CN103624407B - 轧辊表面多头激光毛化加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧辊表面多头激光毛化加工方法及其装置，其方法包括：使被加工轧辊在数控机床上旋转；驱动毛化平台及其上的振动分光机构和激光聚焦机构沿被加工轧辊轴向往返平移；激光器向振动分光机构发出连续激光束，振动分光机构按设定频率振动，使激光束在振动分光机构中依次扫过k个并列分光头；将分光头接收的激光束传输到激光聚焦机构的k个并列聚焦头中进行聚焦，从而使被加工轧辊的表面形成不规则的螺旋扫描曲线点阵毛化坑分布。其装置主要由激光器、数控机床、平移导轨、与平移导轨滑动配合的毛化平台，设置在毛化平台上的振动分光机构和激光聚焦机构等构成。其能实现轧辊表面的无序均匀毛化、加工效率高。

Description

轧辊表面多头激光毛化加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及轧辊表面毛化处理技术，具体地指一种轧辊表面多头激光毛化加工方法及其装置。

背景技术

冷轧薄板钢的表面形貌对板型、深冲性、延伸率和涂镀性能均有重要影响，而冷轧薄板钢的表面形貌在很大程度上取决于冷轧生产过程中工作辊及平整辊的表面形貌。因此，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊、平整辊的辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊工艺要求的冷轧毛化钢板。

到目前为止，轧辊毛化技术和设备的发展经历了3个阶段：喷丸毛化、电火花毛化和20世纪90年代开始研发的激光毛化。喷丸毛化技术噪音高、粉尘大、功耗高、处理成本高，且轧辊表面区域硬度、喷丸尺寸和冲击速率及冲击角具有随机性、不均匀性、难以控制和重复性不好等缺点。电火花毛化技术形貌均匀性、保持性比喷丸毛化好，但存在轧辊使用寿命短、设备维修率高、耗电量大、维修不方便和油污染严重等问题。激光毛化技术能明显改善毛化板深冲性能和涂镀性能，且毛化过程中无噪声、无污染。随着激光毛化技术成熟，越来越多的企业采用激光毛化这一新工艺。

目前大部分激光毛化设备的加工工艺特点是，在加工过程中，激光加工头（一头或多头）的横向匀速移动配合轧辊的匀速旋转运动，在轧辊表面形成螺旋扫描线点阵毛化坑分布（螺距较小，毛化点分布可以看作很多条平行的圆周线毛化点分布）。这样毛化出的轧辊在圆周方向上是有序的，其毛化点的大小、形貌、排列基本一致。当轧辊轧制板带时，通过转印，板面在沿长度方向存在均匀分布的直线。因此，板在光的照射下，有几个角度反射强烈，最后导致在不同的角度观察板面有不同的反射效果，影响了钢板表面的外观。此外，冷轧薄板钢在长度方向容易形成拉伤，是因为轧辊在这些直线的部位与钢板紧密贴合，使产生的铁屑不能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。

为了解决激光毛化设备的有序毛化问题，中国专利“一种轧辊表面激光毛化处理方法”（公开号：CN101642778A）提出加快激光毛化头沿轧辊轴向的运动速率，增大螺旋倾角，但这种毛化坑分布方式虽然在轧辊圆周方向和长度方向都呈非直线规律，沿螺纹倾角方向却是有序的，当轧辊轧制板带时，也会影响板面在不同角度的反射效果。中国专利“一种多头激光无序毛化轧辊表面的加工方法”（公开号CN102699524A）提出用随机信号发生器控制脉冲激光器，改变激光脉冲束的频率和占空比，使毛化点的形貌和分布密度不一致以实现无序化，缺点是对钢板的粗糙度均匀性和深冲性能会造成一定影响。此外，中国专利“光纤激光毛化系统”（公开号CN102380706A）所述的使激光头作旋转运动和左右偏转运动也会使毛化点形貌不规则，且控制设备较复杂。

