CN201471079U - 多头激光毛化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多头激光毛化装置，包括激光器和数控机床，数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的毛化平台，毛化平台上装有聚焦机构；所述毛化平台上还装有位于激光器和聚焦机构之间的多棱镜分光机构，该多棱镜分光机构由全反射镜、多棱镜、驱动多棱镜旋转的高速电机和K个分光头组成，而所述聚焦机构是由K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端分别与一个分光头输出端相对，K≥2。本实用新型所述的这种多头激光毛化装置加工效率高、对激光功率没有限制、能够充分利用激光能量。

Description

多头激光毛化装置

技术领域

本实用新型涉及一种多头激光毛化装置。

背景技术

具有特殊表面形貌的冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用，特别是在汽车和家电产业中。为了改善冷轧薄钢板的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作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。传统的毛化处理方法主要是喷丸毛化和电火化毛化两类，但随着技术的进步及对毛化质量要求的提升，激光毛化将逐步取代它们成为实用而又先进的一种毛化技术。

激光毛化主要采用高能量脉冲激光束聚焦照射于轧辊表面，利用激光束的高亮度在轧辊表面获得非常高的能量密度，使激光聚焦处的轧辊表面加热、熔化并部分汽化，形成毛化点。目前较为成熟的激光毛化技术主要分两类：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。

现有已经研制成功并用于生产的CO₂激光毛化装置的基本组成为CO₂激光器和数控机床。数控机床的结构形式与普通车床或磨床相似，其床身前后设有床头箱和尾座，CO₂激光器安装在床头箱上，床头箱上同时设有用于支撑并驱动轧辊旋转的轧辊转轴；所述尾座上则设有用于顶紧轧辊的顶尖。床身上设置有同轧辊转轴平行的平移导轨，平移导轨上设有毛化平台(代替车床的车刀架)，其上安装由斩光盘和聚焦透镜组成的聚焦机构，该机构将CO₂激光器射出的高能激光束通过斩光盘变换成脉冲激光束，通过聚焦透镜聚焦后使焦点垂直照射在被加工的轧辊表面，且加工过程中轧辊旋转，同时毛化平台和聚焦机构平移，在轧辊表面加工出螺旋形成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。但该系统由于采用斩光盘技术，只能利用很少一部分输出激光能量，能量利用效率不高。并且由于聚焦机构中聚焦激光束的聚焦头仅为一个，在实际的生产过程中加工效率极低，特别是在高峰值数(Pc值)要求下的加工效率无法满足生产要求，深入的研究表明高Pc值低粗糙度恰恰是高质量冷轧薄板的发展方向。

现有的YAG激光毛化装置的基本组成结构形式与CO₂激光毛化装置相同，所不同的是其采用声光调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。但存在的缺点是：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。尽管目前一类YAG激光毛化装置设计有两台激光器通过光路转换实现生产中激光器的轮换使用，以解决持续生产的问题，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，提高了生产成本，相反却降低了装置工作的可靠性和耐久性。并且YAG激光毛化装置与CO₂激光毛化装置存在同样的缺点，即由于聚焦机构中聚焦激光束的聚焦头仅为一个，在实际的生产过程中加工效率极低，特别是在高峰值数(Pc值)要求下的加工效率无法满足生产要求，深入的研究表明高Pc值低粗糙度恰恰是高质量冷轧薄板的发展方向。

发明内容

本实用新型目的是：为克服背景技术中提及的现有激光毛化装置的不足，而提供一种加工效率高、对激光功率没有限制并能充分利用激光能量的多头激光毛化装置。

本实用新型的技术方案是：一种多头激光毛化装置，包括激光器和数控机床，数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的毛化平台，毛化平台上装有聚焦机构；所述毛化平台上还装有位于激光器和聚焦机构之间的多棱镜分光机构，该多棱镜分光机构由全反射镜、多棱镜、驱动多棱镜旋转的高速电机和K个分光头组成，而所述聚焦机构是由K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端分别与一个分光头输出端相对，K≥2。

本实用新型在上述主要技术方案的基础上还有如下附加技术特征：

所述聚焦头阵列中两两之间的横向距离为ΔX，纵向距离为ΔY；所述横向距离ΔX即为毛化点之间的点间距，而纵向距离ΔY最小以能放置两个聚焦头为准。

所述数控机床的床身上相对设有床头箱和尾座，所述床头箱上装有用于支撑并驱动轧辊工件旋转的轧辊转轴，尾座上装有用于顶紧轧辊工件的顶尖；所述平移导轨同所述轧辊转轴平行，而所述激光器置于床头箱上。

