Текстура CD на металле: оптика, геометрия канавок и четыре маршрута формовки

1. Сначала — что такое текстура CD

Если повернуть компакт-диск к свету, по поверхности скользят изогнутые радуги. Увидев похожее на металле — клавиша телефона, ручка автомобиля, декоративное кольцо, головка декоративного винта, — первая реакция обычно такая: «чем это покрыто, что даёт такой цвет». Ответ обычно — ничем: это свет, которым управляют геометрией.

Текстура CD означает поле равноотстоящих мелких концентрических или спиральных канавок, нанесённых на металлическую или пластиковую поверхность. Название происходит от визуального прототипа — тонких дорожек на стороне данных диска. В отрасли её также называют текстурой концентрических окружностей, текстурой «солнечные лучи» или дисковой текстурой, обычно имея в виду одно и то же семейство: название описывает внешний вид, а не способ изготовления. Одна оговорка: «солнечные лучи» иногда обозначают именно визуальный эффект — лучи, расходящиеся от центра при сильном свете, — тогда как геометрия канавок остаётся концентрической. Одна и та же микроструктура может читаться как кольца или как лучи в зависимости от источника света, поэтому название не должно направлять обсуждение.

Чаще всего она встречается на осесимметричных или почти симметричных декоративных поверхностях: верхние части клавиш, торцы ручек, декоративные кольца, головки винтов, оправы камер, головки часов, накладки дверных ручек. Попутно приходят три функциональные выгоды: сцепление, потому что микроканавки повышают трение; подавление отпечатков, потому что диффузное отражение рассеивает зеркальный блеск следа; и визуальная идентичность, потому что при заданном угле возникает характерный язык света и тени.

Стоит отличать её от текстур, с которыми её легко спутать, иначе разговор о процессе потом пойдёт не туда:

Одна строка для различения: шлифовка — это линии, накатка — сетка, текстура CD — кольца, фацетная огранка — зеркальные грани. Все они живут на металле, и их визуальная логика не имеет ничего общего.

2. Оптика: диск дифрагирует, металл отражает

Это раздел, который чаще принимают на веру, чем понимают, а он определяет большинство инженерных решений.

Радуга компакт-диска — это дифракция. Дорожка данных представляет собой непрерывную спираль от внутреннего края к внешнему, соседние витки расположены с шагом около 1,6 мкм на CD и около 0,74 мкм на DVD. Это тот же порядок, что длина волны видимого света — примерно 0,38–0,78 мкм, поэтому вся дорожка ведёт себя как отражательная дифракционная решётка. В направлениях, удовлетворяющих уравнению решётки d · sinθ = mλ, одна длина волны усиливается конструктивно и светлеет, другие ослабляются, и разные длины волн уходят под разными углами. Белый свет разделяется в радугу. Эффект возникает из периодической структуры в масштабе длины волны и не имеет отношения к тому, какие данные записаны.

Металлическая текстура CD работает иначе. У технологической текстуры CD шаг примерно в диапазоне 0,05–0,3 мм, на два порядка больше длины волны видимого света — примерно в 90–550 раз больше центральной длины волны. В этом масштабе угол дифракции сжался к зеркальному направлению, поэтому радуги нет. Вместо неё видны полосы света, движущиеся при изменении угла зрения, и механизм другой: каждая боковая поверхность канавки — маленькое зеркало, ориентация которого непрерывно поворачивается по окружности. Точечный источник поэтому освещает только то кольцо канавок, ориентация которого удовлетворяет закону отражения, и видно кольцо света. Линейный источник, например люминесцентная лампа, растягивает это кольцо в радиальные полосы. При рассеянном или пасмурном свете всё вырождается в широкий градиент.

Отсюда практическое следствие: премиальный вид текстуры CD — не цвет, а управляемое анизотропное отражение. Поэтому она работает без покрытия и поэтому же остро чувствительна к двум вещам — постоянству шага и шероховатости боковых поверхностей. Один виток, ушедший по шагу, даёт видимый разрыв светового кольца; царапина или след инструмента на грани сразу делают полосу грязной.

