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Dokumentenidentifikation DE102006012291A1 05.10.2006
Titel Bohrvorrichtung zum Bohren von Löchern in Leiterplatten für elektronische Geräte, Apparate und Einrichtungen
Anmelder Nippon Mektron, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Watanabe, Kenji, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Pätzold, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 82166 Gräfelfing
DE-Anmeldedatum 17.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006012291
Offenlegungstag 05.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.10.2006
IPC-Hauptklasse H05K 3/00(2006.01)A, F, I, 20060317, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23B 35/00(2006.01)A, L, I, 20060317, B, H, DE   B23B 41/00(2006.01)A, L, I, 20060317, B, H, DE   B23Q 11/00(2006.01)A, L, I, 20060317, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten, bei der die Bohrspäne mit Luft weitgehend ausgetragen werden, um die Bohrer ausreichend kühlen zu können.
Dabei verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über einen Ringkörper 4B am unteren Ende eines höhenverstellbaren Stempels 3. Der Ringkörper 4B besitzt eine zentrale Ausnehmung 9 für den Durchgang des Bohrers an einer Spindel 5. Während des Bohrvorganges wird der Ringkörper 4B über den Stempel 3 gegen den zu bohrenden Leiterplattenstapel gedrückt. Um die Bohrspäne optimal über den hohlen Stempel aus dem Bohrbereich absaugen zu können, befinden sich in zwei getrennten radialen Ebenen des Ringkörpers jeweils mehrere erste (41) und zweite (42B) Kanäle, über die aus der äußeren Umgebung der Vorrichtung Luft angesaugt wird, die in der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers erste und zweite Wirbelströmungen erzeugen, wobei eine Wirbelströmung im Bereich der Bohrerspitze derart bemessen ist, dass die Bohrspäne von dem Bohrer optimal gelöst werden und dass eine weitere Wirbelströmung so bemessen ist, dass die abgelösten Bohrspäne optimal über den hohlen Stempel nach außen abgesaugt werden können.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten für elektronische Geräte, Apparate und Einrichtungen. Durch die Bohrungen können durchgehende Löcher gebildet werden. Dabei ist die Bohrvorrichtung dazu geeignet, mehrere zu Stapeln übereinandergeschichtete Leiterplatten zu durchbohren, wobei die Bohrspäne wirksam entfernt werden müssen, um eine ausreichende Kühlung der Bohrer sicher stellen zu können, die für die Qualität der Bohrarbeit wesentlich verantwortlich ist.

Stand der Technik

Die in elektronischen Geräten, Apparaten und Einrichtungen eingesetzten Leiterplatten sind mit durchgehenden Löchern versehen, um elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Schaltungen der Leiterplatten herstellen zu können. Die Löcher werden in der Regel mit Bohrern hergestellt. Die Bohrer sind üblicherweise am vorderen Ende einer Spindel gehalten, die höhenverstellbar ausgebildet ist. Dabei ist ein in der Senkrechten beweglich ausgebildeter Stempel vorhanden, mit dem der zu durchbohrende Leiterplattenstapel beim Bohrvorgang in der Umgebung der auszuführenden Bohrung von oben gegen die Auflagefläche einer Werkbank fest angedrückt werden kann. Der Stempel enthält an seinem unteren, dem Leiterplattenstapel zugewandten Boden einen auswechselbar ausgebildeten Ringkörper, der ein zentrales Loch zum freien Durchgang des Bohrers aufweist. Mit diesem auswechselbar ausgebildeten Ringkörper am unteren Boden des vertikal verstellbaren Stempels kann sicher gestellt werden, dass der Leiterplattenstapel in der Umgebung des zu bohrenden Loches während des Bohrvorganges fest gegen die Auflagefläche der Werkbank gedrückt gehalten wird (vgl. nachstehende Literaturstelle 1)

In 13 der vorliegenden Anmeldung ist eine bekannte Vorrichtung zum Bohren eines Werkstückes 1 gezeigt. Die bekannte Vorrichtung umfaßt eine Werkbank 2 mit einer flachen Auflagefläche, auf der das Werkstück 1 liegt, das hier aus mehreren zu einem Leiterplattenstapel übereinandergeschichteten Leiterplatten 11 besteht. Ein Vertikal verstellbarer Stempel ist mit 3 bezeichnet, mit dem der Leiterplattenstapel in der Umgebung des zu bohrenden Loches beim Bohrvorgang von oben gegen die Auflagefläche der Werkbank 2 fest angedrückt gehalten wird. Eine Hubvorrichtung ist mit 7 bezeichnet, mit der der Stempel 3 zusammen mit einer Spindel 6 und einem am unteren Ende der Spindel 6 gehaltenen Bohrer 5 vertikal angehoben und abgesenkt werden kann.

Auf der obersten Leiterplatte 11 des Leiterplattenstapels befindet sich eine Deckplatte 12 und unterhalb der untersten Leiterplatte 11 des Leiterplattenstapels befindet sich eine Bodenplatte 13, die auf der Auflagefläche der Werkbank 2 liegt. Der von der Deckplatte 12 und der Bodenplatte 13 beidseitig begrenzte Leiterplattenstapel wird durch der Stempel 3 von oben gegen die Auflagefläche der Werkbank 2 gedrückt, wobei, wie in der vorstehend erwähnten Literaturstelle 1 beschrieben, ein Ringkörper 4 aus Metall oder Kunststoff mit seinem zentralen Loch zum Durchgang des Bohrers am freien unteren Ende des Stempels beliebig auswechselbar festgehalten ist. Über den Ringkörper wird der jeweilige Leiterplattenstapel während des Bohrvorganges mit ausreichender Stärke gegen die Werkbank gedrückt. Hierzu wird die Hubvorrichtung 7 auf eine vorbestimmte Hohe abgesenkt. Dabei drückt der Ringkörper 4 mit Hilfe eines nicht gezeigten Federmechanismus in Verbindung mit der Hubvorrichtung mit einem vorbestimmten Anpreßdruck von oben gegen das Werkstück 1 auf der Auflagefläche der Werkbank 2 gedrückt.

