专利名称：在轧辊表面形成微型图案的方法与设备，用此轧辊制出的冲压用的金属薄板以及制造这 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来在一个滚轧轧辊表面上形成微型图案的方法与设备，在轧辊表面上形成一种具有许多凸起和凹陷的精确的图案，涉及通过该滚轧轧辊获得的、用来冲压与涂漆成例如汽车外壳那样的金属薄板，还涉及加工这些金属薄板的方法。
近来对汽车车身强烈要求有美丽的外观。对周围景色反映不清楚的车身实际上对汽车买主没有多大吸引力，汽车买主要求车身表面能够清晰地反映周围的景色。车身表面反映景色的反射清晰度用一个DOI数值来评估，通过带一个给定角度射到车身表面上的狭缝光来测量反射率。所得的数值越大，车身表面的反射清晰度就越高。
现今采用了一种方法，通过将一个激光光束的脉冲直接投射到滚轧轧辊的表面上以在其上形成许多凸起和凹陷，使用这个具有凸起和凹陷形成在其上的轧辊，通过表皮光轧加工方法将凸起和凹陷的图案从轧辊表面转移到经过退火处理的冷轧钢板的表面上。
在表皮光轧中，广泛采用一种带有通过用喷丸处理形成凸起和凹陷来粗化的表面的无光表面表皮光轧轧辊，然后将凸起和凹陷的图案转移到钢板的表面上，这样子取得的钢板用作冲压加工的材料。
用激光光束形成在轧辊表面上的凸起和凹陷的图案跟用常规的喷丸处理或电火花钝化处理方法所形成的不同。形成在整个轧辊表面上的凸起和凹陷，大小均匀，间距固定。因此，用这个方法加工的并涂漆的钢板，表面具有高出的反射清晰度，并在冲压时具有极佳的抗咬模特性。
在日本专利公开文件昭55-94790与昭56-119687，和日本专利公告文件昭58-25557中公开的先有技术是上述的方法或这些方法的变种。
常规的激光光束加工技术有以下的问题。
(1)由于激光光束是直接施加到轧辊表面上以制出凹陷，需要有一个输出一个1千瓦或更大的高功率以高效率地加工一个诸如具有宽大表面面积的滚轧轧辊这样的工件的激光光束振荡器。因此自然就采用一个二氧化碳激光器。但是，这种二氧化碳激光器，体积大而且需要的维护费及人力都很大。
(2)在用这样一种激光光束加工设备来产生的凸起和凹陷的图案中，每一个凹陷会成为环状或类似的形状，周围堆积着熔融金属。因此不可能形成一个自由形状的凸起和凹陷的图案。
(3)用激光光束熔化金属以形成凸起和凹陷的图案在凸起-凹陷部分内是由奥氏体组成的。一个具有这样形成的凸起和凹陷的轧辊，在滚轧时抗磨损性能是低的。
(4)凸起和凹陷的图案的每个凹陷的直径是由聚光器会聚的激光光束的直径来决定的。这个直径实际上不能降低到约100微米以下，因为二氧化碳激光光束有一个长的波长(10.6微米)。
(5)为了保证高效率地加工一个宽大的表面面积，就需要产生一个非常高频率的脉冲波的激光光束。在二氧化碳气体激光器的情况，这不能用诸如Q开关这样的电气装置来实现。为此就要用机械斩光盘。但是这种方法也有一个问题，高机械斩光盘跟轧辊速度和相位不一定相互匹配，所得出的图案的凸起和凹陷不规则地排列着。
作为解决上述问题的措施，采用了在照相凹版印刷机的轧辊表面上形成图案的光刻方法。
这种光刻加工方法被采用来产生一个具有一个带均匀的凸起和凹陷图案的粗化表面的滚轧轧辊。用这种轧辊制造的钢板具有极好的冲压加工与装饰特性是早就从例如日本专利公告文件昭41-14973和昭46-19535成为公知的。但是，这种加工方法由于轧辊加工效率低以及成本非常高而仍然不能全面投入实际使用。
熟知的光刻加工方法可以分解成以下步骤。
(1)轧辊表面活化(2)涂布抗蚀剂(光敏抗蚀剂)(3)干燥(4)薄膜粘附(5)曝光(6)卸除薄膜(7)显影(8)干燥(9)蚀刻(10)清除抗蚀剂(11)后处理(清洗，中和，等等)这种光刻加工方法可以用来在一个滚轧轧辊上形成一个细致的凸起和凹陷的图案。但是，特别是在加工一个诸如滚轧轧辊这样的大轧辊时，上述的加工方法不但要求很多工时，而且要在暗室操作，此外，由于很难采取自动化操作，跟上述的喷丸加工方法或激光光束加工方法相比，这个加工方法是极其不利的。
日本专利公告文件昭62-11922公开了一种加工方法，用一种抗酸蚀材料涂盖在一张薄板的表面上，用一激光光束局部地破坏复盖着的表面，将局部没有复盖住的点子进行化学腐蚀。但是，这种方法还是未成熟到实际能被采用作为实在的加工方法的地步。
接着对配置有凸起和凹陷的钢板进行描述。
日本专利公告文件昭62-11922和日本专利公开文件昭62-168602公开了一种激光钝化加工方法，在其中一激光光束的脉冲被投射到一个轧辊的表面上以在轧辊的表面里形成固定间距的凸起和凹陷。按照这个方法，由于在一个光亮轧辊上可按任意间距形成规则的凸起和凹陷，用这种轧辊进行表皮光轧的钢板形成平面部份、凸起与凹陷部份，交错着与规则地排列着。已知在平面部份不发生不规则的反射，经表皮光轧的板子的反射清晰度要比用上述喷丸加工的轧辊滚轧的板子的高。
上面已对涂漆前的钢板表面的反射清晰度解释过。下面就对涂漆后的反射清晰度进行描述。
