CN101554682A - 冷轧辊表面螺旋形微凸体制造方法 - Google Patents

冷轧辊表面螺旋形微凸体制造方法 Download PDF

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石永军
綦耀光
刘峰
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Abstract

一种冷轧辊表面螺旋形微凸体制造工艺方法。冷轧辊置于三维数控平台上，冷轧辊同时做旋转运动和直线移动，激光束辐射在冷轧辊表面，在不溶化的条件下使局部产生塑性变形生成表面光滑、连续过渡的微凸体，在冷轧辊表面形成连续的螺旋形微凸形貌，或者通过间断扫描，在冷轧辊表面形成螺旋形的间断微凸形貌。该方法避免了金属熔化所产生的金属重铸、残渣堆积、加工面粗糙和微裂纹等问题，提高了冷轧辊的使用寿命，可适于汽车制造、电器仪表等领域不同材质冷轧辊微观形貌的制造。

Description

冷轧辊表面螺旋形微凸体制造方法
技术领域
本发明涉及一种冷轧辊表面螺旋形微凸体制造工艺方法，属于机械制造和摩擦润滑技术领域，可应用于冷轧薄钢板表面微形貌的制造。
技术背景
冷轧薄钢板表面毛化技术已广泛应用于汽车制造、电器仪表等领域，通过在轧辊表面制造出微凸形貌，进而在板材表面制造出无数微凹谷，储存冲压时形成的金属碎屑和润滑油，使钢板具有更好的抗擦伤性能、成形性能、表面映像清晰度和涂覆性能。
轧辊表面形貌是一个典型的具有多尺度特性的表面，目前，主要通过喷丸技术、放电加工技术和激光毛化技术在轧辊表面形成微形貌，轧制出具有毛化效果的薄钢板。喷丸技术利用硬质颗粒高速撞击轧辊形成一定的功能性表面，由于受喷丸尺寸、冲击速率以及冲击角的随机性和不均匀性的影响，工艺过程难以控制，只能获得无规则的表面形貌，且喷丸砂微粒在轧辊表面形成沟犁破坏，限制了其应用范围。放电加工技术是利用调制过的电压、电流通过浸在油池中的电极对浸在同一油池中的轧辊表面进行放电，形成电蚀坑和尖状毛刺，其形貌优于喷丸技术，但获得的轧辊表面形貌构造仍然呈统计分布，峰值排列无序，形貌不可控。激光毛化技术是采用高能量、高重复频率的脉冲激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池，同时由侧吹装置对微小熔池施于设定压力和流量的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到融池边缘形成微突起。激光毛化技术克服了传统喷丸和放电加工技术不规则形貌难以控制的问题，但其表面形貌主要为规则分布的“火山口”形貌，应力集中容易使轧辊表面形成裂纹，降低其使用寿命。
发明内容
为了克服激光毛化技术所形成轧辊微形貌寿命较低的问题，本发明提供一种冷轧辊表面螺旋形微凸体制造工艺实现方法，该方法可以在轧辊表面形成表面光滑、无微裂纹的螺旋形可控微观形貌，有利于形成流体动压润滑效应，延长轧辊的使用寿命。
从摩擦学与润滑理论上分析，钢板表面最理想的微观形貌应为球面或椭球形凹陷凸起面。一方面，在轧辊表面加工出具有一定深度、光滑过渡的球形、椭球形微凹坑或微凸体，有利于轧辊与钢板、模具与钢板在运动中形成流体动压润滑效应，可有效减小摩擦力；另一方面，表面凹陷凸起圆滑承载面积大，摩擦副相互挤压时不易被擦伤而产生磨损，可提高轧辊的使用寿命。本发明任务解决其技术问题所采用的技术方案是：冷轧辊用丙酮清洗后，在其表面均匀涂上一层涂层，进行黑化处理；冷轧辊固定于三维数控平台上，一方面做旋转运动，另一方面做直线移动；连续激光束以一定的光斑直径辐射在冷轧辊表面，对其局部进行加热，加热完成后通过自然冷却或强制对流水冷对加热区域进行冷却；由于加热区材料的热膨胀受到周围冷态材料的限制产生塑性变形，导致在加热工件的上表面产生材料的少量堆积而形成微凸体，微凸体高度小于40μm；由于是在加热区域并不熔化的条件下产生的，微凸体符合表面光滑、连续过渡和无微裂纹的要求，并且其形状可通过激光能量、光斑直径和扫描速度来调整；通过冷轧辊的旋转运动和直线移动形成连续的螺旋形微凸形貌，或者通过间断扫描，在冷轧辊表面形成螺旋形的间断微凸形貌。