In diesem Zustand wird die Spindel 6 abgesenkt, und mit dem Bohrer 5 am unteren Ende der Spindel 6 wird in vorbestimmter Weise ein Loch in das Werkstück 1 gebohrt. Die bei der Bohrarbeit anfallenden Späne werden, wie nachstehend erläutert, über eine Austrittsöffnung 8 an einer äußeren Seitenfläche des hohl ausgebildeten Stempels 3 mittels einer nicht dargestellten Saugvorrichtung zusammen mit Luft abgesaugt. Dabei befinden sich zur Absaugung der Späne aus dem Bohrloch an der äußeren seitlichen Ringfläche des Ringkörper 4 von außen nach innen durchgehende Kanäle 10 (14), die die äußere Umgebung des Ringkörpers 4 an das zentrale Loch 9 im Ringkörper 4 zum Durchgang des Bohres 5 anschließen, so dass mittels einer Saugvorrichtung an der Austrittsöffnung 8 Luft aus der äußeren Umgebung des Ringkörpers 4 über die Kanäle 10 ein zentrales Loch 9 und den anschließenden Hohlraum des Stempels 3 zusammen mit den Bohrspänen abgesaugt werden kann.

14 zeigt die beispielsweise Ausbildung eines Ringkörpers 4 in 14(1) im Längsschnitt und in 14(2) entlang den Linien X-X im Querschnitt. Der Ringkörper 4 besitzt mehrere von außen nach innen durchgehende Kanäle 10, die an den Umfang der zentralen Bohrdurchgangsöffnung 9 des Ringkörpers 4 in gleicher Weise exzentrisch etwas versetzt anschließen, so dass beim Bohrvorgang, bei dem der Ringkörper 4 gegen das Werkstück 1 drückt, durch das Absaugen von Luft über die seitliche Auslaßöffnung 8 mit Hilfe einer Saugvorrichtung ein um den Bohrer kreisender Luftwirbel erzeugt wird, der verhindern soll, dass die Bohrspäne an dem Bohrer 5 haften bleiben.

Die Wirbelströmung dient auch zur Kühlung des Bohrers 5, um zu verhindern, dass ein Bohrer mit erhöhter Temperatur den Kunststoff, aus dem die Leiterplatten bestehen, an bestimmten Stellen in nachteiliger Weise zum Erweichen bringt und dabei die Leiterplatten beschädigt.

Wenn die Späne am Bohrer 5 nicht wirksam abgesaugt werden, kommt es leicht zum Bruch des Bohrers 5. Es ist deshalb besonders wichtig, dass die Luftwirbelströmungen derart auf den Bohrer gelenkt werden, dass die Späne im ausreichenden Maße abgesaugt werden können und der Bohrer 5 damit auch ausreichend gekühlt werden kann.

Zur Entfernung der Bohrspäne ist eine Konstruktion bekannt, über einen Luftzuführungskanäle am unteren Ende des Stempels Luft in den Bereich des Bohrers zuzuführen, um dabei die Bohrspäne wegzublasen (vgl. Nachstehende Literaturstelle 2). Es ist auch ein Vorschlag bekannt geworden, bei dem zwei verschiedene Druckluftquellen vorgesehen sind. So befindet sich an der unteren Bodenfläche des Stempels eine Membran, die zwischen sich und der Bodenfläche des Stempels einen den Bohrbereich umschließenden Ringraum druckdicht abschließt, der an eine der Druckluftquellen angeschlossen ist, um über die Membran einen vorbestimmten Anpreßdruck auf das zu durchbohrende Werkstück abzugeben, während die zweite Druckluftquelle an Zuführungskanäle im Bereich des Bohres angeschlossen ist, um die Bohrspäne am Bohrer wegzublasen (vgl. nachstehende Literaturstelle 3). Außerdem ist eine Konstruktion vorgeschlagen worden, bei der ein Flüssigkeitsnebel in den Bereich des Bohres zu seiner Kühlung geblasen wird (vgl. nachstehende Literaturstellen 4 und 5).

Es ist weiterhin eine Konstruktion bekannt geworden, bei der ein separater Luftzuführungskanal bis in den Bereich des Bohres geführt ist, der zum Wegblasen der Bohrspäne geöffnet wird, wenn die Spannvorrichtung nach der Bohrung angehoben wird (vgl. nachstehende Literaturstelle 6). Darüber hinaus ist eine Konstruktion bekannt geworden, bei der der Luftzuführungskanal mittels eines Federmechanismus bei der Aufwärtsbewegung der Spannvorrichtung geöffnet wird, wobei der Luftzuführungskanal in einem Ringkörper am unteren Ende der Spannvorrichtung angeordnet ist (vgl. nachstehende Literaturstelle 7).

