Beim mechanischen Bohren von Leiterplatten beeinflussen PCB-Bohrer direkt die Lochmaßgenauigkeit, die Qualität der Lochwand, die Spanabfuhr, die Standzeit des Werkzeugs und die Prozessstabilität insgesamt. Wer die Bohrqualität verstehen will, sollte daher zunächst die Materialien von PCB-Bohrern und die Geometrie von PCB-Bohrern verstehen.
Dieser Artikel erläutert den grundlegenden Aufbau von PCB-Bohrern, einschließlich Materialaufbau, wichtiger geometrischer Parameter und ihrer Zusammenhänge. Außerdem wird gezeigt, wie sich das Bohrerdesign auf die Bohrleistung und die endgültige Lochqualität auswirkt.
Materialien von PCB-Bohrern
Ein PCB-Bohrer besteht typischerweise aus zwei Teilen:
- dem Schneidteil
- dem Schaft
Um Kosten zu reduzieren, werden PCB-Bohrer mit einem Durchmesser von weniger als 3,175 mm meist als zweiteilige Ausführung gefertigt. Dabei besteht der Schaft in der Regel aus Edelstahl, während das Schneidteil aus Hartmetall gefertigt wird. Beide Teile werden durch Schweißen miteinander verbunden.
Hartmetall-PCB-Bohrer sind weit verbreitet, weil Hartmetall eine hohe Verschleißfestigkeit bei moderaten Kosten bietet und sich daher gut zum Bohren abrasiver Laminatmaterialien eignet.
Hartmetall hat jedoch auch einen wesentlichen Nachteil: Es ist sehr hart, aber zugleich spröde. Bei unsachgemäßer Handhabung oder unzureichend kontrollierten Bohrbedingungen kann es zu Ausbrüchen an der Schneide oder anderen Beschädigungen kommen. Das kann die Lochqualität verschlechtern und die Werkzeugstandzeit verkürzen.
Geometrie von PCB-Bohrern und wichtige Konstruktionsparameter
Die Geometrie eines PCB-Bohrers bestimmt die Schneidleistung, die Spanabfuhr, die Steifigkeit, die Festigkeit und die Bohrqualität. Die wichtigsten Parameter werden im Folgenden erläutert.
1. Bohrerdurchmesser
Der Bohrerdurchmesser ist der Abstand zwischen den beiden äußersten Punkten an der Führungsfase des Schneidteils.
Dieser Parameter bestimmt direkt den gebohrten Lochdurchmesser und ist das grundlegendste Maßmerkmal eines PCB-Bohrers.
2. Kerndicke
Die Kerndicke ist der kleinste Abstand zwischen den beiden Spannuten, gemessen in einer Ebene senkrecht zur Bohrerachse.
Sie gehört zu den wichtigsten strukturellen Parametern der PCB-Bohrergeometrie, weil sie direkten Einfluss hat auf:
- die Schnittbelastung
- die Steifigkeit des Bohrers
- die Festigkeit des Bohrers
- den Spanraum
Eine größere Kerndicke verbessert die Biegefestigkeit, die Torsionsfestigkeit und die Gesamtsteifigkeit des Bohrers. Gleichzeitig wird jedoch der Spanraum kleiner, die Spanabfuhr schwieriger, der Werkzeugverschleiß höher und die Qualität der Lochwand kann beeinträchtigt werden.
Wird die Kerndicke reduziert, vergrößert sich der Spanraum und die Spanabfuhr verbessert sich. Gleichzeitig nimmt jedoch die Steifigkeit ab und der Bohrer wird bruchanfälliger.
In der Praxis ist die Kerndicke daher immer ein Kompromiss zwischen Festigkeit und Steifigkeit einerseits und Spanabfuhr andererseits.
3. Drallwinkel
Der Drallwinkel ist der Winkel zwischen der Tangente der Spannuthelix auf der äußeren Zylinderfläche und der Bohrerachse.
Da alle Punkte entlang der Spannut die gleiche Steigung aufweisen, ist der Drallwinkel nicht an jedem Punkt der Hauptschneide gleich. Er ist in der Nähe der Führungsfase größer und nimmt zur Bohrermitte hin ab.
