一种版辊及其加工方法
阅读说明：本技术 一种版辊及其加工方法 (Printing roller and processing method thereof ) 是由 谢迎春 黄仁忠 王高民 张科杰 鲍雪球 殷硕 邓春明 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种版辊及其加工方法,属于印刷装备技术领域。该版辊包括版辊本体、印刷工作层以及2根端轴,2根端轴分别连接于版辊本体的两端,印刷工作层设置于版辊本体的外表面；版辊本体的制备材料为高强轻质合金。该版辊密度低,质量小,结构简单,成本低,转动惯性小,印刷性能稳定,摩擦噪音低,印刷寿命长,日常维护保养工作量小,服役性能稳定,从节能、环保,经济性和实用性方面较现有技术均有较大提升,对于凹版印刷技术的提升具有重要意义。(The invention discloses a printing roller and a processing method thereof, and belongs to the technical field of printing equipment. The printing roller comprises a printing roller body, a printing working layer and 2 end shafts, wherein the 2 end shafts are respectively connected to two ends of the printing roller body, and the printing working layer is arranged on the outer surface of the printing roller body; the preparation material of the plate roller body is high-strength light alloy. This version roller density is low, and the quality is little, simple structure, and is with low costs, and rotation inertia is little, and printing performance is stable, and the friction noise is low, and the printing is longe-lived, and the daily maintenance work load is little, and the service performance is stable, from energy-conservation, environmental protection, all has great promotion than prior art in the aspect of economic nature and the practicality, has the significance to the promotion of intaglio printing technique.)
技术领域
本发明涉及印刷装备
技术领域
，具体而言，涉及一种版辊及其加工方法。背景技术
版辊是凹版印刷机最为核心的部件之一，基于使用成本、镀层制备要求及服役性能，版辊本体多使用45#钢，20#钢等常规钢铁材料，再经表面电镀镍打底层(＜10μm)，电镀纯铜工作层(＞100μm)，机械抛光、版型设计，表面雕刻、电镀硬铬制成。
在保证印刷质量的前提下，印刷速度作为印刷工业，成本、效益、竞争性的重要体现，更快的印刷速度(即版辊转速)是印刷科技发展的重要方向。版辊工作时高速运转，要求连续均匀地传递印刷介质，版辊表面与待印产品始终处于高速运转的接触摩擦状态。同时，版辊转速的逐步提高直接导致了版辊磨损的加剧，现有版辊表面，基于化学药剂添加的电镀铜工艺，已难以满足使用要求。并且，随着印刷效率对版辊转速需求的提升，版辊(尤其是钢铁材料版辊)运转伴随的震动、偏心摩擦、印刷滑移以及摩擦噪音等问题均急剧放大，现有版辊制备技术从材料、制备工艺等已完全不能满足下一代凹版印刷技术的性能要求。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种版辊，其在一定程度上可避免和及解决传统的钢铁材料版辊运转伴随的震动、偏心摩擦、印刷滑移以及摩擦噪音等问题。
