CN103710699A - 一种轧辊表面局部激光熔注仿生强化方法与设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种轧辊表面局部激光熔注仿生强化设备，由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。采用激光熔注方法，针对轧辊表面磨损区域几何特征，从仿生角度出发，研究耐磨损生物原型，从减小轧辊表面强化应力应变角度，将生物原型抗磨损的结构通过激光熔注“复制”在轧辊表面，提高轧辊表面的耐磨性，延长轧辊使用寿命，为轧辊表面强化提供了一种新的方法。

Description

一种轧辊表面局部激光熔注仿生强化方法与设备
技术领域
本发明属于轧制型材用的轧辊。
背景技术
近年来，高速钢轧辊、硬质合金组合轧辊的应用范围越来越广泛。但是，目前国内绝大多数轧钢厂仍然在大量使用铸钢轧辊和球铁轧辊，特别是粗轧机组和精轧机组的球铁轧辊消耗量很大。轧辊在轧制各种线材、棒材、窄带钢、中带钢、无缝钢管的过程中，轧辊处在高温、高负荷和高速度的条件下工作，轧辊表面裂纹倾向严重有时甚至刚处理完尚未开始服役就出现长裂纹，在激光束的扫描搭接区产生回火软化使轧辊表面出现“软硬带”，强化层深度不够很难满足大型轧辊重载磨损的要求。使用工况条件苛刻，要求轧辊具有高的强韧性、耐磨性、耐表面粗糙性和耐热裂性。我国现在绝大多数轧钢厂使用的轧辊，仍处于高合金无限冷硬轧辊、合金半钢轧辊的阶段，这些轧辊大都是采用同一种材质生产，耐磨性和韧性不能同时保证。对同一种材料来说，耐磨性和韧性是相互矛盾的两个指标，而轧辊要求表面有高的耐磨性，心部要有好的韧性，生产中它们又是相互制约的。而对于提高轧辊耐磨性问题上，主要局限在表面涂层、激光表面改性、表面化学处理、以及材料的化学成分、组织结构、热处理等方面，这是从材料的角度发展起来的表面抗磨技术，加工制造困难。从仿生学的角度研究耐磨性，近年来也有很大发展。
发明内容
本发明提供了一种轧辊表面局部激光熔注仿生强化设备，所述设备由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。
控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、轧辊表面仿生结构体设计模块和轧辊表面仿生强化数控加工模块；
所述的多尺度激光熔注强化层工艺模块，其第一部分是加工工艺参数数据库，该数据库是对大量实验数据总结和优化的结果；数据库中每一条数据记录包括轧辊的材料牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后轧辊表面化学成分、组织结构、耐磨性；其第二部分是仿生结构体视觉监控模块，该部分主要接收视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和四轴数控工作台联动状态；
所述的轧辊表面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对轧辊表面磨损区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小轧辊表面强化应力应变角度，完成仿生结构体设计；
所述的轧辊表面仿生强化数控加工模块可根据设计好的轧辊表面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动四自由度数控机械工作台；也可以在其它计算机设计好轧辊表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中；
同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控模块；
   所述的四自由度数控机械工作台，其Y向进给机构安装在机床主体上，其X向进给机构通过滑轨和丝杠安装在Y向机构上，Z向上下移动机构安装在Y向机构上，激光头、同轴视觉和陶瓷送粉器通过机械连接固定在Z向上下移动机构上，B轴卡盘和轴向定位机构带动轧辊转动。
在轧辊功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。
在轧辊表面局部激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生结构体筋脉宽度W1、W2为0.1~10mm，仿生结构体筋脉厚度h2为0.1~8mm，仿生结构体网格长度W3为0.5~50mm，仿生结构体网格宽度W4为0.5~50mm，仿生耐磨点直径d为0.5~40mm，仿生耐磨点厚度h1为0.1~8mm，仿生结构体筋脉夹角θ为10~170度。
激光熔注碳化物陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～200 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生结构体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。
附图说明
图1轧辊表面仿生强化设备控制结构框图
图2轧辊表面仿生强化设备主视结构示意图
其中：1 Z轴驱动  2 X轴驱动   3 Y轴驱动  4 同轴视觉  5 激光入口  6 B轴卡盘驱动  7 输出激光  8 陶瓷送粉器  9 轧辊  10 轴向定位机构  11 机床主体
图3轧辊强化表面耦合仿生结构体示意图
其中： W1、W2仿生结构体筋脉宽度  h2仿生结构体筋脉厚度  W3仿生结构体网格长度  W4仿生结构体网格宽度  d仿生耐磨点直径  h1仿生耐磨点厚度。
具体实施方式
本发明的轧辊表面局部激光熔注仿生强化设备，所述设备由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。
控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、轧辊表面仿生结构体设计模块和轧辊表面仿生强化数控加工模块；
所述的多尺度激光熔注强化层工艺模块，其第一部分是加工工艺参数数据库，该数据库是对大量实验数据总结和优化的结果；数据库中每一条数据记录包括轧辊的材料牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后轧辊表面化学成分、组织结构、耐磨性；其第二部分是仿生结构体视觉监控模块，该部分主要接受视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和四轴数控工作台联动状态；
所述的轧辊表面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对轧辊表面磨损区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小轧辊表面强化应力应变角度，设计仿生结构体设计；
所述的轧辊表面仿生强化数控加工模块可根据设计好的轧辊表面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动四自由度数控机械工作台；也可以在其它计算机设计好轧辊表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中；
同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控模块；
   所述的四自由度数控机械工作台，其Y向进给机构安装在机床主体上，其X向进给机构通过滑轨和丝杠安装在Y向机构上，Z向上下移动机构安装在Y向机构上，激光头、同轴视觉和陶瓷送粉器通过机械连接固定在Z向上下移动机构上，B轴卡盘和轴向定位机构带动轧辊转动。
    在轧辊功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。
该轧辊表面局部激光熔注仿生强化方法步骤如下：
1．将表面已处理了的辊轴装夹在机床的主轴箱卡盘上,闭合电源，启动四自由度数控工作台、激光发生器电源、视觉采集系统和陶瓷精密送粉器。
2．通过四自由度数控工作台调整激光焦点、陶瓷熔注位置与轧辊功能表面相对位置。
3．启动“多尺度激光熔注强化层工艺模块”，输入信息，确定激光熔注优化工艺参数；启动“轧辊表面仿生结构体设计模块”，针对轧辊表面不同特征，设计仿生结构体。
4.启动“轧辊表面仿生强化数控加工模块”，根据设计好的轧辊表面仿生结构体自动形成数控加工程序。
5．启动“加工开始”，将激光熔注优化工艺参数传递到激光发生器，输出激光，将数控加工程序传递到数控工作台，数控平台按照加工程序控制伺服电机驱动工作台运动。
6. 加工过程中，CCD视觉监控激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，对激光加工参数和工作台运动轨迹做局部微调，保证轧辊功能表面仿生强化结构体加工质量。
选择具有耐磨抗裂功能如蜻蜓翅膀等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，根据轧辊表面形态、材料、结构特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，进行轧辊表面仿生单元体和结构体设计，利用激光陶瓷熔注加工出具有仿生结构表面轧辊。轧辊材料为60CrMnMo，WC粉末由熔池中后部注入，平均尺寸为110μm，采用负离焦5.0mm，激光束加工斑点尺寸为4.0mm，激光功率密度600 W/mm2，扫描速度1.3m/min，送陶瓷粉速度130mg/s，熔注层中陶瓷（WC）的体积分数为34%，陶瓷以均匀梯度弥散形态，在轧辊表面加工成一定仿生纹理网格，如图3所示，该蜻蜓仿生结构体是由筋脉和耐磨点按一定规律耦合而成，耐磨点和筋脉中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中仿生结构体筋脉宽度W1、W2为4mm，仿生结构体筋脉厚度h2为2mm，仿生结构体网格长度W3为10mm，仿生结构体网格宽度W4为10mm，仿生耐磨点直径d为5mm，仿生耐磨点厚度h1为3mm，仿生结构体筋脉夹角θ为60度。根据图纸要求尺寸，对强化轧辊精磨，进行表面粗糙度、几何尺寸的检测和无损探伤检测, 确保符合要求。轧辊表面局部激光熔注仿生强化后，提高轧辊使用寿命1.8倍以上。