因此，在不影响冷轧薄板钢粗糙度均匀性和深冲性能的条件下，实现轧辊无序毛化的关键在于改变传统的规则螺旋形扫描线分布，而不改变毛化点的形貌和尺寸。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种能实现无序均匀毛化的轧辊表面多头激光毛化加工方法及其装置，使被加工轧辊能够大大改善板面的表面外观质量，且能提高轧辊的耐磨性，延长其使用寿命。

为实现上述目的，本发明所设计的轧辊表面多头激光毛化加工方法，包括如下步骤：

1）将被加工轧辊置于数控机床的轧辊转轴上，并通过床尾座上的顶尖将其顶紧，开启数控机床驱动被加工轧辊按设定的转速旋转；

2）通过数控机床驱动设置在平移导轨上的毛化平台沿被加工轧辊的轴向按设定的速度往返滑动，从而带动设置在毛化平台上的振动分光机构和激光聚焦机构也沿被加工轧辊的轴向往返平移；

3）采用激光器向振动分光机构发出连续激光束，同时让振动分光机构按设定频率连续振动，使激光束在振动分光机构中依次扫过k个并列分光头，每个分光头都接收一部分激光束；

4）将k个并列分光头接收到的激光束一一对应传输到激光聚焦机构的k个并列聚焦头中进行聚焦；

5）使k个并列聚焦头输出的激光束对准被加工轧辊的表面，k个激光束即可在毛化平台的往返滑动过程中使被加工轧辊的表面形成不规则的螺旋扫描曲线点阵毛化坑分布。

优选地，所述毛化平台在沿被加工轧辊的轴线从首端滑动到末端后，立即错位移动一个螺距，反向返回至首端；在首端再错位移动一个螺距，继续滑动至末端，直至毛化点布满整个被加工轧辊表面。在毛化处理过程中使毛化平台移动微小的距离，使无序化毛化点阵布满整个被加工轧辊。

优选地，所述振动分光机构的振动按正弦规律或余弦规律变化。振动装置带动第二全反射镜正弦振动或余弦振动，使激光在轧辊上扫描出的均匀的不规则的曲线，这些不规则的曲线组合在一起构成均匀的无序化毛化点阵。

优选地，所述振动分光机构的振动频率f=1～10kHz、振幅A=5～30μm。这样，可在被加工轧辊表面产生符合板形、深冲性、延伸率、涂镀性能要求的毛化点阵。

优选地，所述被加工轧辊的旋转速度ω=75～90rpm，所述毛化平台沿被加工轧辊的轴向滑动速度V=20～30mm/s。这样，可在被加工轧辊表面产生形貌和尺寸统一、均匀无序的毛化点阵。

为实现上述方法而设计的轧辊表面多头激光毛化加工装置，包括激光器和数控机床，所述数控机床的床身上设置有床头箱和床尾座，所述床头箱上安装有用于支撑并驱动被加工轧辊旋转的轧辊转轴，所述床尾座上安装有用于顶紧被加工轧辊的顶尖，其特殊之处在于，所述数控机床的床身上还设置有与轧辊转轴平行布置的平移导轨，所述平移导轨上设置有与其滑动配合的毛化平台，所述毛化平台上设置有对准被加工轧辊表面的激光聚焦机构，所述激光聚焦机构是由k个并列聚焦头组成的聚焦头阵列，所述毛化平台上还设置有位于激光器和激光聚焦机构之间的振动分光机构，所述振动分光机构包括安装在毛化平台上的振动装置、平行布置的第一全反射镜和第二全反射镜、以及k个并列分光头，所述第一全反射镜与激光器所发射激光束呈45°入射角布置，所述第二全反射镜固定在振动装置上，所述k个并列分光头位于第二全反射镜所反射激光束通路上，且所述k个并列分光头的位置与k个并列聚焦头的位置一一对应。