[Literaturstelle 1]

  • Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Hei 5-285891

[Literaturstelle 2]

  • Offenlegungsschrift der japanischen Patentschrift Sho 63-300807

[Literaturstelle 3]

  • Offenlegungsschrift der japanischen Patentschrift Hei 3-3713

[Literaturstelle 4]

  • japanische Patentschrift 351376

[Literaturstelle 5]

  • japanische Gebrauchsmusteranmeldung Hei 6-17847

[Literaturstelle 6]

  • japanische Patentanmeldung 2000-5910

[Literaturstelle 7]

  • Patentanmeldung 2004-130454

Nachteile des Standes der Technik und Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Der Anmeldungsgegenstand nach der vorstehenden Literaturstelle 1, bei der der Ringspalt zwischen dem Bohrer und dem Bohrerdurchgangsloch im Ringkörper am unteren Ende des Stempels möglichst eng gehalten wird und der Leiterplattenstapel über den Ringkörper beim Bohrvorgang fest an die Auflagefläche der Werkbank angepresst werden kann, damit die Gradbildung in der Umgebung eines Durchgangsloches durch den Plattenstapel weitgehend unterdrückt werden kann, gleichzeitig aber auch die Späne durch den beim Absaugen von Luft im Bereich des Bohres entstehenden Wirbelstrom zusammen mir der angesaugten Luft ausgetragen werden sollen, erwies sich als wenig effektiv, was die Absaugung der Späne betrifft.

Bei den im vorstehenden Stand der Technik (2) und (3) offenbarten Konstruktionen werden zwar befriedigende Kühlungen der Bohrer erreicht. Die Entfernung der Bohrspäne durch Einblasen von Druckluft birgt die Gefahr, dass Bohrspäne wegen mangelnder Regulierung der Luftzuführung auf die Leiterplatten geblasen werden können.

Bei dem vorstehenden Stand der Technik (4) und (5) besteht die Gefahr, dass durch die der Luft zugesetzte Flüssigkeit die Späne im Innern des Stempels haften bleiben und damit eine effektive Absaugung der Späne oder Entstaubung der Anlage verhindert wird.

Um diese Nachteile zu beheben, kann der freie Luftspalt zwischen dem Bohrer nahe seiner Spitze und dem engen Bohrdurchgangsloch in dem Ringkörper am unteren Ende des Stempels zur Erzielung einer erhöhten Luftströmung weiter verengt werden. Wenn zum hinteren Ende des Bohrers hin das Loch trichterförmig im Ringkörper erweitert ist, wird der Luftstrom mit einer erhöhten Luftgeschwindigkeit in dem engen Luftspalt zwischen der das Loch umgebenden Wand und dem Bohrer beim Übergang in das trichterförmig erweiterte Loch abgekühlt, wodurch der Bohrer mit erhöhter Effektivität gekühlt werden kann. Dabei besteht aber das Problem dass der Luftdruck beim Absaugen der Luft über eine seitliche Öffnung in dem Stempel erniedrigt wird, so dass der Leiterplattenstapel mit den übereinandergeschichteten Leiterplatten in nachteiliger Weise angesaugt wird.

Die Konstruktionen beim obigen Stand der Technik enthalten separate Luftaustrittsöffnungen, die erst geöffnet werden, wenn die Spannvorrichtung nach einem Bohrvorgang angehoben wird. Hierdurch läßt sich ein Ansaugen des Leiterplattenstapels durch Druckabfall im zur Absaugung gelangenden Luftstrom vermeiden.

In jüngster Zeit setzt sich der Trend zur Miniaturisierung von Leiterplatten weiter fort, was die Ausbildung von Bohrlöchern in den Leiterplatten mit extrem kleinen Bohrlochdurchmessern (z.B. 0,2 mm) erforderlich macht. Hierbei häufen sich Brüche von Bohrern, weil die sich an einem Bohrer anheftenden Bohrspäne nicht ausreichend beseitigt werden können, wobei auch die Kühlung der Bohrer unbefriedigend ist. Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis, die Beseitigung der Bohrspäne und zugleich die Kühlung der Bohrer, insbesondere auch bei Löchern mit Bohrdurchmessern von z.B. 0,2 mm in Leiterplattenstapeln aus miniaturisierten Leiterplatten, im Vergleich zum Stand der Technik mit wesentlich erhöhter Effektivität mit vertretbaren technischen Aufwand sicher gelöst zu bekommen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bohren von Leiterplattenstapeln – auch aus miniaturisierten Leiterplatten – anzugeben, die die Nachteile des Stand der Technik durch wesentlich erhöhte Kühlleistung gegenüber den Bohrern (insbesondere auch bei Bohrlochdurchmessern von z.B. 0,2 mm ) bei gleichzeitig erhöhtem Austrag von Bohrspänen sicher vermeidet.

Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen nach der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche und/oder der Beschreibung.

Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung zum Bohren von Löchern in Leiterplatten für elektronische Geräte, Apparate und Einrichtungen, wobei mehrere Leiterplatten zu einem Stapel übereinander geschichtet ein zu bohrendes Werkstück auf einer Werkbank bilden und ein in der vertikalen beweglich ausgebildeter Stempel zum Andrücken des Werkstückes von oben gegen die Auflagefläche der Werkbank vorgesehen ist, wobei an den Boden des Stempels ein beliebig auswechselbarer Ringkörper mit einer zentralen Ausnehmung zum Durchgang des Bohrers gehalten ist, und der Ringkörper zum Andrücken des Werkstückes gegen die Auflagefläche der Werkbank in einem gewählten engen Bohrbereich zur Gewährleistung einer sicheren Bohrung geeignet ausgebildet ist.

Die vorstehende Vorrichtung ist hierzu erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper zum Entfernen von Bohrspänen am Bohrer in zwei getrennten radialen Ebenen mit gewähltem axialem Abstand voneinander jeweils mehrere Kanäle aufweist, die zum Anschluß der Luft außerhalb des Stempels in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers vom äußeren seitlichen Umfang des Ringkörpers zur zentralen Ausnehmung des Ringkörpers verlaufen und dort in dem gewählten axialen Abstand an die Ausnehmung dergestalt zum Anschluß gebracht sind, dass durch Ansaugen von Luft aus der Umgebung des Stempels über seinen Hohlraum die durch erste Kanäle in der radialen oberen Ebene angesaugte Luft in einem ersten oberen Abschnitt des Bohrers eine erste obere Wirbelströmung um den Bohrer bildet und die gleichzeitig durch zweite Kanäle in der radial unteren Ebene angesaugte Luft in einem zweiten unteren Abschnitt des Bohrers im Bereich seiner Bohrspitze eine zweite untere Wirbelströmung um den Bohrer bilden.

