羅和喜，李康森

（深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060）

0 引言

太陽(yáng)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(diǎn)，在光學(xué)薄膜等產(chǎn)品的輥壓成形中占有重要地位，是實(shí)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(jī)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?jī)r(jià)值。

Pudas 等[4]開(kāi)發(fā)了一種輥式凹印膠印制造工藝，使導(dǎo)體線(xiàn)和間距降至20 μm，并研究了不同的打印參數(shù)，對(duì)打印樣品的性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(jī)，該打印機(jī)將整個(gè)打印過(guò)程分為填充、擦除和轉(zhuǎn)移3個(gè)步驟，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)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(chē)刀車(chē)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(dá)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(chē)削技術(shù)加工了圓柱球面微結(jié)構(gòu)陣列，對(duì)刀具幾何尺寸與微結(jié)構(gòu)可加工性等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明圓柱微結(jié)構(gòu)陣列的加工達(dá)到預(yù)期要求[10-12]。因此，利用超精密車(chē)削車(chē)床加工鍍銅圖案凹印版輥是一種有效的手段。然而，國(guó)外進(jìn)口的超精密輥?zhàn)榆?chē)床價(jià)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?zhàn)颖砻婀鈱W(xué)微結(jié)構(gòu)詳細(xì)加工研究報(bào)道相對(duì)較少。

本文提出一種基于FANUC 0-i 系統(tǒng)的二軸數(shù)控車(chē)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(shí)現(xiàn)車(chē)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(duì)凹印輥筒進(jìn)行建模分析，對(duì)凹印螺旋式余弦紋圖案的加工軌跡進(jìn)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(chē)床模擬軟件進(jìn)行加工模擬驗(yàn)證，最后利用超精密數(shù)控車(chē)床加工出鏡面凹印螺旋式余弦紋版輥。

1 方法與試驗(yàn)

1.1 模型建立

在輥?zhàn)颖砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)車(chē)削加工過(guò)程中，刀具參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)干涉，從而影響表面紋路的加工。余弦紋線(xiàn)沿圓周均勻的分布若干個(gè)余弦波，在徑向方向呈放射直線(xiàn)分布，如圖1所示，余弦線(xiàn)的面形方程可以表示為：

圖1 徑向方向呈放射直線(xiàn)分布

式中：A為余弦波幅值；m為余弦波周期。

在車(chē)削加工中，刀路軌跡一般選用等距螺旋線(xiàn)，工件面形沿軸向的變化率遠(yuǎn)大于徑向的變化率，即dθ/dt＞＞dr/dt。在車(chē)削加工中，進(jìn)刀量z= -C(r,θ)?？梢裕扑愕玫?，余弦線(xiàn)附加角可以表示為：

當(dāng)r趨于0 時(shí)，附加角極值將達(dá)到90°，刀具可能產(chǎn)生干涉。刀具越靠近余弦線(xiàn)的中心，附加角極值就越大，刀具越容易干涉。

首先對(duì)余弦曲線(xiàn)進(jìn)行切分，按100 份切分，得到如圖2所示的點(diǎn)。則Z軸相對(duì)位移為：

圖2 余弦曲線(xiàn)側(cè)視圖

假設(shè)Z方向進(jìn)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(duì)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(chē)出螺旋式波紋，首先必須要精準(zhǔn)地控制好機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)速度和鉆石車(chē)刀進(jìn)給速度之間的關(guān)系，因此把余弦螺紋做等分處理，并計(jì)算出每一等分的速度和時(shí)間，在程序中控制每一等分點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給速度，使鉆石車(chē)刀進(jìn)給速度和主軸旋轉(zhuǎn)配合，車(chē)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(biāo)原點(diǎn)。在圓柱上纏繞余弦曲線(xiàn)，振幅為20 mm。每圈6 個(gè)周期。則周期長(zhǎng)=圓柱周長(zhǎng)/6=3.141 6×200/6=104.72，由于編程的需要，此處使用余弦曲線(xiàn)，參數(shù)表達(dá)式如圖3所示。

圖3 曲線(xiàn)建模參數(shù)

正常的余弦曲線(xiàn)是一個(gè)封閉的循環(huán)，從加工工藝的角度看，是有一個(gè)進(jìn)刀點(diǎn)和一個(gè)退刀點(diǎn)，加工后每一圈都會(huì)留下一個(gè)進(jìn)退刀痕，達(dá)不到凹印版輥的表面要求。所以必須對(duì)余弦曲線(xiàn)做出螺旋推進(jìn)的效果，這樣中間無(wú)進(jìn)退刀，只在開(kāi)始和結(jié)束處做進(jìn)退刀，這樣才可以加工出符合凹印版輥表面要求的紋理。對(duì)于此圖案可以處理曲線(xiàn)Z軸差分，可以計(jì)算得到頭尾差分值為0.314/6=0.052 3，差分后的曲線(xiàn)再纏繞到圓柱體上，然后圓形陣列并逐個(gè)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(xiàn)，符合該項(xiàng)目的要求。也就是說(shuō)差分后的余弦曲線(xiàn)就是螺旋曲線(xiàn)每圈的1/6 個(gè)單節(jié)。

圖4 螺旋余弦曲線(xiàn)3D示意圖

1.2 刀具路徑設(shè)計(jì)

