紫銅凹印輥筒的設計與精密車削加工

羅和喜，李康森

（深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳 518060）

0 引言

太陽能電池板薄膜材料、光學塑料薄膜等柔性新型薄膜產品在新能源、光學、印刷電子等領域愈發重要[1-3]。凹版印刷技術作為一種傳統的復印技術，具有高效率、凈成形、精度高等特點，在光學薄膜等產品的輥壓成形中占有重要地位，是實現光學功能薄膜高效、精密、低成本加工的最有效途徑。凹印輥筒是凹版印刷機的關鍵部件之一。凹印輥筒的表面質量、面形精度很大程度決定了輥壓薄膜的成形質量。因此，凹印版輥的超精密加工具有十分重要的研究價值。

Pudas 等[4]開發了一種輥式凹印膠印制造工藝，使導體線和間距降至20 μm，并研究了不同的打印參數，對打印樣品的性能進行了統計比較。結果表明，改制造工藝具有較高的成形質量。Kitsomboonloha 等[5]研制了一種新型的大規模反向直接凹印機，該打印機將整個打印過程分為填充、擦除和轉移3個步驟，并實現了連續運行。凹版印刷涉及到油墨、有圖案的凹印版輥、擦除多余油墨的刮刀和轉移圖案的基板之間的相互作用。其中，凹印版輥的質量很大程度影響了打印樣品的面形質量[6]。凹印版輥的超精密加工是保證輥壓樣品成形質量關鍵。利用金剛石車刀車削紫銅等有色金屬材料可以得到優良形狀精度和表面粗糙度，達到光學鏡面質量的要求[7-8]。范占斌等[9]利用超精密車削技術加工了圓柱球面微結構陣列，對刀具幾何尺寸與微結構可加工性等方面進行了研究，結果表明圓柱微結構陣列的加工達到預期要求[10-12]。因此，利用超精密車削車床加工鍍銅圖案凹印版輥是一種有效的手段。然而，國外進口的超精密輥子車床價格昂貴，不利于傳統企業的大規模批量低成本加工[13-14]。目前，在圓柱輥子表面光學微結構詳細加工研究報道相對較少。

本文提出一種基于FANUC 0-i 系統的二軸數控車方法加工輥筒表面微結構，在不具備C軸功能的基礎上實現車床的2軸半加工，并得到鏡面效果的圓柱面余弦紋。首先利用UG 軟件對凹印輥筒進行建模分析，對凹印螺旋式余弦紋圖案的加工軌跡進行優化模擬分析，然后將得到的加工刀路程序導入數控車床模擬軟件進行加工模擬驗證，最后利用超精密數控車床加工出鏡面凹印螺旋式余弦紋版輥。

1 方法與試驗

1.1 模型建立

在輥子表面微結構車削加工過程中，刀具參數設計不當時，會出現干涉，從而影響表面紋路的加工。余弦紋線沿圓周均勻的分布若干個余弦波，在徑向方向呈放射直線分布，如圖1所示，余弦線的面形方程可以表示為：

圖1 徑向方向呈放射直線分布

式中：A為余弦波幅值；m為余弦波周期。

在車削加工中，刀路軌跡一般選用等距螺旋線，工件面形沿軸向的變化率遠大于徑向的變化率，即dθ/dt＞＞dr/dt。在車削加工中，進刀量z= -C(r,θ)。可以，推算得到，余弦線附加角可以表示為：

當r趨于0 時，附加角極值將達到90°，刀具可能產生干涉。刀具越靠近余弦線的中心，附加角極值就越大，刀具越容易干涉。

首先對余弦曲線進行切分，按100 份切分，得到如圖2所示的點。則Z軸相對位移為：

圖2 余弦曲線側視圖

假設Z方向進刀速度為vZ，轉速為ω，加工附加切削角為β(r,θ)，工件相對切削速度為vc，則有：

凹印版輥表面是鏡面要求，加工中選擇使用天然鉆石刀，角度45°。在輥輪上要車出螺旋式波紋，首先必須要精準地控制好機床主軸旋轉速度和鉆石車刀進給速度之間的關系，因此把余弦螺紋做等分處理，并計算出每一等分的速度和時間，在程序中控制每一等分點的坐標和進給速度，使鉆石車刀進給速度和主軸旋轉配合，車出所需的紋理。