Vorteilhaft besteht die Ausnehmung des Ringkörpers zum Durchgang des Bohrers im unteren, dem Werkstück zugewandten Bereich aus einer zylindrischen Bohrung mit einem gewählten relativ engen Durchmesser, die in einem vom Werkstück abgewandten anschließenden oberen Bereich zur Anschlußöffnung des Ringkörpers am Boden des Stempels hin in vorbestimmter Weise kegelförmig erweitert ist und wobei die von außen nach innen sternförmig verlaufenden ersten Kanäle in einem oberen kegelförmig erweiterten Bereich der Ausnehmung des Ringkörpers außerhalb ihres unteren zylindrischen Bereiches anschließen und die von außen nach innen sternförmig verlaufenden zweiten Kanäle an den unteren zylindrischen Bereich der Ausnehmung nahe dem Werkstück anschließen, wobei die Anzahl der ersten und zweiten Kanäle und ihre Luftdurchlaßquerschnitte sowie ihre Anschlüsse an die Ausnehmung des Ringkörpers in Bezug zum Durchmesser und der axialen Länge des zylindrischen Bereichs des Ringkörpers sowie der Art seiner kegelförmigen Erweiterung und dem Saugdruck an einer seitlichen Wandöffnung zum hohlen Innenraum des Stempels derart gewählt sind, dass die über die ersten Kanäle in die Ausnehmung des Ringkörpers zugeführte Absaugluft eine solche erste Wirbelströmung im Bereich der kegelförmigen Erweiterung bildet und dabei einen solchen Druckabfall aufweist, dass die Späne aus dem Bohrbereich über dem hohlen Stempel optimal zur Austragung gelangen und dass die über die zweiten Kanäle zugeführte Luft eine solche zweite Wirbelströmung im Bereich des zylindrischen Anschnittes der Ausnehmung nahe der Bohrerspitze mit vergleichsweise hoher Luftgeschwindigkeit bildet, dass einerseits ein Anhaften der Bohrspäne an dem Bohrer verhindert wird und andererseits durch adiabatische Expansion der Wirbelströmung eine wirksame Kühlung des Bohrers erzielbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass die zweiten Kanäle in dem dem Werkstück zugewandten Boden des Ringkörpers aus Nuten mit vorbestimmten Ausmaßen bestehen, die durch das Aufsetzen des Ringkörpers auf dem Werkstück geschlossene Kanäle bilden, über die im zylindrischen Bereich der Ausnehmung eine hohe Wirbelstromgeschwindigkeit zur sicheren Ablösung der Bohrspäne von der Bohrerspitze und eine ausreichende Abkühlung des Bohrers erreicht wird.

Dies läßt sich erfindungsgemäß auch dadurch erzielen, dass die zweiten Kanäle als Bohrungen ausgebildet sind, die sich in einer radialen Ebene des Ringkörpers nahe dem Werkstück von der seitlichen Außenwand des Ringkörpers durchgehend bis in seinen zylindrischen Bereich erstrecken.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet, dass die Summe der Querschnitte der zweiten Kanäle kleiner ist als die Summe der Querschnitte der ersten Luftkanäle, so dass mittels der zweiten Kanäle eine relative hohe Wirbelstromgeschwindigkeit im zylindrischen Bereich der Ausnehmung des Ringkörpers weitgehend nahe der Spitze des Bohrers erzielt werden kann. Dabei können die gleich großen offenen Querschnitte der ersten Kanäle jeweils wesentlich größer sein als die offenen Querschnitte der zweiten Kanäle, wobei die Anzahl der ersten, z.B. 8, sternförmig angeordneten ersten Kanäle größer, z.B. doppelt so groß sein kann, wie die zweiten Kanäle und, wobei die ersten und entsprechend die zweiten Kanäle an die kreisförmige Ausnehmung gegenüber ihrer axialen Mitte zur Erzielung von in gleicher Drehrichtung drehenden ersten und zweiten Wirbelströmungen jeweils um das gleiche Maß versetzt anschließen.

Es kann weiterhin von Vorteil sein um den zylindrischen Umfang des Ringkörpers im Bereich der äußeren Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle ein Stellring verdrehbar anzuordnen, der Öffnungen im Querschnitt der Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle oder größer aufweist, wobei in einer Ausgangsstellung die Öffnungen in dem Stellring mit ihrem vollen Querschnitten ungedrosselt vor den Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle zu liegen kommen und der zur Regulierung der in gleicher Weise gedrosselten Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle radial verdrehbar ausgebildet ist, wobei der Stellring in Abhängigkeit von der Drehstellung die Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle mehr oder weniger gedrosselt frei gibt und damit die über den Innenraum des Stempels angesaugte Luftmenge entsprechend den geforderten Verhältnissen einstellbar ausgebildet werden kann.

