CN1803371A - 高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的毛化加工方法是：由一个多棱镜分光机构将高功率连续激光束分成K≥2路脉冲激光束，再由K个聚焦头聚焦后输出，对辊类表面同时多头毛化加工。本发明提供的装置设有激光器(2)和数控机床(3)，该机床工作平台(4)装有多棱镜分光和聚焦机构，其中：多棱镜分光机构(5)由全反射镜(502)、多棱镜(501)、高速电机(509)和K个分光头组成；聚焦机构是K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端对应一个分光头输出端，聚焦头光轴与轧辊工件表面垂直，聚焦头两两之间的横向距离ΔX为毛化点之间的点间距，纵向距离为ΔY；K≥2。本发明结构简单、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量好。

Description

高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种辊类表面激光毛化处理领域，特别是涉及一种高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置。

背景技术

毛化钢板具有优良的冲压性能和表面涂镀性能，是汽车、家电、电子和轻工业生产中广泛应用的重要原材料，毛化钢板生产的关键技术是轧辊表面毛化，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。

目前激光轧辊毛化技术主要分为两大类：一类是采用气体CO₂激光器的CO₂激光毛化，另一类是采用固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化。

目前，已经研制成功并且用于生产的CO₂激光毛化装置是：将CO₂激光器射出的高能激光束用光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束，通过聚焦透镜聚焦后照射在被加工的轧辊表面，加工过程中轧辊旋转，同时激光头和光学发射调制系统平移，在轧辊表面加工出螺旋形规则分布的微小毛化坑，如华中科技大学激光院研制的大型CO₂激光轧辊毛化加工成套系统。但该系统由于采用光调制盘技术后，只能利用很少一部分输出激光能量，能量利用效率不高，且机械结构复杂、设备体积庞大，相对造价较高。上述的CO₂激光毛化设备毛化效果比电火花毛化设备好，但由于能量利用率比较低所以加工效率与电火花毛化设备相比有一定差距。

YAG激光毛化设备是中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的冷轧辊激光加工装置。该装置是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为脉冲激光发生源，脉冲激光束经光路系统聚焦后作用于轧辊表面，通过控制调Q频率和轧辊转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。如“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”(专利号ZL00264774.5)，该激光加工装置就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源，其缺点是：由于YAG激光泵浦灯使用寿命有限，需要定期进行泵浦灯的更换等维护工作，影响生产效率；另外，该装置所使用激光的平均功率较低，毛化效果有限，生产效率很低，难以满足大型钢厂的生产需要。尽管该装置设计两台激光器通过光路转换，实现生产中激光器轮换使用，来解决持续生产这一问题，但这种设计增加了机械系统、冷却系统和光路系统的复杂程度，对于加工装置的工作可靠性、耐久性有影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服上述激光毛化装置的不足，提供一种高功率激光辊类表面多头毛化加工装置。该装置加工效率高，可以同时实现多头加工，并且激光功率没有限制，能够充分利用激光能量。

本发明采用如下的技术方案：

本发明提供的高功率激光辊类表面多头毛化加工方法是：利用高功率连续激光器输出连续激光束，该激光束通过一个多棱镜分光机构分成K≥2路脉冲激光束，再分别由K个聚焦头聚焦后输出，对辊类表面同时进行多头毛化加工，使辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。

本发明提供的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其设有激光器和数控机床，该机床的机身上装有激光器、平移导轨、置放在平移导轨上的工作平台以及与平移导轨平行的用于安装轧辊工件的轧辊转轴和顶尖，工作平台上装有多棱镜分光机构和聚焦机构。其中：激光器为高功率连续激光器；多棱镜分光机构由全反射镜、多棱镜以及带动多棱镜旋转的高速电机和K个分光头组成；聚焦机构是由K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端对应一个分光头输出端，聚焦头光轴与轧辊工件表面垂直，聚焦头两两之间的横向距离为ΔX，此距离即为毛化点之间的点间距，纵向距离为ΔY，最小以能放置两个聚焦头为准；K≥2。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

(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。由于激光加工头是多个，所以可以同时实现多头加工，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)采用多棱镜分光机构，将连续高功率激光束分成多路脉冲激光输出，不需采用光调制转盘或进行声光调Q以获得脉冲激光输出，因此激光能量利用效率高，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)，技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠运行。