在化学转化处理与电沉积涂漆后，板子进行浸涂漆或喷洗。一般来说，这涂漆过程在钢板表面提供平面凸起与凹陷，从而跟涂复前的板子比DOI是改善了。
在诸如浸涂这样的垂直涂漆中，涂到板子上的漆液由于重力在板子表面上往下流。在此情况下，如有固定的路径让漆沿着往下流，漆就可能均匀地流;但是，如有任何分开的独立凹陷，漆流就会停在那里，形成厚度不均匀的涂复层。
如上所述，一块在其表面上具有大比例的平坦面积并具有固定的路径让漆液均匀流动的带凸起与凹陷的钢板，由于反射清晰度，因而是适用的。一块由激光钝化的轧辊制出的钢板至少满足前者，而用喷丸加工的轧辊制出的钢板两者都不能满足，因此DOI值低。
下面描述冲压加工性能。冲压加工首先是将板子的边缘夹持在模具与压料板之间，施加一个特定的压料压力到板子上，然后在板子中心将板子冲成一个预定形状。通常，材料在受到冲压后立即从压料部位流入模具区段。这就是用作表示冲压加工难易程度的指标的内流特性。例如具有大摩擦阻力的材料朝模具的流动量很小，造成破裂。
在冲压时，钢板表面一般要涂有润滑油。重要的是此润滑油要达到其基本效能来防止板子破裂。
同时，存在擦伤的问题。如钢板具有高的摩擦阻力，在钢板跟工具接触并在其上滑动时钢板一部份被模具擦伤并粘附在工具上面。
具有大的平表面面积的钢板具有优良的反射清晰度，但不一定具有满意的冲压加工性能。
本发明的一个目的在于提供一种在轧辊表面形成微型图案的方法以及一个能够可靠地实现这种具有有规则地或随意地排列的凸起与凹陷的轧辊。
本发明还有一个目的是要提供一种具有高的反射清晰度的钢板，这高反射清晰度是由钢板表面上的平坦区域和让漆液均匀流动的油漆通路所提供的。
本发明还有另一个目的是要提供一种金属板，这种金属板能够在冲压的时候获得润滑油馈给并有效地将润滑油供应到金属板跟工具接触的界面上，并且具有凸起-凹陷结构，其凹陷可捕集板料上磨损咬下的材料使它不粘在工具上。
本发明还有另外一个目的是要提供一种具有这样的表面结构的轧辊，这种轧辊能够制造出表面上具有如上所述的复杂的凸起与凹陷的钢板。
本发明所公开的方法是一种在轧辊表面上形成微型图案的方法，包含有以下步骤(1)通过在滚轧轧辊表面上涂敷一种抗酸蚀树脂与吸光媒剂的混合物而在其上形成一层抗酸蚀薄膜;
(2)用一个Q开关和一个具有一个5到100W平均输出的钇铝石榴石激光器在这个树脂薄膜上连续地制出所需的图案，并将这样在轧辊表面上制出的图案暴露出来;
(3)然后进行蚀刻以在轧辊表面上形成所需的图案。
在上述方法中，抗酸蚀树脂溶液跟由炭黑或颜料组成的光学吸收材料混合。如果形成在轧辊表面上的树脂薄膜的厚度是1到10微米，用一个低输出的激光器可将树脂蒸发成一个准确的图案并且同时树脂可以经受得住蚀刻工序，使这个方法很受推荐。
优异地实现上述方法的本发明的设备是一种用来制造一个粗化的滚轧轧辊表面的设备，它配设有具有以下功能的装置(a)一个用来支撑一个轧辊工件并将其转动的轧辊转动装置;
(b)一个类同于喷涂装置或其类的装置，这装置装设在上述轧辊转动装置的侧面以将在液态下的树脂物质涂布到轧辊表面上;
(c)一个激光绘图装置，它含有一个与它结合的、具有5到100W输出的并根据一个电信号来产生一个脉冲激光的振荡器，以及一系列的装置、包括用来将激光导引和聚焦到轧辊表面上的反射镜与透镜;
(d)一个蚀刻装置，它含有一个喷涂装置或其类的装置，用来将蚀刻液体吹送到用上述激光绘图装置加工过的轧辊表面上;
(e)一个移动装置，用来沿轧辊轴向分别或同时移动上述的涂敷装置、激光绘图装置和蚀刻装置;
(f)一个用来制出要形成在轧辊表面上的所需的图案的图象处理装置，将图案分成一些点子以形成一个二进制编码数值，然后用来产生一系列的绘图数据;
(g)一个控制装置，包括一个用来探测轧辊的旋转角度的探测器装置，根据从探测器送来的信号和所绘出的数据来指挥上述激光绘图装置的脉冲发生时间。
本发明的设备除上述的装置外还有以下的结构。
就是说，激光绘图装置的激光振荡器是一个钇铝石榴石激光器，第一光调制器设置在激光振荡器内以形成一个Q开关振荡器，第二光调制器设置在从振荡器到在激光振荡器外面的加工部份的激光光路的中间，和由用来将激光光束导引到轧辊表面上并将激光光束集光的反射镜和透镜组成的一系列的光学装置，其中，用来探测被加工的轧辊的旋转角度的探测器是一个连接到轧辊转动装置的一根转轴上的旋转编码器，而控制装置则含有一个根据旋转编码器的时钟信号来驱动上述第一光调制器的光调制器驱动器，还含有一个根据从根据所绘出的数据的时钟信号取出的相应于用来形成上述图象的一个点的那部份的信号来驱动上述第二光调制器的光调制器驱动器。
此外，本发明涉及一种用于冲压工作的金属薄板，这金属薄板在其表面上具有一个由独立的池状凹陷组成的微细图案和一个由连续的沟状凹陷组成的微细图案。独立的池状凹陷是大量的与排列好的凹陷，它们可能有这样一个表面图案，每一个凹陷的外周有一个连续的网状凹陷包围着，设有池状凹陷的部份与设有网状凹陷的另一部份可以在分开的部位来设置。用来压制如上所述的这种金属薄板的轧辊可以分别或同时具有由独立的带有平顶表面的梯形凸起组成的表面图案和由连续的带有平顶的网状凸起组成的表面图案。
