CN101804505A - 聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法，其特征是将高功率连续激光器输出的连续激光束聚焦于一高速旋转的且转轴与镜轴不重合的多棱镜的某个工作面上，经其扫描分光形成传输方向沿垂直于所述多棱镜的旋转方向快速摆动的K路脉冲激光束，再分别经由K个集成聚焦头对所述K路脉冲激光束进行聚焦后形成K×N个沿转动的轧辊长度方向快速摆动的聚焦光点，对轧辊表面同时进行毛化加工，在轧辊表面形成K×N条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，其中K≥1，而N为单个集成聚焦头对应输出的聚焦光点数，K×N≥2。本方法处理的轧辊在轧制钢板时，避免了在钢板的长度方向上形成划痕，提高了钢板的轧制质量。

Description

聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法及装置

技术领域

本发明属于辊类表面激光毛化处理领域，特别涉及一种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法及装置。

背景技术

具有特殊表面形貌的毛化冷轧薄钢板在制造业中，特别是在汽车与家电产业中有着广泛的应用。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理后的轧辊轧制而成的，因此毛化轧辊的表面形貌特征对冷轧薄钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大。

为了确保冷轧钢板具有优良的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄钢板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的表面进行毛化处理，以轧制出满足用户特殊工艺要求的毛化冷轧钢板。

激光轧辊毛化技术是现在使用的几种毛化技术(包括喷丸毛化、电火花毛化以及电子束毛化)中实用而又先进的一种毛化技术。

激光毛化技术是将聚焦后的高能量、高重复频率的脉冲激光束照射到轧辊表面，利用激光束的高亮度在轧辊表面形成非常高的能量密度，对激光聚焦处的轧辊表面实施加热、熔化并部分汽化，以致在轧辊表面形成微小毛化坑。其基本原理是：对经过特殊调制的高能量密度(10⁴～10⁶W/cm²)、高重复频率(10³～10⁴次/秒)的脉冲激光束进行聚焦，并使其作用于作旋转运动的轧辊表面形成微小熔池；同时吹以一定方向、压力和流量的辅助气体，对熔池熔融金属进行挤压造型；短激光脉冲作用后，微坑熔池金属在轧辊自身热传导作用下迅速冷却，形成微坑和坑边环形凸台结构的相变硬化点。与此同时，聚焦脉冲激光束沿轧辊长度方向移动，以完成对整根轧辊表面的毛化加工。

目前，激光毛化轧辊技术主要分为两大类：一类是采用固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化，另一类则是采用气体CO₂激光器的CO₂激光毛化。其共同特点是：采用声光调Q的Nd:YAG激光器或经特殊调制的CO₂激光器作为脉冲激光加工源，由光源输出的脉冲激光经激光加工头聚焦后，作用于以一定转速旋转的轧辊表面；加工过程中，激光加工头的横向移动配合轧辊的旋转运动，从而在轧辊表面形成等螺距的螺旋扫描线点阵毛化坑分布。例如：中国专利“用于轧辊表面毛化的激光加工设备”(专利号：ZL94220848.X)与中国专利“分光式激光毛化调制装置”(专利号：ZL200710041118.9)。

上述激光轧辊毛化工艺的基本特征是：毛化坑在轧辊表面沿一条等螺距的螺旋扫描线分布。由于螺旋扫描线的螺距(一般为0.1～0.4mm)相对于轧辊直径来说非常小，可以认为：螺旋扫描线每一圈上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的一条直线上；因此整个轧辊面上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的多条等间距(即螺距)的平行直线上。但一般情况下，各圈之间的毛化坑的相对位置分布是不固定的；因而在轧辊长度方向上，毛化坑呈非直线形分布，如图1所示，基本上可以认为是无规律的。

上述毛化坑分布形式存在两个明显的缺点：

1.虽然轧辊表面的激光毛化坑很浅，但对于大面积的毛化冷轧钢板，还是可以明显地感觉到冷轧钢板在沿长度方向上(沿轧辊圆周方向轧制)存在均匀分布的直线，而在冷轧钢板的横向方向则没有明显的直线分布。