进一步地，所述分光头的数量k=2n+1，n为自然数，且n≥2，所述k个并列分光头在振动装置的振幅范围内平均分布，且正中间的分光头对应于振动装置的振幅零点，最两端的分光头分别对应于振动装置的振峰和振谷。

更进一步地，所述激光聚焦机构的k个并列聚焦头所输出激光束与被加工轧辊表面垂直。这样，激光束垂直照射被加工轧辊表面，激光能量利用效率更高，加工效果更好。

更进一步地，所述激光器设置在数控机床的床头箱上。这样，可以缩减设备布置间距，提高激光器的利用效率。

更进一步地，所述激光器为高功率连续CO₂激光器、高功率连续YAG激光器或光纤激光器。这些都是成熟产品，可以连续不间断地发射激光，满足轧辊毛化处理的要求。

本发明的工作原理为：激光器输出的连续激光束进入安装在毛化平台上的振动分光机构，振动分光机构的振动过程中将激光束依次扫过k个并列分光头，每个分光头在激光扫过时接收到一部分激光束，这样当激光束一次扫过k个分光头时，相当于给每个分光头分配了一个激光脉冲。振动分光机构相当于将一个连续激光束分割成k路脉冲激光输出，每一路激光完全相同，但脉冲激光输出的间隔时间不相等。由振动分光机构输出的k路脉冲激光束分别经k个聚焦头聚焦，焦点垂直落在旋转的轧辊工件，形成不规则的螺旋扫描曲线点阵毛化坑分布。数控机床通过设定的参数对被加工轧辊的转速、振动分光机构的振动速度、毛化平台的平移速度进行集中控制，从而在被加工轧辊表面获得所需的毛化点密度要求。激光毛化装置分光头越多，毛化点无序化效果越好。

本发明的优点在于：所提供激光毛化加工方法及其装置实现了被加工轧辊表面无序均匀毛化的功能，经过毛化处理的轧辊表面的毛化点为规则圆点，且大小形貌一致，其耐磨性和使用寿命大大提高，使用本方法加工的轧辊轧制出的钢板表面外观质量优良，粗糙度均匀性和深冲性能好。此外，本发明采用振动分光机构将连续激光束分成多路脉冲激光输出，激光能量利用效率高。

附图说明

图1为本发明轧辊表面多头激光毛化加工装置的立体结构示意图；

图2为图1中第一种振动分光机构及其配套的激光聚焦机构的结构示意图；

图3为图2中振动装置正弦振动产生的脉冲激光束示意图；

图4为图2中振动装置正弦振动时被加工轧辊的毛化效果图；

图5为图1中第二种振动分光机构及其配套的激光聚焦机构的结构示意图；

图6为图5中振动装置余弦振动产生的脉冲激光束示意图；

图7为图5中振动装置余弦振动时被加工轧辊的毛化效果图。

图中：激光器1，数控机床2，被加工轧辊3，轧辊转轴4，顶尖5，平移导轨6，毛化平台7，振动分光机构8（其中：第一全反射镜8a，第二全反射镜8b，振动装置8c，第一分光头8.1，第二分光头8.2，第三分光头8.3，第四分光头8.4，第五分光头8.5，第六分光头8.6，第七分光头8.7），激光聚焦机构9（其中：第一聚焦头9.1，第二聚焦头9.2，第三聚焦头9.3，第四聚焦头9.4，第五聚焦头9.5，第六聚焦头9.6，第七聚焦头9.7），床头箱10，床尾座11。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的轧辊表面多头激光毛化加工装置，包括激光器1和数控机床2，数控机床2的床身上设置有床头箱10和床尾座11，床头箱10上安装有用于支撑并驱动被加工轧辊3旋转的轧辊转轴4，床尾座11上安装有用于顶紧被加工轧辊3的顶尖5。激光器1可以采用高功率连续CO₂激光器、高功率连续YAG激光器或光纤激光器中的一种，并将其固定安装在数控机床2的床头箱10上。数控机床2的床身上还设置有与轧辊转轴4平行布置的平移导轨6，平移导轨6上设置有与其滑动配合的毛化平台7，毛化平台7上设置有对准被加工轧辊3表面的激光聚焦机构9，激光聚焦机构9是由k个并列聚焦头9.1、9.2、…9.k组成的聚焦头阵列，毛化平台7上还设置有位于激光器1和激光聚焦机构9之间的振动分光机构8，振动分光机构8包括安装在毛化平台7上的振动装置8c、平行布置的第一全反射镜8a和第二全反射镜8b、以及k个并列分光头8.1、8.2、…8.k。其中，振动装置8c的振动频率f=1～10kHz、振幅A=5～30μm；第一全反射镜8a与激光器1所发射激光束呈45°入射角布置，第二全反射镜8b固定在振动装置8c上，k个并列分光头8.1、8.2、…8.k位于第二全反射镜8b所反射激光束通路上，且k个并列分光头8.1、8.2、…8.k的位置与k个并列聚焦头9.1、9.2、…9.k的位置一一对应。