可以用如上所述的一个具有独立梯形凸起的轧辊和另一个具有连续的网状凸起的轧辊将每片金属薄板进行表皮光轧将上述的用于冲压工作的金属薄板制造出来。
在附图中，
图1是从本发明的一个最佳实施例的前侧取的总体的透视图;
图2是从图1的设备的后侧取的透视图;
图3是说明本发明的设备的工作的示意图;
图4是示出本发明的一个图案示例的放大正视图;
图5是示出用本发明的方法实际制出的轧辊表面形状的三维的不平状态表示图;
图6是示出本发明的设备的方框图;
图7是比较和说明本发明与先有技术的作用的视图;
图8是示出本发明的设备的另一个示例的方框图;
图9是不规则的凸起与凹陷的图案;
图10是有规则的凸起与凹陷的图案;
图11是示出本发明的用来冲压加工的金属钢板表面的示意透视图;
图12是示出表皮光轧速率对转移速率的影响的曲线;
图13是示出表皮光轧速率对机械性能的影响的曲线;
图14是示意地示出一个冲压加工操作的示意图;
图15是示出本发明的最佳实施例的表面上的凹起与凹陷的视图;
图16是示出试验性制成的轧辊表面和用这试验性制成的轧辊制出的材料表面上的凸起与凹陷的状况的视图;
图17是示出一个轧辊制造过程的步骤的图表;
图18是说明一个用来评估一个冲压加工操作的试验方法的视图;
图19是示出一个滑移试验的结果的曲线图;
图20是示出反射清晰度的结果的曲线图;
图21与22是示出双道表皮光轧的钢板与轧辊的部份剖视图。
本发明的一个重要特点是如何将形成在一个滚轧轧辊表面上的树脂薄膜有效地蒸发与去除。这就是说，经激光光束照射过的那部份树脂薄膜被蒸发与去除掉而不留下任何熔融的薄膜，并且一定要防止多余的热散布到已形成的细孔(点子)内或围绕着细孔散布，否则就会形成一个热影响部份并使每个点子的轮廓模糊。
由于上述情况，本发明具有一个特点，激光器使用一个Q开关钇铝石榴石激光器，和用一个吸光媒剂跟所用的树脂混合以增加对激光光束的吸收率。在要形成激光脉冲的情况下，Q开关是用来形成脉冲的装置，其每一个脉冲的照射时间缩得相当短，而且其峰值功率增加的数值是按所缩短的时间来决定的。用这个装置，照射部份的加热时间相当短，而且热传导时间也短，因此馈给的光能量不是通过热传导散开而是局部地集中。结果就能够形成树脂的有效蒸发，从而降低了周围受热影响部份的膨胀。一般来说，高效率的加工操作要求用相当高的脉冲频率，激光器就要求提供一定的高输出。所以在这种情况下所用的激光器最好是用一种所谓连续激励Q开关型的钇铝石榴石激光器。上述的激光器具有这样一个优点，它可以达到一个5到100W高输出的几十千赫的高频率脉冲，而且脉冲可以通过一个Q开关很容易地制成一个短脉冲。此外，钇铝石榴石激光器的波长是1.06微米，只是二氧化碳激光器的波长的十分之一，而且可用一个聚光器来定量的最小点子直径可降低到10微米，因此可以自由地形成一个凸起和凹陷的细致的图案。如果这个波长接近于可见光并且它在一种正常的树脂里的吸收率是低的话，树脂就可能没有被加工。由于这个情况，通过将吸光材料跟树脂混合然后涂布就能够很容地实现所要求的目的。在此情况中，最好用炭黑或颜料作为吸光材料。
根据本发明的发明者所做的实验，如果用混入上述吸光材料的树脂，当使用100W左右的钇铝石榴石激光器，树脂薄膜的厚度最好约为1至10微米。这是由于激光在树脂薄膜上形成的通孔是反锥形的，这样，薄膜太厚就可能形成不了一个具有足够大的直径的孔(点子);反过来，如果使用喷涂方法，厚度低于1微米的薄膜也很难要求厚度均匀。
最好使用常温干燥型的涂敷层，这就可以省去涂敷操作中的干燥与烘干工序。
在本发明的方法中，炭黑或颜料作为吸光材料加进抗氧化抗蚀树脂内，就能够用低输出的钇铝石榴石激光器去蒸发这种树脂，从而能够将轧辊表面严格跟图案一致地暴露出来。因此也就能够相当容易地与准确地形成一个图案。
现参看图3对本发明的方法进行描述。这方法由下列三个步骤组成。
首先描述第一步。
首先将混有吸光材料的树脂涂敷物用一个喷枪6喷到轧辊表面上，树脂在轧辊表面上将其溶剂蒸发掉并在其上固化，在轧辊表面上形成一层树脂薄膜28。如轧辊1被转动，并且喷枪沿轧辊轴向移动，那薄膜28就随着喷枪移动而形成在轧辊1的整个外周上。
现在来描述这操作的第二步。
在此情况下，轧辊也保持着转动，激光器照射头10沿轧辊轴向移动，同时一个脉冲激光光束29通过一个透镜30集中到其上形成有薄膜28的轧辊表面上的一个预定部位上并进行照射。在光束照射过的那部份的薄膜28由于这个能量被蒸发掉而露出轧辊1的表面。在轧辊1在转动和激光照射头10同时在移动的情况下，一行微细的孔螺旋形地围绕着轧辊1的外周形成。
现在描述本发明的操作的第三步。
当蚀刻液体31通过一个活动喷枪11喷射时，没有被薄膜28复盖着的部份、即只是被激光光束照射过的部份被腐蚀从而形成一个弧坑32。
图3解说了如上所述的从第一步到第三步的连续操作。但是，可选择地进行一个独立的操作，如果每一个操作的顺序改变了。