Vorteile der Erfindung

Ein wesentlichen Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass in dem Ringkörper am Boden des Stempels zum Anpressen einer oder mehrerer übereinander gestapelter Leiterplatten und mit einer zentralen Öffnung zum Durchgang des Borhers radiale erste oder zweite Luftzuführungskanäle in zwei voneinander getrennten radialen Ebenen angeordnet sind, über die von außen Luft jeweils mit wählbarem Druck angesaugt werden kann, um axial unterschiedliche Bereiche des Bohrers mit zirkulierender Luft in gezielter Weise zur Kühlung des Bohrers und zur Entfernung von Bohrspänen druckgesteuert zu umspülen, wobei entsprechend den jeweiligen Kühlungs- und Späneabführerfordernissen in beiden axialen Bereichen des Bodens die Ansaugquerschnitte der ersten Luftzuführungskanäle entsprechend gewählt sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten erläutert. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten zu liefern, mit deren Hilfe die Entfernung von Spänen und die Kühlung des Bohrers wirkungsvoll durchgeführt werden können. Dies wurde bisher in der Weise erreicht, dass am unteren Ende des senkrecht auf- und abbewegbaren Stempels ein Ringkörper abnehmbar gehalten ist. In einer oberen ersten radialen Ebene des Ringkörpers befinden sich mehre erste Luftzuführungskanäle, über die von außen wählbare Luftmengen in das Zentrum des Ringkörpers zum Durchführen des Bohrers geführt wird, wobei eine erste Wirbelströmung den Bohrer in einem mittleren Bereich umspült und dass sich in einer unteren zweiten radialen Ebene des Ringkörpers, die dem Leiterplattenstapel zugewandt ist, mehrere zweite Luftzuführungskanäle befinden, um eine zweite Wirbelströmung im Zentrum des Ringkörpers abzugeben, die den Bohrer in einem unteren, der Bohrspitze nahen Bereich umspült, wobei die Verhältnisse der Luftmengen der beiden Luftwirbelströmungen zueinander wählbar sind.

Da der gesamte Aufbau der Vorrichtung zum Bohren von Leiterplatten bereits anhand von 15 beschrieben ist, erübrigt sich eine Wiederholung. Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 wird nachfolgend lediglich der am unteren Ende des Stempels lösbar befestigte Ringkörper 4 näher beschrieben.

1(1) zeigt einen Ausschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkörpers 4A. 1(2) zeigt einen radialen Querschnitt entlang den Linien A-A in 1(1).

In dem Ringkörper 4A sind in einer radialen Ebene eine Vielzahl von ersten Luftkanälen 41 vorhanden (acht Kanäle im vorliegenden Beispiel), die von der äußeren Umfangsfläche des Ringkörpers bis zur zentralen Ausnehmung des Ringkörpers verlaufen. Mit Hilfe der ersten Kanäle 41 wird Luft von außerhalb des Stempels 3 über die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers ins Innere des Stempels angesaugt, um eine erste Wirbelströmung im Zentrum des Ringkörpers (3) zu bilden. An der dem Leiterplattenstapel 11 zugewandten Bodenfläche befinden sich Nuten (4 Nuten im vorliegenden Falle), die bei Auflage auf dem Leiterplattenstapel 11 zweite radiale Kanäle 42A bilden. Durch Ansaugen von Luft von Außen bilden sich im Zentrum des Ringkörpers 4A eine zweite Wirbelströmung nahe der hier nicht gezeigten Bohrerspitze. Die Kanäle 41 und 42A schließen jeweils exzentrisch an die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers 4A an, die aus einer dem Leiterplattenstapel zugewandten relativ engen zylindrischen Bohrung zum Hohlraum des Stempels trichterförmig erweitert ist.

2(1) zeigt einen Abschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkörpers. 2(2) zeigt einen radialen Querschnitt entlang den Linien B-B in 2(1).

In dem Ringkörper 4B in 2 befinden sich, entsprechend wie in dem Ringkörper 4A in 1, eine Vielzahl von ersten Kanälen 41 (acht Kanäle im vorliegenden Beispiel), die von der äußeren Umfangsfläche des Ringkörpers bis in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers reichen. Mit Hilfe der ersten Kanäle 41 in einer oberen ersten radialen Ebene wird auch hier die Luft von außerhalb des Stempels 3 ins Innere angesaugt, um eine erste obere Wirbelströmung im Zentrum des Ringkörpers zu bilden. Dem Leiterplattenstampel 1 zugewandt befinden sich in einer zweiten radialen Ebene des Ringkörpers zweite Kanäle 42B, die vom äußeren Umfang des Ringkörpers bis in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers geführt wird. Durch die zweiten Kanäle 42B wird von Außen Luft angesaugt, wobei im Zentrum des Ringkörpers im Bereich seines engen zylindrischen Durchlasses für den Bohrer eine zweite Luftwirbelströmung nahe der Bohrerspitze gebildet wird.

Die Ringkörper 4A und 4B in 1 und 2 weisen jeweils das Merkmal auf, dass die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42A bzw. 42B wesentlich kleiner ist als die der ersten Kanäle 41 wobei die zweiten Kanäle 42A und 42B in der Nähe der Spitze des Bohrers 5 an den zylindrischen Abschnitt der Ausnehmung 9 des Ringkörpers anschließen.

3 zeigt im Achsschnitt den senkrecht auf- und abbewegbaren Stempel 3, an dem an seinem unteren Ende der Ringkörper 4B lösbar befestigt ist. Da die Querschnittssumme der zweiten Känale kleiner ist als die der ersten Luftkanäle 41, tritt die über beide Luftkanäle 41 und 42 gleichzeitig von Außen angesaugte Luft in den zweiten Luftkanälen 42B mit höherer Strömungsgeschwindigkeit in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers 4B 9 aus und bildet dort eine Wirbelströmung mit vergleichsweise höherer Geschwindigkeit nahe der Bohrerspitze als die Luft, die aus den ersten Kanälen 41 austritt. Durch die hohe Wirbelstromgeschwindigkeit im Bereich der Bohrerspitze wird verhindert, dass sich Bohrspäne an der Bohrerspitze festsetzen. Unter der adiabatischen Ausdehnung der Luft aus den Kanälen 42A und 42B in der zylindrischen Ausnehmung wird der Bohrer 5 wirksam gekühlt. Das gilt insbesondere für die Luft aus den Kanälen 42B.