Одно следствие: если радуга на металле нужна по-настоящему, а не серо-белая полоса, шаг нужно уменьшить до 1–2 мкм — это территория дифракционных решёток, получаемых лазерной интерференционной литографией или голографическим мастер-оригиналом, а не обычным точением. Изделия, которые продаются как «радужная текстура CD», обычно окрашены покрытием — градиентным PVD или оптической плёнкой, — а не разложением света самой текстурой.

3. Геометрия: шаг, профиль и глубина связаны

Многие чертежи говорят только «текстура CD 0,1 мм». Это неполная спецификация. Как только заданы шаг P и профиль зуба, глубина h жёстко определена геометрией, и у цеха свободы не остаётся.

V-профиль. При угле при вершине 2β, то есть половине угла β, глубина и шаг связаны:

Чем острее зуб, тем глубже режет тот же шаг. Три распространённых угла при вершине:

R-профиль. Острый инструмент быстро выкрашивается в производстве, поэтому чаще применяют инструмент со скруглением радиусом R. Поверхность становится рядом лунок от перекрывающихся проходов, а глубина приближённо:

При P = 2R лунка достигает полукруглого предела и глубина равна R; дальше в середине появляется плоская площадка, и текстура перестаёт быть непрерывной. Фактические глубины в мкм для нескольких радиусов скругления:

Вывод из обеих таблиц прямой: сделать текстуру глубже можно только двумя способами — увеличить шаг или заострить зуб. И то и другое усложняет процесс: больший шаг огрубляет рисунок и рассеивает глянец, более острый зуб ослабляет инструмент, вызывает выкрашивание гребней матрицы и повышает растрескивание после анодирования. Зрелый подход — сначала зафиксировать глубину и глянец, затем вернуться к шагу и профилю зуба, а не писать шаг и просить цех сделать так, чтобы «как-нибудь получилось».

Ещё одно предостережение: национального стандарта на текстуру CD не существует. Это декоративный признак, и приёмка обычно опирается на чертёж заказчика плюс подписанный образец-эталон, а шероховатость оценивается в рамках GB/T 1031 и GB/T 10610. Чертёж, где написано только «текстура CD», неполон: нужны как минимум шаг, профиль зуба или радиус скругления, охватываемый диапазон диаметров и указание, что решающим является подписанный образец-эталон.

4. Четыре маршрута формовки

Способов сделать текстуру CD немного, и в производстве выживают четыре.

① Однорезцовое алмазное точение или фрезерование летучей фрезой — по одной детали. Деталь вращается, а резец из монокристаллического алмаза перемещается по торцу с подачей на оборот, равной шагу, прорезая концентрические кольца. Для плоских деталей часто применяют крупную летучую фрезу: инструмент описывает большую окружность, а деталь подаётся линейно; строго говоря, фрезерование оставляет касательные дуги, а не истинные концентрические кольца, хотя при достаточно большом радиусе фрезы они почти прямые. Терминология у разных цехов не совпадает, поэтому на стадии образца стоит уточнить, какой именно путь используется.

У алмазного точения ясные пределы возможностей. На алмазно-обрабатываемых материалах — алюминий, медь, латунь, никель-фосфор — шероховатость обычно достигает Ra ≤ 5 нм, а в лучшем случае Ra ≤ 2 нм, то есть зеркальная поверхность прямо с резца без полирования, и это физическая причина того, что световая полоса выглядит чистой, а не грязной. Ограничение столь же ясно: алмаз не режет железосодержащие сплавы напрямую. При температуре резания углерод алмаза имеет сильное химическое сродство с железом, что вызывает каталитическую графитизацию и диффузионный износ, и стойкость инструмента обваливается. Поэтому для текстуры CD на стали и нержавеющей стали есть три реальных пути: перейти на CBN или покрытый твёрдый сплав и принять меньший глянец и меньшую стойкость; нанести сначала никель-фосфорное покрытие и затем точить; либо вовсе уйти от точения к матрице. Ограничение лежит на уровне материала, и лучшая заточка кромки его не снимает.