(4)采用金属抛物面聚焦系统，所以散热快，热变形小，聚焦光斑无像散、球差，工作稳定。

(5)由于采用三轴联动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多种分布，产品质量好。

总之，本发明结构简单、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中多棱镜分光机构5的结构示意图。

图3为图1中聚焦头阵列的布置示意图。

图4为聚焦头在轧辊工件1表面产生的毛化坑分布示意图。

图5为聚焦头采用透射方式聚焦的示意图。

图6为聚焦头采用抛物面反射方式聚焦的示意图。

具体实施方式

本发明提供的高功率激光辊类表面多头毛化加工方法，其利用高功率连续激光器输出连续激光束，该激光束通过一个多棱镜分光机构分成K≥2路脉冲激光束，再分别由K个聚焦头聚焦后输出，对辊类表面同时进行多头毛化加工，使辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。具体步骤如下：

由数控机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹轧辊工件1；

启动数控机床3，使轧辊工件1按设定的转速旋转；

激光器2输出的连续激光束进入安装在工作平台4上的多棱镜分光机构5，经全反射镜502反射后照射到高速旋转的多棱镜501的某个工作表面，激光器为高功率连续激光器；

多棱镜501的这个工作表面在旋转过程中将激光束依次扫过K≥2个分光头，每个分光头在激光扫过时接受到一部分激光，这样多棱镜分光机构将进入的连续激光束分成K路脉冲激光输出；

由多棱镜分光机构5输出的K路脉冲激光束分别经K≥2个聚焦头聚焦，焦点垂直落在旋转的轧辊工件1表面，在数控机床对轧辊工件转速、多棱镜转速、工作平台平移速度的集中控制下，K个聚焦头对轧辊工件同时进行多头毛化加工，形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。扫描线螺距P＝K·ΔX，K≥2，ΔX为轧辊工件表面毛化点之间的点间距，ΔX根据轧辊表面粗糙度要求可为150～350μm。

本发明提供的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其结构如图1、图2所示：设有激光器2和数控机床3，该机床的机身上装有激光器2、平移导轨303、置放在平移导轨303上的工作平台4以及与平移导轨303平行的用于安装轧辊工件1的轧辊转轴301和顶尖302，工作平台4上装有多棱镜分光机构5和聚焦机构。其中：激光器2为高功率连续激光器。多棱镜分光机构5由全反射镜502、多棱镜501以及带动多棱镜501旋转的高速电机509和K个分光头503、504、505、506、507、508组成，K≥2。聚焦机构是一种由K个具有聚焦功能的聚焦头601、602、603、604、605、606组成的聚焦头阵列，它们呈斜线或其它形式的排列(图3)，并且安装在工作平台4上，它们的输入端一一与分光头503、504、505、506、507、508的输出端对应，K≥2。聚焦头两两之间的横向距离为ΔX，例如聚焦头601、602之间的横向距离ΔX，其为毛化点之间的点间距；聚焦头两两之间的纵向距离为ΔY，最小以能放置两个聚焦头为准，例如聚焦头605、606之间的纵向距离为ΔY。聚焦头阵列的光轴与轧辊工件1表面垂直，聚焦头阵列在待加工轧辊工件1表面同时形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布(见图4)，扫描线点阵点间距纵向建议为b＝150～350μm，横向间距建议为ΔX＝150～350μm，扫描线螺距P＝K·ΔX，K≥2。

上述的激光器2可采用CO₂激光器，其输出功率从750～6000瓦连续可调，激光输出波长为10.6μm；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。激光器2输出的连续激光束经过多棱镜分光机构501分成K≥2路脉冲激光束，输入到K个激光聚焦头例如图3中的激光聚焦头601、602、603、604、605、606，再由其聚焦后对辊类工件1同时进行多头毛化加工，使辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布(图4)。这样加工效率最高。

待加工的轧辊工件1由数控机床3上的轧辊转轴301和机床床尾顶尖302装夹，轧辊工件1由轧辊转轴301旋转带动转动。数控机床3上的工作平台4可作三维运动，其运动由数控机床3控制。数控机床3可采用现有的机床设备，例如XL9数控机床。

所述的聚焦头可采用透射方式聚焦或采用抛物面反射方式聚焦。现举例如下：

透射方式聚焦如图5所示：聚焦头601由一面放置在多棱镜分光机构分光头503出射光路上的反射镜7和聚焦透镜8组成。从分光头503出射的激光束经过反射镜7后，光路改变90°，然后入射聚焦透镜8聚焦，焦点落在待加工的轧辊工件1表面。

抛物面反射方式聚焦如图6所示：由放置在分光头503出射光路上的反射镜7，以及反射镜9和抛物面聚焦镜10组成。从分光头503出射的激光束经过反射镜7后，光路改变90°，然后入射到反射镜9，光路再改变90°，最后进入抛物面聚焦镜10聚焦，焦点落在待加工的轧辊工件1表面。