2.在冷轧钢板的长度方向容易形成拉伤，形成沿冷轧钢板长度方向上很细的直线划痕。仔细观察这些划痕，发现绝大部分划痕出现在对应轧辊表面两圈毛化坑之间的一条直线形空白区域内。分析这些直线划痕形成的原因，是因为在两圈毛化坑之间的直线形空白区域内，轧辊是平滑的，轧辊与钢板之间紧密接触；如果在钢板轧制过程中形成铁屑，则这个铁屑不能够被轧辊表面的毛化坑吸收，始终存在于钢板与轧辊之间，连续划出可见的直线痕迹。

分析上述现象的成因后，我们发现：如果轧辊表面的毛化坑不是沿轧辊圆周方向的直线形分布，则上述现象就可以避免。

发明内容

本发明目的是：为解决现有技术存在的问题而提供一种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法，该方法可以实现聚焦光点沿转动轧辊长度方向上的快速摆动式毛化加工，在轧辊表面形成沿其圆周方向的非直线形毛化坑分布，以此来确保由该方法处理出来的轧辊在轧制钢板时，不会在钢板的长度方向上形成划痕，从而提高钢板的轧制质量。

本发明的技术方案如下：一种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法，其特征在于：将高功率连续激光器输出的连续激光束聚焦于一高速旋转的且转轴与镜轴不重合的多棱镜的某个工作面上，分光形成传输方向沿垂直于所述多棱镜的旋转方向快速摆动的K路脉冲激光束，再分别经由K个集成聚焦头对所述K路脉冲激光束进行聚焦后形成K×N个沿转动的轧辊长度方向快速摆动的聚焦光点，对轧辊表面同时进行毛化加工，在轧辊表面形成K×N条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，其中K≥1，而N为单个集成聚焦头对应输出的聚焦光点数，K×N≥2。

本发明的上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法，进一步按照下述具体步骤对轧辊表面实施毛化加工：

1)由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹轧辊；

2)启动数控机床，使轧辊按设定的转速旋转；

3)使高功率连续激光器输出的连续激光束进入安装在数控机床工作平台上的多棱镜分光机构内，并经第一聚焦镜聚焦于高速旋转且转轴与镜轴不重合的多棱镜的某个工作面上；

4)多棱镜的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束依次扫过K个分光头，K≥1；每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的分光头分配一个激光脉冲；多棱镜重复扫描时便将连续激光束分成K路脉冲激光输出，并且由于所述多棱镜的转轴与镜轴不重合，所述每路脉冲激光同时沿垂直于多棱镜的旋转方向快速摆动；

5)上述从多棱镜分光机构内输出的K路脉冲激光束分别经K个集成聚焦头聚焦后形成K×N个密集排布且沿转动的轧辊长度方向快速摆动的聚焦光点，N为单个集成聚焦头对应输出的聚焦光点数，K×N≥2；

6)在数控机床对轧辊转速、多棱镜转速、工作平台平移速度的集中控制下，所述沿轧辊长度方向快速摆动的K×N个聚焦光点对轧辊同时进行毛化加工，在轧辊表面形成K×N条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布。

本发明同时提供一种能够实现上述加工方法的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，该装置能够在轧辊上形成多条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，并且结构简单、激光能量利用率高。

一种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，包括激光器和数控机床，所述数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台和用于安装轧辊的轧辊转轴和顶尖，所述工作平台上装有多棱镜分光机构和集成聚焦机构；其中：激光器为高功率连续激光器，所述多棱镜分光机构由第一聚焦镜、多棱镜、驱动多棱镜旋转的高速电机和K个分光头组成，所述集成聚焦机构是一种由K个具有多点聚焦功能的集成聚焦头组成的集成聚焦头阵列；各集成聚焦头的输入端与前述K个分光头的输出端一一对应，并可对应输出N个聚焦光点，K×N≥2；所述多棱镜的转轴与镜轴不重合。

上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置中，所述多棱镜的面数M≥5。

上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置中，所述第一聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置中，所述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜和与第二聚焦镜相对布置的N个紧密排列的聚焦透镜。

或者，所述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜和与第二聚焦镜相对布置的多焦点聚焦镜，该多焦点聚焦镜具有N个焦点。

或者，所述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜、位于第二聚焦镜出射光路上的N个紧密排列且相互之间成一定角度布置的反射镜及位于所述N个反射镜的反射光路上的第三聚焦镜。

上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置中，所述第二聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置中，所述K个集成聚焦头呈斜线或其它形式的排列，且所述相邻两个集成聚焦头之间的横向距离为N×ΔX，ΔX＝50～500μm，纵向距离为ΔY。