所述聚焦头的发射光轴与轧辊工件的表面垂直。

所述多棱镜的面数N≥5，且其每个工作表面均为全反射面。

所述激光器采用高功率连续CO₂激光器或者高功率连续Nd:YAG激光器。

所述多棱镜的一侧与高速电机的输出轴相连，而高速电机的转速由数控机床控制。

所述聚焦头采用透射方式聚焦或者抛物面反射方式聚焦。

所述聚焦头阵列中的聚焦头优选呈斜线排列。

使用本实用新型对轧辊工件进行毛化加工的过程如下：将轧辊工件置于机床的轧辊转轴上，启动数控机床，使轧辊工件按设定的转速旋转；数控机床同时通过平移导轨驱动毛化平台带动多棱镜分光机构和聚焦机构沿轧辊工件轴向平移。激光器输出的连续激光束进入安装在毛化平台上的多棱镜分光机构，多棱镜的工作表面在旋转过程中将激光束依次扫过K个分光头，每个分光头在激光扫过时接受到一部分激光，这样当激光束依次扫过K个分光头时，相当于给每个分光头分配一个激光脉冲。当多棱镜旋转时，每一个多棱镜面都给所有的分光头分配一个激光脉冲，这样多棱镜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，激光功率无损耗。

由多棱镜分光机构输出的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表面，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，毛化平台的横向移动螺距是现有单头激光毛化装置的K倍，因此毛化所需时间也就是现有单头激光毛化装置的1/K。数控机床通过设定的参数对轧辊工件转速、多棱镜转速、毛化平台平移速度进行集中控制，在轧辊工件上达成所需的毛化点密度要求。

本实用新型所述的这种多头激光毛化装置，其在保证相同毛化效率的前提下，聚焦头数的增多，能够相应降低轧辊的转速；以双头激光毛化设备为例，长度为1800的轧辊工件若要求在30分钟完成点密度6×6/mm2的毛化，则轧辊工件转速要求达到180rpm；现有的单头激光毛化设备在180rpm转速下30分钟内只能完成点密度3×3/mm2的毛化。反之，如果能够采用四头毛化，则轧辊工件转速只需90rpm。

本实用新型优点是：

1.本实用新型所述的这种多头激光毛化装置，由于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，无需采用现有的斩光盘或进行声光调Q系统以获得脉冲激光输出，故激光能量利用效率高，对激光功率没有限制，能够充分利用激光功率。

2.本实用新型所述的这种多头激光毛化装置，由于采用多个聚焦头同时对轧辊工件表面进行多头毛化加工，能够一次形成多条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，以此提高了毛化平台的横向移动螺距；故相应的大大加快了毛化速度，缩短了毛化时间，从而提高了装置工作效率。

3.本实用新型所述的这种多头激光毛化装置，整体结构简单，体积小，制造成本低，使用寿命长，而生产维护容易，尤其是其增加多棱镜分光机构原理简单、工作可靠，能够有效适应和配合目前成熟的激光器(例如高功率连续CO₂激光器或YGA激光器)，故工作中无需特殊维护，能够保证设备长期可靠运行。

4.本实用新型所述的这种多头激光毛化装置，其在保证相同毛化效率的前提下，聚焦头数的增多，能够相应降低轧辊的转速；而轧辊转速的降低能够大大降低设备总体的技术要求和制造成本，同时提高设备运行的稳定性和可靠性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型一种具体实施例的结构示意图；

图2为图1中多棱镜分光机构的结构示意图；

图3为图1中聚焦头阵列的布置示意图；

图4为聚焦头阵列在轧辊工件表面产生的毛化坑分布示意图；

图5为单个聚焦头采用投射方式聚焦的示意图；

图6为单个聚焦头采用抛物面反射方式聚焦的示意图。

具体实施方式

实施例：首先结合图1、图2和图3所示，本实施例所述的这种多头激光毛化装置设有激光器2和数控机床3，所述数控机床3的床身上相对设有床头箱和尾座，床头箱上装有用于支撑并驱动轧辊工件1旋转的轧辊转轴301，尾座上装有用于顶紧轧辊工件1的顶尖302，而所述激光器2置于床头箱上。

所述数控机床3的床身上同时装有通过平移导轨303驱动的毛化平台4，所述平移导轨303同前述轧辊转轴301平行。所述毛化平台4上装有聚焦机构及位于激光器2和聚焦机构之间的多棱镜分光机构5。

本实施例中所述的多棱镜分光机构5由全反射镜502、多棱镜501、驱动多棱镜501旋转的高速电机509和六个分光头503、504、505、506、507、508组成。具体如图2所示，本实施例中的多棱镜501的面数为八，每个工作面均为全反射面，该多棱镜501的一侧与高速电机509的输出轴相连，所述高速电机509的转速n由数控机床3控制，n＝1.5～3万转/分。所述六个分光头503、504、505、506、507、508紧密排列，且对应多棱镜501的一个工作面的反射区域呈扇形分布。

