Лазерный мир

Васильев О. С., Горный С. Г., научно-производственный журнал «Металлообработка», 3 (93)/2016.

Описан метод создания поверхностного микрорельефа волоконным лазером на поверхности прокатного вала и дальнейшего переноса изображения на листовой материал. Смоделирован узел тиснения металлов с разными толщиной и плотностью. Проанализировано качество переноса глубокого рельефа (до 2 мм). Сформулированы сложности переноса изображения на тонколистовой материал (фольгу). Найдена зависимость качества переносимого объемного изображения от характеристик материалов узла тиснения. На прокатном вале созданы сложные полиграфические изображения, в частности логотипы, и отпечатаны на тонколистовом материале. В качестве экспериментального образца использовались металлы: свинец, алюминий, латунь.

Введение

В современном производстве существенную роль играет качество заготовок для дальнейшей обработки. В частности, при обработке металлов заготовками являются листовой металл. Чтобы раскатать металлическую заготовку в более тонкий лист применяют промышленные прокатные установки. Их размеры определяются задачами производства. На небольших производственных предприятиях используют компактные «настольные» установки с рабочем полем вала площадью 200 см². Подобные системы применяют ювелирные, проволочнопрокатные и прочие отрасли, выпускающие мелкогабаритную продукцию. Подобная технология прокатного производства пригодна как для металлов, так и для всех типов бумажных изделий (салфетки, картон и пр.), пластиковых и полимерных изделий (гимнастические маты, пластиковые панели, корпуса компьютеров, бытовой электроники и пр.), стеклопродукции (витринное и декоративное стекло и пр.).

Прокатные вальцы необходимо предварительно структурировать для получения на них зеркального рельефа и произвести прокат листового материала. В настоящее время разработано много методов и средств структурирования поверхности [1], в том числе механические, химические и лучевые, основанные на применении и концентрированных источников энергии — лазерных, ионных и электронных пучков [2, 3]. В последнее время популярным инструментом поверхностной микрообработки металлов становится лазерное излучение. Лазерное микроструктурирование поверхности имеет ряд преимуществ: диаметр пятна фокусировки около 30 мкм, точная позиционирующая зеркальная система, компьютерное управление параметрами, программное создание графических моделей. Существует ряд технологий, усовершенствующих и ускоряющих процесс лазерной обработки металла. Однако большинство из них вносят ряд ограничений, связанных с качеством обработки. Например, для создания супергидрофобных поверхностей необходим параметр шероховатости Ra порядка 0,5–1 мкм [4], что невозможно достигнуть оптимизационными методами без внедрения в систему новых элементов (интерферометра, объектива). Для производства листового материала используются прокатные станы. На поверхности валов формируется микроструктура. После она переносится на материал методом холодного или горячего проката. Эта технология также имеет ряд проблем: недостаточная износостойкость [5], попадание масла в зону обработки. При производстве фольги попадание масла ведет к нарушению целостности полотна. В общем случае это связано с гидродинамическими свойствами масла [6, 7]. Также на качество изготовляемой продукции влияет ряд эффектов, сопутствующих процессу прокатки металла: остаточные напряжения, деформационные упрочнения и образование мелкодисперсной металлической крошки [8]. Несмотря на многочисленные попытки графического прогнозирования процессов тиснения [9], сложно получить корректный результат. Необходимо учитывать большое количество параметров, связанных как с параметрами микроструктур, так и с характеристиками самого металла. Тем не менее можно определить зоны повышенного напряжения и зоны дальнейшего разрушения материала [10].

Цель работы — анализ технологии переноса микрорельефа на поверхность листового материала. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1) используя полученный опыт в формировании поверхностной микроструктуры волоконным лазером, сформировать на поверхности валка микрорельеф;

2) перенос микрорельефа на поверхность листового металла;

3) анализ полученного результата.

Экспериментальное оборудование

Для формирования поверхностных микроструктур используется импульсный волоконный лазер со сканирующей системой наведения луча. Технология изменения поверхностной геометрии на поверхности металла более подробно изложена в статье [11]. В работе использовался моторизированный прокатный стан, в основе которого установлены два стальных гладких вала.

Результаты эксперимента

1. Изготовление микроструктуры на металлической пластине и прокат фольги и толстолистового металла. Авторегулирования степени сжатия за счет эластичности опорного вала не происходило. Фольга (толщиной от 0,01 до 0,200 мм) подвергалась сильному механическому воздействию сжатия. В итоге произошло полное разрушение экспериментального образца. При прокате металла толщиной 0,5–3 мм можно использовать подобную систему валов, так как глубина изменения микрогеометрии в рисунке составляет не более 0,3 мм. То есть материал достаточно толстый, чтобы сохранить свою целостную структуру.

2. Изменение поверхностных механических свойств прижимного вала. Замена металлического трафарета пластиной из фторопласта Ф4 с нанесенной микроструктурой. Но этот материал не обладает достаточным качеством поверхности при лазерной обработке. Значения шероховатости изготовленных микроструктур не удовлетворяют геометрическим требованиям. Результаты тиснения представлены на рис. 3.

3. Использование резинокаучуковых покрытий в качестве эластичной подложки. При выборе резинового покрытия с оптимальными значениями упругости и эластичности процесс раскатки фольги становится более эффективным. Эластомерное покрытие служит как автоподстраивающийся негатив микроструктуры. Этот метод подходит в основном для фольги, которая поддается механической деформации при незначительных силах сжатия.

Наилучшие результаты получены при использовании подложки из резины NBR (2) (табл. 1, рис. 4). Критерий качества — соответствие геометрических характеристик со штампом тиснения (табл. 2).

Полное содержание статьи:  https://www.newlaser.ru/article/microstructure.php

Видео по теме:

Новое по теме:

• Лазерное окисление и структурирование поверхности медицинских сплавов
• Метод изменения цвета поверхности титана при локальном окислении наносекундными лазерными импульсами 
• Формирование многоцветного изображения на поверхности металлов при ее лазерном окислении