CN105671250A - 一种圆锯片激光冲击适张装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆锯片激光冲击适张装置及方法。该装置包括夹具、可旋转夹持装置、驱动装置、激光器和激光器移位装置。该方法包括在圆锯片两侧端面涂覆吸收保护层材料；在圆锯片两侧端面涂覆或喷洒约束层材料；利用激光束对圆锯片两侧端面同步对称施加激光冲击。本发明能够解决锤击、辊压等现有适张方法效率低、精度差、自动化程度低、适张效果不理想等问题，有助于超薄圆锯片制造水平、产量、性能与质量稳定性的提升，能够延长刀具使用寿命、减少木材锯切损耗、降低环境污染。

Description

一种圆锯片激光冲击适张装置及方法

技术领域

本发明涉及一种圆锯片适张装置及方法，特别涉及一种超薄圆锯片适张装置及方法。

背景技术

木材作为一种绿色、可再生、可循环的重要材料，在国民经济建设和人民日常生活中起到了非常重要的作用。然而，随着我国天然林保护范围的进一步扩大，木材资源在未来数十年仍然是我国经济领域的一大稀缺资源。因此，木材工业领域提出了木材绿色制造和节能减排的要求，木材的高效加工与综合利用技术获得了高度重视，提高木材加工利用率、减少木材资源浪费已成为我国的基本国策。

圆锯片是木材加工的基本工具，具有效率高、使用简单、维修方便、移动便利等优点，在所有木材生产设备中占到30％～40％的比例。国内外学者都非常重视圆锯片的研究，降低其厚度、增加其稳定性被国内外公认是提高木材利用率最有效的方法。因此，超薄圆锯片越来越受到市场的青睐，被广泛地应用于木材加工领域。

影响圆锯片工作性能的主要因素包括它在高速回转下产生的离心应力以及切削过程产生的热应力，随着圆锯片外缘与夹盘附近温度差的进一步增大，热应力在圆锯片外缘产生的切向压应力会继续增大，逐渐超过离心应力在锯片外缘产生的切向拉应力，使得圆锯片外缘总的切向应力呈现压应力的状态。这会导致锯片外缘在很小的横向力作用下就会产生压曲变形而失稳，引发锯切精度和加工表面质量降低、锯路损失增大、切削发热进一步加剧、锯片寿命缩短等现象。为此普遍采用的办法是对圆锯片进行适张处理，即通过机械或物理的手段，使锯片局部区域产生一定程度的塑性变形，进而在锯片内部引入数值大小适当、分布合理的预应力场，以补偿圆锯片在切削过程中产生的不利的切削热应力，从而达到提高锯片稳定性和锯切质量的目的。

适张是圆锯片生产制造过程中的重要工艺环节，直接决定了圆锯片的性能质量。目前国内外针对圆锯片的适张方法主要包括锤击、辊压、喷丸、在线加热、多点加压等。锤击适张时，锤击力、锤击点难以精确控制，自动化程度低、重复性和可控性差、生产效率低、锯片质量不稳定，现在已经很少采用了；辊压适张时，圆锯片的预应力场并不理想，并且反复辊压同一辊压带，会使锯片的强度和刚度大大降低；喷丸适张尚处于研究阶段，并且喷丸工艺自身具有生产环境差等缺点，影响操作人员的身体健康并且产生环境污染，不符合绿色发展的趋势；在线加热适张所需设备复杂，成本高，自动化程度低，国内外的应用较少；多点加压适张是通过液压装置对圆锯片逐点加压，适张效率与精度较低，国内外的应用较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对圆锯片、特别是超薄圆锯片的激光冲击适张装置和方法，以解决现有适张工艺效率低、精度差、自动化程度低、适张效果不理想等问题。

本发明的原理是利用高功率密度(例如，10⁹w/cm²)、短脉冲(一般为ns级)激光束对具有约束层和吸收保护层的圆锯片多个局部区域进行双面辐照，使吸收保护层吸收激光能量后发生爆炸蒸发汽化，所产生的高压等离子体冲击波对圆锯片局部区域进行高压冲击。当冲击波的峰值压力超过圆锯片材料的动态屈服强度时，圆锯片多个局部区域就产生塑性变形，进而使得超薄圆锯片内部形成预应力场，产生适张效果。其中，吸收保护层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，适用的吸收保护层材料有黑漆和铝箔等。约束层除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，适用的约束层材料有流水、K9玻璃等。

