摘要：介紹了電子雕刻機(jī)雕刻頭的研究現(xiàn)狀與發(fā)展。目前成熟應(yīng)用的主要是電磁驅(qū)動(dòng)式的，分為擺動(dòng)式和直動(dòng)式，具有雕刻頻率高、雕刻質(zhì)量好的特點(diǎn)；同時(shí)介紹了工作原理不同于電磁式雕刻頭的電子束雕刻和激光雕刻，尤其激光雕刻，具有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Γ灰约罢谘芯亢桶l(fā)展的壓電陶瓷和超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器，這些功能材料的應(yīng)用研究為雕刻頭的發(fā)展提供了很好的參考
方向。

關(guān)鍵詞：雕刻頭 電磁驅(qū)動(dòng)；激光雕刻；電子束雕刻；壓電陶瓷；超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器

凹版印刷以其印品墨層厚實(shí)、顏色鮮艷、飽和度高、印版耐印力高、印刷速度快等優(yōu)點(diǎn)在圖文出版和包裝印刷領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)重要的地位。目前，電雕凹版因技術(shù)*、成本低、制版質(zhì)量高且穩(wěn)定、適應(yīng)范圍廣、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已在凹版制造中占主導(dǎo)地位，一直是近年來(lái)的主流雕刻方法。印版的好壞是決定印刷質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，凹版電子雕刻效率的高低直接影響到整個(gè)凹版制版的進(jìn)程。印版是電雕系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化的圖文信息驅(qū)動(dòng)雕刻頭在版輥上雕刻網(wǎng)穴后處理而成，因此，雕刻頭的驅(qū)動(dòng)裝置在整個(gè)制版過(guò)程中起著重要作用。從上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始，此領(lǐng)域的科技人員不斷探索，希望能提高電子凹版雕刻的效率及質(zhì)量，雕刻效率及質(zhì)量可以從多方面提高，提高電子雕刻機(jī)的雕刻頻率是一種zui有效zui直接的途徑。德國(guó)、美國(guó)、瑞土和日本在電子雕刻技術(shù)方面處地位，我國(guó)在這方面的研究基本為空白「5」。文中主要介紹了電子雕刻頭的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

1 電子機(jī)械雕刻

電子機(jī)械雕刻是由電·機(jī)械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)雕刻刀，在滾筒上雕刻出網(wǎng)穴的一種方法，其關(guān)鍵在于電·機(jī)械轉(zhuǎn)換器的工作性能。

1．1 常用結(jié)構(gòu)的原理及特點(diǎn)

一般而言，磁鋼產(chǎn)生穩(wěn)恒磁通，控制線圈產(chǎn)生控制磁通，二者差動(dòng)疊加產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)的電磁力，帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)。

1．2 轉(zhuǎn)動(dòng)式電磁鐵

結(jié)構(gòu)原理如圖1所示「2」，磁鋼在氣隙中產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)，在控制線圈未加電時(shí)，通過(guò)裝配時(shí)的調(diào)試，銜鐵處于相對(duì)平衡位置；當(dāng)控制線圈加電時(shí)，銜鐵被極化，產(chǎn)生磁力拉動(dòng)銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，圖中顯示了銜鐵的一種極化方式。當(dāng)控制線圈加以高頻變化的電流或電壓時(shí)，銜鐵便產(chǎn)生高頻擺動(dòng)，帶動(dòng)雕刻刀進(jìn)行雕刻工作。

高剛度的回復(fù)彈簧是利用銜鐵所在扭桿的彈性扭轉(zhuǎn)來(lái)得到，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高剛度易實(shí)現(xiàn)；且?guī)в蟹€(wěn)恒磁場(chǎng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)電磁鐵系統(tǒng)的工作點(diǎn)，使磁鋼發(fā)揮效能；控制線圈只有一個(gè)，與采用2個(gè)控制線圈的相比，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，縮小了體積。

Hell公司的電雕機(jī)采用的擺動(dòng)式雕刻頭如圖2所示，其銜鐵結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)銜鐵的擺動(dòng)帶動(dòng)金剛石雕刻刀在版輥上雕刻凹穴，利用扭桿的扭轉(zhuǎn)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)高剛度回復(fù)彈簧的功能，并且其半圓型的一端用來(lái)調(diào)節(jié)扭桿的剛度，輸出桿上有阻尼環(huán)，用來(lái)調(diào)節(jié)電磁鐵系統(tǒng)的輸出特性。

