Васильєв О. С., Гірський С. Г., науково-виробничий журнал "Металообробка", 3 (93) / 2016.

Описано метод створення поверхневого мікрорельєфу волоконних лазером на поверхні прокатного вала і подальшого перенесення зображення на листовий матеріал. Змодельовано вузол тиснення металів з різними товщиною і щільністю. Проаналізовано якість перенесення глибокого рельєфу (до 2 мм). Сформульовано складності перенесення зображення на тонколистовий матеріал (фольгу). Знайдена залежність якості переносного об'ємного зображення від характеристик матеріалів вузла тиснення. На прокатному валі створені складні поліграфічні зображення, зокрема логотипи, і віддруковані на тонколистовому матеріалі. В якості експериментального зразка використовувалися метали: свинець, алюміній, латунь.

Вступ

У сучасному виробництві істотну роль грає якість заготовок для подальшої обробки. Зокрема, при обробці металів заготовками є листовий метал. Щоб розкачати металеву заготовку в більш тонкий лист застосовують промислові прокатні установки. Їх розміри визначаються завданнями виробництва. На невеликих виробничих підприємствах використовують компактні «настільні» установки з робочому полем вала площею 200 см2. Подібні системи застосовують ювелірні, проволочнопрокатние і інші галузі, що випускають Мелкогабаритная продукцію. Подібна технологія прокатного виробництва придатна як для металів, так і для всіх типів паперових виробів (серветки, картон та ін.), Пластикових і полімерних виробів (гімнастичні мати, пластикові панелі, корпуси комп'ютерів, побутової електроніки та ін.), Скловиробів (вітринне та декоративне скло та ін.).

Прокатні вальці необхідно попередньо структурувати для отримання на них дзеркального рельєфу і зробити прокат листового матеріалу. В даний час розроблено багато методів і засобів структурування поверхні [1], в тому числі механічні, хімічні та променеві, засновані на застосуванні і концентрованих джерел енергії - лазерних, іонних і електронних пучків [2, 3]. Останнім часом популярним інструментом поверхневої мікрообробки металів стає лазерне випромінювання. Лазерне мікроструктурірованіе поверхні має ряд переваг: діаметр плями фокусування близько 30 мкм, точна позиціонує дзеркальна система, комп'ютерне управління параметрами, програмне створення графічних моделей. Існує ряд технологій, вдосконалюють і прискорюють процес лазерної обробки металу. Однак більшість з них вносять ряд обмежень, пов'язаних з якістю обробки. Наприклад, для створення супергідрофобних поверхонь необхідний параметр шорсткості Ra порядку 0,5-1 мкм [4], що неможливо досягти оптимізаційними методами без впровадження в систему нових елементів (інтерферометра, об'єктива). Для виробництва листового матеріалу використовуються прокатні стани. На поверхні валів формується мікроструктура. Після вона переноситься на матеріал методом холодного чи гарячого прокату. Ця технологія також має ряд проблем: недостатня зносостійкість [5], попадання масла в зону обробки. При виробництві фольги попадання масла веде до порушення цілісності полотна. У загальному випадку це пов'язано з гідродинамічними властивостями масла [6, 7]. Також на якість продукції, що виготовляється впливає ряд ефектів, що супроводжують процес прокатки металу: залишкові напруги, деформаційні зміцнення і освіту дрібнодисперсного металевої крихти [8]. Незважаючи на численні спроби графічного прогнозування процесів тиснення [9], складно отримати коректний результат. Необхідно враховувати велику кількість параметрів, пов'язаних як з параметрами мікроструктур, так і з характеристиками самого металу. Проте можна визначити зони підвищеної напруги і зони подальшого руйнування матеріалу [10].

Мета роботи - аналіз технології перенесення мікрорельєфу на поверхню листового матеріалу. Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання:

1) використовуючи отриманий досвід у формуванні поверхневої мікроструктури волоконних лазером, сформувати на поверхні валка микрорельеф;

2) перенесення мікрорельєфу на поверхню листового металу;

3) аналіз отриманого результату.