Der Drallwinkel steht in engem Zusammenhang mit der Schärfe der Schneide und der Spanabfuhr. Grundsätzlich gilt:
- ein größerer Drallwinkel führt zu einem größeren effektiven Spanwinkel, einer schärferen Schneide und einer besseren Spanabfuhr;
- ein kleinerer Drallwinkel führt zu einem weniger aggressiven Schnitt und einer schwächeren Spanabfuhr.
Ein zu großer Drallwinkel hat jedoch auch Nachteile: Er verlängert den Spanflussweg, verringert die Steifigkeit des Bohrerkörpers und schwächt die Schneidkante. Dadurch steigt das Risiko von Ausbrüchen und Verschleiß beim Bohren.
Der Drallwinkel muss daher so gewählt werden, dass Schneidschärfe, Spanabfuhr und Schneidenfestigkeit in einem ausgewogenen Verhältnis stehen.
4. Nuten-Breiten-Verhältnis
Das Nuten-Breiten-Verhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen der Breite der Spannut und der Breite des Bohrerkörpers.
Dieser Parameter beeinflusst vor allem den verfügbaren Spanraum und die Gesamtsteifigkeit des Bohrers.
- Ein größeres Nuten-Breiten-Verhältnis schafft mehr Spanraum und verbessert die Spanabfuhr, was sich positiv auf die Lochwandqualität auswirkt. Gleichzeitig sinken jedoch Steifigkeit und Festigkeit des Bohrers.
- Ein kleineres Verhältnis erhöht Steifigkeit und Festigkeit, verringert aber den Spanraum. Dadurch kann die Reibung zwischen Spänen und Lochwand zunehmen, was die Lochwandqualität verschlechtern kann.
Auch dieser Teil der PCB-Bohrergeometrie ist daher ein Kompromiss zwischen Spanabfuhr und struktureller Festigkeit.
5. Spitzenwinkel
Der Spitzenwinkel ist der Winkel, der durch die Projektion der beiden Hauptschneiden auf eine parallele Ebene entsteht.
Der Spitzenwinkel beeinflusst die Länge der Hauptschneiden, die Schnittbreite, die Spanform und die Spanflussrichtung und hat damit direkten Einfluss auf Bohrbelastung und Lochqualität.
- Ein größerer Spitzenwinkel führt tendenziell zu dickeren und kürzeren Spänen. Nach Verlassen der Schneide werden diese Späne in Richtung Bohrerwurzel abgeführt, was die Spanabfuhr verbessert, jedoch die axiale Bohrkraft erhöht.
- Ein kleinerer Spitzenwinkel führt eher zu spiralförmigen Spänen, die sich schwerer abführen lassen und die Lochwandqualität beeinträchtigen können. Dafür ist die axiale Kraft geringer und die Positionierstabilität beim Anbohren in der Regel besser.
Die Wahl des Spitzenwinkels ist daher ein Kompromiss zwischen Spanabfuhr, Axialkraft und Positionierstabilität.
6. Primärer Freiwinkel und sekundärer Freiwinkel
Der primäre Freiwinkel soll verhindern, dass die primäre Freifläche beim Bohren die bearbeitete Oberfläche berührt. Dadurch werden Axialkraft und Reibungswärme reduziert.
Der sekundäre Freiwinkel soll verhindern, dass der Bohrerkörper mit der bearbeiteten Oberfläche in Konflikt gerät.
Diese beiden Freiwinkel beeinflussen:
- die Schneidschärfe
- die Festigkeit der Hauptschneide
- die Kontaktfläche zwischen Bohrer und Lochwand
Grundsätzlich gilt:
- größere Freiwinkel verbessern den Schneidvorgang, verkleinern die Kontaktfläche und senken die Schnittkraft, verringern aber zugleich die Festigkeit der Hauptschneide und erhöhen das Risiko von Ausbrüchen;
- kleinere Freiwinkel erhöhen die Schneidenfestigkeit, vergrößern jedoch die Reibfläche und die Schnittkraft beim Bohren.
Die Auslegung von primärem und sekundärem Freiwinkel ist damit ein Kompromiss zwischen Schneidschärfe, Reibungskontrolle und Schneidenfestigkeit.