现在结合图1与2来描述实际实现本发明的方法的设备的一个示例。图1是从最佳实施例的设备的前侧取的透视图，而图2则是从其后侧取的透视图。图1与2是用来解说本发明的设备的技术构思的示意图。那些实际上要配备的但不需要进行描述的附带装置在图上省略掉。
轧辊转动装置由轧支座2与3、夹头4与心轴5组成，在支座3内设有转动电动机。滚轧轧辊工件的两端分别由夹头4与心轴5支撑着。轧辊被一个电动机(未示出)转动。
随着，如图2所示，一个作为一个涂敷装置用来将混有吸光材料的树脂涂料喷涂到轧辊表面上的喷枪6设置在轧辊1的一侧上。树脂涂料从一个树脂槽7通过一根管子8供应给喷枪6。
如图1所示，一个激光绘图装置9设置在跟喷枪相对的另一侧上。这个激光绘图装置含有一个根据从一个在下面要描述的控制装置送来电信号来产生一个脉冲光束的Q开关，一个钇铝石榴石激光振荡器9a，和一个包括有一个用来将一个激光光束导引到轧辊表面上的诸如一个反射镜这样的光学装置和一个用来将激光光束聚集到轧辊或其类的表面上的透镜的激光照射头9b。
常规型式的这类装置采用机械斩光盘。但是，以高速旋转的机械斩光盘跟轧辊的转数与相位不一定相互重合，所生成的凸起与凹陷的图案是如图9所示的那样不规则地排列着。
在图9中，箭头指示的方向是轧辊转动的方向，垂直于这个方向的另一个方向指示轧辊的轴向。通过带有这个图案的滚轧所产生的钢板展示一种沿轧辊旋转方向的条纹状图案，这是不好的。为了解决这个问题，需要制出一种如图10所示的有规则的图案。在使用机械斩光盘的方法的情况，对诸如电动机之类的机械控制提出相当高的准确度要求，导致发生很多很困难的技术问题。
如图2所示，在此示例中，靠近涂敷装置处设置有用来喷蚀刻液体的蚀刻装置的喷枪11。蚀刻液体从槽12通过管子13供应。一根喷枪6、一个激光绘图装置9和一根喷枪11分别装在XY台面14、15和16上。XY台面14、15和16具有类似的结构。例如，XY台面14可以通过由电动机21与22驱动滚珠丝杠19与20转动而分别沿垂直于轧辊的轴向和沿轧辊的轴向分别沿着导轨17与18移动。这个台面可以特别沿着轧辊轴向纵向移动，在这XY台面上的装置可以作用在轧辊1的整个筒身上。示出在图1与2上的示例设计成这样，使激光绘图装置装在轧辊的一侧而涂敷装置跟蚀刻装置则装在对面的一侧上，各自装在独立的XY台面上。这样的装置不是强制性的，任一个XY台面都可以共用。但是，最好将喷枪6装在跟激光绘图装置9相对的另一侧以保护其内具有光学装置的激光绘图装置，使之避免受蚀刻液雾的影响。从喷枪6与11喷出并掉下的涂敷与蚀刻液体收集到废液槽47内。一个图象处理装置23可产生一个要在轧辊1表面上蚀刻的图案，从其上形成一个二进制编码，然后产生一系列绘图数据。一个控制装置24可接受一个从探测旋转角度的、由一个装配在轧辊支座3内的旋转编码器(未示出)组成的探测器通过一条电缆25送来的脉冲信号，将一个信号通过一条电缆26和一个电缆带27传送到该激光谐振器9a以将一束激光照射在轧辊1表面上的一个预定点上，接着下去形成一个预定图案，该预定点是由上述绘图数据根据接收到的脉冲信号确定的。
由于本发明是如上述那样设计的，它的步骤就比上述的光刻工艺的少，并且制造成本显著地降低。此外，本发明的一个特征是使上述一系列的操作能够容易地和自动化地进行。
由于薄膜28在蚀刻过程完成后不再需要，通过诸如用溶剂清洗的处理方法就能够将其去掉。但是这种清除步骤可以容易地通过用上述同样的方式架在XY台面上来连续地进行。
现参照图4与5来描述在轧辊1表面上形成一个凸起与凹陷的图案的方法。图4示出一个做在轧辊表面上的微细凸起与凹陷的图案的示例的放大正视图，在其中白的背景部份是一个未经激光照射的部份，即不要蚀刻的部份。阴影部份相应于经激光照射的部份，即要蚀刻的部份。在图4中，垂直与水平线都是为了便于说明而画出来，实际上是不存在的。
在图4中，用垂直箭头33表示轧辊1的转动方向，用横向箭头34表示XY台面15朝轧辊轴向的活动方向。如上所述，由于通过激光绘图装置在薄膜上打出的孔是螺旋线地形成在轧辊外周上，图4所示的阴影区是从左竖行到右竖行依次形成。
要形成这样的图案，轧辊的旋转速度跟脉冲激光的放射时间就需要有一个高度准确的吻合以消除相邻行里绘出的点的位置偏移。在本发明设备中，轧辊的转动角被一个旋转编码器所探测，而脉冲光束放射时间则由跟探测装置相应的电气装置来确定，因此本发明可以实现而无须对轧辊转动装置的电动机有高准确度的要求。
在本发明中，这个系统设计成激光振荡器的功率不直接去熔化轧辊表面上的一点金属，只将形成在轧辊表面上一点低熔点的树脂蒸发掉，因此本发明并不需要任何一种诸如二氧化碳激光器这样的高功率激光器。由于这个情况，本发明建筑在可以使用一个能够通过有卓越可靠性的电气装置振荡出一个相当高频率的脉冲光束来的激光器、即一个Q开关钇铝石榴石激光器的基础上。
图5是一个示出由本发明的方法与设备制出的粗化表面轧辊的外形轮廓的一个示例的三维不平状态的表示图。当然，本发明并不限于做出图5所示的图案，而是可以蚀刻出任意的图案，在其中图案的图形是由图象处理装置23自动地形成，接着通过激光绘图装置自动地复制到轧辊表面上。