② Штамповка в матрице или холодная высадка — сделать матрицу один раз, затем копировать. Текстура выполняется как негатив в полости матрицы, и каждая деталь копирует поверхность матрицы за одну операцию формования. Процесс правильно называть штамповкой, разновидностью холодной или закрытой объёмной штамповки: материал полностью ограничен и почти не имеет свободы течения, давление значительно превышает предел текучести, и металл вдавливается во все мелкие детали полости с минимальной упругой отдачей, воспроизводя острые кромки и тонкие узоры с точностью до микрометров.

Почему это подходит для текстуры CD: текстура — единственный элемент на торце, а не то, что нужно резать деталь за деталью. Как только матрица есть, разница между первой и миллионной деталью — только износ матрицы, а себестоимость единицы при росте объёма приближается к нулевой амортизации. Предпосылка — мягкий пластичный материал: технически чистый алюминий, 6063, латунь, медь и низкоуглеродистая сталь — основа. Состояния с твердением при старении, например 6061-T6, перед формованием нужно отжигать, а после — состаривать. Нержавеющая сталь имеет высокое сопротивление деформации и быстро наклёпывается, поэтому стойкость матрицы и целостность текстуры нужно оценивать заново. Затраты тоже реальны: текстуру в матрице нужно ещё нарезать точением, электроэрозионной проволочной резкой или шлифованием, затем отполировать до зеркала и по желанию покрыть твёрдым хромом или DLC; гребни матрицы являются концентраторами напряжений, поэтому матрицы с текстурой CD живут заметно меньше обычных формовочных матриц; и рисунок зафиксирован — изменить текстуру значит изготовить новую матрицу.

③ Накатывание — самый производительный маршрут на поверхностях вращения. Текстурированный ролик вдавливается во вращающуюся поверхность, и узор накатывается пластическим течением. Оборудование простое, цикл короткий, а постоянство обеспечивает ролик. Но концентрические кольца на торце накатать нельзя: направленный характер накатывания не соответствует радиальной симметрии, поэтому этот маршрут служит в основном цилиндрическим и коническим поверхностям, а глубина ограничена тем, насколько потечёт материал.

④ Травление или электроформование — максимум свободы узора. Фотолитография с химическим травлением либо литография с электроформованием для изготовления мастер-оригинала и его последующего копирования. Возможен любой узор без ограничения по осевой симметрии. Затраты различаются: химическое травление страдает от подтрава, поэтому вертикальность стенок, равномерность глубины и шероховатость дна обычно хуже, чем при точении или штамповке, а дополнительная операция маскирования усложняет выход годного и постоянство; электроформование — процесс копирования, точность которого зависит от мастер-оригинала (именно так делают оптические оригиналы), но технологическая цепочка длиннее, а стоимость выше.

Три дальнейших маршрута стоят вне основной таблицы, но важны в отдельных случаях: лазерная гравировка — хороша для малых партий, необычных форм и персонализированной текстуры, но даёт шероховатое дно и зону термического влияния, что ограничивает глянец; UV-перенос или IMD — полимерный подход, который тоже является копированием с матрицы и разделяет логику металлической штамповки; и самый упускаемый из всех — изготовление текстуры сразу в матрице. Полость выполняют как негатив, обычно алмазным точением мастер-оригинала с последующим электроформованием или прямым использованием его как вставки, либо электроэрозионной обработкой и шлифованием с полированием. Точность текстуры матрицы задаёт точность готовой текстуры, и потолок этого шага есть потолок всей линии.

5. Материалы: один чертёж — разные задачи

Один и тот же чертёж на другом материале может потребовать совершенно иного технологического маршрута. Доминируют две переменные: твёрдость, определяющая возможность алмазного точения и холодной штамповки, а также пластичность и склонность к наклёпу, определяющие точность воспроизведения текстуры.

Значения твёрдости меняются с состоянием — отожжённое, наклёпанное, состаренное, — а разные материалы приводятся по своим привычным шкалам (HB, HV, HRC), поэтому числа нельзя сравнивать между строками: они указывают лишь порядок. Подтверждать нужно на образце в фактическом состоянии поставки.