本发明的目的之二在于提供一种上述版辊的加工方法，该方法简单，易操作。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供一种版辊，其包括版辊本体、印刷工作层以及2根端轴，2根端轴分别连接于版辊本体的两端，印刷工作层设置于版辊本体的外表面。版辊本体的制备材料为强度不低于350MPa且密度不高于4.5g/cm3的合金。
在可选的实施方式中，上述合金的强度为大于500MPa，密度不高于2.7g/cm3。
在可选的实施方式中，上述合金包括铝基合金、镁基合金或钛基合金。
在可选的实施方式中，版辊本体的长度为200-4000mm，直径为50-500mm。
在可选的实施方式中，版辊本体的外表面的表面粗糙度为5-15μm。
在可选的实施方式中，端轴的制备材料包括20#钢、45#钢、高碳钢和316不锈钢中的至少一种。
在可选的实施方式中，印刷工作层的制备材料包括铜基材料。
在可选的实施方式中，印刷工作层的制备材料包括黄铜、青铜或铬锆铜。
在可选的实施方式中，印刷工作层的制备材料为粉末材料，优选为粒径为5-100μm的粉末材料，更优为粒径为20-50μm的粉末材料。
在可选的实施方式中，端轴的制备材料为316不锈钢，版辊本体的制备材料为7075铝合金，印刷工作层的制备材料为黄铜。
在可选的实施方式中，端轴与版辊本体同轴设置。
在可选的实施方式中，印刷工作层的表面粗糙度＜5μm。
在可选的实施方式中，印刷工作层的厚度为10-1000μm。
在可选的实施方式中，印刷工作层的外表面雕刻有待印图文。
在可选的实施方式中，待印图文的雕刻深度为5-950μm。
第二方面，本申请提供如前述实施方式任一项的版辊的加工方法，包括以下步骤：将2根端轴分别连接于版辊本体的两端，于版辊本体的外表面设置印刷工作层。
在可选的实施方式中，端轴与版辊本体通过焊接或机械连接的方式连接。
在可选的实施方式中，焊接为激光焊接或搅拌摩擦焊接。
在可选的实施方式中，机械连接为机械铆合。
在可选的实施方式中，以表面固态增材方式于版辊本体的外表面设置印刷工作层。
在可选的实施方式中，表面固态增材方式为金属固态沉积方式。
在可选的实施方式中，印刷工作层的制备材料于200-1500m/s的速度下沉积于版辊本体的外表面；优选地，印刷工作层的制备材料于800-1200m/s的速度下沉积于版辊本体的外表面。
在可选的实施方式中，沉积过程中，用于对制备材料进行加速的高压气体通过拉法尔管进行加速。
在可选的实施方式中，当印刷工作层的外表面雕刻有待印图文时，待印图文通过电子雕刻、激光雕刻或化学雕刻的方式形成。
在可选的实施方式中，在设置印刷工作层之前，还包括对版辊本体的外表面进行净化处理以及喷砂处理。
在可选的实施方式中，在雕刻待印图文之前，还包括对印刷工作层进行车刀和磨削以使印刷工作成达到预设的表面粗糙度和厚度。
本申请的有益效果包括：
通过以强度不低于350MPa且密度不高于4.5g/cm3的高强轻质合金作为版辊本体的制备材料，使得版辊整体密度低，质量小、强度高，转动惯性小，工作启动快，印刷性能稳定，摩擦噪音小，可有效解决传统的版辊运转伴随的震动、偏心摩擦、印刷滑移以及摩擦噪音等问题，有利于提升印刷寿命，降低日常维护和保养的工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的版辊成品的示意图；
图2为本申请提供的版辊的截面的结构示意图；
图3为本申请实施例1中黄铜材质的印刷工作层的微观表面形貌图；
图4为本申请实施例1中雕刻图案的示意图。
图标：1-端轴；2-版辊本体；3-印刷工作层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的版辊及其加工方法进行具体说明。