本发明是利用激光局部加热在冷轧辊表面生成微凸体，加热区域并不熔化，避免了激光毛化技术由于金属熔化所产生的金属重铸、残渣堆积、加工面粗糙和微裂纹问题，提高了冷轧辊的使用寿命。该方法工艺简单，可适于汽车制造、电器仪表等领域不同材质冷轧辊微观形貌的制造。
附图说明
图1冷轧辊表面螺旋形微凸体加工装置示意图
图2冷轧辊微凸体示意图
图3激光连续扫描形成的螺旋形微凸形貌
图4激光间断扫描形成的螺旋形微凸形貌
1控制系统，2激光器，3反射镜，4聚焦镜，5激光束，6成形工件，7三维数控台，8夹具，9微凸体
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。冷轧辊表面螺旋形微凸体加工装置由控制系统(1)、CO2激光器(2)、反射镜(3)、聚焦镜(4)、夹具(8)、三维数控台(7)和冷轧辊(6)组成，如图1所示。
冷轧辊表面螺旋形微凸体具体加工步骤如下：
1、用丙酮对冷轧辊(6)表面进行清洗。
2、在冷轧辊(6)表面均匀涂上一层激光吸附涂层，进行黑化处理。
3、冷轧辊(6)置于三维数控台(7)上。
4、激光束(5)由激光器(2)发出，通过反射镜(3)和聚焦镜(4)形成一定光斑直径的光束辐射在冷轧辊(6)表面；由于加热区材料的热膨胀受到周围冷态材料的限制产生塑性变形，导致在加热工件的上表面产生材料的少量堆积而形成微凸体(9)，微凸体(9)高度小于40μm，如图2所示。
5、基于实验和数值分析相结合的方法，变化激光光斑直径、激光功率和激光扫描速度，建立激光加工工艺参数与微凸体(9)的宽度和高度基本关系数据库。
6、基于实验和数值分析，建立扫描线间断距离与间断部分凹坑长度、宽度和深度基本关系数据库。
7、根据上述基本关系数据库以及微凸体(9)形貌要求，确定出合适的激光加工工艺参数、扫描线间断距离和相邻扫描路径间的距离。
8、三维数控台(7)带动冷轧辊(6)旋转运动和直线移动，使连续激光束(5)在冷轧辊(6)表面形成螺旋形运动轨迹。若采用激光连续扫描，则在冷轧辊(6)表面形成连续的螺旋形微凸体(9)，如图3所示，P为螺旋形微凸体螺距，具体大小由实际工艺要求确定；或者通过间断扫描，在冷轧辊(6)表面形成螺旋形的间断微凸体(9)，如图4所示，s为间断距离，具体大小由实际工艺要求确定。
9、加热完成后，冷轧辊(6)通过自然冷却或强制对流水冷对加热区域进行冷却。

Claims (3)

1、一种冷轧辊表面螺旋形微凸体制造工艺方法，其特征是冷轧辊置于三维数控平台上，冷轧辊同时做旋转运动和直线移动，激光束辐射在冷轧辊表面，在不溶化的条件下使局部产生塑性变形生成表面光滑、连续过渡的微凸体，在冷轧辊表面形成连续的螺旋形微凸形貌，或者通过间断扫描，在冷轧辊表面形成螺旋形的间断微凸形貌。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于基于实验和数值分析相结合的方法，变化激光光斑直径、激光功率和激光扫描速度，建立激光加工工艺参数与微凸体的宽度和高度基本关系数据库，以确定出合适的激光加工工艺参数。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于基于实验和数值分析，建立扫描线间断距离与间断部分凹坑长度、宽度和深度基本关系数据库，确定出合适的扫描线间断距离和相邻扫描路径间的距离。
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