原创 浅谈PTFE 的外形加工

浅谈PTFE 的外形加工

　　摘要：本文从PTFE 的材料特性出发，汇总了其在外形加工时遇到的难点问题，然后利用机械加工的原理，以改善切削力为切入点，分别对板边易出现毛刺、尺寸精度难以保证、下刀点易断刀三个难点问题给出了一些解决方法，最后在结语部分对全文进行了总结概括。本文的特色在于将机械加工理论的知识与PCB 的实际加工完美结合，用理论来指导生产，生产来验证理论，为PCB 加工的相关人员提供了一些新的思路及解决方案。

　　关键词：外形加工PTFE 毛刺

　　一、前言：

　　外形加工主要是利用硬质合金刀具在数控铣床上加工PCB 外形及内部轮廓，目前已是PCB 制作过程中的一个重要环节。在外形加工中，普通的FR4 板材相对比较容易， 但对于一些特殊材料就有一定的难度，PTFE 材料就是其中的重要一种，下面我将自己总结的一些PTFE 外形加工方面的经验与大家分享下。

　　二、 的材料特性

　　PTFE 中文名称为聚四氟乙烯，也被称为铁氟龙。它的化学结构与PE 相似，只是聚乙烯中的全部氢原子都被氟原子所取代。PTFE 分子中F 原子对称，C-F 键中两种元素以共价键结合，分子中没有游离的电子，使整个分子呈中性，因此它具有优良的介电性能，而且其电绝缘性不受环境及频率的影响，故被广泛应用于电子电气行业。但是由于PTFE 的力学延展性很好，其拉伸强度为21~28MPa ，弯曲强度为11~14MPa ，伸长率为250%~300%，对钢的动静摩擦系数均为0.04,比尼龙、聚甲醛、聚酯塑料的摩擦系数都小，所以对于机械加工来说，很难获得较好的板面质量，切削加工性差，在外形加工工序主要表现为以下三个方面：

　　1、加工表面质量差，板边毛刺难以去除。手工去除的方法不仅浪费人力、物力，而且还有造成板损的风险，更有可能因此而耽误交货期。

　　2、外形尺寸精度难以保证。不论返工或报废都会带来一定的经济损失。

　　3、下刀点易断刀。断刀不仅浪费了大量物料，而且还严重影响了产能及板面质量。

　　三、解决原理及思路

　　机械加工是研究如何利用切削的原理使工件成形而达到预定设计要求（如尺寸精度、形状及位置精度和表面质量）的一门学科。在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量，所以要解决上述的三个难题，必须要从切削力方面考虑。

　　切削力的来源有两方面：1、切削层材料、切屑和工件表面的弹性、塑性变形所产生的抗力。2、刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。影响切削力的因素主要有以下几个方面：

　　1、工件材料的影响。由于各种PTFE 材料强度和硬度差别不大，另外更换材料会影响相关工序及客户使用性，所以此项不作考虑。

　　2、切削用量的影响。

　　2.1、背吃刀量ap 和切削量f 的影响。背吃刀量ap 即铣刀刀刃在X、Y 方向旋入板件的深度，通常由板厚及叠板数决定。切削量f 即铣刀刀刃在Z 方向进入板内的深度，通常由数控程序的编制方法决定。适当减小背吃刀量ap 和进给量f 均能使切削力下降，从而得到较好的板面质量和尺寸精度。

　　2.2、切削速度F 的影响。切削速度一般在程序中设定，如大量铣床程序段中的Fxxx , 其中xxx 即为速度值。目前在行业所选用的切削速度范围内，速度值越小，切削力也越小，加工过程中板件的变形也越小。但也不是切削速度越小越好，还要考虑到其对加工产能造成的影响。

　　3、刀具结构的影响。行业内的铣刀按齿形可分为螺旋齿和菱形齿。螺旋齿的特点是：小的正前角，大后角并有铲背。这种结构使切削刃强度高、锋利，适于挠性板、箔、PTFE 等的外形、边和沟槽。菱形齿是在铣刀的圆柱面上加工出数量不等的左旋与右旋排屑槽，形成交错排列的一个个菱形，适于高速切削及有压脚的数控铣床。

　　4、刀具磨损的影响。刀具磨损后，切削刃与加工表面接触面积增大，后刀面上的法向力和摩擦力都将增大，故切削力加大。

　　5、刀具材料的影响。机械加工中常用的材料一般有高速钢和硬质合金钢，但可虑到性价比、耐磨性及加工性能等方面，目前行业内刀具通用材料为WC （碳化钨），所以此项不作考虑。

　　综合以上几点，可以看出解决PTFE 加工难题的关键点在于控制切削力，具体来说可以从背吃刀量、切削量、切削速度、刀具结构、刀具磨损这几方面入手，以下是我们采用的一些具体方法。