上述聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置在具体工作时，同常规技术一样，待加工的轧辊工件由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上的工作平台可作三维运动，其平移速度由数控机床控制。同样地，驱动多棱镜旋转的高速电机，其转速也由数控机床控制。所述数控机床采用现有的设备，例如XL9型数控车床。

本发明的优点是：

1.本发明方法及装置由于采用特殊设计的多棱镜，实现了多聚焦光点摆动式毛化加工，在轧辊表面形成多条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，使得轧辊表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线。故采用本发明方法及装置生产出来的轧辊在轧制钢板的时候，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

2.同时本发明提供的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置还具有如下优点：

(1)采用连续高功率激光器作为加工光源，激光功率能够充分利用。

由于激光加工集成聚焦头是多个，所以可以同时实现多头毛化加工；并且技

术上没有对激光功率的限制，同时由于目前连续激光器已经能够获得非常高

的功率输出，这样加工速度也没有限制，可以获得非常高的加工速度。

(2)采用集成聚焦头技术，将连续高功率激光束分成密集排布的多路聚焦脉冲激光束输出，不需要采用光调制转盘或进行声光调Q以获得脉冲激光输出，因此激光能量利用率高。并且结构简单、体积小、成本低，使用寿命长，生产维护容易。

(3)由于采用连续高功率激光器(例如高功率连续CO₂激光器或YAG激光器)作为加工光源，激光功率能够充分利用，且技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠运行。

(4)多棱镜扫描机构中可进一步采用抛物面反射式聚焦镜进行聚焦，散热快，热变形小，聚焦光斑无像差、球差，工作稳定。

(5)由于数控机床采用的是三轴联动的数控系统与激光输出功率和脉冲频率的计算机控制相结合，所以能够在线调节，实现毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可实现辊面毛化坑的多种分布，产品质量好。

总之，本发明所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置激光能量利用率高、整体结构简单、使用寿命长，并且工作稳定，加工效率高、产品质量好。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为常规激光毛化工艺在轧辊上形成的毛化坑分布示意图(毛化坑沿轧辊圆周方向是直线形分布，但在轧辊长度方向上是非直线形分布)；

图2为本发明一种具体实施例的外部结构示意图；

图3为图2实施例中多棱镜分光机构的结构示意图；

图4为图3中多棱镜实现多聚焦光点摆动的原理图(所述多棱镜的转轴与镜轴不重合)；

图5为图4中所述多棱镜的A-A向视图；

图6为图2实施例中集成聚焦头阵列的结构示意图；

图7为图2实施例中单个集成聚焦头的实现原理图；

图8为本发明装置第二种具体实施例的单个集成聚焦头的实现原理图；

图9为本发明装置第三种具体实施例的单个集成聚焦头的实现原理图；

图10为本发明装置第四种具体实施例的单个集成聚焦头的实现原理图；

图11为本发明提供的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置在轧辊表面形成的无规律毛化坑分布。

具体实施方式

实施例1：如图2所示为本发明聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置的一种具体实施方式，它包括激光器1和数控机床3，所述数控机床3采用常规的XL9型数控机床，其床身上装有通过平移导轨303驱动的工作平台12和用于安装轧辊13的轧辊转轴301和顶尖302，并且所述轧辊转轴301和顶尖302与平移导轨303平行。所述工作平台12上装有多棱镜扫描机构4和集成聚焦机构，所述集成聚焦机构由K＝4个集成聚焦头(分别是第一集成聚焦头601、第二集成聚焦头602、第三集成聚焦头603和第四集成聚焦头604)组成；而所述激光器1采用高功率连续CO₂激光器，其输出功率从500～6000瓦连续可调，激光输出波长为10.6μm(当然也可以根据实际需要选择其它种类的激光器，例如Nd:YAG激光器)。

如图3所示，本实施例中所述多棱镜扫描机构4由第一反射式聚焦镜403、多棱镜402、驱动多棱镜402旋转的高速电机409和四个分光头405、406、407、408共同组成。多棱镜一侧与高速电机409相连，在高速电机409带动下高速旋转，其转速由数控机床3控制，高速电机409的转速为n＝0.3～5万转/分。结合图4、图5所示，本实施例中所述多棱镜402面数M＝8，每个工作面均为全反射面，且其转轴b与镜轴a不重合。所述四个分光头405、406、407、408紧密排列，对应多棱镜402一个工作面的反射区域呈扇形分布。