Технологія мікроструктурірованія поверхні матеріалу

Виготовляючи мікроструктурними поверхню, необхідно враховувати шорсткість прокатного матеріалу. Наприклад, практично всі металеві листи, за винятком полірованих, мають односторонньо орієнтовану структуру. При виготовленні структур субмікронних розмірів на таких листах буде видно залишковий слід початкової шорсткості, що призведе до зниження якості продукції (рис. 1) [7]. Робоча поверхня прокатних валів володіє також своєю шорсткістю. В процесі роботи визначені мінімальні вимоги щодо якості поверхні: Ra = 0,04 мкм, Rz = = 0,31 мкм, висота нерівностей h = 0,231 мкм [8]. Для виготовлення поверхні, що володіє високими адгезійними властивостями, немає необхідності полірувати поверхню валів. Для кращого вбирання лакофарбових матеріалів необхідно, навпаки, збільшувати шорсткість. Значення Ra в цьому випадку визначається наступним виразом: Ra = A (1 / Pc) n, де A і n - коефіцієнти, що залежать від виду обробки поверхні; Ra - середнє арифметичне відхилення профілю; Pc - число піків на 1 см профілю. Зазвичай n близько до 1. Тому вимоги одночасного збільшення параметрів Ra і Pc є надзвичайно складними.

Мал. 1. Вплив напрямки початкової шорсткості на МКС:
1 - поздовжні борозни; 2 - оптимальна МКС; 3 - поперечні борозни; 4 - МКС з спотвореннями

експериментальне обладнання

Для формування поверхневих мікроструктур використовується імпульсний волоконний лазер з скануючої системою наведення променя . Технологія зміни поверхневої геометрії на поверхні металу більш докладно викладена в статті [11]. У роботі використовувався моторизований прокатний стан, в основі якого встановлено два сталевих гладких вала. Основні характеристики прокатного стану, валів і експериментального матеріалу наведені нижче.

Характеристики прокатного стану

Швидкість прокатки v, м / хв. . . . . . . . 4,88
Твердість вальців HRC. . . . . . ... . 58-62
Максимальний розлучення h, мм. . . . . . . . 6
Ширина робочої зони L, мм. . . . . . . . 113
Діаметр вальців D, мм. . . . . . . . . . . . 60
Потужність Р, кВт. . ... 1,1

Товщини матеріалу, мм

Фольга, мкм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ± 2
Свинцева пластина. . . . . . . . . . . . 2
Алюмінієва пластина. . . . . . . . . 1,5
Латуніевая пластина. . . . . . . . . . . 2

У проведену роботу мікроструктура виготовлялася на окремих сталевих пластинах, що дало можливість проводити безліч експериментів, зберігаючи поверхневу цілісність експериментального обладнання. Також було запропоновано змінити поверхневі механічні властивості опорного валу. Рішенням стала облицювання резинопластиковой матеріалами (рис. 2).

Мал. 2. Загальна конструкційна схема тиснення: а - планована схема модифікації стандартного прокатного стану; б - експериментальна конструкція прокатного стану для створення зразків мікроструктурованих поверхонь різного типу

результати експерименту

1. Виготовлення мікроструктури на металевій пластині і прокат фольги і товстолистового металу. Авторегулирования ступеня стиснення за рахунок еластичності опорного валу не відбувалося. Фольга (товщиною від 0,01 до 0,200 мм) піддавалася сильному механічному впливу стиснення. В результаті відбулося повне руйнування експериментального зразка. При прокаті металу товщиною 0,5-3 мм можна використовувати подібну систему валів, так як глибина зміни мікрогеометрії в малюнку становить не більше 0,3 мм. Тобто матеріал досить товстий, щоб зберегти свою цілісну структуру.

2. Зміна поверхневих механічних властивостей притискного вала. Заміна металевого трафарету пластиною з фторопласту Ф4 з нанесеною микроструктурой. Але цей матеріал не володіє достатньою якістю поверхні при лазерній обробці. Значення шорсткості виготовлених мікроструктур не задовольняють геометричним вимогам. Результати тиснення представлені на рис. 3.