Claims (5)

1.一种轧辊表面局部激光熔注仿生强化设备，其特征在于：所述设备由控制单元、仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台组成，控制单元分别与仿生结构体视觉监控系统、陶瓷精密送粉器、激光发生器和四自由度数控机械工作台的通讯接口系统相连。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
控制单元包括一台工业控制计算机，该计算机具有多尺度激光熔注强化层工艺模块、轧辊表面仿生结构体设计模块和轧辊表面仿生强化数控加工模块；
所述的多尺度激光熔注强化层工艺模块，其第一部分是加工工艺参数数据库，该数据库是对大量实验数据总结和优化的结果；数据库中每一条数据记录包括轧辊的材料牌号、原始显微组织，激光功率、扫描速度、离焦量，陶瓷材料、颗粒尺寸、体积分数、弥散形态、熔注速度，熔注后轧辊表面化学成分、组织结构、耐磨性；其第二部分是仿生结构体视觉监控模块，该部分主要接收视觉硬件系统图像信号，处理激光熔注熔化状态和仿生结构体成形状态，从而控制激光熔注工艺参数和四轴数控工作台联动状态；
所述的轧辊表面仿生结构体设计模块是选择具有耐磨抗裂功能的生物为生物原型，运用相似理论，对生物体几何尺寸、外形、系统结构和功能特征进行模拟和参数优化，建立相应生物模型，针对轧辊表面磨损区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，从减小轧辊表面强化应力应变角度，完成仿生结构体设计；
所述的轧辊表面仿生强化数控加工模块可根据设计好的轧辊表面仿生结构体自动形成数控加工程序，驱动四自由度数控机械工作台；也可以在其它计算机设计好轧辊表面仿生结构体，生成数控加工程序，然后导入该示教系统中；
同轴视觉传感采集系统与激光器通过紧固件连接，通过CCD视觉传感激光熔注熔化状态和仿生结构体成形特征，传给控制单元中仿生结构体视觉监控模块；
   所述的四自由度数控机械工作台，其Y向进给机构安装在机床主体上，其X向进给机构通过滑轨和丝杠安装在Y向机构上，Z向上下移动机构安装在Y向机构上，激光头、同轴视觉和陶瓷送粉器通过机械连接固定在Z向上下移动机构上，B轴卡盘和轴向定位机构带动轧辊转动。
3.一种利用权利要求1或2所述的设备进行轧辊功能表面局部激光熔注仿生强化方法，其特征在于：在轧辊功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，对表面进行填加化学元素和仿生强化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述在轧辊表面局部激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，仿生结构体筋脉宽度W1、W2为0.1~10mm，仿生结构体筋脉厚度h2为0.1~8mm，仿生结构体网格长度W3为0.5~50mm，仿生结构体网格宽度W4为0.5~50mm，仿生耐磨点直径d为0.5~40mm，仿生耐磨点厚度h1为0.1~8mm，仿生结构体筋脉夹角θ为10~170度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述激光熔注碳化物陶瓷颗粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度1～200 mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生结构体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。
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