Die angesaugte Luft aus den ersten Kanälen 41 bildet eine größere zweite Wirbelströmung axial oberhalb der ersten Wirbelströmung die von der Luft aus den zweiten Kanälen 42B gebildet wird, wobei die durch die ersten Kanäle 41 gebildete Wirbelströmung es ermöglicht, die Späne aus einer seitlichen Auslassöffnung 8 des Stempels 3 effizient nach außen abzusaugen. Wenn mit der aus den zweiten Luftkanälen 42B austretenden Luft eine überhöhte Druckreduzierung verursacht wird, übernimmt die Luft aus den Luftkanäle 41 eine ausgleichende Funktion zur Regulierung der Wirbelströmungen.

Da die Kanäle in dem Ringkanal erfindungsgemäß so ausgebildet sind, dass zwei axial übereinanderliegende Wirbelströmungen entstehen, von der die bohrspitzennahe untere Wirbelströmung eine relativ höhere Geschwindigkeit besitzt als die obere Wirbelströmung im Bereich des Bohrers oberhalb seiner Spitze, ist das Querschnittverhältnis der ersten Kanäle 41 zu den zweiten Kanälen 42B in dem Ringkörper 4B erfindungsgemäß vorzugsweise erfindungsgemäß so bemessen, dass die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42B bei 10~50% der Querschnittssumme der ersten Luftkanäle 41 liegt.

Mit dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 3 werden entsprechende Wirbelströmungen wie mit dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 erzielt, auch wenn die Nuten 42A in 1 durch Kanäle 42B in 3 ersetzt sind. Die Anzahl der ersten Kanäle 41 sowie die Anzahl der zweiten Luftkanäle 42A und 42B in 1 bzw. 3 sind nicht auf die hier angegebenen Anzahlen beschränkt, solange die vorstehend angegebenen Kanalquerschnittsverhältnisse im wesentlichen eingehalten sind.

Es gibt Leiterplattenwerkstoffe bei denen die Bohrspäne besonders leicht an dem Bohrer anhaften können. In einem solchen Fall können erfindungsgemäß Wirbelströmungen mit weiter höheren Geschwindigkeiten in der Nähe der Bohrerspitze erzeugt werden.

So können erfindungsgemäß für jede Werkstoffart der Leiterplatten die Summe der Querschnittsverhältnisse der ersten Kanäle 41 zu der Summe der Querschnitte in den zweiten Kanälen 42A oder 42B bestimmt werden, um für jede Werkstoffart einen besonders geeigneten Ringkörper 4 einzusetzen zu können.

Um die Anzahl der verschieden Ringkörper in Abhängigkeit von der Materialwahl der Leiterplatten möglichst klein zu halten, kann erfindungsgemäß ein Ringkörper 4verwendet werden, bei dem die ersten Luftkanäle 41 ausreichend groß definiert sind, die erfindungsgemäß mit einem Absperrmechanismus auf die gewünschte Querschnittsgroße gedrosselt werden können, so dass für eine Reihe von wichtigen bzw. häufig benutzten Werkstoffen nur ein Ringkörper notwendig ist.

Wie in 4 in einem Radialschnitt am Umfang eines erfindungsgemäßen Ringkörpers 4C eine zylindrische Absperrhülse 43 an dem Ringkörper 4C drehbar angebracht. Der Stellring 43 weist eine Vielzahl von Öffnungen 44 auf, die die gleichen oder etwas größeren Querschnitte wie die ersten Luftkanäle 41 aufweisen. In einer bestimmten Drehstellung gegenüber dem Ringkörper 4C befinden sich die Öffnungen 44 an dem Stellring 43 in Deckung mit den Eintrittsöffnungen der ausreichend groß bemessenen ersten Kanäle 41. Wenn der Stellring 43 beispielsweise mittels einer Positioniereinrichtung wie z.B. einem Servomotors (nicht dargestellt) gedreht wird, ändert sich die Überlappung der Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle 41 mit den Öffnungen 44, so dass der Öffnungsquerschnitt der ersten Kanäle 41 beliebig gewählt werden kann. In 4 sind die zweiten Kanäle 42A bzw. 42B nicht dargestellt.

Es kann bei den Ringkörper 4A, 4B und 4C nach den 1 bis 4 vorteilhaft sein, an den auf dem Leiterplattenstoß aufliegenden Bodenflächen des Ringkörpers eine Schicht aus einem elastischen Material wie z.B. Gummi oder Kunststoff anzubringen, wodurch der Ringkörper 4A, 4B oder 4C am zu bohrenden Werkstück haftend anliegt, damit gewährleistet werden kann, dass der Ringkörper an dem Werkstück aus einem Leiterplattenstapel 11 luftdicht anschließt. Auf diese Weise können überflüssige Luftströmungen auf der Oberfläche des Leiterplattenstapels vermieden werden. Wenn ein erfindungsgemäßer Ringkörper 4A, 4B oder 4C komplett aus einem elastischen Material hergestellt ist, insbesondere die Ringkörper 4B nach 2 und 3, so lassen sich die Kanäle 42B ohne größeren Aufwand herstellen.

Zum erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1

5 zeigt ein Photo der unteren Fläche eines beim Ausführungsbeispiel 1 eingesetzen Ringkörpers. Die vier Nuten 42A zur Bildung der zweiten Luftkanäle weisen eine Breite von 0,3 mm und eine Tiefe von 0,5 mm auf. Dabei beträgt im Beispielsfall die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42A 20 % der Querschnittssumme der ersten Luftkanäle 41.

Mit einem solchen Ringkörper wurden Bohrversuche mit 150 Bohrern durchgeführt, wobei kein Bruch der Bohrer auftrat. Doch zeigt das Photo in 6, dass noch eine erhebliche Menge von Spänen an dem Bohrer nach der Bohrarbeit haftete.