建模的具體步驟，先建立直徑為200 mm的圓柱，圓柱最高面圓心在坐標原點。在圓柱上纏繞余弦曲線，振幅為20 mm。每圈6 個周期。則周期長=圓柱周長/6=3.141 6×200/6=104.72，由于編程的需要，此處使用余弦曲線，參數表達式如圖3所示。

圖3 曲線建模參數

正常的余弦曲線是一個封閉的循環，從加工工藝的角度看，是有一個進刀點和一個退刀點，加工后每一圈都會留下一個進退刀痕，達不到凹印版輥的表面要求。所以必須對余弦曲線做出螺旋推進的效果，這樣中間無進退刀，只在開始和結束處做進退刀，這樣才可以加工出符合凹印版輥表面要求的紋理。對于此圖案可以處理曲線Z軸差分，可以計算得到頭尾差分值為0.314/6=0.052 3，差分后的曲線再纏繞到圓柱體上，然后圓形陣列并逐個在Z向下降0.052 3，就可以得到如圖4 所示的凹印余弦螺旋曲線，符合該項目的要求。也就是說差分后的余弦曲線就是螺旋曲線每圈的1/6 個單節。

圖4 螺旋余弦曲線3D示意圖

1.2 刀具路徑設計

在車削過程中，刀具的路徑規劃尤為重要，它與加工條件相關，同時又決定著最后的加工質量。傳統的軸類對稱工件的加工，刀具軌跡規劃可以在數控編程軟件或者手工編制完成。然而，對于本文研究的余弦螺旋槽結構，利用二軸數控系統編程基本不能夠完成的，這里需要用到數據庫的處理方法。為此，加工路徑需要設計新的編制方法。

本文提出一種協同調節旋轉速度和進給速度的優化策略去實現復雜螺旋結構的精密加工。即在加工過程中控制Z軸在每一個切分點的速度，使得每一個切分點的運動與主軸的轉動配合，從而得到該項目所要的編程數據。計算每一點的運動速度與主軸的轉速無關，得到的效果是主軸轉速越高，則Z軸的運動速度越快，同時要控制到Z軸速度不能超過機床的極限。將UG程序中選取100 個點的XYZ坐標通過CSV 文件導出到EXCEL 中，將數據做擬合處理得到Y坐標和Z坐標的相對位移，根據相對位移算出刀具在每個切小點的即時切削速度數值。為了得到鏡面的加工效果，數據量巨大，如果全部數據放到一個文件里，會占用幾百兆的空間，影響到機床的運行速度。因此需要采用宏程序的方式，計算每一圈的加工數據，通過G65 調用宏程序進行多重循環，而且為了使得程序的Z坐標位置實現不斷累加，所以采用相對坐標編程。

從設計編程到加工的流程圖如圖5 所示。圖中左部分是加工流程規劃方案，中間是加工軌跡的主程序，右邊是刀路軌跡調用的子程序部分數據。

圖5 螺旋V槽設計加工流程

1.3 加工試驗

金剛石是目前所有材料中最硬的晶體，具有優異的物理化學性能。超精密車削加工過程中，金剛石作為工具刀具磨損很小，被加工工件表面精度很高，在超精密加工領域應用非常廣泛。為滿足光學表面要求，必須利用單點金剛石刀具對工件表面進行超精密整體車處理，用以去除表面微觀缺陷。然后將優化主程序和子程序傳輸到機床內存同一目錄下，對工件精確校表分中，鉆石刀進行光學級別的刀具參數補正，采用噴霧冷卻。準備工作就緒，在控制器打開程序模塊，選擇并執行主程序，機床加工工件照片如圖6 所示。加工過程中需要注意：（1）加工速度F速開關一定要打到100%位置；（2）Z軸極限運行速度一定要大于300 mm/min；（3）鉆石刀對刀位置在相應的位置，車紋深度在刀長補償中控制。