Zusammenhänge zwischen den Geometrieparametern von PCB-Bohrern
Die Geometrie eines PCB-Bohrers wird nicht darauf ausgelegt, nur eine einzelne Eigenschaft zu maximieren. Vielmehr geht es um einen Gesamtausgleich zwischen Steifigkeit, Spanabfuhr, Schneidschärfe und Schneidenfestigkeit. Die wichtigsten Zielkonflikte sind:
1. Steifigkeit vs. Spanabfuhr
- Eine größere Kerndicke und ein kleineres Nuten-Breiten-Verhältnis verbessern Steifigkeit und Festigkeit, verringern aber den Spanraum.
- Eine kleinere Kerndicke und ein größeres Nuten-Breiten-Verhältnis verbessern die Spanabfuhr, reduzieren jedoch die Gesamtsteifigkeit.
2. Schärfe vs. Schneidenfestigkeit
- Ein größerer Drallwinkel und größere Freiwinkel sorgen für einen schärferen Schnitt und geringere Reibung.
- Gleichzeitig sinkt jedoch die Festigkeit der Schneide und das Risiko von Ausbrüchen oder Beschädigungen steigt.
3. Spanabfuhr vs. Axialkraft
- Ein größerer Spitzenwinkel verbessert die Spanabfuhr, erhöht aber die Axialkraft.
- Ein kleinerer Spitzenwinkel reduziert die Axialkraft und verbessert die Positionierstabilität, erschwert jedoch die Spanabfuhr.
Deshalb variiert die PCB-Bohrergeometrie je nach Anwendung. Die Auswahl der Parameter sollte auf Laminattyp, Lochdurchmesser, Aspektverhältnis, Stapelhöhe und Prozessanforderungen abgestimmt werden.
FAQ
1. Warum werden Hartmetall-PCB-Bohrer so häufig eingesetzt?
Weil Hartmetall eine gute Verschleißfestigkeit bei relativ geringen Kosten bietet und sich deshalb gut für abrasive PCB-Laminate eignet.
2. Was ist der größte Nachteil von Hartmetall?
Hartmetall ist sehr hart, aber spröde. Deshalb kann es bei ungeeigneter Handhabung oder ungeeigneten Bohrbedingungen zu Schneidkantenausbrüchen kommen.
3. Welcher Parameter bestimmt den Lochdurchmesser?
Der Bohrerdurchmesser bestimmt direkt den gebohrten Lochdurchmesser.
4. Wie beeinflusst die Kerndicke die Leistung?
Die Kerndicke beeinflusst Steifigkeit, Festigkeit und Spanraum. Eine größere Kerndicke erhöht die Festigkeit, verringert aber den Platz für die Spanabfuhr. Eine kleinere Kerndicke verbessert die Spanabfuhr, reduziert jedoch die Steifigkeit.
5. Was beeinflusst der Drallwinkel?
Der Drallwinkel beeinflusst vor allem die Schneidschärfe und die Spanabfuhr. Ein größerer Drallwinkel verbessert Schneidwirkung und Spanabfuhr, kann aber die Steifigkeit und Schneidenfestigkeit verringern.
6. Was beeinflusst der Spitzenwinkel?
Der Spitzenwinkel beeinflusst Spanform, Spanflussrichtung und Axialkraft. Ein größerer Spitzenwinkel verbessert die Spanabfuhr, erhöht jedoch die Axialkraft.
7. Warum sind Freiwinkel wichtig?
Primärer und sekundärer Freiwinkel beeinflussen Schneidschärfe, Schneidenfestigkeit, Reibfläche und Schnittkraft.
Fazit
Material und Geometrie von PCB-Bohrern wirken sich direkt auf die Bohrqualität aus.
Aus Werkstoffsicht bestehen PCB-Bohrer typischerweise aus einem Edelstahlschaft und einem Schneidteil aus Hartmetall. Ein Hartmetall-PCB-Bohrer bietet gute Verschleißfestigkeit bei moderaten Kosten, das Material ist jedoch zugleich sehr hart und spröde.
Die Bohrerparameter beeinflussen sich gegenseitig und bestimmen zusammen die Bohrstabilität, die Werkzeugstandzeit und die endgültige Lochqualität. Ein gutes Verständnis von PCB-Bohrermaterialien und PCB-Bohrergeometrie ist daher entscheidend für die richtige Werkzeugauswahl und die Optimierung des Bohrprozesses.
