к задней грани сверла; v – скорость точки приложения силы N; a и λ – соответственно коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материала сверла, s – площадь поперечного сечения сверла.
Изменение температуры вершины сверла во время перехода от отверстия к отверстию определяется соотношением:
, (2) где ; b – коэффициент теплообмена со средой; τн – время нагревания сверла, то есть время сверления одного отверстия; Tc – температура окружающей среды.
Модель тепловых явлений, представляющая собой рекуррентное применение соотношений (1) и (2), позволяет получить ряд зависимостей для определения оптимальных параметров и режимов процесса сверления печатных плат.
Процесс получения отверстий осуществляется циклически: нагревание (во время резания) и охлаждение (во время перехода от отверстия к отверстию). В целом механизм изменения температуры в зоне резания имеет вид, представленный на рис.1 [2].
В реальности режим нагревания-охлаждения сверла выглядит несколько сложнее по целому ряду причин. В каждом цикле крутизна характеристики нагревания будет возрастать за счет износа, при этом коэффициент крутизны изменяется в некоторых пределах случайным образом. Время охлаждения сверла также не является постоянной величиной, поскольку неодинаково время перехода от отверстия к отверстию, определяемое топологией платы: типичный режим – группа циклов с одинаковым временем охлаждения (например, группа монтажных отверстий под микросхему или соединитель) и затем переход к другой группе и, соответственно, большее время охлаждения. Эти уточнения будут предметом рассмотрения в следующей работе. Здесь же примем, что время нагревания сверла в пределах сверления одной платы (пакета плат) остается постоянным, определяемым режимами резания и толщиной диэлектрического основания.
Пусть прирост температуры сверла в течение одного цикла сверления (нагревание-охлаждение) в результате неполного охлаждения не должен превышать некоторой величины. Определим при этом условии время охлаждения сверла τох (время перехода от отверстия к отверстию, или, другими словами, время позиционирования шпинделя при сверлении очередного отверстия).
Условие непревышения Tпр запишется с использованием (2) как
. (3)
Полагая при решении неравенства (3) относительно τох
,
получим
, (4)
учитывая, что время одного сверления
, (5)
где h – толщина печатной платы; d – диаметр сверла; v – скорость резания; S – скорость подачи при сверлении, получим минимальное время охлаждения в зависимости от параметров рабочего процесса
. (6)
Соотношения (4) и (6) предоставляют возможность определения необходимого времени охлаждения в зависимости от заданного прироста температуры Tпр, режимов резания, диаметра сверла, характеристик материала сверла и пластика, условий теплообмена с окружающей средой и толщины просверливаемой платы.
Соотношение (1) позволяет определить критическое значение силы Nкр исходя из предельно допустимой температуры в зоне резания Tg
. (7)
Выражение (7) определяет предельный износ режущей кромки сверла и тем самым дает возможность априорного определения ресурса использования сверла, что позволяет предотвратить отказ процесса сверления и, следовательно, избежать появления брака при изготовлении печатной платы.
Полученное значение критической силы позволяет, с одной стороны, настраивать систему управляющего контроля станка; с другой стороны – отслеживать момент наступления необходимости замены изношенного сверла исходя из реальной технологической ситуации. Вместе с тем соотношение (1) позволяет определять допустимую толщину пакета печатных плат, который можно установить на сверлильный станок с соблюдением условия отсутствия перегрева в зоне сверления. Для этого проводится расчет времени непрерывного сверления τнн с учетом заданного предельного износа режущих кромок сверла δ[2] по формуле
. (8)
С учетом выражения (5) для расчета времени сверления толщину пакета плат можно определить по соотношению
, (9)
где k – количество плат в пакете.
Представленные базовые соотношения дают возможность на этапе подготовки производства осуществлять расчет:
• температуры в зоне сверления;
• глубины отверстия (толщины пакета просверливаемых плат) исходя из допустимой температуры в зоне сверления;
• силы подачи исходя из допустимой температуры в зоне сверления (для управляющего контроля);
• величины подачи при заданной скорости резания, обеспечивающей отсутствие перегрева в зоне сверления;
• допустимой скорости резания при заданной подаче, обеспечивающей отсутствие перегрева в зоне сверления;
• допустимого числа просверливаемых отверстий исходя из режимов обработки и допустимой температуры в зоне сверления;
• минимального допустимого времени позиционирования, обеспечивающего отсутствие перегрева сверла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ванцов С., Маунг Маунг З. Влияние температуры на надежность процесса сверления печатных плат // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 2. С. 174–178.
2. Ванцов С., Медведев А., Маунг Маунг З., Хомутская О. Надежность процесса сверления печатных плат, понятие отказа // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 8. С. 168–172.