　　四、板边毛刺产生的原因及解决方法

　　1、PTFE 板产生毛刺的原因：

　　针对PTFE 材料，由于其力学延展性很好，不易被切断，另外材质极软，外形加工时板易发生形变，也给毛刺提供了存在的空间，所以毛刺情况更为严重。

　　2、解决方法：

　　2.1、减小背吃刀量。具体做法是先用小铣刀粗铣一遍，然后用大铣刀精修，此时铣刀旋入板内的部分较少，容易获得较好的板面质量，毛刺当然就少了。

　　2.2、减小切削量。对于某一特定零件号，板件厚度无法改变，但可以通过改变叠板数量的方式来减小切削深度，同样能减小切削力。

　　2.3、减小切削速度。在加工PTFE 板时，过大的切削速度会导致铣刀没有完全将板面余料切除而已经匆匆走过，毛刺大量出现。根据以往经验，加工PTFE 材料板件时切削速度要下降30%~50%。

　　2.4、刀具结构的影响。前面已经提到，PTFE 适合使用螺旋齿铣刀加工，而通常情况下我们使用的是一种双刃螺旋齿铣刀，它与正常铣刀的区别如下图所示，其排屑槽较深，故排屑性能好，特别适合于加工柔性板、PTFE 等较软板材的。

　　2.5、刀具磨损的影响。正如前面所提到的，刀具磨损后，切削刃与加工表面接触面积增大，毛刺会明显增多，所以刀具设定寿命此时要下降20%~40%。

　　以上是从切削力的角度考虑进行的改善，实际生产中我们也使用过如下方法：加工时板与板之间加隔下料开好的白纸，以减少板与板之间的空隙；对于混压板，如PTFE+FR4 Hight TG,将PTFE 材料面朝下放置可有效减少毛刺。原因是一般吸尘装置位于板件上方，铣刀为右旋，主轴为顺时针旋转，所以板件上表面更容易产生毛刺。

　　五、外形尺寸精度难以保证的原因及解决方法

　　1、外形尺寸精度难以保证的原因

PTFE 尺寸难以保证的原因是材质较软，外形加工中容易变形、窜动。另外对于一种超薄（板厚0.15mm 以下）得单面板来说，是因为极易收缩，在装板时为套上销钉会将板进行人为的拉扯，加工后张力消失，板件回缩而导致精度难以保证。

　　2、解决方法：

　　2.1、超薄单面板采用先蚀刻后钻孔的工艺。首板蚀刻后测量收缩情况，然后给定预放比例做图形及钻孔，外形加工装板此时变得很方便，不会再对板件进行拉扯。

　　2.2、垫板使用0.5mm 厚的环氧树脂板或冷冲板+木浆纸板。盖板通常使用0.5mm 厚的环氧树脂版或冷冲板。

　　2.3、切削速度下降20%~40% ，转速不变。减小切削速度，使切削力减小，有助于减少板件变形，提升尺寸精度。

　　2.4、及时更换新刀，防止大切削力造成板件变形幅度较大，有助于尺寸精度的提升。

如下为某产品改善前后外形加工尺寸对比情况：

尺寸要求值 81±0.20  288.8±0.20  81.4±0.13  37.50±0.13 
优化前测量值 81.11    81.48  37.54 
优化后测量值 81.03  288.84  81.45  37.51 

　　六、下刀点易断刀的原因及解决方法

　　1、下刀点易断刀的原因

　　PTFE 是一种玻璃布增强材料，有相当的韧性。另外铣刀下刀时由于板材料玻璃纤维丝硬度较高，导致刀具骤然受力后无法承受而产生断刀。

　　2、解决方法：

　　2.1、在下刀点增加预钻孔，即减小了铣削时的背吃刀量，铣刀承受的切削抗力变小，以确保不会断刀。预钻孔优先选择在钻孔工序加工，临时更改时也可放在外形工序加工。

　　2.2、降低铣刀下刀速度，保证下刀点被充分切断后才走外形轮廓，以减少断刀的频次。

　　2.3、使用刃长稍短的铣刀。目的是为了提升铣刀本身的强度。

　　2.4、减少叠板数量。目的还是为了减少切削力，以确保不断刀。结论：经改善后，原本频繁的断刀现象很少再发生或不再发生。

　　七、结语

　　PTFE 材料是外形加工中的一个难点，本文针对具体情况进行了逐一进行了分析。外形加工是典型机械加工的一种，在实际生产中多可从受力方面入手考虑，许多问题便能迎刃而解。经大批量生产验证，以上方法是解决PTFE 材料是外形加工难题的有效手段。

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