本发明的圆锯片激光冲击适张装置包括夹具、可旋转夹持装置、驱动装置、激光器和激光器移位装置。所述夹具包括对称的两部分，每一部分都包括夹盘和从夹盘向外延伸的中心轴，所述两部分用于从圆锯片的两侧端面夹持圆锯片。所述可旋转夹持装置包括两个，设置于夹具两端，用于夹紧所述夹具中心轴的自由端。所述驱动装置与至少一个可旋转夹持装置连接，用于驱动可旋转夹持装置旋转。所述激光器包括两个，相对于被夹持的圆锯片对称设置。所述激光器移位装置用于上下移动激光器的位置。

圆锯片激光冲击适张装置还可以包括约束层装置，所述约束层装置包括两个，相对于被夹持的圆锯片对称设置，且能够随所述激光器一起移动，用于向圆锯片的两侧端面喷洒约束层材料。所述约束层装置可以是送水装置。

所述可旋转夹持装置可以是可旋转三爪卡盘。

所述激光器移位装置优选为工业机械手。

所述驱动装置优选包括伺服电机。

本发明一种圆锯片激光冲击适张方法的步骤如下：

步骤1，在圆锯片两侧端面施加吸收保护层材料，在圆锯片两侧端面形成吸收保护层；

步骤2，在圆锯片两侧端面施加约束层材料，在圆锯片两侧端面形成约束层；

步骤3，将圆锯片安装在所述夹具中，圆锯片的中心线与所述中心轴的轴线重合；

步骤4，以圆锯片中心为圆心，将圆锯片两侧端面划分为对称布置的若干环形待冲击区域；

步骤5，控制可旋转夹持装置的旋转，利用激光器对最外侧或最内侧环形待冲击区域进行激光冲击；

步骤6，控制激光器的上下移动，由外至内或由内至外依次对所有环形待冲击区域进行激光冲击。

本发明另一种圆锯片激光冲击适张方法的步骤如下：

步骤1，在圆锯片两侧端面施加吸收保护层材料，在圆锯片两侧端面形成吸收保护层；

步骤2，将圆锯片安装在所述夹具中，圆锯片的中心线与所述中心轴的轴线重合；

步骤3，以圆锯片中心为圆心，将圆锯片两侧端面划分为对称布置的若干环形待冲击区域；

步骤4，控制可旋转夹持装置的旋转，利用激光器对最外侧或最内侧环形待冲击区域进行激光冲击；

步骤5，控制激光器的上下移动，由外至内或由内至外依次对所有环形待冲击区域进行激光冲击；

其中，在每次进行激光冲击前，均利用约束层装置向待冲击区域喷洒约束层材料，在圆锯片两侧端面形成约束层。

本发明的超薄圆锯片适张装置及方法具有如下优点：

1)单次冲击过后，冲击区域的应变层深度可达1～2mm，冲击区域的凹坑深度在几μm到几十μm之间(可忽略不计)，冲击区域外侧14mm范围内产生的拉应力可达几十乃至上百MPa，此外，激光冲击技术能够实现金属双面对称同步冲击。

2)它具有冲击区域和压力可精确调控、精度质量高、易于自动化控制、效率高等优势，能够弥补锤击、辊压等现有适张工艺的不足。

3)高压。冲击波的压力可达到GPa，乃至TPa量级，这是常规的机械加工难以达到的。

4)高能。激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到GW量级，在10～20ns内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用。并且由于激光器的重复频率只需几Hz以下，整个激光冲击系统的负荷仅仅30kW左右，属于低能耗的加工方式。

5)超高应变率。冲击波作用时间仅仅几十纳秒(ns)，由于冲击波作用时间短，应变率达到10-10/s，这比机械冲压高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。

附图说明

图1是超薄圆锯片激光冲击适张装置的工作状态示意图；

图2是超薄圆锯片激光冲击适张工艺的冲击区域示意图；

图3是超薄圆锯片激光冲击适张的冲击顺序示意图。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1所示为本发明圆锯片激光冲击适张装置的一个具体实施例。其中，11为超薄圆锯片，12为夹具，13为可旋转三爪卡盘，14为激光器，15为送水装置，16为工业机械手。