结合图6所示，本实施例中所述集成聚焦机构中的四个集成聚焦头601、602、603、604斜线形排布组成阵列，各集成聚焦头的输入端与前述四个分光头405、406、407、408的输出端一一对应。所述每个集成聚焦头的内部结构均相同，以第一集成聚焦头601为例，结合图7所示，可知其内部设置有第二透射式聚焦镜7、位于第二透射式聚焦镜7出射光路上的N＝3个紧密排列且相互之间成一定角度布置的反射镜801、802、803及位于所述3个反射镜的反射光路上的第三透射式聚焦镜10。再结合图6所示，集成聚焦机构中相邻两个集成聚焦头间的横向间距为N×ΔX，N＝3，而纵向间距为ΔY；其中ΔX＝50～500μm。

结合图2、图3、图4、图5、图6、图7和图11所示，对采用上述实施例装置对轧辊进行毛化加工的方法及原理进行说明，所述方法具体分成下述几个步骤：

1)由数控机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹轧辊13，具体如图2所示。

2)启动数控机床3，使轧辊13按设定的转速旋转。同常规技术一样，所述轧辊13由轧辊转轴301带动旋转，转速由数控机床3控制；而所述工作平台12可作三维运动，其运动也由数控机床3控制，多棱镜扫描机构4和集成聚焦机构随工作平台12一起移动，且四个集成聚焦头601、602、603、604的光轴均与轧辊13的表面垂直。

3)使高功率连续激光器1输出的连续激光束2进入多棱镜分光机构4内，并经第一反射式聚焦镜403聚焦于高速旋转且转轴b与镜轴a不重合的多棱镜402的某个工作面上，具体如图3所示。

4)多棱镜402的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过4个分光头405、406、407、408，每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的分光头分配一个激光脉冲。多棱镜402重复扫描时便将连续激光束分成4路脉冲激光输出，具体如图4所示。并且由于所述多棱镜402的转轴b与镜轴a不重合，故当多棱镜402高速旋转时，所述每路脉冲激光同时沿垂直于多棱镜402的旋转方向快速摆动，具体如图5所示。

5)结合图6、图7(图7中省略连接在多棱镜402一侧的高速电机409及四个分光头404、405、407、408)所示，上述从多棱镜分光机构内输出的4路脉冲激光束分别经4个集成聚焦头601、602、603、604进行聚焦，以第一集成聚焦头601为例，并结合图7所示对所述聚焦过程进行说明如下：进入第一集成聚焦头601内的激光脉冲首先经第二透射式聚焦镜7变换后，形成具有一定扫描宽度ΔL的平行扫描光束(所述第二透射式聚焦镜7到多棱镜402工作面上的聚焦点O的距离L＝f，f为所述第二透射式聚焦镜7的焦距)，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列且互成一定角度的N＝3个反射镜801、802、803，使得平行光束被重新导向分成3束相互成一定角度的脉冲激光束，这些脉冲激光束进而经第三透射式聚焦镜10聚焦后形成N＝3个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。K＝4个集成聚焦头则一共输出K×N＝12个沿转动的轧辊13长度方向快速摆动的聚焦光点。

6)在数控机床3对轧辊13转速、多棱镜402转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述沿轧辊13长度方向快速摆动的K×N＝12个聚焦光点对轧辊13同时进行毛化加工，在轧辊13表面形成K×N＝12条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，具体如图11所示。由于轧辊13表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线，故采用上述装置及方法生产出来的轧辊在轧制钢板的时候，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

