使用 CNC 机床和 CircuitMill 制作自己的 PCB
逐步了解 PCB 铣削、隔离铣削、钻孔和板框切割
自己制作印刷电路板，不一定要接触难处理的化学药剂、购买昂贵设备，或等待厂家交货。使用小型 CNC 机床和 CircuitMill，就可以在自己的工作间把 PCB 设计变成实物。
无论是制作原型、进行电子实验，还是开发定制电路，CNC 铣削都能让你直接掌控制造过程。上午设计电路，当天就可能得到可以工作的 PCB。
本指南将介绍如何准备设计、生成 CNC 刀具路径、铣削铜走线、钻孔，以及切出成品电路板。
1. 什么是 CNC PCB 铣削？
CNC PCB 铣削是一种减材制造工艺。它不使用化学药剂蚀刻多余的铜，而是由 CNC 机床通过小型切削刀具，直接从覆铜板上去除铜层。
机床沿精确计算的刀具路径运动，在走线、焊盘和铺铜区域之间形成电气隔离。
主要有三项操作：
- **隔离铣削：**小型雕刻刀去除走线和焊盘周围的铜，同时保留所需的电气连接。
- **钻孔：**为直插元件、安装紧固件和过孔连接加工孔位。
- **板框切割：**最后沿电路板外形切割，将成品 PCB 从周围材料中分离出来。
CNC 铣削特别适合快速原型、定制电子设备、教学项目和单件制作。与传统化学蚀刻不同，它不需要蚀刻药剂，价格适中的桌面 CNC 雕刻机即可完成加工。
2. 需要准备什么
开始之前，准备以下设备和材料：
- 一台桌面 CNC 机床，最好具有足够刚性的主轴和精确的 Z 轴控制。
- 一块覆铜板，例如 FR-1 或 FR-4。
- PCB 雕刻刀、小直径钻头，以及切割板框用的立铣刀。
- 安装了 PCB 设计软件的电脑，例如 KiCad。
- 用于准备加工刀具路径的 CircuitMill。
- PCB 夹具、双面胶或其他可靠的固定方式。
- 合适的除尘系统和防护装备。
对初学者来说，FR-1 是比较实用的选择：通常更容易铣削，产生的粉尘也不像含玻璃纤维的 FR-4 那么具有磨蚀性。始终使用合适的除尘装置，尤其是在切割 FR-4 时。
3. 设计 PCB
先在 KiCad 或其他 PCB 设计软件中绘制电路板。
第一块 CNC 铣削电路板，建议选择简单的单面设计，使用相对较宽的走线、充足的间距和直插元件。这样更容易加工，也能降低断线或隔离不完整的风险。
导出之前，检查所有走线是否正确连接、板框是否完整，并确保通过设计规则检查。
普通 CNC 铣削电路板通常没有金属化孔。对于双面设计，需要手动连接两面，例如使用焊接导线或铜铆钉。
4. 使用 CircuitMill 准备 PCB
CircuitMill 围绕 CNC 制作 PCB 所需的三项基本操作组织流程：
- 钻孔——元件孔和安装孔。
- 隔离铣削——分离铜走线。
- 板框加工——切出成品电路板。
从 PCB 编辑器导出制造数据，包括铜层 Gerber 文件、Excellon 钻孔文件和板框。使用 CircuitMill 支持的输入格式准备加工操作。
隔离铣削
选择合适的刀具，生成去除走线和焊盘周围铜层的路径。较宽的隔离槽提供更大的电气间距，较窄的槽则允许更密集的布线。
钻孔
准备元件孔和安装孔的钻孔操作。不同孔径可能需要不同钻头，并进行换刀。
板框加工
生成沿 PCB 外围的切割路径。设置切削深度，并考虑保留连接桥，让电路板在加工完成前保持固定。
在机床上执行之前，仔细预览每项操作。确认走线、孔位和板框相互对齐，而且没有去除必要的铜。
5. 设置 CNC 机床
PCB 铣削的切削深度较浅，因此电路板的准确定位非常重要。
把覆铜板牢固固定在机床工作台上。确保板面平整，加工时不会移动或振动。即使表面高度只有很小的变化，也会明显改变 V 形刀铣出的隔离槽宽度。
安装雕刻刀，设置工件原点，并以铜表面为基准准确设置 Z 轴零点。如果机床支持表面探测和高度补偿，这些功能可以改善不完全平整的板材的加工结果。
启动主轴前，让刀具保持在电路板上方的安全高度进行空运行，以检查刀具路径和工件坐标。
6. 铣削铜走线
隔离铣削会去除每条走线和每个焊盘周围的一条窄铜带。与周围铜层分开后，每条走线便成为电气隔离的导体。
使用锋利的雕刻刀，并选择保守的切削深度。目标是去除铜层和确保隔离所必需的少量基材，而不是在板上挖出深槽。
对于铜厚为 35 µm 的常见覆铜板，通常应从较浅的切削开始。具体深度取决于刀具几何形状、主轴径向跳动、板面平整度和机床精度。
铣削后，检查是否存在隔离不完整、铜毛刺或焊盘损坏。使用万用表的通断档可以帮助发现意外连接。
7. 钻孔并切出电路板
完成隔离铣削后，换上合适的钻头，加工元件孔和安装孔。
使用 PCB 设计中指定的孔径。各项操作之间保持相同的工件原点，确保钻孔与铜焊盘对齐。
然后安装板框切割用的立铣刀，执行外形加工。如果电路板较小，应保留连接桥，或用其他方式确保最后一刀时板子不会移动。
切割后取下 PCB，修整边缘，并小心去除粗糙处的毛刺。使用适当的吸尘和清洁方式清除加工粉尘。
8. 检查并组装 PCB
现在可以进行电气检查和组装。
检查相邻走线之间是否短路，验证重要连接的导通情况，并检查钻孔。尤其要注意细间距封装和铜间距较小的区域。
焊接前先清洁电路板。焊接元件时，避免使裸露的铜焊盘过热或翘起。
CNC 铣削电路板通常没有阻焊层，因此要避免焊锡意外连接相邻走线。双面设计所需的过孔连接，应安装并在两面焊牢。
完成这些检查后，就可以上电测试电路。
改善加工效果的建议
**先采用充足的间距。**较宽的走线和较大的间隙更容易稳定加工，尤其适用于入门级 CNC 机床。
**保持 PCB 完全平整。**板面平整度是隔离铣削成功的重要因素。使用经过铣平的牺牲垫板，并可靠固定工件。
**校准机床和刀具。**在加工复杂设计之前，先用废板测试主轴转速、进给速度和切削深度。
**始终检查刀具路径。**预览有助于在浪费材料之前发现漏孔、板框错误和走刀问题。
为什么使用 CircuitMill？
把 PCB 设计转换成机床指令，不只是导出一张图。隔离铣削需要考虑刀具几何形状，钻孔需要准确定位，板框切割则必须保证最终尺寸。
CircuitMill 着重简化这些加工操作，让你少花时间准备刀具路径，多花时间制作电子电路。
无论是第一次自制电路板，还是经常制作原型，目标都一样：从 PCB 布局顺利得到成品板。