作为优选方案，分光头采用奇数布置，其数量k=2n+1，n为自然数，且n≥2。k个并列分光头8.1、8.2、…8.k在振动装置8c的振幅范围内平均分布，且正中间的分光头对应于振动装置8c的振幅零点，最两端的分光头8.1、8.k分别对应于振动装置8c的振峰和振谷。这样，可确保激光束的能量分配更为均衡。最好选取自然数n=2～4，这样分光头和聚光头的数量k分别为5、7或9。具体的实施例如下：

实施例1：

如图2所示，实施例1中的振动分光机构8具有五个并列的分光头，即第一分光头8.1、第二分光头8.2、第三分光头8.3、第四分光头8.4和第五分光头8.5。一一相对应地，实施例1中的激光聚焦机构9具有五个并列的聚焦头，即第一聚焦头9.1、第二聚焦头9.2、第三聚焦头9.3、第四聚焦头9.4和第五聚焦头9.5。激光器1射出的激光束经过第一全反射镜8a，光路改变90°，入射到与振动装置8c固定的第二全反射镜8b，光路再改变90°。第二全反射镜8b位于振幅零点时，激光束刚好进入中间位置的第三分光头8.3，第二全反射镜8b位于振峰和振谷时，激光束分别进入第一分光头8.1和第二分光头8.5。五个分光头8.1、8.2、8.3、8.4、8.5射出的激光束分别通过五个聚焦头9.1、9.2、9.3、9.4、9.5作用在被加工轧辊3表面上。

实施例1中具体的毛化处理过程如下：

将被加工轧辊3置于床头箱10的轧辊转轴4上，通过床尾座11上的顶尖5顶紧；启动数控机床2，使被加工轧辊3按设定的转速转动；与此同时，数控机床2中的驱动机构控制平移导轨6上的毛化平台7平行于被加工轧辊3的轴向运动；激光器1发出连续激光束，照射到第一全反射镜8a上，振动装置8c带动第二反射镜8b进行振动，激光束经第二全反射镜8b进入五个分光头变为脉冲激光，再经过五个聚焦头后，激光束的聚焦点垂直落在旋转的被加工轧辊3表面上，形成不规则的螺旋扫描曲线点阵毛化坑分布，从而实现对被加工轧辊3的毛化处理。

在毛化平台7从被加工轧辊3一端移动至另一端的过程中，激光束在被加工轧辊3表面形成间断的毛化扫描线。当毛化平台7沿被加工轧辊3的轴线从首端滑动到末端后，立即错位移动一个螺距，反向返回至首端；在首端再错位移动一个螺距，继续滑动至末端，直至毛化点布满整个被加工轧辊3表面。