Изменение температуры вершины сверла, как наиболее нагретой части, во время резания определяется по формуле [1]:
, (1)
где τ – время; T0 – начальная температура вершины сверла; μ – коэффициент трения по задней грани сверла; N – сила, направленная по нормали к задней грани сверла; v – скорость точки приложения силы N; a и λ – соответственно коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материала сверла, s – площадь поперечного сечения сверла.
Изменение температуры вершины сверла во время перехода от отверстия к отверстию определяется соотношением:
, (2) где ; b – коэффициент теплообмена со средой; τн – время нагревания сверла, то есть время сверления одного отверстия; Tc – температура окружающей среды.
Модель тепловых явлений, представляющая собой рекуррентное применение соотношений (1) и (2), позволяет получить ряд зависимостей для определения оптимальных параметров и режимов процесса сверления печатных плат.
Процесс получения отверстий осуществляется циклически: нагревание (во время резания) и охлаждение (во время перехода от отверстия к отверстию). В целом механизм изменения температуры в зоне резания имеет вид, представленный на рис.1 [2].
В реальности режим нагревания-охлаждения сверла выглядит несколько сложнее по целому ряду причин. В каждом цикле крутизна характеристики нагревания будет возрастать за счет износа, при этом коэффициент крутизны изменяется в некоторых пределах случайным образом. Время охлаждения сверла также не является постоянной величиной, поскольку неодинаково время перехода от отверстия к отверстию, определяемое топологией платы: типичный режим – группа циклов с одинаковым временем охлаждения (например, группа монтажных отверстий под микросхему или соединитель) и затем переход к другой группе и, соответственно, большее время охлаждения. Эти уточнения будут предметом рассмотрения в следующей работе. Здесь же примем, что время нагревания сверла в пределах сверления одной платы (пакета плат) остается постоянным, определяемым режимами резания и толщиной диэлектрического основания.
Пусть прирост температуры сверла в течение одного цикла сверления (нагревание-охлаждение) в результате неполного охлаждения не должен превышать некоторой величины. Определим при этом условии время охлаждения сверла τох (время перехода от отверстия к отверстию, или, другими словами, время позиционирования шпинделя при сверлении очередного отверстия).
Условие непревышения Tпр запишется с использованием (2) как
. (3)
Полагая при решении неравенства (3) относительно τох
,
получим
, (4)
учитывая, что время одного сверления
, (5)
где h – толщина печатной платы; d – диаметр сверла; v – скорость резания; S – скорость подачи при сверлении, получим минимальное время охлаждения в зависимости от параметров рабочего процесса
. (6)
Соотношения (4) и (6) предоставляют возможность определения необходимого времени охлаждения в зависимости от заданного прироста температуры Tпр, режимов резания, диаметра сверла, характеристик материала сверла и пластика, условий теплообмена с окружающей средой и толщины просверливаемой платы.
Соотношение (1) позволяет определить критическое значение силы Nкр исходя из предельно допустимой температуры в зоне резания Tg
. (7)
Выражение (7) определяет предельный износ режущей кромки сверла и тем самым дает возможность априорного определения ресурса использования сверла, что позволяет предотвратить отказ процесса сверления и, следовательно, избежать появления брака при изготовлении печатной платы.
Полученное значение критической силы позволяет, с одной стороны, настраивать систему управляющего контроля станка; с другой стороны – отслеживать момент наступления необходимости замены изношенного сверла исходя из реальной технологической ситуации. Вместе с тем соотношение (1) позволяет определять допустимую толщину пакета печатных плат, который можно установить на сверлильный станок с соблюдением условия отсутствия перегрева в зоне сверления. Для этого проводится расчет времени непрерывного сверления τнн с учетом заданного предельного износа режущих кромок сверла δ[2] по формуле
. (8)
С учетом выражения (5) для расчета времени сверления толщину пакета плат можно определить по соотношению
, (9)
где k – количество плат в пакете.
Представленные базовые соотношения дают возможность на этапе подготовки производства осуществлять расчет:
• температуры в зоне сверления;
• глубины отверстия (толщины пакета просверливаемых плат) исходя из допустимой температуры в зоне сверления;
• силы подачи исходя из допустимой температуры в зоне сверления (для управляющего контроля);
• величины подачи при заданной скорости резания, обеспечивающей отсутствие перегрева в зоне сверления;
• допустимой скорости резания при заданной подаче, обеспечивающей отсутствие перегрева в зоне сверления;
• допустимого числа просверливаемых отверстий исходя из режимов обработки и допустимой температуры в зоне сверления;
• минимального допустимого времени позиционирования, обеспечивающего отсутствие перегрева сверла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ванцов С., Маунг Маунг З. Влияние температуры на надежность процесса сверления печатных плат // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 2. С. 174–178.
2. Ванцов С., Медведев А., Маунг Маунг З., Хомутская О. Надежность процесса сверления печатных плат, понятие отказа // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 8. С. 168–172.
Отзывы читателей