1．3 直動(dòng)式電磁鐵「2-3」

結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，帶有雕刻刀的直動(dòng)軸固定在銜鐵上，裝配時(shí)調(diào)節(jié)銜鐵，使之在磁場(chǎng)中處于相對(duì)平衡狀態(tài)，當(dāng)控制線圈未加電時(shí)，磁鋼的引力不能使銜鐵產(chǎn)生動(dòng)作；當(dāng)控制線圈加電時(shí)，銜鐵產(chǎn)生極性，在電磁力的作用下，克服銜鐵剛度，運(yùn)動(dòng)一定位移。給控制線圈加以高頻電壓或電流，銜鐵產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)雕刻刀的垂直運(yùn)動(dòng)，完成在版輥上雕刻凹穴的工作。

在此結(jié)構(gòu)中，銜鐵的運(yùn)動(dòng)是平動(dòng)，氣隙兩側(cè)是異名磁極；高剛度回復(fù)彈簧通過(guò)銜鐵的彈性變形得到。

國(guó)外某些公司采用該結(jié)構(gòu)原理，也可以達(dá)到很高頻率。該結(jié)構(gòu)電磁鐵結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積也較大，裝配調(diào)試也有一定的難度。在電子機(jī)械雕刻方面，Hell公司雕刻頭的雕刻頻率由起初的4000Hz發(fā)展到如今的12800Hz，MDC公司的VISION3雕刻頭達(dá)到8100Hz，在網(wǎng)穴深度稍減時(shí)可達(dá)8600Hz，提高了生產(chǎn)效率，電子雕刻具有雕刻網(wǎng)穴的深度和面積均可變化、重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且雕刻過(guò)程中無(wú)污染。

2 激光雕刻和電子束雕刻

2．1 激光雕刻「5-8」

20世紀(jì)70年代，激光就開(kāi)始在膠印、凹印制版領(lǐng)域發(fā)揮作用，在90年代，國(guó)外的公司開(kāi)始激光直接雕刻的研究。激光直接雕刻銅版，在技術(shù)上一直認(rèn)為是不可行的，但它可以直接雕刻鋅。瑞士MDC公司通過(guò)制版工藝的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)激光直攘雕刻。先在鋼輥上電鍍一薄層鎳，然后再在其表面鍍銅，隨后又鍍了一層鋅。這層鋅可吸收激光能量并被蒸發(fā)，隨之蒸發(fā)的還有其下面的銅，便生成了載墨的網(wǎng)穴。雕刻后，像其他雕刻滾筒一樣，zui終在滾筒上鍍一層堅(jiān)硬的鉻。還開(kāi)發(fā)了大約500W功率的YAG激光器，每秒能雕刻7萬(wàn)個(gè)網(wǎng)穴。

直接激光雕刻系統(tǒng)主要由3部分組成：高能量的激光；激光傳輸系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)焦距，來(lái)調(diào)節(jié)單位面積上的能量。激光的原理如圖5所示。

激光脈；中的聚焦點(diǎn)直徑和入射能量決定網(wǎng)點(diǎn)的幾何形狀。簡(jiǎn)單的直接激光雕版系統(tǒng)只能調(diào)整能量的大小，而激光聚焦點(diǎn)的直徑根據(jù)所需的網(wǎng)點(diǎn)預(yù)先設(shè)置，在雕版過(guò)程中不能改變。網(wǎng)點(diǎn)直徑由激光聚焦點(diǎn)的直徑?jīng)Q定。


*的SHC（NewSuperHalfautotypiealCell）調(diào)整方法使每個(gè)激光脈；中的2個(gè)參數(shù)：能量和聚焦點(diǎn)的直徑都可以調(diào)整。“*”意味著每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的幾何形狀——網(wǎng)點(diǎn)的直徑和網(wǎng)點(diǎn)的深度可以相互獨(dú)立，在確保直接激光雕版的精度下任意調(diào)整。Hell解決了激光直接雕刻銅版的技術(shù)困難，在Drupa2004上展示了所研制的可直接在銅版或鉻版上進(jìn)行雕刻的激光雕刻機(jī)樣機(jī)，給業(yè)界帶來(lái)了巨大反響。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光雕刻不僅體現(xiàn)了電子機(jī)械雕刻的優(yōu)點(diǎn)，而且具有許多自身的優(yōu)點(diǎn)，比如無(wú)接觸雕刻等，目前該方法制作版輥成本稍高，但其眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為雕刻發(fā)展的一個(gè)方向。

