一种PCB板加工用的微钻驱动头的制作方法

本实用新型属于精密机械技术领域，涉及一种pcb板加工用的微钻驱动头。

背景技术：

pcb板是又称为印制电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，也是电子元器件的支撑体和电气连接的载体，随着高度集成电路板的快速发展，pcb板越来越趋于小、薄、精，对其进行开孔、铣槽等加工用的微型螺刀、铣刀等钻头也趋于精细化，而控制钻头旋转、伸缩的驱动机构的要求也越来越高。

具体而言，钻头的精细化使其强度降低，易断、易损、易形变等问题严重影响了钻头的使用寿命；传统的钻头驱动机构是多元控制机构的集成，适用于自动化生产的过程中占用空间大，其一般包括驱使微钻旋转的旋转驱动单元和控制微钻纵向进给/出刀的进刀驱动单元，自动化生产过程中不仅需要对两个驱动单元进行协调配合，而且为了减小钻头的冲击力，钻头一直保持一定的旋转速度，通过纵向往复运动配合pcb板的平移和切换实现pcb板的连续加工，钻头始终处于高热、高强度作业状态，对钻头的使用寿命影响极大。

另外，在加工过程中，无论是进刀或出刀，钻头都以相对恒定的高转速(忽视与板接触时转速的变化，可以认定其转速是恒定的)直接与pcb板接触，这种接触方式造成如下问题：1)、切削热瞬间产生对pcb加工处造成局部热形变；2)、冲击力较大会导致pcb定位难度的增大和pcb板(尤其是微型pcb板的加工过程中定位强度不会太高)的错位；3)、pcb板与钻头之间由于没有纵向缓冲而对pcb板造成高强度“切割”，使pcb板开孔或开槽缘部毛刺/毛边较大，通常需要二次修复去毛刺，对加工效率、加工精度和加工质量都有负面影响；4)、在进刀初期，由于微钻尚未与板材之间实现“吃丝”，微钻端部阻力使同轴度受负面影响，容易造成刀头的剧烈磨损、崩刃和断刀情况的发生，因微钻的前角、后角、锋角以及螺旋角的存在使微钻受到偏离轴线的应力较大，容易发生微钻中段形变，同轴度受影响后将大幅影响微钻的使用寿命和加工精度。

散热也是延长微钻使用寿命的重要因素，现有的驱动微钻旋转的设备并没有对微钻进行有效散热的手段。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种pcb板加工用的微钻驱动头，本实用新型所要解决的技术问题是通过气动的方式实现微钻实现旋转的同时，保持小幅度往复运动，以提高作业效率和减小冲击。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种pcb板加工用的微钻驱动头，其特征在于，包括壳体、中间套、柱塞和高压气源，所述中间套固定在壳体内，所述中间套的外壁与壳体内壁之间形成一进气通道，所述柱塞的上端具有一个与中间套内壁之间转动连接的活塞，所述柱塞的中部具有一叶轮，所述柱塞的与中间套之间形成一驱动气腔，所述中间套上具有若干个连通驱动气腔和进气通道的进气孔，所述柱塞内具有上端贯穿柱塞上端面的气流往返通道，所述中间套的顶部固定连接有封堵中间套上端开口的盖板，所述盖板下端面与柱塞上端面之间形成一个连通气流往返通道的受压气腔，所述柱塞的中部开设有若干个连通气流往返通道的功能孔，所述功能孔能够在柱塞下行时连通外界与气流往返通道，所述功能孔能够在柱塞上行时连通驱动气腔与气流往返通道；所述柱塞下端具有微钻安装头。

进一步的，所述叶轮包括周向均匀开设在柱塞中部的若干导流凸筋，所述导流凸筋呈螺旋状。

进一步的，所述叶轮的直径由上至下逐渐减小。

进一步的，各进气孔周向均匀分布在中间套上，所述进气孔的轴线与中间套的径线之间呈锐角。

进一步的，所述壳体的上端具有连通进气通道的接管，所述高压气源直接或间接连接所述接管。

工作过程如下：

柱塞上行，微钻旋转出刀：此时功能孔连通外界，驱动气腔与受压气腔被隔断，气流经高压气源、接管、进气通道、进气孔，由进气孔进入驱动气腔时，高压气流作用在叶轮上，使柱塞旋转的同时，驱动气腔容积增大而使柱塞上行，柱塞在功能孔与驱动气腔相通且克服柱塞上行惯性力时停止上行。对应微钻的工作状态为：完成开孔等加工后，微钻以缓慢旋转并上行的动作实现出刀直至微钻与pcb板脱离。