实施例1中，被加工轧辊3材质为9Cr3Mo，直径为80mm，全长为3500mm。被加工轧辊3的旋转速度为75rpm，毛化平台7的横向移动速度为30mm/s。

实施例1中，激光器1采用高功率连续CO₂激光器，其输出功率从400～5000W连续可调，激光输出波长为10.6μm。振动分光机构8中的振动装置8c的振动频率f=8kHz，振幅A=18μm，采用正弦振动方式。其中，第三分光头8.3位于振幅零点，第一分光头8.1、第二分光头8.2、第四分光头8.4和第五分光头8.5分别位于振幅零点+9μm、+4.5μm、-4.5μm和-9μm的位置。

图3为实施例1中振动装置8c在正弦振动状态下产生的脉冲激光束示意图。图4为上述正弦振动状态下被加工轧辊3的毛化效果图。从中可以看到，由于激光束输出脉冲间隔时间发生了变化，激光束在被加工轧辊3上扫描出的螺旋线是不规则的曲线，这些不规则的曲线组合在一起构成无序化毛化点阵。采用该毛化处理的轧辊轧制钢板时，钢板沿螺旋线方向、圆周方向和轴向均没有直线分布，从而大大提高了钢板的表面外观质量。此外，被加工轧辊3上毛化点密度分布均匀，对钢板的粗糙度、均匀性和深冲性能也十分有益。

实施例2：

实施例2与实施例1的基本结构相同，工作原理也一样。只是其振动分光机构8的分光头数量和激光聚焦头机构9的聚焦头数量略有不同。

如图5所示，实施例2中的振动分光机构8具有七个并列的分光头，即第一分光头8.1、第二分光头8.2、第三分光头8.3、第四分光头8.4、第五分光头8.5、第六分光头8.6和第七分光头8.7。一一相对应地，实施例2中的激光聚焦机构9具有七个并列的聚焦头，即第一聚焦头9.1、第二聚焦头9.2、第三聚焦头9.3、第四聚焦头9.4和第五聚焦头9.5、第六聚焦头9.6和第七聚焦头9.7。

实施例2中，被加工轧辊3材质为9Cr3Mo，直径为60mm，全长为4000mm。被加工轧辊3的旋转速度为90rpm，毛化平台7的横向移动速度为20mm/s。

实施例2中，激光器1采用光纤激光器，其输出功率从400～1000W连续可调，激光输出波长为1.5μm。振动分光机构8中的振动装置8c的振动频率f=6kHz，振幅A=15μm，采用余弦振动方式。其中，第四分光头8.4位于振幅零点，第一分光头8.1、第二分光头8.2、第三分光头8.3、第五分光头8.5、第六分光头8.6和第七分光头8.7分别位于振幅零点分别位于振动零点+7.5μm、+5μm、+2.5μm、-2.5μm、-5μm和-7.5μm的位置。

图6为实施例2中振动装置8c在余弦振动状态下产生的脉冲激光束示意图。图7为上述余弦振动状态下被加工轧辊3的毛化效果图。从中可以看到，激光束在被加工轧辊3上扫描出的螺旋线也是不规则的曲线，这些不规则的曲线组合在一起构成无序化毛化点阵。采用该毛化处理的轧辊轧制钢板时，其所生产的积极效果同实施例1。

Claims (7)

1.一种轧辊表面多头激光毛化加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将被加工轧辊(3)置于数控机床(2)的轧辊转轴(4)上，并通过床尾座(11)上的顶尖(5)将其顶紧，开启数控机床(2)驱动被加工轧辊(3)按设定的转速旋转；

2)通过数控机床(2)驱动设置在平移导轨(6)上的毛化平台(7)沿被加工轧辊(3)的轴向按设定的速度往返滑动，从而带动设置在毛化平台(7)上的振动分光机构(8)和激光聚焦机构(9)也沿被加工轧辊(3)的轴向往返平移；

3)采用激光器(1)向振动分光机构(8)发出连续激光束，同时让振动分光机构(8)按正弦规律或余弦规律以设定频率连续振动，使激光束在振动分光机构(8)中依次扫过k个并列分光头(8.1、8.2、…8.k)，每个分光头都接收一部分激光束；