圖6 超精密車削機床

2 實驗結果與討論

超精密車削過程中，工件表面的V 型結構是由刀具運動軌跡與刀具刃口形狀所決定，如圖7（a）所示。工件隨主軸旋轉而做圓周運動，微V 刃口的金剛石刀具在輥筒工件表面以一定的進給量進行刻劃加工，從而得到余弦螺旋線微V 型結構。但是，利用傳統的二軸精密機床根據簡單的刀具運動軌跡實現余弦螺紋結構的精密車削加工是非常有難度的。為此，本文提出一種通過旋轉速度和進給速度配合的策略去實現余弦螺旋線微V 型結構的加工。為了保證工件表面結構的深度，在每一次動態進給的過程中切削深度應保持一致。其中，Y軸方向的到位點曲線方程為：Y=yi+2.152n，yi為第i次切削時刀具的y坐標值。在加工時，主軸的旋轉速度不變，通過Y、Z軸坐標位置的實時變化，最終得到設計的V 型余弦螺旋槽結構，圖7（b）和圖7 （c）為輥筒區域b 和c 的微觀結構形貌圖。可以看出，輥筒V 槽寬度基本一致，具有良好的均一性。

圖7 螺旋線微V型結構

傳統車削方法進行輥筒表面V 槽結構加工時，Y軸與Z軸是非聯動運動，刀具的運動軌跡為二維平面曲線，存在一定的局限性，無法加出螺旋V槽結構。針對于此，提出了旋轉和進給配合車削策略，將傳統的環形斷續式車削模式，用Y軸與Z軸聯動運動的方法替代，刀具觸點曲線形成一條三維螺旋曲線，可以實現復雜形狀的連續刻劃。圖8 所示為加工輥筒微區的部分截面輪廓提取曲線。可以看出，V槽的深度為22 μm，槽寬100 μm，V槽結構具有較好的均勻性。此外，聯動加工模式在加工過程中減小了刀具進給時的剛性沖擊，提高了輥筒的表面精度和加工效率。

圖8 加工輥筒微區的部分截面輪廓提取曲線

為了檢測不同位置輥筒V 槽結構的加工質量，利用激光共聚焦顯微鏡對余弦螺旋槽進行測量，所測的微V余弦結構三維形貌如圖9 所示，可以看出車削后余弦V槽的表面結構比較完整，工件V 槽表面平均粗糙度均小于200 nm。隨著主軸轉速的動態變化，不同部位螺旋V槽的表面粗糙度有細微的差異。在車削刻劃過程中切屑在剝離的過程中產生一定的徑向拉扯和摩擦力，故側壁邊緣處和刀尖接觸處的粗糙度值最大。在每次進刀刻劃時，刀具的側面形貌決定著工件的側邊形貌，由于刀具側面表面質量很好，所以與刀具接觸側邊的V 槽粗糙度較好。

圖9 螺旋V槽不同部位的三維形貌結構

3 結束語

凹印版輥是凹版印刷機和熱轉印壓機必須的核心部件，本文介紹了使用數控車床（FANUC 0-i 系統）加工凹印螺旋式余弦紋鏡面版輥的方案，描述了紋理設計，編程原理和加工方法。并指出了編程中容易碰到的難點和解決方案。

本文提出了一種輥筒螺旋V 槽的數控車策略，采用旋轉與進給配合的方案實現了余弦螺旋的連續車削，得到了深度22 μm、槽寬100 μm 的余弦V 槽紫銅輥筒，提高了工件的表面精度，達到了凹印版輥的實用標準。并且在二軸精密數控車上實現了二軸半的數控加工。基于此種編程控制的加工思路，還可以設計并加工出多種類似的凹版刻紋。