实施例2：如图2所示，本实施例提供的这种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜扫描机构4中的第一反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜404，并且同时对四个集成聚焦头601、602、603、604的内部结构均进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601为例，本实施例在其内部设置了第二透射式聚焦镜7和与第二透射式聚焦镜7相对布置的N＝3个紧密排列的聚焦镜901、902、903，如图8所示(图8中省略连接在多棱镜402一侧的高速电机409及四个分光头405、406、407、408)。本实施例的工作原理结合图8所示说明如下：激光器1输出的连续激光束2进入多棱镜扫描机构4，通过第一透射式聚焦镜404聚焦于高速旋转的多棱镜402的某个工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过四个分光头(图中省略)，从而输出4路脉冲激光，并且同样由于所述多棱镜402的转轴b与镜轴a不重合，所述每路脉冲激光会沿垂直于多棱镜402的旋转方向快速摆动。从多棱镜分光机构4内输出的4路脉冲激光束分别经4个集成聚焦头601、602、603、604进行聚焦。本实施例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下：进入第一集成聚焦头601内的激光脉冲经第二透射式聚焦镜7变换后，形成具有一定扫描宽度ΔL的平行扫描光束(所述第二透射式聚焦镜7到多棱镜402工作面上的聚焦点O的距离L＝f，f为所述第二透射式聚焦镜7的焦距)，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列的N＝3个聚焦镜901、902、903，并经它们聚焦后形成N＝3个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。同实施例1一样，K＝4个集成聚焦头则一共输出K ×N＝12个沿转动的轧辊13长度方向快速摆动的聚焦光点。最终在数控机床3对轧辊13转速、多棱镜402转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述沿轧辊13长度方向快速摆动的K×N＝12个聚焦光点对轧辊13同时进行毛化加工，在轧辊13表面形成K×N＝12条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，具体如图11所示。

实施例3：如图2所示，本实施例提供的这种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜扫描机构4中的第一反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜404，并且同时对四个集成聚焦头601、602、603、604的内部结构均进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601为例，本实施例在其内部设置了第二抛物面反射式聚焦镜5和与第二抛物面反射式聚焦镜5相对布置的N＝3个紧密排列的聚焦镜901、902、903，如图9所示(图9中省略连接在多棱镜402一侧的高速电机409及四个分光头405、406、407、408)。本实施例的工作原理结合图9所示说明如下：激光器1输出的连续激光束2进入多棱镜扫描机构4，通过第一透射式聚焦镜404聚焦于高速旋转的多棱镜402的某个工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过四个分光头(图中省略)，从而输出4路脉冲激光，并且同样由于所述多棱镜402的转轴b与镜轴a不重合，所述每路脉冲激光会沿垂直于多棱镜402的旋转方向快速摆动。从多棱镜分光机构4内输出的4路脉冲激光束分别经4个集成聚焦头601、602、603、604进行聚焦。本实施例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下：进入第一集成聚焦头601内的激光脉冲经第二抛物面反射式聚焦镜5变换后，形成具有一定扫描宽度ΔL的平行扫描光束(所述第二抛物面反射式聚焦镜5的焦点与多棱镜402工作面上的聚焦点O重合，f为所述第二抛物面反射式聚焦镜5的焦距)，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列的N＝3个聚焦镜901、902、903，并经它们聚焦后形成N＝3个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。同实施例1一样，K＝4个集成聚焦头则一共输出K×N＝12个沿转动的轧辊13长度方向快速摆动的聚焦光点。最终在数控机床3对轧辊13转速、多棱镜402转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述沿轧辊13长度方向快速摆动的K×N＝12个聚焦光点对轧辊13同时进行毛化加工，在轧辊13表面形成K×N＝12条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，具体如图11所示。

实施例4：如图2所示，本实施例提供的这种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜扫描机构4中的第一反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜404，并且同时对四个集成聚焦头601、602、603、604的内部结构均进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601为例，本实施例在其内部设置了第二抛物面反射式聚焦镜5和与第二抛物面反射式聚焦镜5相对布置的多焦点聚焦镜14，所述多焦点聚焦镜14具有N＝2个焦点，如图10所示(图10中省略连接在多棱镜402一侧的高速电机409及四个分光头405、406、407、408)。本实施例的工作原理结合图10所示说明如下：激光器1输出的连续激光束2进入多棱镜扫描机构4，通过第一透射式聚焦镜404聚焦于高速旋转的多棱镜402的某个工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过四个分光头(图中省略)，从而输出4路脉冲激光，并且同样由于所述多棱镜402的转轴b与镜轴a不重合，所述每路脉冲激光会沿垂直于多棱镜402的旋转方向快速摆动。从多棱镜分光机构4内输出的4路脉冲激光束分别经4个集成聚焦头601、602、603、604进行聚焦。本实施例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下：进入第一集成聚焦头601内的激光脉冲经第二抛物面反射式聚焦镜5变换后，形成具有一定扫描宽度ΔL的平行扫描光束(所述第二抛物面反射式聚焦镜5的焦点与多棱镜402工作面上的聚焦点O重合，f为所述第二抛物面反射式聚焦镜5的焦距)，所述平行扫描光束经多焦点聚焦镜14聚焦后形成N＝2个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。同实施例1有所区别的是本实施例中的K＝4个集成聚焦头一共输出K×N＝8个沿转动的轧辊13长度方向快速摆动的聚焦光点。最终在数控机床3对轧辊13转速、多棱镜402转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述沿轧辊13长度方向快速摆动的K×N＝8个聚焦光点对轧辊13同时进行毛化加工，在轧辊13表面形成K×N＝8条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，具体可参见图11所示。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法，其特征在于：将高功率连续激光器(1)输出的连续激光束(2)聚焦于一高速旋转的且转轴(b)与镜轴(a)不重合的多棱镜(402)的某个工作面上，经多棱镜(402)扫描分光形成传输方向沿垂直于所述多棱镜(402)的旋转方向快速摆动的K路脉冲激光束，再分别经由K个集成聚焦头对所述K路脉冲激光束进行聚焦后形成K×N个沿转动的轧辊(13)长度方向快速摆动的聚焦光点，对轧辊(13)表面同时进行毛化加工，在轧辊(13)表面形成K×N条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，其中K≥1，而N为单个集成聚焦头对应输出的聚焦光点数，K×N≥2。