夹具12包括对称的两部分，每一部分都包括夹盘和从夹盘向外延伸的中心轴，所述两部分用于从两侧端面夹持超薄圆锯片11。完成在夹具12上的安装后，超薄圆锯片11的中心线与夹具12的中心轴的轴线重合。

可旋转三爪卡盘13包括两个，分设于夹具12两端，用于夹紧所述夹具12的中心轴的自由端。所述激光冲击适张装置还包括驱动装置(图中未示出)，该驱动装置与至少一个可旋转三爪卡盘13连接，用于驱动可旋转三爪卡盘13旋转。驱动装置优选包括伺服电机，用于更为精确地控制三爪卡盘13的旋转启动、旋转角度及旋转速度等。激光器14包括两个，相对于被夹持的圆锯片11对称设置。激光器14具有激光探头，用于向超薄圆锯片11两侧端面发射激光束，进行激光冲击。

工业机械手16也是成对设置，分别用于固定成对布置的激光器14，并在实施激光冲击操作时，用于调整激光器14所处的上下位置。工业机械手16仅是一种优选方式，在实际应用中不限于此，可选用任何适于上下移动所述激光器14的移位装置或结构。

圆锯片激光冲击适张装置还可以包括约束层装置，所述约束层装置包括两个，相对于被夹持的圆锯片对称设置，且能够随所述激光器一起移动，用于向圆锯片的两侧端面喷洒约束层材料。在图1所示实施例中，所述约束层装置是送水装置15。送水装置15同样固定于工业机械手16并借此实现上下的位置移动，以在实施激光冲击前向超薄圆锯片11的待冲击区域输送流水。

下面结合图1所示激光冲击适张装置的实施例介绍本发明的圆锯片激光冲击适张方法的一个具体实施例。

如图2所示，以外缘直径358mm、安装孔直径50mm、厚度为2.2mm的超薄圆锯片为例，1表示超薄圆锯片11的一侧端面，2表示激光冲击区域，可根据超薄圆锯片11的尺寸规格，调整激光冲击区域2的位置分布、大小以及冲击次数，3代表安装孔。为保证圆锯片内部生成的预应力场分布合理，应使冲击区域呈轴对称分布。

所选用的激光器14的相关参数为：

激光器形式：双路；重复频率：1～2Hz；单脉冲能量：20～25J；脉宽：10～20ns；激光波长：1064nm；峰值功率：大于10⁹W/cm²；工作光斑形状：直径2～8mm圆形。上述参数仅作为示例，在实际应用中可根据实际需要予以确定，而非局限于此。

该实施例采用如下步骤：

1)在超薄圆锯片11的两侧端面上均匀涂覆黑漆作为吸收保护层，然后安装在夹具12上，并使超薄圆锯片11的中心线与夹具12的中心轴的轴线重合，如图1所示。夹具12的两端(中心轴自由端)由可旋转三爪卡盘13夹紧，可旋转三爪卡盘13的旋转角度由伺服电机精确控制，进而保证超薄圆锯片11能够按照指定的角度旋转。

2)将成对的激光器14、送水装置15固定于两个工业机械手16上，对称布置于超薄圆锯片11的两侧端面，如图1所示。通过控制系统对工业机械手16的运动轨迹进行规划，使激光器14能够精准移动并对准超薄圆锯片11端面的指定区域。通过控制系统对送水装置15进行控制，保证激光冲击前一刻超薄圆锯片11的待冲击区域的表面有流水。

3)如图3所示，以超薄圆锯片中心为圆心，将待冲击区域划分为a、b、c三个环形区域。如图1和3所示，通过工业机械手16的精确运行，使超薄圆锯片11两侧的激光器14的激光探头正对a环中的A区域，完成A区域的激光冲击，伺服电机控制超薄圆锯片11的旋转，逐次完成a环中所有区域的激光冲击。然后，激光探头自动对准b环中的B区域，完成B区域的激光冲击，伺服电机控制超薄圆锯片11的旋转，完成b环中所有区域的激光冲击。最后，激光探头自动对准c环中的C区域，完成C区域的激光冲击，伺服电机控制超薄圆锯片11的旋转，完成c环中所有区域的激光冲击。上述对超薄圆锯片的两侧端面相对应区域的激光冲击是同步进行的，以保证超薄圆锯片承受对称冲击载荷。