柱塞下行，微钻旋转进给：此时功能孔连通驱动气腔与受压气腔，气流经高压气源、接管、进气通道、进气孔、驱动气腔、功能孔、气流往返通道和受压气腔，由于受压气腔内柱塞的受压面大于驱动气腔内柱塞的受压面，即柱塞上端受压面为活塞上端面，而柱塞中部受到的驱使柱塞上行的受压面为柱塞中段截面与活塞截面的差值，使柱塞受到受压气腔较大的下压力而下行，柱塞下行过程受压气腔扩容较大，气流较大，气流作用在叶轮上使叶轮和柱塞旋转的扭矩较大，柱塞高速旋转并下行，当功能孔与外界相通时，柱塞下行压力瞬减而逐渐停止下行。对应微钻的工作状态为：微钻高速下行并旋转的动作时限微钻的进给，对pcb板进行加工。

排气：柱塞下行至功能孔中间套时，受压气腔内泄压，气流由受压气腔、气流往返通道、功能孔，功能孔与外界相通，进行泄压排气。溢流通道的设置能够延长柱塞下行后的回缩间隔，使微钻速度降至较低后再上行。

柱塞和连接在柱塞下端的微钻循环如下工作状态：快速旋转并下行进行进给作业、缓慢旋转并上行完成出刀。

由于叶轮为上端直径大于下端直径的锥形，在柱塞下行过程中，叶轮与中间套之间的间隙逐渐减小，叶轮受力面逐渐增大，且不参与对叶轮进行驱动的气流逐渐减小，使柱塞旋转速度逐渐加快，转速由慢至快对pcb板进行加工，以减小微钻对pcb板的冲击，降低微钻进入pcb板前刀具与pcb板之间的冲击力，能够极大的消除高速切割造成的刀具受损和急剧升温；在柱塞上行过程中，叶轮与中间套之间的间隙逐渐增大，叶轮受力面逐渐减小，且不参与对叶轮进行驱动的气流逐渐增大，使柱塞旋转扭矩逐渐减小，转速由快至慢实现微钻对pcb板加工后的出刀。

由于本驱动头上下行和旋转均为“软驱动”，冲击力小，柱塞上下运行过程中速度保持连贯渐变，转速也保持与工作需要适配的渐变，大幅降低了柱塞工作周期的时长，进而提高了自动化加工过程中的加工效率。

本微钻驱动头相比现有的微钻驱动方式具有如下优点：

1、将壳体与机床或机械手执行端连接，接管连接高压气源，可实现动力源(气泵)与驱动头之间的分置，对驱动头的操作空间有很大的提升，减少了驱动头的空间占用，减轻了机械手执行手臂的承重，简化了自动化生产线在线结构，应对小尺寸pcb板的加工可更大密度的实现多点同步加工。

2、应对pcb板越来越小、越来越薄的趋势，本驱动头可实现“高频小幅”作业，“小幅”是指在薄板加工所需的进给距离小；自动化生产过程中可实现一板多机同时作业。

3、柱塞和连接在柱塞上的微钻在整个工作过程中不受驱动件刚性接触，全过程软接触模式可降低微钻的磨损、发热、断刀等概率，延长刀具使用寿命，也是进一步提高作业效率的间接表现。

4、本驱动头可适用直径更小的微钻进行加工，由于冲击较小，小尺寸微钻强度等方面的削弱依然不会大幅影响微钻的作业质量和使用寿命。

5、本驱动头实现了对微钻的高频风冷，减小了微钻集热，配合驱动头全封闭式结构，能够消除了对加工屑末对驱动头的影响。

6、溢流通道在泄压初期截面较大，在泄压持续过程中截面逐渐减小，保持泄压过程中相对稳定的风冷气压和除杂气流，避免气压变化过大导致渣屑飞溅。

附图说明

图1是本驱动头安装微钻时的结构示意图。

图2是柱塞下行(或上行)至功能孔被调节套遮闭时本驱动头的结构示意图。

图3是柱塞下行至极限位置时本驱动头的结构示意图。

图4是柱塞上行至极限位置时本驱动头的结构示意图。

图5是图2中a-a方向的截面图。

图中，1、壳体；11、接管；2、中间套；21、盖板；3、柱塞；31、活塞；32、叶轮；321、导流凸筋；33、微钻安装头；4、调节套；41、导流腔；42、溢流通道；43、限位缓冲垫；51、进气通道；52、驱动气腔；53、进气孔；54、气流往返通道；55、功能孔；56、受压气腔；6、微钻。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1和图2所示，驱动头包括壳体1、中间套2、柱塞3和高压气源，中间套2固定在壳体1内，中间套2的外壁与壳体1内壁之间形成一进气通道51，柱塞3的上端具有一个与中间套2内壁之间转动连接的活塞31，柱塞3的中部具有一叶轮32，柱塞3的下端与中间套2之间连接有一调节套4，调节套4与中间套2之间螺纹连接，调节套4与柱塞3之间滑动连接，调节套4上端与活塞31下端之间形成一驱动气腔52，中间套2上具有若干个连通驱动气腔52和进气通道51的进气孔53，柱塞3内具有上端贯穿柱塞3上端面的气流往返通道54，中间套2的顶部固定连接有封堵中间套2上端开口的盖板21，盖板21下端面与柱塞3上端面之间形成一个连通气流往返通道54的受压气腔56，柱塞3的中部开设有若干个连通气流往返通道54的功能孔55，功能孔55能够在柱塞3下行时连通外界与气流往返通道54，功能孔55能够在柱塞3上行时连通驱动气腔52与气流往返通道54；柱塞3下端具有微钻安装头33。