Одним предложением: алюминий — лучший металл для текстуры CD: мягкий, теплопроводный, обрабатывается алмазом до нанометров и принимает цвет и износостойкость от анодирования. Нержавеющая сталь — противоположность: алмаз её не режет, сопротивление деформации высокое, наклёп быстрый, и та же текстура может стоить в несколько раз дороже алюминиевой детали. Поэтому текстуру CD на нержавеющей стали чаще всего либо штампуют в матрице, либо покрывают никелем и затем точат.

6. Последующая обработка: здесь теряется половина текстуры

Нарезать текстуру — только половина работы. Вид зависит от контраста между гребнем и впадиной, и почти каждый процесс отделки часть этого перепада сглаживает.

Анодирование алюминия. Это конверсионная плёнка, а не покрытие: около 50 % плёнки растёт наружу и около 50 % проникает в подложку, поэтому наружные размеры увеличиваются примерно на половину толщины плёнки. MIL-A-8625F указывает приращение размеров как половину номинальной толщины плёнки, и системы ISO 7599 и ISO 10074 также требуют учитывать рост плёнки в допусках, причём фактическое соотношение варьируется от 50/50 до 60/40 в зависимости от сплава, ванны и плотности тока. По GB/T 8013.1 анодные плёнки классифицируют по средней толщине: AA5, AA10, AA15, AA20 и AA25 при средней толщине не менее 5, 10, 15, 20 и 25 мкм, с локальными минимумами 4, 8, 12, 16 и 20 мкм, а действующая редакция добавляет более тонкие AA3 и более толстые AA30 и HA40. На практике доминируют две системы: обычное сернокислотное анодирование при 5–25 мкм, для декоративных деталей обычно 10–15 мкм, микротвёрдость около HV 200–350; и твёрдое анодирование при 25–100 мкм, обычно 25–50 мкм, микротвёрдость около HV 400–600.

Три эффекта на текстуру CD, каждый из которых способен отправить партию в передел:

• Гребни скругляются, контраст падает. Плёнка покрывает профиль равномерно и притупляет острые кромки, и чем толще плёнка, тем больше потери. Поэтому глубину текстуры на алюминии нужно задавать по тому, что останется после анодирования: обычная практика — резать на шаг глубже и корректировать по первому анодированному образцу.
• Размеры смещаются. Гребни в зоне текстуры растут примерно на половину толщины плёнки. Если на той же детали есть посадка или резьба, чертёж должен нести компенсацию плёнки, иначе проблема проявится только на сборке, когда доработка очень дорога.
• Твёрдая анодная плёнка твёрдая и хрупкая. На острых углах её и трудно покрыть полностью, оставляя открытый металл, и она склонна к растрескиванию от концентрации напряжений. Таблица III MIL-A-8625F требует не менее R0,8 мм на острых углах при плёнке 25 мкм и не менее R1,6 мм при 50 мкм. Для действительно острого V-профиля это фактически запрет: деталь с твёрдоанодированной текстурой CD требует скруглённых гребней или другой отделки.

PVD и гальванические покрытия. Покрытия PVD — нитриды, карбиды, DLC — обычно имеют толщину от долей микрона до нескольких микрон, ложатся равномерно, добавляют твёрдость и яркость и скругляют гребни значительно меньше, чем толстая анодная плёнка, что делает их обычным партнёром, когда нужны и глянец, и износостойкость. Никелевое и хромовое покрытия тоже повышают яркость, но рассеивающая способность во впадинах хуже, чем на гребнях, поэтому глубокая текстура обычно получается светлой сверху и тёмной внизу; это стоит указать в чертеже заранее.

Олеофобные и антиотпечатковые покрытия. Канавки собирают отпечатки и масло, а загрязнившись, световая полоса мутнеет. Бытовая электроника почти всегда добавляет нанометровый олеофобный слой, и его наличие делает важными условия сравнения для образца-эталона: приёмку нужно проводить при согласованном угле света и расстоянии наблюдения, иначе один и тот же образец получит разные оценки в двух разных цехах.

7. Контроль и типичные дефекты

У текстуры CD довольно стандартный набор контрольных пунктов, но каждое значение сильно зависит от изделия и должно быть согласовано с заказчиком письменно. Таблица даёт обычный порядок величин в отрасли как отправную точку для обсуждения, а не как норму приёмки.