4)对超薄圆锯片11的适张状态，例如应力、刚度、平整度，进行检测，进一步优化激光冲击适张的工艺参数，例如激光能量、光斑直径、冲击区域大小、冲击次数等，最终确定同一批次的超薄圆锯片11的激光冲击适张工艺配置。

5)完成超薄圆锯片11的批量化激光冲击适张。

上述内容是本发明方法的一个具体实施例，但本发明并不局限于此，还可以采用其他的替代方式。例如，保护吸收层材料还可以是贴覆于圆锯片端面的铝箔，约束层材料还可以是K9玻璃，约束层的施加不一定如上述实施例中通过送水装置喷洒的方式进行，也可例如采用在涂覆吸收保护层后及进行激光冲击前，在圆锯片端面上涂覆约束层材料的方式进行。再例如，冲击区域的划分不限于3个环状区域，也可根据实际情况增加或减少，激光冲击也可采用由内而外的顺序进行。

总之，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆锯片激光冲击适张装置，包括夹具、可旋转夹持装置、驱动装置、激光器和激光器移位装置，其特征在于：

所述夹具包括对称的两部分，每一部分都包括夹盘和从夹盘向外延伸的中心轴，所述两部分用于从圆锯片的两侧端面夹持圆锯片；

所述可旋转夹持装置包括两个，设置于夹具两端，用于夹紧所述夹具中心轴的自由端；

所述驱动装置与至少一个可旋转夹持装置连接，用于驱动所述可旋转夹持装置旋转；

所述激光器包括两个，相对于被夹持的圆锯片对称设置；

所述激光器移位装置用于上下移动激光器的位置。

2.如权利要求1所述的圆锯片激光冲击适张装置，其特征在于：

还包括约束层装置，所述约束层装置包括两个，相对于被夹持的圆锯片对称设置，且能够随所述激光器一起移动，用于向圆锯片的两侧端面喷洒约束层材料。

3.如权利要求2所述的圆锯片激光冲击适张装置，其特征在于：

所述约束层装置为送水装置。

4.如权利要求1-3任一所述的圆锯片激光冲击适张装置，其特征在于：

所述可旋转夹持装置为可旋转三爪卡盘。

5.如权利要求1-3任一所述的圆锯片激光冲击适张装置，其特征在于：

所述激光器移位装置为工业机械手。

6.如权利要求1-3任一所述的圆锯片激光冲击适张装置，其特征在于：

所述驱动装置包括伺服电机。

7.一种利用如权利要求1所述圆锯片激光冲击适张装置的圆锯片激光冲击适张方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，在圆锯片两侧端面施加吸收保护层材料，在圆锯片两侧端面形成吸收保护层；

步骤2，在圆锯片两侧端面施加约束层材料，在圆锯片两侧端面形成约束层；

步骤3，将圆锯片安装在所述夹具中，圆锯片的中心线与所述夹具的中心轴的轴线重合；

步骤4，以圆锯片中心为圆心，将圆锯片两侧端面划分为对称布置的若干环形待冲击区域；

步骤5，控制可旋转夹持装置的旋转，利用激光器对最外侧或最内侧环形待冲击区域进行激光冲击；

步骤6，控制激光器的上下移动，由外至内或由内至外依次对所有环形待冲击区域进行激光冲击。

8.一种利用如权利要求2所述圆锯片激光冲击适张装置的圆锯片激光冲击适张方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，在圆锯片两侧端面施加吸收保护层材料，在圆锯片两侧端面形成吸收保护层；

步骤2，将圆锯片安装在所述夹具中，圆锯片的中心线与所述夹具的中心轴的轴线重合；

步骤3，以圆锯片中心为圆心，将圆锯片两侧端面划分为对称布置的若干环形待冲击区域；

步骤4，控制可旋转夹持装置的旋转，利用激光器对最外侧或最内侧环形待冲击区域进行激光冲击；

步骤5，控制激光器的上下移动，由外至内或由内至外依次对所有环形待冲击区域进行激光冲击；

其中，在每次进行激光冲击前，均利用约束层装置向待冲击区域喷洒约束层材料，在圆锯片两侧端面形成约束层。

9.如权利要求7或8所述的圆锯片激光冲击适张方法，其特征在于：

所述激光器移位装置为工业机械手。

10.如权利要求7或8所述的圆锯片激光冲击适张方法，其特征在于：

所述驱动装置包括伺服电机。