本发明的一个重要优点在于，跟常规的光刻工艺比较，诸如显影、染色之类的工序被省去了而且操作也自动化了，因此，先有技术操作每个轧辊需要8小时，本发明只需60分钟就能完成。这在大规模生产中是一个卓越的特征，同时省工。此外，按照本发明的方法，上述光刻工艺所要求的暗室工作也省掉了，这也是本发明的一个特点。
接着描述上述的激光绘图装置与其控制装置的具体结构。在上面已经描述过，本发明的方法的实现是使短光脉冲通过一个Q开关射到轧辊上并排地形成一个图案。在这情况下，需要在轧辊的旋转速度与脉冲激光器的放射时间之间有一个高准确度的吻合。
此外，上述过程有一个问题，一个功率数值显示出一个相对于某一个脉冲的不规则功率值。从图4的每一行中的点子的排列清楚地看出，这是由于在一行里有点子的一部份跟没有点子的一部份混在一起。由于扫描速度保持恒定，一个不规则的时间间隔就产生在点子之间。由于每个脉冲的能量，对一个连续激励Q开关来说是与脉冲的时间间隔相关的，因此紧贴着没有点子那部份后面的那部份的脉冲能量就变得相当高，点子的大小也变成不规则，形成的图案的准确度就降低了。
现参照图6来描述本发明的实际设备的一个示例。
如果是一个掺铷钇铝石榴石激光器，激光振荡器35是一根钇铝石榴石棒。激光振荡器被从一个未示出的放电灯来的光所激励。一个熟知的激光谐振器含有这些元件，一个全反射镜36和一个半反射镜36a。一个第一光调制器37设置在谐振器反射镜36与36a之间，一种声光组件之类的组件通常被采用来做这个调制器。通过通断第一光调制器37实现一个Q开关振荡。一个第二光调制器37a设置在谐振器外面的激光光束30的光路上，类同于上述第一光调制器37。通过第二光调制器37a的激光光束30通过一个反射镜38或其类的装置正确地改变了光路，通过一个聚光器聚焦，然后照射到作为工件的轧辊1上。
接着对光调制器37与37a的控制方法进行描述。一个作为取得一个脉冲发生定时的参考信号的高频脉冲信号是由一个连接到轧辊1的转轴上的旋转偏码器40产生的。因为这个脉冲的产生不是由于轧辊的转速而是根据轧辊的旋转角，所以它是一个准确地按照轧辊的旋转情况而发生的信号。这个参考信号通过一个计数器41压缩成例如所需的一个整数的分数，然后转化成轧辊1的每一圈圆周上的点子。此时，从该旋转编码器40来的信号的高频率越高，由计数器41压缩的信号的频率的自由度就越高，因此最好配备分辨率尽可能高的旋转编码器40。驱动光调制器37的驱动器42直接用一个从计数器41产生的信号来控制。
如光调制器37是一个声光组件，驱动器42可产生一个高频电压，这个信号可根据从计数器41来的信号被接通或切断来接通或切断光调制器。由于驱动器42用一个从计数器41来的信号来控制，光调制器37可在工件1表面里的所有点子位置上工作去接通激光。接着，用以驱动光调制器37a的驱动器42a可根据一个从计数器41送来的定时信号来驱动光调制器37a，这定时信号是根据排列成有无点子存在的形式来形成一个图象贮存并形成在图象存储器43内的数据(二进制编码数据)发生的。就是说，光调制器37a设计成这样使激光只有在工件1的表面里形成众多图象中的一个图象所需的象素位置中的一个点子的位置上才接通。实际上，数据是根据从变频器41来的信号从图象存储器读出，然后光调制器驱动器42a被一个具有该读出数据与前面的数据本身的乘积的信号所控制。
本发明的设备的工作将结合图7来描述。
为了描述方便，将先有技术的调制过程与先有技术调制过程中的激光脉冲的波形示出在图7(a)与7(b)内。图7(c)示出本发明的过程与在本发明的过程中取得的波形。
图7(a)示出一个光调制器37设置在谐振器反射镜36与36a之间的案例，这是一个所谓Q开关型振荡方法。在此案例中，有些象素为了本身的方便不需要任何点子。如脉冲的时间间隔变成不规则的间隔，紧跟在上述长间隔后面的脉冲就会显示出一个如图7(a)所示的高的峰值功率，产生不规则。
如图7(b)所示，如果一个光调制器37a设置在谐振器反射镜36与36a的外面，每一个脉冲的数值是有规则地排列的，即使有一个不规则的脉冲间隔。但是，峰值功率值相当低，因此照射时间就延长了，就会产生如上面所述的不规则。
相反，图7(c)所示的本发明的过程是这样来实现的，光调制器37对所有象素都接通激光，因此紧跟在反射镜36a后面的激光脉冲波形变成一个具有图7(c)的直线加上一个虚线的波形，即一个具有等间隔的波形并且所有脉冲的峰值功率数值都相等。此外，不需要的脉冲给光调制器37a隔离掉，从而可获得一串具有不规则的间隔和相等的峰值功率数值的波形，如图7(c)的实线所示。图7(d)示意地解说一行由此激光脉冲所形成的点子44。在图7(a)所示的过程中，在某个间隔舍去以后，点子45具有跟点子44不同的大小。但是，按本发明的方法，就能形成大小跟其他点子44相等的点子46。
用上述的装置就能够用一个Q开关和钇铝石榴石激光器的脉冲在加工轧辊表面的过程中准确地控制点子的位置，消除不规则的点子尺寸，从而获得准确的图案成形。