如图5所示，叶轮32包括周向均匀开设在柱塞3中部的若干导流凸筋321，导流凸筋321呈螺旋状。叶轮32的直径由上至下逐渐减小。各进气孔53周向均匀分布在中间套2上，进气孔53的轴线与中间套2的径线之间呈锐角。

调节套4下端的内壁与柱塞3下端的外壁之间形成一导流腔41，导流腔41的下端与柱塞3外壁之间形成一环形的溢流通道42，导流腔41为孔径由上至下逐渐减小的环形腔体。

壳体的上端具有连通进气通道51的接管11，高压气源直接或间接连接接管11。调节套4上端面具有橡胶材质的限位缓冲垫43。

工作过程如下：

柱塞3上行，微钻6旋转出刀：此时功能孔55连通导流腔41和外界，驱动气腔52与受压气腔56被隔断，气流经高压气源、接管11、进气通道51、进气孔53，由进气孔53进入驱动气腔52时，高压气流作用在叶轮32上，使柱塞3旋转的同时，驱动气腔52容积增大而使柱塞3上行，柱塞3在功能孔55与驱动气腔52相通且克服柱塞3上行惯性力时停止上行。对应微钻6的工作状态为：完成开孔等加工后，微钻以缓慢旋转并上行的动作实现出刀直至微钻与pcb板脱离，中间过程如图2所示，极限位置如图4所示。

柱塞3下行，微钻6旋转进给：此时功能孔55连通驱动气腔52与受压气腔56，气流经高压气源、接管11、进气通道51、进气孔53、驱动气腔52、功能孔55、气流往返通道54和受压气腔56，由于受压气腔56内柱塞3的受压面大于驱动气腔52内柱塞3的受压面，即柱塞3上端受压面为活塞31上端面，而柱塞3中部受到的驱使柱塞3上行的受压面为柱塞3中段截面与活塞31截面的差值，使柱塞3受到受压气腔56较大的下压力而下行，柱塞3下行过程受压气腔56扩容较大，气流较大，气流作用在叶轮32上使叶轮32和柱塞3旋转的扭矩较大，柱塞3高速旋转并下行，当功能孔55与导流腔41、外界相通时，柱塞3下行压力瞬减而逐渐停止下行。对应微钻的工作状态为：微钻6高速下行并旋转的动作时限微钻的进给，对pcb板进行加工，中间过程如图2所示，极限位置如图3所示。

排气冷却：柱塞3下行至功能孔55与导流腔41相通时，受压气腔56内泄压，气流由受压气腔56、气流往返通道54、功能孔55进入导流腔41，由溢流通道处排出，气流由上至下作用在微钻刀柄上，对刀柄和刀柄下方的刀头进行风冷。溢流通道42的设置能够延长柱塞3下行后的回缩间隔，使微钻6速度降至较低后再上行。

柱塞3和连接在柱塞3下端的微钻循环如下工作状态：快速旋转并下行进行进给作业、缓慢旋转并上行完成出刀。

由于叶轮32为上端直径大于下端直径的锥形，在柱塞3下行过程中，叶轮32与中间套2之间的间隙逐渐减小，叶轮32受力面逐渐增大，且不参与对叶轮32进行驱动的气流逐渐减小，使柱塞3旋转速度逐渐加快，转速由慢至快对pcb板进行加工，以减小微钻对pcb板的冲击，降低微钻进入pcb板前刀具与pcb板之间的冲击力，能够极大的消除高速切割造成的刀具受损和急剧升温；在柱塞3上行过程中，叶轮32与中间套2之间的间隙逐渐增大，叶轮32受力面逐渐减小，且不参与对叶轮32进行驱动的气流逐渐增大，使柱塞3旋转扭矩逐渐减小，转速由快至慢实现微钻对pcb板加工后的出刀。

调节套4能够通过旋转改变限位缓冲垫43相对中间套2的位置，从而使柱塞3的下行极限位置被改变，即功能孔55连通导流腔41的时机被改变，进而实现柱塞3纵向往返幅度的调节；在发生故障时，柱塞3下行至极限位置，叶轮32的下端与限位缓冲垫43接触实现柱塞3下行止停，而正常工作过程中，由于在柱塞3下行接近极限位置时已经开始对受压腔进行泄压，限位缓冲垫43受到的压力也不会很大，可以通过调节气压和调节套4的位置，实现限位缓冲垫43与叶轮32的免接触。

由于本驱动头上下行和旋转均为“软驱动”，冲击力小，柱塞3上下运行过程中速度保持连贯渐变，转速也保持与工作需要适配的渐变，大幅降低了柱塞3工作周期的时长，进而提高了自动化加工过程中的加工效率。

安装过程中，先安装微钻，然后安装调节套。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

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