本申请提出一种版辊，请参照图1和图2，其包括2根端轴1、版辊本体2以及印刷工作层3，2根端轴1分别连接于版辊本体2的两端，印刷工作层3设置于版辊本体2的外表面。
版辊本体2的制备材料为强度不低于350MPa且密度不高于4.5g/cm3的高强轻质合金，优选为强度大于500MPa、密度不高于2.7g/cm3的合金。
端轴1与版辊本体2同轴设置，且在同心调控后无变形，可在印刷过程中保持稳定高速旋转。
本申请中，版辊的端轴1的制备材料例如可包括20#钢、45#钢、高碳钢和316不锈钢中的至少一种。此类制备材料的成本较低，硬度高且耐磨。
上述高强轻质合金例如可包括铝基合金、镁基合金或钛基合金。此外，也不排除以其它高强轻质合金作为本申请中版辊本体2的制备材料。
本申请通过以高强轻质合金取代现有技术中的碳钢、不锈钢等高密度材料作为版辊本体2的制备材料，使得版辊整体成本低，密度低，质量小、强度高，转动惯性小，工作启动快，印刷性能稳定，摩擦噪音小，不可仅有效解决传统的版辊运转伴随的震动、偏心摩擦、印刷滑移以及摩擦噪音等问题，而且还可避免钢、铁等材质的版辊存在的密度高、转动惯性大，以及工作启动慢的问题，能够实现更高的印刷速度，提高印刷效率，并有利于提升印刷寿命，降低日常维护和保养的工作量。
在可选的实施方式中，上述版辊本体2的长度可以为200-4000mm，如200mm、500mm、800mm、1000mm、1500mm、2000mm、2500mm、3000mm、3500mm或4000mm等，也可为200-4000mm范围内的其它任意长度值。上述版辊本体2的直径可以为50-500mm，如50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm或500mm等，也可为50-500mm范围内的其它任意直径值。此外，版辊本体2的尺寸(包括长度和直径)还可根据不同型号的凹版印刷机的尺寸进行相应调整。
可参考地，上述版辊本体2的外表面的表面粗糙度可以为5-15μm(如5μm、10μm或15μm等)，有利于印刷工作层3的设置。
值得强调的是，版辊高速工作过程中，易出现硬度下降、磨损、开裂、剥落等现象，工作寿命短，更换频繁，成本大幅度上升。同时，转速的提高对版辊表面工作层的耐磨及稳定性也提出了更高的要求。本申请的印刷工作层3的制备材料包括具有一定的塑性变形能力的铜基材料，具体的，其可包括黄铜、青铜或铬锆铜。以上述黄铜、青铜或铬锆铜等铜基材料制备得到的表面工作层较传统电镀纯铜工作层具有更高的硬度和耐磨性能，可大幅度提升版辊的使用寿命，有效增强相关企业的竞争力。
在可选的实施方式中，印刷工作层3的制备材料为粉末材料，具体形状不限，可以为球形，也可以为羽毛形等。较佳地，印刷工作层3的制备材料为粒径为5-100μm(如5μm、10μm、20μm、50μm、80μm或100μm等)的粉末材料，更优为粒径为20-50μm(如20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等)的粉末材料，上述粒径尺寸较利于加速。
在一些优选的实施方式中，本申请的版辊的端轴1的制备材料为316不锈钢，版辊本体2的制备材料为7075铝合金，印刷工作层3的制备材料为黄铜。
较佳地，本申请的版辊的印刷工作层3的表面粗糙度＜5μm，厚度为10-1000μm(如10μm、100μm、200μm、500μm、800μm或1000μm等)，该厚度可根据印刷质感需求进行调整。
进一步地，上述印刷工作层3的外表面雕刻有待印图文。可参考地，该待印图文的雕刻深度可以为5-950μm，如5μm、10μm、50μm、100μm、200μm、500μm、800μm或950μm等，相应的版辊即为凹印版辊。
此外，本申请还提供了上述版辊的加工方法，包括以下步骤：将2根端轴1分别连接于版辊本体2的两端，于版辊本体2的外表面设置印刷工作层3。
可参考地，端轴1与版辊本体2通过焊接或机械连接的方式连接成整体。其中，焊接可以为激光焊接或搅拌摩擦焊接。机械连接可以为机械铆合。