作为本发明的另一个过程方案，如图8所示，可以考虑提供这样一个装置，从一个谐振器9a输出的一股激光光束通过光谱反射镜47a、47b和47c分成多股光束，每分股光束分别通过光调制器37a、37b和37c独立地被接通或切断，并且同时照射到轧辊1的表面上。按照此过程，每个光调制器37a、37b和37c通过分开的数据来控制。这个过程作为改进加工速度的措施是有效的。
本发明的设备可进行以下的操作。
(a)由于该激光振荡器只要蒸发一薄层树脂膜，就可以采用一个低输出的高频率短波长的脉冲光束，从而可以形成更细的图案;此外不需要用机械斩光盘，因而可以自由地控制激光脉冲的通-断，并且可形成自由的图案。
(b)由于轧辊旋转跟脉冲光束放射定时是电结合的，就可以制出准确的凸起和凹陷的图案，没有任何图案位移的问题，不依靠电动机或其类的速度控制的准确度。
(c)由于凸起和凹陷的图案是由蚀刻工艺形成，就不存在轧辊的凸起和凹陷形成时由于熔化而形成的奥氏体层，因此具有凸起和凹陷的滚轧轧辊具有卓越的抗磨损性能。
(d)它具有简单的步骤，不需要像光刻之类所需的暗室工作，并可实现操作自动化，而且制造成本由于省工而降低。
按照本发明，一个具有用常规喷丸加工或激光加工不能够制出的各种细致凸起和凹陷的滚轧轧辊可以用光刻加工高效率地和经济地制出。在这个情况下，用Q开关和钇铝石榴石激光器可以实现准确的和更细的图案成形。因此，用这种滚轧轧辊就能够提供便宜的、大量的、在冲压成形中具有卓越表面性能的或具有装饰特色的钢板。
跟着描述配置有采用上述轧辊制出的表面图案的钢板，以及其制造方法。
如上所述，用来制造表面上具有微型图案的钢板的常规轧辊是通过喷丸加工或激光光束加工来取得粗糙的表面。常规的轧辊不可能实现本发明所要求的目的。有鉴于此，采用了蚀刻加工，使它适应于上述的目的，而这个蚀刻方法采用在滚轧轧辊上。
这就是，如图17的流程表所示，在轧辊表面上涂复抗蚀剂，一个具有所需图案的薄膜复盖在该表面上，然后将轧辊曝光并显影，随后进行蚀刻加工;或者用激光光束按所需图案照射到抗蚀刻上以除去抗蚀剂，然后进行蚀刻加工，将凸起与凹陷的图案加到轧辊上，如图16所示。这个轧辊用来对冷轧钢板进行表皮光轧。用这样的方法在钢板上取得的凸起和凹陷的图案也展示在图16里。
检查轧辊表面的这些凸起和凹陷的形状明显地发现形成有带平顶凸起的很优良的准确的型边，即使是跟日本专利公告文件昭62-11922的图5和日本专利公开文件昭62-168602的图1比也是很卓越的。
将润滑油施加在这些钢板的表面上，对冲压加工性能进行评估。评估方法是这样进行的，如图18所示，将100kgf的推力加到一个工具61上，这工具在末端上具有一个半径为20mm的球面从试件60的两边相向顶着，然后按滑动试验方法将试件沿垂直于推力62的方向63拉出以测量滑动阻力。当然，如上所述，具有低阻力的试件在冲压成形性能上是卓越的。
图19示出滑动阻力实验的结果。如图19所示，本发明的特征是，具有池状凹陷的钢板的滑动阻力低，并且滑动阻力基本上恒定，跟表面粗度Ra没有任何关系。而具有沟状凹陷的滑动阻力就相当高，Ra增大时滑动阻力也增大。用常规喷丸方法制造的或通过激光钝化加工而在其表面上形成凸起和凹陷的轧辊制造的钢板也示在图19上作为比较的例子(用先有技术加工)。这样的钢板的滑动阻力处在具有上述的池状表面凹陷的钢板的滑动阻力和具有沟状凹陷的钢板的滑动阻力的中间部份上。这个机理可解释如下。
当工具与钢板相对滑动时，保持在凹陷里的润滑油由于工具施加了压力而排出到滑动表面上从而实现润滑作用。
而在沟状凹陷中，油不被包围在沟内，所以润滑油只是随着工具沿沟状凹陷排出，结果是没有润滑油供应到最重要的部位。因此，滑动阻力就高，不适合于冲压成形加工。
至于由常规形式的抛丸加工轧辊制造的钢板对滑动阻力的影响，可以这样来解释，表面上的凸起和凹陷的形状是随意的，并且凸起与凹陷的排列是池状凹陷与沟状凹陷混在一起。如果钢板用激光钝化的轧辊制造，它的凹陷形状是尖的并且凹陷的边缘是切断的和隆起的，因此即使有任何的压力发生，润滑剂也是难以排出的。因此，常规的材料的润滑阻力就处在具有沟状凹陷的和具有池状凹陷的钢板的中间部份上。
接着描述反射清晰度特性。图20示出这些钢板在涂复前后的DOI。涂复条件是这样设定的，在打底进行过后，接着进行电沉积以形成一次垂直涂复。如图20所示，在涂复操作前具有高DOI的材料在进行涂复操作后也显示出高的DOI数值。在涂复操作前具有高DOI数值的材料具有高的平坦区比率并具有低的表面粗度。
在图20中，检查从涂复前同一DOI的涂复后的DOI改进裕度显示具有沟状凹陷的钢板的改进裕度是高的并且在表面里的凸起和凹陷是容易做成均匀的。在用一个喷丸轧辊制成的钢板的情况，涂复操作前后的DOI数值是低的，并且反射清晰度特性变坏。在通过激光钝化加工过程取得的钢板的情况，经过涂复操作的DOI数值的改进裕度是低的。
由于通过上述的基础实验所得的知识，显然，具有池状凹陷与连续沟状凹陷排列在钢板表面上的图案是最优良的，因为这种钢板同时满足了冲压加工性能与反射清晰度。