Мал. 3. Результати тиснення фольги штампом з фторопласту Ф4

3. Використання резінокаучукових покриттів в якості еластичної підкладки. При виборі гумового покриття з оптимальними значеннями пружності та еластичності процес розкочування фольги стає більш ефективним. Еластомерного покриття служить як автоподстраівающійся негатив мікроструктури. Цей метод підходить в основному для фольги, яка піддається механічній деформації при незначних силах стиснення.

Таблиця 1

Типи гуми, використані в експерименті

Параметр Еластоміри SBR NBR (1) NBR (2) NR CR TRODAT Твердість, ° Sh A 70 ± 5 78 53 71 65 ± 5 66,5 Щільність, г / см3 1,44 1,35 1,25 1,55 1, 4 1,35 Міцність на розрив, МПа 4 5 5 6 6 4 Температурний режим Т -100 -130 -120 -100 -130 -140 Подовження при розриві,% 150 200 200 300 200 150 Позначення. SBR / ТМКЩ-С - стирен-бутадиеновая гума; NBR / PVC / МБС-С - акрилнітрил-бутадієн-вінілхлорид; NR - натуральна гума; CR - хлоропрен; TRODAT - фірмова австрійська гума для печаток.

Найкращі результати отримані при використанні підкладки з гуми NBR (2) (табл. 1, рис. 4). Критерій якості - відповідність геометричних характеристик зі штампом тиснення (табл. 2).

Мал. 4. Зразок фольги, отриманий методом холодного прокату, з використанням гуми NBR (2) в якості підкладки

Таблиця 2

Відповідність геометричних параметрів мікроструктури і отриманого відбитка

Параметр, мкм Штамп Лицьова Тильна Фольга (відбиток) Висота МКС з підкладкою NBR (2) 20 ± 2
9 ± 2
10 ± 2
6 ± 2 8 ± 2
5 ± 2 Висота МКС з підкладкою NR 9 ± 2 5 ± 2 4 ± 2 Пластини Pb, Al, La (2 мм) Висота МКС на Pb
Ra
Rz 500 ± 10
0,40 ± 0,05
2,5 ± 0,1 495 ± 10
0,34 ± 0,05
2,22 ± 0,1 -
-
- Висота МКС на Al
Ra
Rz 500 ± 10
0,40 ± 0,05
2,5 ± 0,1 495 ± 10
0,32 ± 0,05
2,18 ± 0,1 -
-
- Висота МКС на La
Ra
Rz 500 ± 10
0,40 ± 0,05
2,5 ± 0,1 495 ± 10
0,27 ± 0,05
1,99 ± 0,1 -
-
-

4. При використанні більш щільною і твердої гуми NR (табл. 2) силу стиснення валів необхідно збільшувати, що призводить до руйнування прокатного матеріалу, проте можна позначити певні переваги: ​​зносостійкість підкладки до механічного впливу у більш щільних еластомерів вище, відповідно термін експлуатації більше.

5. При подальшому збільшенні щільності і твердості гумової підкладки [NBR (1), табл. 1] формування мікроструктур стане неможливим. Чітко буде видно тільки загальні обриси поверхневого зображення, збільшення ступеня стиснення валів призведе до руйнування гуми (рис. 5).

Мал. 5. Зразок тиснення фольги з використанням щільною гумовою підкладки

6. Використовуючи технологію лазерного формування мікрорельєфу і технологію холодного прокату матеріалу, можна виготовляти фольгу зі складним поліграфічним зображенням (рис. 6). Дозвіл мікрогеоме тричних малюнка можна порівняти з діаметром перетяжки лазерного випромінювання і становить 40-50 мкм.

Мал. 6. Складний мікрополіграфіческій малюнок на поверхні фольги

висновки

Провівши ряд експериментів і вимірювань, ми отримали зразки мікроструктурованих фольги, дослідження яких дозволили зробити наступні висновки.

1. Об'єднання технологій лазерного формування мікрорельєфу і прокату металу дозволяє виготовляти рулонні матеріали, що володіють поверхневими поліграфічними зображеннями. Простота конструкції прокатного стану дає можливість вбудовування в лінію. А змінні прокатні вали дають варіативність поверхневих зображень.