Zum erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2

7 zeigt ein Photo der Unterseite des beim Ausführungsbeispiel 2 eingesetzten Ringkörpers. Die vier Nuten 42A zur Bildung der zweiten Luftkanäle weisen eine Breite von 1,0 mm und eine Tiefe von 1,5 mm auf. Dabei beträgt im Beispielsfalle die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle 42A 19,9 ,% der Querschnittssumme der ersten Luftkanäle 41.

Mit einem solchen Ringkörper wurden Bohrversuche mit 150 Bohrern durchgeführt, wobei kein Bohrerbruch auftrat. Nach dem Bohren wurde an fünf von 150 Bohrern festgestellt, dass sich eine vergleichsweise geringe Menge von Spänen an den Bohrer angeheftet hatte (Photo von 8). Diese Feststellung stellt einen Verbesserung im Vergleich zu einem nachfolgend zu erläuternden Vergleichsbeispiel dar. Wenn während der Bohrarbeit der Bohrer einer Wartung unterzogen wurde, konnte erreicht werden, dass kein Bohrerbruch während der Bohrerlebensdauer erfolgte.

9 zeigt ein Photo der Unterseite des beim Ausführungsbeispiel 3 eingesetzten Ringkörpers 4B. Die zweiten Luftkanäle nahe auf der unteren Seite des Ringkörpers weisen Durchmesser von 1,0 mm auf. Die Querschnittssumme der zweiten Luftkanäle beträgt 20,8 % der Querschnittssumme der ersten Luftkanäle.

Bei Einsatz dieses Ringkörpers 4B wurden die Bohrversuche mit 150 Bohrern durchgeführt, wobei kein Bohrerbruch eintrat. Wie im Photo in 10 gezeigt, wiesen alle Bohrer nach der Bohrarbeit einen sauberen Zustand ohne anhaftende Späne auf. Es bestand keine Gefahr eines Bohrerbruchs während der vorgegebenen Bohrerlebensdauer. Somit konnte problemlos das erfindungsgemäß angestrebte Ziel erreicht werden.

Vergleichsbeispiel

11 zeigt ein Photo der unteren Fläche eines zum Vergleich eingesetzten Ringkörpers, der vier erste Kanäle mit Durchmessern von 3,1 mm und eine bis ins Innere des Stempels reichende zylindrische Ausnehmung aufwies, wobei keine zweiten Luftkanäle vorgesehen waren.

Unter Einsatz dieses Druckringes wurden Bohrversuche durchgeführt, wobei an jedem dritten Bohrer ein Bohrerbruch gemessen an seiner Lebenszeit schon relativ frühzeitig auftrat. Wie in Photo in 12 veranschaulicht, hafteten an dem Bohrer eine größere Menge von Spänen. Es kann deshalb vermutet werden, dass diese in größerer Menge an dem Bohrer haftenden Spänen für den Bohrerbruch verantwortlich waren.

Die Bohrversuche wurden bei den obigen Ausführungsbeispielen und dem Vergleichsbeispiel mit den gleichen Arbeitsparametern, und zwar einem Bohrerdurchmesser von 0,3 mm, einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 m/min und einer Spindeldrehzahl von 100 000 rpm durchgeführt. Was die Anzahl der Bohrungen betraf, wurden mit demselben Bohrer bis 3000 Bohrungen entsprechend seiner Lebensdauer durchgeführt, sofern kein Bohrerbruch eintrat. Bei allen Versuchen wurde ein Ringkörper verwendet, der vier Kanäle mit einem Durchmesser von 3,1 mm aufwies.

Wie oben ausführlich beschreiben, ist am unteren Boden des Stempels ein Ringkörper frei abnehmbar angebracht. Dabei weist der Ringkörper in einer ersten oberen radialen Ebene mehrere erste Kanäle zur Erzeugung einer ersten Wirbelströmung in der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers durch die ins Innere des Stempels angesaugte Luft auf. In einer zweiten dem Werkstück zugewandten radialen Ebene befinden sich mehrere zweite Kanäle, die eine zweite Wirbelströmung in der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers nahe der Bohrerspitze erzeugen, wobei die in die zweiten Kanäle einströmende Luft eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, um die Bohrspäne von der Spitze des Bohrers abzulösen und außerdem sichergestellt ist, dass eine genügende Luftmenge über die ersten Kanäle der Ausnehmung innerhalb des Ringkörpers vorhanden ist, um die Späne mit Hilfe der ersten Wirbelströmung über den hohlen Stempel austragen zu können. Durch diese Maßnahme wird eine wirksame Entfernung der Spänen und zugleich eine ausreichende Bohrerkühlung ermöglicht, wodurch die Nachteile durch die Anheftung von Spänen an den Bohrern beim Stand der Technik vermieden werden.

Wie aus den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 zu folgern ist, müssen die zweiten Kanäle in dem Ringkörper genau bemessen sein, um eine optimale Ablösung der Bohrspäne an der Spitze des Bohrer sicher stellen und außerdem einen Austrag der abgelösten Späne mit der zweiten Wirbelströmung ermöglichen zu können.

Die Erfindung ist auf die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Für den Fachmann sind weitere Ausführungsbeispiele ohne weiteres möglich, die den Rahmen der Erfindung nicht verlassen.