在車(chē)削過(guò)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(shí)又決定著最后的加工質(zhì)量。傳統(tǒng)的軸類(lèi)對(duì)稱(chēng)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(duì)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(kù)的處理方法。為此，加工路徑需要設(shè)計(jì)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(jìn)給速度的優(yōu)化策略去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜螺旋結(jié)構(gòu)的精密加工。即在加工過(guò)程中控制Z軸在每一個(gè)切分點(diǎn)的速度，使得每一個(gè)切分點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)配合，從而得到該項(xiàng)目所要的編程數(shù)據(jù)。計(jì)算每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與主軸的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，得到的效果是主軸轉(zhuǎn)速越高，則Z軸的運(yùn)動(dòng)速度越快，同時(shí)要控制到Z軸速度不能超過(guò)機(jī)床的極限。將UG程序中選取100 個(gè)點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)通過(guò)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(biāo)和Z坐標(biāo)的相對(duì)位移，根據(jù)相對(duì)位移算出刀具在每個(gè)切小點(diǎn)的即時(shí)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(gè)文件里，會(huì)占用幾百兆的空間，影響到機(jī)床的運(yùn)行速度。因此需要采用宏程序的方式，計(jì)算每一圈的加工數(shù)據(jù)，通過(guò)G65 調(diào)用宏程序進(jìn)行多重循環(huán)，而且為了使得程序的Z坐標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)不斷累加，所以采用相對(duì)坐標(biāo)編程。

從設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)據(jù)。

圖5 螺旋V槽設(shè)計(jì)加工流程

1.3 加工試驗(yàn)

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(chē)削加工過(guò)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(mǎn)足光學(xué)表面要求，必須利用單點(diǎn)金剛石刀具對(duì)工件表面進(jìn)行超精密整體車(chē)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(jī)床內(nèi)存同一目錄下，對(duì)工件精確校表分中，鉆石刀進(jìn)行光學(xué)級(jí)別的刀具參數(shù)補(bǔ)正，采用噴霧冷卻。準(zhǔn)備工作就緒，在控制器打開(kāi)程序模塊，選擇并執(zhí)行主程序，機(jī)床加工工件照片如圖6 所示。加工過(guò)程中需要注意：（1）加工速度F速開(kāi)關(guān)一定要打到100%位置；（2）Z軸極限運(yùn)行速度一定要大于300 mm/min；（3）鉆石刀對(duì)刀位置在相應(yīng)的位置，車(chē)紋深度在刀長(zhǎng)補(bǔ)償中控制。

圖6 超精密車(chē)削機(jī)床

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

超精密車(chē)削過(guò)程中，工件表面的V 型結(jié)構(gòu)是由刀具運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，微V 刃口的金剛石刀具在輥筒工件表面以一定的進(jìn)給量進(jìn)行刻劃加工，從而得到余弦螺旋線(xiàn)微V 型結(jié)構(gòu)。但是，利用傳統(tǒng)的二軸精密機(jī)床根據(jù)簡(jiǎn)單的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)余弦螺紋結(jié)構(gòu)的精密車(chē)削加工是非常有難度的。為此，本文提出一種通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度配合的策略去實(shí)現(xiàn)余弦螺旋線(xiàn)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(dòng)態(tài)進(jìn)給的過(guò)程中切削深度應(yīng)保持一致。其中，Y軸方向的到位點(diǎn)曲線(xiàn)方程為：Y=yi+2.152n，yi為第i次切削時(shí)刀具的y坐標(biāo)值。在加工時(shí)，主軸的旋轉(zhuǎn)速度不變，通過(guò)Y、Z軸坐標(biāo)位置的實(shí)時(shí)變化，最終得到設(shè)計(jì)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?？梢钥闯觯佂睼 槽寬度基本一致，具有良好的均一性。

圖7 螺旋線(xiàn)微V型結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)車(chē)削方法進(jìn)行輥筒表面V 槽結(jié)構(gòu)加工時(shí)，Y軸與Z軸是非聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡為二維平面曲線(xiàn)，存在一定的局限性，無(wú)法加出螺旋V槽結(jié)構(gòu)。針對(duì)于此，提出了旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給配合車(chē)削策略，將傳統(tǒng)的環(huán)形斷續(xù)式車(chē)削模式，用Y軸與Z軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的方法替代，刀具觸點(diǎn)曲線(xiàn)形成一條三維螺旋曲線(xiàn)，可以實(shí)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(xiàn)?？梢钥闯?，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(dòng)加工模式在加工過(guò)程中減小了刀具進(jìn)給時(shí)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(xiàn)

為了檢測(cè)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(duì)余弦螺旋槽進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)的微V余弦結(jié)構(gòu)三維形貌如圖9 所示，可以看出車(chē)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(dòng)態(tài)變化，不同部位螺旋V槽的表面粗糙度有細(xì)微的差異。在車(chē)削刻劃過(guò)程中切屑在剝離的過(guò)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(jìn)刀刻劃時(shí)，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(yǔ)

凹印版輥是凹版印刷機(jī)和熱轉(zhuǎn)印壓機(jī)必須的核心部件，本文介紹了使用數(shù)控車(chē)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(jì)，編程原理和加工方法。并指出了編程中容易碰到的難點(diǎn)和解決方案。

本文提出了一種輥筒螺旋V 槽的數(shù)控車(chē)策略，采用旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給配合的方案實(shí)現(xiàn)了余弦螺旋的連續(xù)車(chē)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(dá)到了凹印版輥的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。并且在二軸精密數(shù)控車(chē)上實(shí)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(jì)并加工出多種類(lèi)似的凹版刻紋。