由于这个图案的排列形式，可提供两个案例。其中一个(案例1)是这样一个图案，在此图案中池状凹陷51与沟状凹陷52交替地排列，如图11示意地所示。在进行冲压加工的情况下，保持在图11池状凹陷51里的润滑剂受到从工具来的压力，排出到材料跟工具接触的平坦部份53上，这就实现了有效的润滑。而在涂复过程中，沟状凹陷53可成为涂复料流道，导致均匀涂复并改进了反射清晰度。
另一个案例(案例2)做成这样，池状凹陷跟沟状凹陷根据冲压成型成品的形状而形成在钢板的不同部位上。
如钢板54要冲压成形，最重要的部位是图14所示的钢板跟模具57接触的那部份54a，而要求反射清晰度的部位是钢板对应于冲头表面55的那部份54b。因此，如果成型成品的形状是熟知的，则池状图案形成在钢板的54a部位而沟状图案形成在54b部位。
这些钢板是通过用具有跟钢板相反的凸起与凹陷的轧辊进行表皮光轧而得出的。在这种情况下，所需的钢板可以通过用图16所示的同时具有池状与沟状凹陷的轧辊进行表皮光轧制造出来。表皮光轧也可以用一个带有池状或沟状凹陷的轧辊进行一道，然后用另一个带有跟前者不同的沟状或池状凹陷的轧辊进行第二道。
下面描述一个在二次表皮光轧中将一个较好的图案施加到钢板上的方法。例如，一块钢板用一个具有一边长(a)的长方形凹陷的轧辊进行一次表皮光轧后要变换到沟状凹陷以包围住带有边(a)的凸起。在此情况下，尽管反射清晰度特性是优良的，但冲压滚轧加工性能不总是优良的。因此需要在带有边(a)的凸起处通过第二道表皮光轧只分开形成池状凹陷。由此，在第二道表皮光轧操作过程中，使用形成有沟状凹陷(换句话说，带有边(b)的凸起)的轧辊，这需要满足下列的方程式(1)。在此方程式中，l表示在第二道表皮光轧轧辊上的凸起与凹陷的节距。
l+b＜a……(1)图21示意地示出这些要素的位置关系。在图21中，标号71表示通过第一道表皮光轧所得到的钢板的一部份剖开的表面，其中带有边长(a)的凸起73跟沟状凹陷72一起形成。就是说，第一道表皮光轧使用了一个形成有带边长(a)的长方形凹陷的轧辊。
如果这钢板要设有节距为l、宽度为(b)池状凹陷76，用具有节距为l、宽度为(b)的沟状凸起74的第二道表皮光轧轧辊75来分隔开，上述方程式(1)必须满足。
图22示出一种情况，其中通过第一道表皮光轧取得的钢板71具有节距为l、宽度为(b)的分隔开的池状凹陷76。如图22所示，分隔开的节距为l、一边为(b)的池状凹陷76通过第一道表皮光轧施加到钢板71上，接着可以用一个具有满足上述方程式(1)的一边为(a)的、分隔开的池状凹陷77的轧辊进行第二道表皮光轧。
接着描述这些最小表面图案的合适的大小。
为了防止在冲压成形过程中出现诸如开裂的故障，需要在池状凹陷内保持有润滑剂。为了防止发生如上所述的模具擦伤，需要设有凹陷以捕集冲压加工过程中产生的磨损粉末。贮存在图11所示的池状凹陷51内的润滑油流出到平坦部份53上以防止在平坦部份53与工具之间发生金属接触。在这动作过程中，设想在接触表面上所需的最小润滑油膜厚度约为1微米，还设定池状凹陷51与平坦部份53的表面面积分别为Sa与Sb，池状凹陷51的深度d(微米)可以下式表示，d≥(Sb/Sa)
这就是说，当平坦部份53的面积大于池状凹陷51的面积时，池状凹痕就深一些，而当后者比前者大，池状凹陷就浅一些。如Sb/Sa的值太大，如上面结合激光钝化轧辊加工所述的，就很容易出现这种情况，没有足够量的润滑油供应到平坦部份53上，在此情况下，方程式变成(Sb/Sa)≤5降低(Sb/Sa)值将导致池状凹陷内保持润滑油的空间增大，这个对进行冲压成形加工是有效的。但是，平坦表面53的面积减小就使反射清晰度变坏。如果工作经过涂复工序，涂复后的反射清晰度在侧沟的作用下改进多一些。
在此情况下，假定这个问题理解为一个宽的问题，并且，即使不进行涂复也保证有比较好的反射清晰度。根据这个技术概念，(Sb/Sa)≤0.5这个关系式是合适的。因此下列的关系式0.5≤(Sb/Sa)≤5.0是合适的。至于深度(d)，如上所述，可采用d≥(Sb/Sa)这个关系式。但是，如果设想捕集由模具擦伤所产生的铁粉末的功能要考虑进去，最好用d＞2.0(微米)这个关系式。
上述的只是一个示例，如果要进行例如浴缸那样的深引伸工作，或者当模具擦伤成为相当大的问题的时候，可得出d＞10.0微米这个关系式;在成形拉伸量低的情况下，数值(d)是低的，并可得出(Sb/Sa)≥10这样的关系式。
关于池状凹陷的形状，图11所示的图案自然是一个示例，所以不一定限于长方形。虽然上述的平面表面可以用通过蚀刻加工制出的、一个示例示出在图17内的滚子来实现，但是深度必定要按表皮光轧的条件来改变。
接着描述表皮光轧率的影响。随着表皮光轧压缩率增加，如图12所示，轧辊的凸起与凹陷深入地转移到钢板上，使钢板很容易地取得预定形状的凸起和凹陷。如果滚轧率低，转移率就低，那就可能得不到预定的形状。因此这个比率最好超过0.3%。如果压缩率增高，如图13所示，钢板本身的机械性能(屈服强度Ys与延伸率El)变坏，冲压加工性能变坏。即Ys增高，El下降。由于前面的原因，最好在图12示出的压缩率的范围内进行表皮光轧，即压缩率在2.0%内。