In den Abbildungen zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Ausführung eines Ringkörpers zum Bohren von Löchern in einem Leiterplattenstapel axial und radial geschnitten;

2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung eines Ringkörpers axial und radial geschnitten;

3 Luftströmungen in der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers nach 1 und 2;

4 einen Radialschnitt durch den Ringkörper nach 2 in der Ebene der ersten Kanäle zur Erzeugung einer obersten Luftströmung im oberen Teil der zentralen Ausnehmung des Ringkörpers;

5 ein Photo der Unterseite eines beim Ausführungsbeispiel 1 eingesetzten Ringkörpers;

6 ein Photo des Bohrer nach dem Bohren gemäß Ausführungsbeispiel 1;

7 ein Photo der Unterseite eines beim Ausführungsbeispiel eingesetzten Ringkörpers;

8 ein Photo des Bohrers nach dem Bohren gemäß Ausführungsbeispiel 2;

9 ein Photo der Unterseite eines beim Ausführungsbeispiel 3 eingesetzten Ringkörpers;

10 ein Photo des Bohrers nach dem Bohren gemäß Ausführungsbeispiel 3;

11 ein Photo der Unterseite eines bei einem Vergleichsbeispiel eingesetzten Ringkörpers ohne erfindungsgemäße Kanäle;

12 ein Photo des Bohrer nach dem Bohren vom Vergleichsbeispiel;

13 einen Achsschnitt durch eine bekannte Vorrichtung zum Bohren eines Leiterplattenstapels;

14 einen Achsschnitt und einen Radialschnitt durch einen bekannten Ringkörper und

15 einen Achsschnitt durch eine bekannte Bohrvorrichtung zum Bohren von Leiterplattenstapeln mit dargestellten Luftströmungen zum Austragen der Bohrspäne.

1
Werkstück
2
Werkbank
3
Stempel
4
Ringkörper
4A~4C
Ringkörper
5
Bohrer
6
Spindel
7
Hubvorrichtung
8
Auslassöffnung
9
zentrale Ausnehmung des Ringkörpers
10
Kanäle in einem bekannten Ringkörper
11
Leiterplattenstapel
12
Deckplatte des Leiterplattenstapels
13
Bodenplatte des Leiterplattenstapels
14
Erste Kanäle in einem erfindungsgemäßen Ringkörper
42A
Nuten zur Bildung zweiter Luftkanäle in einem erfindungsgemäßen
Ringkörper
42B
Zweite Kanäle eines erfindungsgemäßen Ringkörpers
43
Stellring
44
Öffnungen in dem Stellring


Anspruch[de]
Bohrvorrichtung zum Bohren von Löchern in Leiterplatten für elektronische Geräte, Apparate und Einrichtungen, wobei mehrere Leiterplatten zu einem Stapel übereinander geschichtet ein zu bohrendes Werkstück auf einer Werkbank bilden und ein in der Vertikalen beweglich ausgebildeter Stempel zum Andrücken des Werkstückes von oben gegen die Auflagefläche der Werkbank vorgesehen ist, wobei am Boden des Stempels ein beliebig auswechselbarer Ringkörper mit einer zentralen Ausnehmung zum Durchgang des Bohrers gehalten ist, und der Ringkörper zum Andrücken des Werkstückes gegen die Auflagefläche der Werkbank in einem gewählten engen Bohrbereich zur Gewährleistung einer sicheren Bohrung geeignet ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper zum Entfernen von Bohrspänen am Bohrer in zwei getrennten radialen Ebenen mit gewähltem axialem Abstand voneinander jeweils mehrere luftdurchlässige Kanäle aufweist, die zum Anschluss der Luft außerhalb des Stempels in die zentrale Ausnehmung des Ringkörpers vom äußeren seitlichen Umfang des Ringkörpers zur zentralen Ausnehmung des Ringkörpers verlaufen und dort in dem gewählten axialen Abstand an die Ausnehmung dergestalt zum Anschluss gebracht sind, dass durch Ansaugen von Luft aus der Umgebung des Stempels über seinen Hohlraum die durch erste Kanäle in der radial oberen Ebene angesaugte Luft im Bereich eines ersten oberen Abschnittes des Bohrers eine erste obere Wirbelströmung um den Bohrer bildet und die gleichzeitig durch zweite Kanäle in der radial unteren Ebene angesaugte Luft im Bereich eines zweiten unteren Abschnittes des Bohrers nahe seiner Bohrspitze eine zweite untere Wirbelströmung um den Bohrer bildet. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dem Werkstück zugewandten Boden des Ringkörpers Nuten vorhanden sind, die derart bemessen sind, dass durch Aufsetzen des Ringkörpers auf dem Werkstück geschlossene zweite Kanäle gebildet sind, so dass im unteren Bereich der Ausnehmung eine hohe Wirbelstromgeschwindigkeit zur Ablösung der Bohrspäne von der Bohrerspitze und eine ausreichende Abkühlung des Bohrers erreichbar ist. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kanäle als Bohrungen ausgebildet sind, die sich in einer radialen Ebene des Ringkörpers nahe dem Werkstück von der seitlichen Außenwand des Ringkörpers durchgehend bis in seine zylindrische Ausnehmung erstrecken. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der offenen Querschnitte der oberen zweiten Kanäle kleiner ist als die Summe der offenen Querschnitte der unteren ersten Luftkanäle. Bohrvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am zylindrischen Außenumfang des Ringkörpers im Bereich der äußeren Eintrittsöffnungen der oberen ersten Kanäle ein Stellring verdrehbar anzuordnen ist, der Öffnungen im Querschnitt der Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle oder größer aufweist, wobei in einer Ausgangsstellung des Stellringes die Öffnungen in dem Stellring mit ihrem vollen Querschnitten ungedrosselt vor den Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle liegen und wobei der Stellring zur gewählten Drosselung der Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle derart radial verdrehbar ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit von der Drehstellung des Stellringes die Eintrittsöffnungen der ersten Kanäle mit einem gewählten Drosselquerschnitt zur Regulierung der ansaugbaren Luftmenge einstellbar ausgebildet ist.






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