2.根据权利要求1所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工方法，其特征在于按下述具体步骤对轧辊表面实施毛化加工：

1)由数控机床(3)上的轧辊转轴(301)和顶尖(302)装夹轧辊(13)；

2)启动数控机床(3)，使轧辊(13)按设定的转速旋转；

3)使高功率连续激光器(1)输出的连续激光束(2)进入安装在数控机床(3)工作平台(12)上的多棱镜分光机构(4)内，并经第一聚焦镜聚焦于高速旋转且转轴(b)与镜轴(a)不重合的多棱镜(402)的某个工作面上；

4)多棱镜(402)的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束(2)依次扫过K个分光头，K≥1；每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的分光头分配一个激光脉冲；多棱镜(402)重复扫描时便将连续激光束分成K路脉冲激光输出，并且由于所述多棱镜(402)的转轴(b)与镜轴(a)不重合，所述每路脉冲激光同时沿垂直于多棱镜(402)的旋转方向快速摆动；

5)上述从多棱镜分光机构(4)内输出的K路脉冲激光束分别经K个集成聚焦头聚焦后形成K×N个密集排布且沿转动的轧辊(13)长度方向快速摆动的聚焦光点，N为单个集成聚焦头对应输出的聚焦光点数，K×N≥2；

6)在数控机床(3)对轧辊(13)转速、多棱镜(402)转速、工作平台(12)平移速度的集中控制下，所述沿轧辊(13)长度方向快速摆动的K×N个聚焦光点对轧辊(13)同时进行毛化加工，在轧辊(13)表面形成K×N条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布。

3.一种用于实现如权利要求1所述加工方法的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，包括激光器(1)和数控机床(3)，所述数控机床(3)的床身上装有通过平移导轨(303)驱动的工作平台(12)和用于安装轧辊(13)的轧辊转轴(301)和顶尖(302)，所述工作平台(12)上装有多棱镜分光机构(4)和集成聚焦机构；其中：激光器(1)为高功率连续激光器，所述多棱镜分光机构(4)由第一聚焦镜、多棱镜(402)、驱动多棱镜(402)旋转的高速电机(409)和K个分光头组成，所述集成聚焦机构是一种由K个具有集成聚焦功能的集成聚焦头组成的集成聚焦头阵列；各集成聚焦头的输入端与前述K个分光头的输出端一一对应，并可对应输出N个聚焦光点，K×N≥2；其特征在于所述多棱镜(402)的转轴(b)与镜轴(a)不重合。

4.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述多棱镜(402)的面数M≥5。

5.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述第一聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

6.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜和与第二聚焦镜相对布置的N个紧密排列的聚焦透镜。

7.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜和与第二聚焦镜相对布置的多焦点聚焦镜，该多焦点聚焦镜具有N个焦点。

8.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜、位于第二聚焦镜出射光路上的N个紧密排列且相互之间成一定角度布置的反射镜及位于所述N个反射镜的反射光路上的第三聚焦镜。

9.根据权利要求6或7或8所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述第二聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

10.根据权利要求3所述的聚焦光点摆动式辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于所述K个集成聚焦头呈斜线或其它形式的排列，且所述相邻两个集成聚焦头之间的横向距离为N×ΔX，ΔX＝50～500μm，纵向距离为ΔY。

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