4)将k个并列分光头(8.1、8.2、…8.k)接收到的激光束一一对应传输到激光聚焦机构(9)的k个并列聚焦头(9.1、9.2、…9.k)中进行聚焦；

5)使k个并列聚焦头(9.1、9.2、…9.k)输出的激光束对准被加工轧辊(3)的表面，k个激光束即可在毛化平台(7)的往返滑动过程中使被加工轧辊(3)的表面形成不规则的螺旋扫描曲线点阵毛化坑分布，所述毛化平台(7)在沿被加工轧辊(3)的轴线从首端滑动到末端后，立即错位移动一个螺距，反向返回至首端；在首端再错位移动一个螺距，继续滑动至末端，直至毛化点布满整个被加工轧辊(3)表面。

2.根据权利要求1所述的轧辊表面多头激光毛化加工方法，其特征在于：所述振动分光机构(8)的振动频率f＝1～10kHz、振幅A＝5～30μm。

3.根据权利要求1所述的轧辊表面多头激光毛化加工方法，其特征在于：所述被加工轧辊(3)的旋转速度ω＝75～90rpm，所述毛化平台(7)沿被加工轧辊(3)的轴向滑动速度V＝20～30mm/s。

4.一种为实现权利要求1所述方法而设计的轧辊表面多头激光毛化加工装置，包括激光器(1)和数控机床(2)，所述数控机床(2)的床身上设置有床头箱(10)和床尾座(11)，所述床头箱(10)上安装有用于支撑并驱动被加工轧辊(3)旋转的轧辊转轴(4)，所述床尾座(11)上安装有用于顶紧被加工轧辊(3)的顶尖(5)，其特征在于：所述数控机床(2)的床身上还设置有与轧辊转轴(4)平行布置的平移导轨(6)，所述平移导轨(6)上设置有与其滑动配合的毛化平台(7)，所述毛化平台(7)上设置有对准被加工轧辊(3)表面的激光聚焦机构(9)，所述激光聚焦机构(9)是由k个并列聚焦头(9.1、9.2、…9.k)组成的聚焦头阵列，所述毛化平台(7)上还设置有位于激光器(1)和激光聚焦机构(9)之间的振动分光机构(8)，所述振动分光机构(8)包括安装在毛化平台(7)上的振动装置(8c)、平行布置的第一全反射镜(8a)和第二全反射镜(8b)、以及k个并列分光头(8.1、8.2、…8.k)，所述第一全反射镜(8a)与激光器(1)所发射激光束呈45°入射角布置，所述第二全反射镜(8b)固定在振动装置(8c)上，所述k个并列分光头(8.1、8.2、…8.k)位于第二全反射镜(8b)所反射激光束通路上，且所述k个并列分光头(8.1、8.2、…8.k)的位置与k个并列聚焦头(9.1、9.2、…9.k)的位置一一对应；所述分光头的数量k＝2n+1，n为自然数，且n≥2，所述k个并列分光头(8.1、8.2、…8.k)在振动装置(8c)的振幅范围内平均分布，且正中间的分光头对应于振动装置(8c)的振幅零点，最两端的分光头(8.1、8.k)分别对应于振动装置(8c)的振峰和振谷。

5.根据权利要求4所述的轧辊表面多头激光毛化加工装置，其特征在于：所述激光聚焦机构(9)的k个并列聚焦头(9.1、9.2、…9.k)所输出激光束与被加工轧辊(3)表面垂直。

6.根据权利要求4的轧辊表面多头激光毛化加工装置，其特征在于：所述激光器(1)设置在数控机床(2)的床头箱(10)上。

7.根据权利要求4所述的轧辊表面多头激光毛化加工装置，其特征在于：所述激光器(1)为高功率连续CO₂激光器、高功率连续YAG激光器或光纤激光器。