本实施例中所述聚焦机构是由六个聚焦头601、602、603、604、605、606组成的聚焦头阵列，这些聚焦头呈斜线排列。六个聚焦头601、602、603、604、605、606的输入端一一与六个分光头503、504、505、506、507、508的输出端相对。具体结合图3、图4所示，聚焦头两两之间的横向距离为ΔX，例如聚焦头601、602之间横向距离为ΔX，此距离即为毛化点之间的点间距，ΔX根据轧辊表面粗糙度要求可分为150～350μm ；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和606之间的纵向距离ΔY恰能放置两个聚焦头。每个聚焦头聚焦后发射的光轴与轧辊工件1表面垂直，聚焦头阵列在待加工轧辊工件1表面同时形成六条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，扫描线点阵点纵向间距b设为150～350μm，而横向间距也为150～350μm，扫描线螺距P＝K·ΔX。

本实施例中所述激光器2可采用高功率连续C0₂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；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。

本实施例中单个聚焦头可采用透射方式聚焦或者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的分光头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的抛物面聚焦镜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。

使用本实施例所述的这种多头激光毛化装置对轧辊工件1进行毛化加工的过程如下：将轧辊工件1置于机床的轧辊转轴301上，尾端用顶尖302顶级，启动数控机床3，使轧辊工件1按设定的转速旋转；数控机床3同时通过平移导轨303驱动毛化平台4带动多棱镜分光机构5和聚焦机构沿轧辊工件1轴向平移。激光器2输出的高功率连续激光束进入安装在毛化平台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六个分光头503、504、505、506、507、508，每个分光头在激光扫过时接受到一部分激光，这样当激光束依次扫过所有分光头时，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激光脉冲，这样多棱镜分光机构相当于将一个连续激光束分割成六路脉冲激光输出，每一路激光完全相同，其脉冲频率f＝N·n/60赫兹，激光功率无损耗。

由多棱镜分光机构输出的六路脉冲激光束分别经六个聚焦头601、602、603、604、605、606聚焦，使焦点垂直落在旋转的轧辊工件1表面上，六个聚焦头对轧辊工件1表面同时进行多头毛化加工，形成六条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，毛化平台4的横向移动螺距是现有单头激光毛化装置的六倍，因此毛化所需时间也就是现有单头激光毛化装置的1/6。数控机床3通过设定的参数对轧辊转轴301的转速、高速电机509的转速、毛化平台4的平移速度进行集中运算控制，在轧辊工件1上达成所需的毛化点密度要求。需要输入数控系统的参数有：轧辊工件1直径D(mm)，轧辊工件1长度L(mm)，毛化点间距ΔX，高速电机509的转速n(转/分)，毛化平台4移动速度V(mm/s)。本实施例的加工速度可比现有的单头激光毛化设备提高六倍。

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

Claims (9)

1.一种多头激光毛化装置，包括激光器(2)和数控机床(3)，数控机床(3)的床身上装有通过平移导轨(303)驱动的毛化平台(4)，毛化平台(4)上装有聚焦机构；其特征在于所述毛化平台(4)上还装有位于激光器(2)和聚焦机构之间的多棱镜分光机构(5)，该多棱镜分光机构(5)由全反射镜(502)、多棱镜(501)、驱动多棱镜(501)旋转的高速电机(509)和K个分光头组成，而所述聚焦机构是由K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端分别与一个分光头输出端相对，K≥2。

2.根据权利要求1所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述聚焦头阵列中两两之间的横向距离为ΔX，纵向距离为ΔY；所述横向距离ΔX即为毛化点之间的点间距，而纵向距离ΔY最小以能放置两个聚焦头为准。

3.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述数控机床(3)的床身上相对设有床头箱和尾座，所述床头箱上装有用于支撑并驱动轧辊工件(1)旋转的轧辊转轴(301)，尾座上装有用于顶紧轧辊工件(1)的顶尖(302)；所述平移导轨(303)同所述轧辊转轴(301)平行，而所述激光器(2)置于床头箱上。

4.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述聚焦头的发射光轴与轧辊工件(1)的表面垂直。

5.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述多棱镜(501)的面数N≥5，且其每个工作表面均为全反射面。

6.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述激光器(2)采用高功率连续CO₂激光器或者高功率连续Nd：YAG激光器。

7.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述多棱镜(501)的一侧与高速电机(509)的输出轴相连，而高速电机(509)的转速由数控机床(3)控制。

8.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述聚焦头采用透射方式聚焦或者抛物面反射方式聚焦。

9.根据权利要求1或2所述的多头激光毛化装置，其特征在于所述聚焦头阵列中的聚焦头优选呈斜线排列。

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