2，2 鍍銅凹版的電子束雕刻「1」

如圖6所示，采用高能電子束可以對(duì)鍍銅的凹版滾筒進(jìn)行雕刻。電子束由熱陰極產(chǎn)生，在2．5-5萬(wàn)V電場(chǎng)的加速下射向滾筒表面。在此過(guò)程中、電子束受到電磁場(chǎng)的會(huì)聚控制。在小于1的時(shí)間內(nèi)使電子束會(huì)聚到網(wǎng)穴所應(yīng)該達(dá)到的直徑。電子束按所需網(wǎng)穴深度大小在鍍銅層上作用一定時(shí)間，以便達(dá)到所需深度。每個(gè)網(wǎng)穴的雕刻時(shí)間不長(zhǎng)于6，以此達(dá)到巧萬(wàn)個(gè)網(wǎng)穴／a的高頻率。在滾筒表面上，電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使銅熔化和汽化，殘留在網(wǎng)穴邊緣的熔化物被刮刀刮掉。由此可知，電子束凹版雕刻所形成的網(wǎng)穴是開(kāi)口面積和凹下深度都變化類型的。

由手電子束的能量會(huì)與空氣中的各種離子碰撞而損失，因此，電子束雕刻必須在真空裝置內(nèi)進(jìn)行。使用高能電子束發(fā)生器和真空倉(cāng)，造成設(shè)備成本高昂，zui終導(dǎo)致其難以實(shí)用化。由于電子束離子與金屬表面的吸附作用，使得所雕刻的網(wǎng)穴偏深，尤其在雕刻中調(diào)顏色的網(wǎng)穴時(shí)，得不到預(yù)期效果「9」。

3正在研究和發(fā)展的雕刻頭

3，1 壓電陶瓷（PZT）

在壓電陶瓷兩端加以電場(chǎng)，壓電陶瓷發(fā)生伸長(zhǎng)現(xiàn)象，這是壓電陶瓷內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)變化引起的。利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)械轉(zhuǎn)換「10」。單片壓電陶瓷的伸長(zhǎng)量很小，一般要多片疊加成壓電陶瓷堆，以滿足雕刻位移要求；其輸出力很大，可以比電磁力大10倍左右。對(duì)壓電陶瓷堆力口以高頻變化電壓時(shí)，其伸縮隨之變化。理論上可達(dá)1—2．5萬(wàn)網(wǎng)穴／s的雕刻頻率「4」。

壓電晶體會(huì)產(chǎn)生較大的滯環(huán)，必須設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路以減小壓電晶體的滯環(huán)影響kllJ。壓電陶瓷9區(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡(jiǎn)寫為GMM）是一種新型功能材料，具有高剛度、磁滯小、應(yīng)變大、響應(yīng)速度快、能量傳翰密度高和輸出力大等特點(diǎn)「12-13」。

GMM電呻幾械轉(zhuǎn)換98常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖8所示，當(dāng)給線圈提供電流時(shí)，在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，超磁致伸縮材料便產(chǎn)生長(zhǎng)度變化，推動(dòng)輸出件工作，其具體工作情況見(jiàn)文獻(xiàn)「13」在電子雕刻中需要高頻率，輸出力并不需要很大，因此GMM的翰出力大的優(yōu)點(diǎn)并不適用于此處；GMM的輸出是非線形的，受熱效應(yīng)的影響較大，這些都需要進(jìn)行補(bǔ)償，特別是高頻時(shí)必須處理好焦耳熱效應(yīng)和渦流；此外，GMM需專門的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)提供磁場(chǎng)，材料本身價(jià)格也較高「12」。雖然如此，GMM所具有的許多優(yōu)異性能，仍使其成為高頻電斗幾械轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)的尸個(gè)參考方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

電子機(jī)械雕刻頭主要有擺動(dòng)式和直動(dòng)式，其特點(diǎn)是雕刻頻率高，雕刻質(zhì)量好，且已產(chǎn)品化，為許多制版企業(yè)應(yīng)用；激光雕刻，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在版輥雕刻方面已表現(xiàn)出了優(yōu)異性能，目前雖然成本較高，但其表現(xiàn)出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诎l(fā)展電子機(jī)械雕刻頭方面，壓電陶瓷和超磁致伸縮等功能材料是很好的發(fā)展方向