需要强调的是，现有的在版辊表面电镀镍打底层和电镀纯铜工作层的方式并不适用于本申请中铝、镁、钛等基等轻质高强合金材料表面，也即在本申请中铝、镁、钛等基等轻质高强合金材料表面无法通过电镀方式制备相应的工作层，严重限制了此类材料在凹版印刷领域的应用，并成为本领域长期以来尚未解决的技术难题。发明人通过长期研究，创造性地提出了直接在高强轻质合金制得的版辊本体2的外表面以表面固态增材方式设置印刷工作层3，该方式无需电镀纯镍等工作层，并可在轻质高强合金材料的版辊本体2的外表面有效制备得到具有高硬耐磨的工作层。
在可选的实施方式中，表面固态增材方式为金属固态沉积方式。
具体的，印刷工作层3的制备材料于200-1500m/s(如200mm/s、500mm/s、800mm/s、1000mm/s、1200mm/s或1500mm/s等)的速度下沉积于版辊本体2的外表面。优选地，印刷工作层3的制备材料于800-1200m/s(如800mm/s、900mm/s、1000mm/s、1100mm/s或1200mm/s等)的速度下沉积于版辊本体2的外表面。
其原理可参考：通过气体、磁场、等离子体等任意可对粉末加速的方法，将印刷工作层3的制备材料加速到200-1500m/s的高速，当粉末高速撞击到版辊本体2的外表面时，便会发生强烈的塑性变形，碰撞局部界面形成熔化，进而沉积到版辊本体2的外表面。当大量高速粉末颗粒不断沉积后，便会在版辊本体2的外表面形成高致密高硬度的耐磨铜基工作层。
值得说明的是，当制备材料的速度加速至超过1500m/s时，容易导致材料过热熔化，工作层不致密，版辊本体变形等问题。
在可选的实施方式中，沉积过程中，用于对制备材料进行加速的高压气体通过拉法尔管进行加速。
较佳地，在设置上述印刷工作层3之前，还包括对版辊本体2的外表面进行净化处理以及喷砂处理。具体的，可以是利用火焰或丙酮进行净化处理，随后再对经表面净化处理过的外表面进行表面毛化喷砂处理，使其表面粗糙度达到相应的需求。
进一步地，在雕刻待印图文之前，还包括将制备有印刷工作层3的版辊本体2依次固定到车床和磨床上，随后对印刷工作层3进行车刀和磨削以使印刷工作成达到预设的表面粗糙度和厚度。
上述待印图文可通过电子雕刻、激光雕刻或化学雕刻的方式形成。
通过上述加工方法，可制备出轻质可实现超高速(＞200m/min)印刷的长寿命凹印版辊。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种版辊，其包括2根端轴1、版辊本体2以及印刷工作层3，2根端轴1分别连接于版辊本体2的两端，印刷工作层3设置于版辊本体2的外表面。其中，版辊本体2的长度为1000mm，直径为300mm。端轴1与版辊本体2同轴设置，且在同心调控后无变形。
该版辊的加工方法包括如下步骤：
将316不锈钢材质的端轴1通过搅拌摩擦焊技术与由7075铝合金制得的版辊本体2焊接在一起。
将连接后的端轴1和版辊本体2进行同心调控，确保高速旋转后无偏心变形，完成版辊毛坯制备。
将上述版辊毛坯固定在转台上，并对版辊本体2的辊面(也即外表面)用丙酮进行净化处理；再对经表面净化处理过的外表面进行毛化喷砂处理，使表面粗糙度达到Ra15。
利用气体加速金属固态沉积技术，将尺寸为15-45μm的球形黄铜粉末送入由拉法尔管喷出的高速空气气流中，利用高速气流将黄铜粉末加速到平均速度800m/s，通过大量加速后的黄铜粉末撞击到版辊本体2表面，经塑形变形，在版棍本体的表面固态沉积一层厚度约为500μm的黄铜材质的印刷工作层3，其微观表面形貌图如图3所示。
将制备有印刷工作层3的版辊依次固定到车床和磨床上，对印刷工作层3进行车刀和磨削加工，使印刷工作层3的表面粗糙度＜Ra5、厚度为450μm。
然后利用激光雕刻工艺，对磨削处理后的印刷工作层3进行雕刻，图案雕刻深度550μm，从而在版辊表面形成待印图文(也即雕刻图案，如图4所示)，实现轻质超高速印刷长寿命版辊的加工。
实施例2
本实施例提供一种版辊，其包括2根端轴1、版辊本体2以及印刷工作层3，2根端轴1分别连接于版辊本体2的两端，印刷工作层3设置于版辊本体2的外表面。其中，版辊本体2的长度为200mm，直径为50mm。端轴1与版辊本体2同轴设置，且在同心调控后无变形。
该版辊的加工方法包括如下步骤：