接着，结合示例描述本发明的最佳实施例的钢板的特性。
图5示出本发明的一个成果的一个示例，在0.6mm厚的低碳铝脱氧镇静钢板上做出本发明的凸起和凹陷的结构。此时轧辊是一个冷轧光亮辊(3%铬钢)，通过上述蚀刻加工在其上配置跟图15所示的相反的凸起与凹陷。此轧辊的Rz(凸起与凹陷的最大差值)是20微米。以0.6至1.5%的压缩率进行滚轧，钢板的Rz值是4至10微米。机械性能的变坏也保持在一个不发生任何问题的水平上。
图19与20分别示出这钢板的滑动试验与涂复试验的结果。显示冲压成形性能的滑动阻力跟在初步实验显示相当低的滑动阻力的池状凹陷的同一水平。至于反射清晰度，可达到跟沟状凹陷同样的水平。
本发明的薄钢板具有一个涂复后反射清晰度优良的凸起与凹陷的结构，并且很容易用滚轧轧辊通过表皮光轧将凸起与凹陷的图案转移的方法制造出来。
权利要求
1.一种用来在一个滚轧轧辊的表面上形成微型图案的方法，其特征在于包含以下步骤(1)通过将一种抗酸蚀的树脂溶液和吸光媒剂的混合物涂布到滚轧轧辊表面上以在其上形成一层抗酸蚀的树脂薄膜；(2)用一个Q开关和一个5到100瓦平均输出的钇铝石榴石激光器将所需图案划在此树脂薄膜上，并将这样在轧辊表面上制出的图案暴露出来；(3)然后进行蚀刻以在轧辊表面上形成所需的图案。
2.按权利要求1的方法，其特征在于形成在轧辊表面上的树脂薄膜的厚度是1到10微米。
3.一种用来在一个滚轧轧辊的表面上形成微型图案的设备，其特征在于含有(a)一个用来支撑轧辊并将其转动的轧辊转动装置;(b)一个用来将树脂状物质涂复的涂复装置;(c)一个激光绘图装置，它含有一个用来根据一个电信号发生一个脉冲状激光的激光振荡器和一个用来将所述激光导引到轧辊表面并将其聚焦的装置。(d)一个用来对被所述激光绘图装置加工过的轧辊表面进行蚀刻的蚀刻装置;(e)一个用来沿轧辊的轴线方向独立地或同时地移动各个所述的涂复装置、激光绘图装置和蚀刻装置的移动装置;(f)一个图象处理装置，用来制出要形成在轧辊表面上的图案，将图案分成一些点子以形成二进制编码并制出一系列绘图数据;(g)一个控制装置，用来根据一个从一个探测轧辊转动角度的装置送来的信号和所述绘图数据来指挥所述激光绘图装置的脉冲放射时间。
4.按权利要求3的设备，其特征在于激光绘图装置配设有一个钇铝石榴石激光振荡器，一个设置在该激光振荡器内的谐振器反射镜之间的第一光调制器，和一个设置在激光振荡器外面的激光光束路径的半路上的第二光调制器;轧辊转动装置配设有一个由一个旋转编码器组成的用来探测轧辊的旋转角度的装置。控制装置配设有一个根据所述旋转编码器的一个时钟信号来驱动所述第一光调制器的光调制器驱动器，和一个根据一个信号来驱动所述第二光调制器的光调制器驱动器，该信号是从所述时钟信号取出的、相应于结合绘图数据形成所述图象所需的点子的那一部份。
5.按权利要求3或4的设备，其特征在于激光绘图装置配设有一个用来将一个激光光束在激光振荡器与第二光调制器之间分成多根线，并根据分开的激光光束的数目配设多个第二光调制器。
6.一种用于冲压成形的金属薄板，其特征在于在其表面上具有由独立的沟状凹陷与连续的沟状凹陷构成的微型图案。
7.按权利要求6的金属薄板，其特征在于独立的池状凹陷按规则的位置排列，而连续的网状沟状凹陷则围绕着所述池状凹陷的外周设置。
8.按权利要求6的金属薄板，其特征在于独立的池状凹陷布置在薄板表面的一个部份，而连续的网状沟状凹陷布置在薄板表面的另一部份。
9.一种用来滚轧冲压成形用的金属薄板的轧辊，其特征在于含有由平顶独立梯形凸起与/或平顶连续网状凸起构成的表面图案。
10.一种用来制备一种冲压成形用的金属薄板的方法，其特征在于含有顺序地使用一个具有独立梯形凸起的轧辊与一个具有网状凸起的轧辊来进行的表皮光轧加工。
11.按权利要求10的制备冲压成形用的金属薄板的方法，其特征在于具有连续网状凸起的轧辊具有一个大于另一个轧辊的独立梯形凸起的宽度与间距之和的孔径。
12.一种用来制备冲压成形用的金属薄板的方法，其特征在于含有使用一个提供一个由平顶独立梯形凸起与/或平顶连续网状凸起构成的表面图案的轧辊，和按0.3至2.0%压缩率将薄板进行表皮光轧。
全文摘要
一种用来在一个滚轧轧辊的表面上形成微型图案的方法与设备，并提供一种金属薄板和使用该轧辊将微型图案转移到薄板上的制备方法。这种滚轧轧辊可用这样的方法得到，即在表面上形成混合有吸光剂的树脂薄膜，采用一个输出为5到100瓦的Q开关钇铝石榴石激光器来在树脂薄膜上制图，薄膜上一部分严格按图案去除，然后对轧辊表面进行蚀刻加工。用此轧辊进行表皮光轧的金属薄板用来作汽车表皮显示出优良的冲压加工性能和反射清晰度。
文档编号C23F1/02GK1039203SQ8910268
公开日1990年1月31日 申请日期1989年4月22日 优先权日1988年4月22日
发明者井口贵朗, 玉利孝德, 比良隆明, 磯辺邦夫, 田征雄, 阿部英夫 申请人:川崎制铁株式会社