Повторяющееся «подлежит согласованию» — не оговорка, а существо вопроса: текстура CD является декоративным признаком, и базой для суждения почти всегда служит подписанный образец-эталон плюс согласованные условия наблюдения. Числа в чертеже — только первый шаг. Выход годного определяется тем, договорились ли обе стороны на стадии образцов, что считать приемлемым, и зафиксировали ли затем условия наблюдения.

Одна ловушка измерения: шероховатость на поверхности с текстурой CD можно оценивать только на одной грани, при отсечке много меньшей шага. При измерении с обычной отсечкой, охватывающей несколько канавок, Ra определяется самой геометрией канавки — десятки микрометров глубины выведут показание в микрометровый диапазон, и прибор сообщит глубину, а не качество поверхности. Поэтому требование зеркальной Ra должно сопровождаться в чертеже направлением измерения и длиной отсечки.

Поиск дефектов идёт от симптома к причине. Обычный набор на линии:

8. Как выбирать: три вопроса

Всё вышесказанное сводится к трём вопросам.

• Сколько штук в год? До нескольких тысяч побеждает точение — нет вложений в матрицу, а изменить текстуру значит изменить параметры. С десятков тысяч полная стоимость штамповки начинает обгонять точение. Выше сотен тысяч амортизация пренебрежима, и себестоимость — это только материал плюс формование.
• Какой материал? Алюминий, медь, латунь — открыты все четыре маршрута, поэтому выбирают по объёму. Сталь и нержавеющая сталь — точение в значительной мере закрыто реакцией алмаза с железом, поэтому либо сначала никель-фосфорное покрытие, либо матрица.
• Насколько тонкая текстура? Грубая текстура с шагом 0,2–0,3 мм вполне по силам штамповке и накатыванию. Тонкая с шагом 0,05–0,1 мм делает микрообработку полости гораздо сложнее и дороже, поэтому точение становится более устойчивым вариантом. Ниже 0,02–0,05 мм надёжно даёт по существу только точение.

9. Экономика: когда матрица окупается

Выбор между точением и штамповкой — расчёт точки безубыточности:

Расчёт по принятым значениям. Числа иллюстрируют метод; подставлять нужно собственные предложения и времена цикла:

Значит, примерно до двадцати тысяч штук в год точение обычно дешевле и позволяет менять текстуру без замены матрицы. При ста тысячах в год преимущество штамповки в себестоимости уже решающее. Точка перехода смещается с размером детали, тонкостью текстуры и стойкостью матрицы, но порядок величины сохраняется: экономический переход для текстуры CD лежит в районе десяти–двадцати тысяч штук.

Две переменные легко забыть. Стойкость матрицы: мелкие гребни матрицы с текстурой CD несут всё контактное напряжение, поэтому она живёт заметно меньше обычной формовочной матрицы, и как только текстура притупляется, матрицу нужно восстанавливать или заменять — это следует заложить в амортизацию. Риск изменения конструкции: точение меняет текстуру программой, матрица — изготовлением новой матрицы. Если внешний вид изделия всё ещё дорабатывается, слишком раннее изготовление матрицы часто оказывается самым дорогим из доступных решений.

10. Что должен содержать чертёж

Заполнить все пункты — и чертёж станет исполнимым, а предложения сопоставимыми:

• ① Тип и форма текстуры — текстура CD как концентрические кольца, спираль или прямые линии; вся поверхность или кольцевая зона.
• ② Шаг — значение и допуск, обычно ±0,005–0,01 мм, с указанием, что измерение радиальное.
• ③ Профиль зуба — угол при вершине, например 90°, или радиус скругления, например R0,1. Это альтернативы; не давайте два противоречащих числа.
• ④ Глубина — проверить по геометрии: согласуется ли она с заданным шагом и профилем? Независимо задавать глубину позволяет только R-профиль.
• ⑤ Обработка центра — оставляется ли плоская площадка в центре, какого диаметра и допустим ли остаток обработки.
• ⑥ Наружная кромка — нужна ли светлая фаска 45° по краю и остаётся ли гладкая полоса между фаской и текстурой.
• ⑦ Материал и состояние — марка и состояние поставки, например 6061-O или 6061-T6. Если деталь из T6 штампуется, указать, что отжиг перед формованием и повторное старение после разрешены.
• ⑧ Последующая обработка — класс анодирования и максимальная толщина плёнки, например AA15 при 10–15 мкм; применяется ли PVD; добавляется ли олеофобное покрытие. Это ключевой вход для того, насколько глубоко резать текстуру.
• ⑨ Компенсация посадок — если есть резьбы, опорные буртики или сопрягаемые отверстия, указать, кто отвечает за компенсацию плёнки и на какой операции она применяется.
• ⑩ База приёмки — записать «по образцу-эталону, подписанному обеими сторонами» и согласовать источник света, угол и расстояние. Числа без подписанного образца гарантируют спор в производстве.