将20#钢材质的端轴1通过激光焊接技术与由ZK61镁合金制得的版辊本体2焊接在一起。
将连接后的端轴1和版辊本体2进行同心调控，确保高速旋转后无偏心变形，完成版辊毛坯制备。
将上述版辊毛坯固定在转台上，并对版辊本体2的辊面(也即外表面)用火焰进行净化处理；再对经表面净化处理过的外表面进行毛化喷砂处理，使表面粗糙度达到Ra15。
利用磁场加速金属固态沉积技术，将尺寸为50-100μm的羽毛形青铜粉末加速到平均速度200m/s，通过大量加速后的青铜粉末撞击到版辊本体2表面，经塑形变形，在版棍本体的表面固态沉积一层厚度约为150μm的青铜材质的印刷工作层3。
将制备有印刷工作层3的版辊依次固定到车床和磨床上，对印刷工作层3进行车刀和磨削加工，使印刷工作层3的表面粗糙度＜Ra5、厚度为10μm。
然后利用电子雕刻工艺，对磨削处理后的印刷工作层3进行雕刻，图案雕刻深度5μm，从而在版辊表面形成待印图文，实现轻质超高速印刷长寿命版辊的加工。
实施例3
本实施例提供一种版辊，其包括2根端轴1、版辊本体2以及印刷工作层3，2根端轴1分别连接于版辊本体2的两端，印刷工作层3设置于版辊本体2的外表面。其中，版辊本体2的长度为4000mm，直径为500mm。端轴1与版辊本体2同轴设置，且在同心调控后无变形。
该版辊的加工方法包括如下步骤：
将高碳钢材质的端轴1通过机械铆合技术与由TC4合金制得的版辊本体2焊接在一起。
将连接后的端轴1和版辊本体2进行同心调控，确保高速旋转后无偏心变形，完成版辊毛坯制备。
将上述版辊毛坯固定在转台上，并对版辊本体2的辊面(也即外表面)用丙酮进行净化处理；再对经表面净化处理过的外表面进行毛化喷砂处理，使表面粗糙度达到Ra15。
利用等离子体加速金属固态沉积技术，将尺寸为5-45μm的球形黄铜粉末及尺寸为5-45μm的铬锆铜粉末的混合粉末加速到平均速度1200m/s，通过大量加速后的混合粉末撞击到版辊本体2表面，经塑形变形，在版棍本体的表面固态沉积一层厚度约为1050μm的黄铜及铬锆铜混合材质的印刷工作层3。
将制备有印刷工作层3的版辊依次固定到车床和磨床上，对印刷工作层3进行车刀和磨削加工，使印刷工作层3的表面粗糙度＜Ra5、厚度为1000μm。
然后利用化学雕刻工艺，对磨削处理后的印刷工作层3进行雕刻，图案雕刻深度950μm，从而在版辊表面形成待印图文，实现轻质超高速印刷长寿命版辊的加工。
对比例
将高碳钢材质的圆柱加工成版辊毛坯尺寸。
将端轴1和版辊本体2进行同心调控，确保高速旋转后无偏心变形，完成版辊毛坯制备。
将上述版辊毛坯固定在转台上，并对版辊本体的辊面(也即外表面)用丙酮进行净化处理；再对经表面净化处理过的外表面进行毛化喷砂处理，使表面粗糙度达到Ra15。
利用电镀的方法在版辊表面制备一层厚度约为50μm的纯铜材质的印刷工作层3。
将制备有印刷工作层3的版辊依次固定到车床和磨床上，对印刷工作层3进行车刀和磨削加工，使印刷工作层3的表面粗糙度＜Ra5、厚度为40μm。
然后利用电子雕刻工艺，对磨削处理后的印刷工作层3进行雕刻，图案雕刻深度20μm，从而在版辊表面形成待印图文，实现轻质超高速印刷长寿命版辊的加工。
对比例相对于实施列，辊体本体主要采用高碳钢材质，密度高，总体质量更大，转动惯性大，启动慢，在高速下震动剧烈，无法实现超高速(＞200m/min)印刷。同时，利用电镀纯铜，相对于固态沉积的黄铜等材料，硬度会在6个月内，从200Hv，下降到60Hv，耐磨稳定性差，耐磨性能低，服役寿命短。工作层的电镀工艺还存在环境污染问题。
综上所述，本申请提供的版辊以及其加工方法相较于现有技术而言，至少具有以下优势：
(1)所有环节无需电镀，工艺绿色环保，成本低；
(2)利用铝、镁、钛等基等高强轻质合金作为主要材料，版辊整体密度低，强度高，转动惯性小，工作启动快，可解决传统的钢铁材料版辊运转伴随的震动，偏心摩擦、印刷滑移，摩擦噪音等问题；
(3)相较于电镀铜涂层，固态增材的黄铜、青铜等铜基表面工作层硬度更高，耐磨性能优异，可大幅度提升版辊的使用寿命，有效增强相关企业的竞争力。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。