2. Для різної товщини листових матеріалів необхідно використовувати вали з різними механічними характеристиками. Наприклад, для гуркоту фольги ефективніше використовувати м'яку еластичну гумову підкладку. А для металів товщиною від 1 мм можна використовувати вали з металевим покриттям.

3. Якість поверхневої мікроструктури залежить від наступних факторів: якості заготовок, дозволу зображення штампа, механічних характеристик і товщини самого матеріалу, ступеня стиснення валів, м'якості і еластичності підкладки. З експериментальних даних видно, що відбиток за параметрами шорсткості Ra і Rz в повному обсязі відповідає шорсткості штампа. Це пов'язано з наявністю повітряних кишень в зоні тиску валів, пористості гумової підкладки і перерозподілом маси металу [12]. Різниця параметрів шорсткості становить приблизно від 5 до 10 мкм.

висновок

Незважаючи на складність лазерної мікрообробки металу, були отримані прийнятні результати поверхневих мікроструктур (МКС). Було отримано їх якісний відбиток. Сьогодні технологію можна використовувати в ряді виробничих підприємств. Отримані поліграфічні поверхневі зображення на листових матеріалах можуть бути корисні в наступних галузях:

• рекламна продукція: різного роду обгортка, поверхні об'єктів і лицьових панелей;
• засоби захисту від підробок: наклейки або монети зі зміненою топографією;
• приладобудування: поверхні, що володіють підвищеною адгезійну, гидрофобностью і іншими механічними властивостями.

Автори дякують компанію ТОВ «Лазерний центр» за надане лазерне обладнання, також фірму ТОВ «Клас Інжиніринг» за виготовлені експериментальні прокатні вали.

література:

1. Proc. Technol. / O. Pawelski, W. Rasp, W. Zwick [et al.] // Jurn. Mater. 1994. Vol. 45. P. 215.
2. Fabrication of roll imprint stamp for continuous UV roll imprinting process / S.-Y. Hwang, S.-H. Hong, H.-Y. Jung, H. Lee // Microelectronic Engineering. 2009. Vol. 86. P. 642-645.
3. Xiuqing Haoa, Li Wanga, Quandai Wanga. Surface micro-texturing of metallic cylindrical surface with proximity rolling-exposure lithography and electrochemical micromachining // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. P. 8906-8911.
4. Vorobyev AY, Chunlei Guo. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses // Jurn. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. P. 033 103.
5. Rault D., Entringer M. Sheet Metal Forming and Energy Conservation // ASM. 1976. Vol. 97.
6. Characteristic and formation mechanism of matt surface of double-rolled copper foil / Xiyong Wang, Xuefeng Liu, Laixin Shi [et al.] // Journ. of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 216. P. 463-471.
7. Tasan YC, de Rooij MB, Schipper DJ Changes in the micro-geometry of a rolling contact // Tribology International. 2007. Vol. 40. P. 672-679.
8. Da S. Labiapari Wilian, de Alc ntara Cl udio M. Wear debris generation during cold rolling of stainless steels // Journ. of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 223. P. 164-170.
9. Analysis of Surface Roughness Transcription in Skin-pass Rolling Using Zooming Method / N. Yukawa, T. Akiyama, Y. Yoshida, T. Ishikawa // The Iron and Steel Institute of Japan. 20008. Vol. 94, N. 10. P. 17-22.
10. Yasuyuki Fujii, Yasushi Maeda, Ryota Ifuku. Prediction of surface roughness on rolled sheet by texture roll // 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014. 19-24 Oct. 2014 року, Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan.
11. Лазерна установка для мікроструктурірованія поверхні металу з використанням волоконного лазера / О. С. Васильєв, В. П. Вейко, С. Г. Гірський, Ю. С. Рузанкіна // Опт. журн. Т. 82, вип. 12. 2015. С. 70-77.
12. Ike H. 3D Finite Element Analysis of Surface Roughness Evolution of Steel Sheets by Micro-Indentation of Surface Asperities // Development of MicroDeformation Analysis and Practical Technology in Temper Rolling for Cold Rolled Steel Sheet. 20110. N 10. P. 99-110.