所述的多棱镜分光机构5，其结构如图2所示：多棱镜501面数N≥5，图中示例为八面多棱镜，每个工作表面均为全反射面。多棱镜一侧与高速电机509相连，在高速电机509带动下高速旋转，其转速由数控机床4控制，高速电机509转速为n＝1.5～3万转/分。K≥2个分光头503、504、505、506、507、508紧密排列，对应多棱镜一个面的反射区域呈扇形分布。

多棱镜分光机构5和聚焦机构随工作平台4一起移动。由激光器2输出的高功率连续激光束进入多棱镜分光机构5，经全反射镜502反射后照射到多棱镜501的某个工作表面上，这个工作表面在旋转过程中将激光束依次扫过分光头503、504、505、506、507、508，每一个分光头在激光扫过时接受到一部分激光，于是，当激光依次扫过所述分光头时，相当于给每个分光头分配一个激光脉冲。当多棱镜501旋转时，每一个多棱镜面都给所有的分光头分配一个脉冲，这样实际上旋转多棱镜501相当于将一个连续激光分割成为K≥2路脉冲激光，每一路激光完全相同，其脉冲频率为f＝N·n/60赫兹。激光的路数K可以根据加工要求变化，现在最多已经获得K＝20路。

图3给出了六路激光脉冲，它们分别进入安装在工作平台上的六个聚焦头601、602、603、604、605、606，通过这些聚焦头将激光束聚焦，使焦点落在待加工轧辊1的表面上，六路脉冲激光同时对轧辊1表面进行毛化。工作时轧辊转轴301的转速，工作平台4的平移速度和高速电机509的转速都由数控机床4通过设定的参数集中进行运算控制。需要输入数控系统的参数有：轧辊直径D(mm)，轧辊长度L(mm)，毛化点的间距ΔX，高速电机转速n1(转/分)，工作平台移动速度V(mm/s)。加工速度可比单路激光提高六倍。

本实施例所给出的数据仅供参考，它们可依据实际情况而定。

Claims (7)

1.一种高功率激光辊类表面多头毛化加工方法，其特征在于：利用高功率连续激光器输出连续激光束，该激光束通过一个多棱镜分光机构分成K≥2路脉冲激光束，再分别由K个聚焦头聚焦后输出，对辊类表面同时进行多头毛化加工，使辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。

2.根据权利要求1所述的高功率激光辊类表面多头毛化加工方法，其特征在于按下述步骤对辊类表面进行多头毛化加工：

由数控机床(3)上的轧辊转轴(301)和顶尖(302)装夹轧辊工件(1)；

启动数控机床(3)，使轧辊工件(1)按设定的转速旋转；

激光器(2)输出的连续激光束进入安装在工作平台(4)上的多棱镜分光机构(5)，经全反射镜(502)反射后照射到高速旋转的多棱镜(501)的某个工作表面，激光器为高功率连续激光器；

多棱镜(501)的这个工作表面在旋转过程中将激光束依次扫过K≥2个分光头，每个分光头在激光扫过时接受到一部分激光，这样多棱镜分光机构将进入的连续激光束分成K路脉冲激光输出；

由多棱镜分光机构(5)输出的K路脉冲激光束分别经K≥2个聚焦头聚焦，焦点垂直落在旋转的轧辊工件(1)表面，在数控机床对轧辊工件转速、多棱镜转速、工作平台平移速度的集中控制下，K个聚焦头对轧辊工件同时进行多头毛化加工，使辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。

3.根据权利要求2所述的高功率激光辊类表面多头毛化加工方法，其特征在于：扫描线螺距P＝K·ΔX，K≥2，ΔX为轧辊工件(1)表面毛化点之间的点间距。

4.一种高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其设有激光器(2)和数控机床(3)，该机床的机身上装有平移导轨(303)、置放在平移导轨上的工作平台(4)以及与平移导轨平行的用于安装轧辊工件(1)的轧辊转轴(301)和顶尖(302)，工作平台上装有多棱镜分光和聚焦机构，其特征在于：激光器为高功率连续激光器；多棱镜分光机构(5)由全反射镜(502)、多棱镜(501)以及带动多棱镜旋转的高速电机(509)和K个分光头组成；聚焦机构是由K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端对应一个分光头输出端，聚焦头光轴与轧辊工件表面垂直，聚焦头两两之间的横向距离为ΔX，此距离即为毛化点之间的点间距，纵向距离为ΔY，最小以能放置两个聚焦头为准；K≥2。

5.根据权利要求4所述的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其特征在于：多棱镜(501)的面数N≥5，其每个工作表面均为全反射面。

6.根据权利要求4或5所述的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其特征在于：多棱镜(501)的一侧与高速电机(509)转轴相连，其转速由数控机床(3)控制。

7.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其特征在于：聚焦头采用透射方式聚焦或抛物面反射方式聚焦。

Images