羅和喜，李康森

（深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060）

0 引言

太陽能電池板薄膜材料、光學(xué)塑料薄膜等柔性新型薄膜產(chǎn)品在新能源、光學(xué)、印刷電子等領(lǐng)域愈發(fā)重要[1-3]。凹版印刷技術(shù)作為一種傳統(tǒng)的復(fù)印技術(shù)，具有高效率、凈成形、精度高等特點，在光學(xué)薄膜等產(chǎn)品的輥壓成形中占有重要地位，是實現(xiàn)光學(xué)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(guān)鍵部件之一。凹印輥筒的表面質(zhì)量、面形精度很大程度決定了輥壓薄膜的成形質(zhì)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(fā)了一種輥式凹印膠印制造工藝，使導(dǎo)體線和間距降至20 μm，并研究了不同的打印參數(shù)，對打印樣品的性能進行了統(tǒng)計比較。結(jié)果表明，改制造工藝具有較高的成形質(zhì)量。Kitsomboonloha 等[5]研制了一種新型的大規(guī)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(zhuǎn)移3個步驟，并實現(xiàn)了連續(xù)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(zhuǎn)移圖案的基板之間的相互作用。其中，凹印版輥的質(zhì)量很大程度影響了打印樣品的面形質(zhì)量[6]。凹印版輥的超精密加工是保證輥壓樣品成形質(zhì)量關(guān)鍵。利用金剛石車刀車削紫銅等有色金屬材料可以得到優(yōu)良形狀精度和表面粗糙度，達到光學(xué)鏡面質(zhì)量的要求[7-8]。范占斌等[9]利用超精密車削技術(shù)加工了圓柱球面微結(jié)構(gòu)陣列，對刀具幾何尺寸與微結(jié)構(gòu)可加工性等方面進行了研究，結(jié)果表明圓柱微結(jié)構(gòu)陣列的加工達到預(yù)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(tǒng)企業(yè)的大規(guī)模批量低成本加工[13-14]。目前，在圓柱輥子表面光學(xué)微結(jié)構(gòu)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(tǒng)的二軸數(shù)控車方法加工輥筒表面微結(jié)構(gòu)，在不具備C軸功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)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(yōu)化模擬分析，然后將得到的加工刀路程序?qū)霐?shù)控車床模擬軟件進行加工模擬驗證，最后利用超精密數(shù)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(jié)構(gòu)車削加工過程中，刀具參數(shù)設(shè)計不當(dāng)時，會出現(xiàn)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)?？梢?，推算得到，余弦線附加角可以表示為：

當(dāng)r趨于0 時，附加角極值將達到90°，刀具可能產(chǎn)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(cè)視圖

假設(shè)Z方向進刀速度為vZ，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度和鉆石車刀進給速度之間的關(guān)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(zhuǎn)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(shù)表達式如圖3所示。

圖3 曲線建模參數(shù)

正常的余弦曲線是一個封閉的循環(huán)，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(jié)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(jié)。

圖4 螺旋余弦曲線3D示意圖

1.2 刀具路徑設(shè)計

在車削過程中，刀具的路徑規(guī)劃尤為重要，它與加工條件相關(guān)，同時又決定著最后的加工質(zhì)量。傳統(tǒng)的軸類對稱工件的加工，刀具軌跡規(guī)劃可以在數(shù)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(jié)構(gòu)，利用二軸數(shù)控系統(tǒng)編程基本不能夠完成的，這里需要用到數(shù)據(jù)庫的處理方法。為此，加工路徑需要設(shè)計新的編制方法。

本文提出一種協(xié)同調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度和進給速度的優(yōu)化策略去實現(xiàn)復(fù)雜螺旋結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動配合，從而得到該項目所要的編程數(shù)據(jù)。計算每一點的運動速度與主軸的轉(zhuǎn)速無關(guān)，得到的效果是主軸轉(zhuǎn)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(dǎo)出到EXCEL 中，將數(shù)據(jù)做擬合處理得到Y(jié)坐標和Z坐標的相對位移，根據(jù)相對位移算出刀具在每個切小點的即時切削速度數(shù)值。為了得到鏡面的加工效果，數(shù)據(jù)量巨大，如果全部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，通過G65 調(diào)用宏程序進行多重循環(huán)，而且為了使得程序的Z坐標位置實現(xiàn)不斷累加，所以采用相對坐標編程。

從設(shè)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(guī)劃方案，中間是加工軌跡的主程序，右邊是刀路軌跡調(diào)用的子程序部分數(shù)據(jù)。

圖5 螺旋V槽設(shè)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(yōu)異的物理化學(xué)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(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。為滿足光學(xué)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(yōu)化主程序和子程序傳輸?shù)綑C床內(nèi)存同一目錄下，對工件精確校表分中，鉆石刀進行光學(xué)級別的刀具參數(shù)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(zhí)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(guān)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(yīng)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(jié)果與討論

超精密車削過程中，工件表面的V 型結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。但是，利用傳統(tǒng)的二軸精密機床根據(jù)簡單的刀具運動軌跡實現(xiàn)余弦螺紋結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速度和進給速度配合的策略去實現(xiàn)余弦螺旋線微V 型結(jié)構(gòu)的加工。為了保證工件表面結(jié)構(gòu)的深度，在每一次動態(tài)進給的過程中切削深度應(yīng)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(zhuǎn)速度不變，通過Y、Z軸坐標位置的實時變化，最終得到設(shè)計的V 型余弦螺旋槽結(jié)構(gòu)，圖7（b）和圖7 （c）為輥筒區(qū)域b 和c 的微觀結(jié)構(gòu)形貌圖?？梢钥闯?，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(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)車削方法進行輥筒表面V 槽結(jié)構(gòu)加工時，Y軸與Z軸是非聯(lián)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(jié)構(gòu)。針對于此，提出了旋轉(zhuǎn)和進給配合車削策略，將傳統(tǒng)的環(huán)形斷續(xù)式車削模式，用Y軸與Z軸聯(lián)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(xiàn)復(fù)雜形狀的連續(xù)刻劃。圖8 所示為加工輥筒微區(qū)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(jié)構(gòu)具有較好的均勻性。此外，聯(lián)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(qū)的部分截面輪廓提取曲線

為了檢測不同位置輥筒V 槽結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)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(jié)構(gòu)三維形貌如圖9 所示，可以看出車削后余弦V槽的表面結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速的動態(tài)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(chǎn)生一定的徑向拉扯和摩擦力，故側(cè)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(cè)面形貌決定著工件的側(cè)邊形貌，由于刀具側(cè)面表面質(zhì)量很好，所以與刀具接觸側(cè)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(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

凹印版輥是凹版印刷機和熱轉(zhuǎn)印壓機必須的核心部件，本文介紹了使用數(shù)控車床（FANUC 0-i 系統(tǒng)）加工凹印螺旋式余弦紋鏡面版輥的方案，描述了紋理設(shè)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(shù)控車策略，采用旋轉(zhuǎn)與進給配合的方案實現(xiàn)了余弦螺旋的連續(xù)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(shù)控車上實現(xiàn)了二軸半的數(shù)控加工?；诖朔N編程控制的加工思路，還可以設(shè)計并加工出多種類似的凹版刻紋。