11. Итог: задача формовки, а не косметики

Текстура CD — хрестоматийный случай. Она выглядит вопросом внешнего вида, а на деле является задачей точной формовки. Геометрия жёстко связывает параметры, материал исключает половину маршрутов, последующая обработка возвращается и переписывает текстуру, а приёмка зависит от того, насколько ясно обе стороны сформулировали, что имеют в виду. Если управлять этим как отделкой поверхности, выход годного никогда не стабилизируется. Если управлять как операцией формовки с геометрическими ограничениями, загадка исчезает.

Поэтому три вещи стоит зафиксировать рано: геометрическое определение — шаг, профиль зуба, глубина; маршрут последующей обработки и сколько текстуры он съест; и то, как объём фильтрует маршрут — точить каждую деталь или один раз изготовить матрицу. Зафиксируйте эти три, и всё дальнейшее — исполнение.

На материалах, которые чаще всего используют для текстуры CD — алюминиевый сплав, латунь и низкоуглеродистая сталь, — холодная высадка или холодное выдавливание за одну операцию формования заслуживают ранней оценки: текстура задаётся один раз в матрице, и каждая деталь копирует одну и ту же геометрию, а постоянство шага гарантируется матрицей, а не состоянием инструмента. Именно такая стабильность нужна серийным декоративным деталям.

12. Источники и стандарты

• GB/T 8013.1, Анодно-оксидные покрытия и органические полимерные покрытия на алюминии и его сплавах, часть 1: анодно-оксидные покрытия: средние и локальные минимальные толщины AA5, AA10, AA15, AA20 и AA25, качество наполнения и методы коррозионных испытаний.
• ISO 7599, Анодирование алюминия и его сплавов — метод задания декоративных и защитных анодно-оксидных покрытий; ISO 10074, Спецификация на твёрдые анодно-оксидные покрытия на алюминии и его сплавах.
• MIL-A-8625F, Анодные покрытия для алюминия и алюминиевых сплавов, таблица III: радиусы кромок и внутренних углов по номинальной толщине плёнки, от 0.001 дюйма (около 25 мкм) до примерно 1/32 дюйма (R0.8 мм) и от 0.002 дюйма (около 50 мкм) до примерно 1/16 дюйма (R1.6 мм); §6.10.1 даёт приращение размеров как половину толщины плёнки.
• GB/T 1031, Геометрические характеристики поверхностей. Параметры шероховатости и их значения; GB/T 10610, Правила и процедуры оценки шероховатости поверхности.
• GB/T 6403.3, Накатки. Типы и размеры.
• ECMA-130, Обмен данными на оптических дисках 120 мм только для чтения (CD-ROM): шаг дорожки 1.6 мкм и его допуск.
• Оптика: уравнение решётки для отражательных дифракционных решёток d · sinθ = mλ при длине волны видимого света около 0.38–0.78 мкм.
• Справочник по ультрапрецизионной обработке однорезцовым алмазным точением (SPDT): типичная шероховатость цветных материалов Ra ≤ 5 нм и лучшая Ra ≤ 2 нм; механизм химического износа, исключающий алмазные резцы для железосодержащих материалов; никель-фосфорное покрытие как альтернативный путь.
• Справочник по холодной и закрытой объёмной штамповке: штамповка: воспроизведение деталей микрометрового уровня при трёхосном сжимающем напряжении, минимальная упругая отдача, требования к пластичности и характеристики износа матрицы.