CN202877727U - 辊类表面激光毛化加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种辊类表面激光毛化加工装置，解决了现有辊类表面激光毛化加工时毛化坑在轧辊表面沿一条等螺距的螺旋扫描线分布导致在冷轧钢板的长度方向容易形成拉伤的问题。技术方案包括连续激光器，所述连续激光器至辊类表面的激光传输光路上依次布置有导光机构、前端聚焦镜、多棱镜、扩束镜、分光镜组以及输出聚焦镜，所述多棱镜由电机驱动，所述分光镜组由N个反射镜组成，N≥2。本实用新型结构简单、操作简便、可在轧辊表面形成多条非螺旋扫描线点阵交错排布的可设定毛化坑分布，避免由此带来的冷轧钢板拉伤问题，提高了冷轧钢板的质量。

Description

辊类表面激光毛化加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种辊类表面激光毛化处理装置，具体的是说一种辊类表面激光毛化加工装置。

背景技术

具有特殊表面形貌的毛化冷轧薄钢板在制造业中，特别是在汽车与家电产业中有着广泛的应用。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理后的轧辊轧制而成的，因此毛化轧辊的表面形貌特征对冷轧薄钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大。为了确保冷轧钢板具有优良的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄钢板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的表面进行毛化处理，以轧制出满足用户特殊工艺要求的毛化冷轧钢板。

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，激光毛化轧辊技术主要分为两大类：一类是采用固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化，另一类则是采用气体CO₂激光器的CO₂激光毛化。其共同特点是：采用声光调Q的Nd:YAG激光器或经特殊调制的CO₂激光器作为脉冲激光加工源，由光源输出的脉冲激光经激光加工头聚焦后，作用于以一定转速旋转的轧辊表面；加工过程中，激光加工头的横向移动配合轧辊的旋转运动，从而在轧辊表面形成等螺距的螺旋扫描线点阵毛化坑分布。例如：中国专利“用于轧辊表面毛化的激光加工设备”（专利号：ZL94220848.X）与中国专利“分光式激光毛化调制装置”（专利号：ZL200710041118.9）。

上述激光轧辊毛化工艺的基本特征是（如图1所示）：毛化坑在轧辊表面沿一条等螺距的螺旋扫描线分布。由于螺旋扫描线的螺距（一般为0.1~0.4mm）相对于轧辊直径来说非常小，可以认为：螺旋扫描线每一圈上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的一条直线上；因此整个轧辊面上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的多条等间距（即螺距）的平行直线上。但一般情况下，各圈之间的毛化坑的相对位置分布是不固定的；因而在轧辊长度方向上，毛化坑呈非直线形分布，如图1所示，基本上可以认为是无规律的。

上述毛化坑分布形式存在两个明显的缺点：

1．虽然轧辊表面的激光毛化坑很浅，但对于大面积的毛化冷轧钢板，还是可以明显地感觉到冷轧钢板在沿长度方向上（沿轧辊圆周方向轧制）存在均匀分布的直线，而在冷轧钢板的横向方向则没有明显的直线分布。

2．在冷轧钢板的长度方向容易形成拉伤，形成沿冷轧钢板长度方向上很细的直线划痕。仔细观察这些划痕，发现绝大部分划痕出现在对应轧辊表面两圈毛化坑之间的一条直线形空白区域内。分析这些直线划痕形成的原因，是因为在两圈毛化坑之间的直线形空白区域内，轧辊是平滑的，轧辊与钢板之间紧密接触；如果在钢板轧制过程中形成铁屑，则这个铁屑不能够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。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问，提供一种结构简单、操作简便、可使聚焦光点沿转动轧辊长度方向上可设定分布进行毛化加工的辊类表面激光毛化加工装置。

技术方案包括毛化机床和激光器系统，所述激光器至辊类表面的激光传输光路上依次布置有导光机构、前端聚焦镜、多棱镜、扩束镜、分光镜组以及输出聚焦镜，所述多棱镜由电机驱动，所述分光镜组由N个反射镜组成，N≥2，所述多棱镜至少存在两个工作面的法线方向与多棱镜旋转轴间的夹角不一致。

所述分光镜组中任意两个反射镜之间的夹角呈90-180度夹角。

所述多棱镜的工作面M≥10。

所述前端聚焦镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。

所述扩束镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。

所述输出聚焦镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。

本实用新型可与装有轧辊工件的毛化机床配套安装，待加工的轧辊工件装夹在毛化机床上，并由毛化机床控制作旋转运动。毛化机床上的拖板上可作二维运动，其移动速度由毛化机床控制。多棱镜旋转由高速电机带动作高速旋转，其转速可控。所述毛化机床既可以是数控车床，也可以是普通车床。

本实用新型的工作原理如下：当连续激光器输出的连续激光束聚焦于一高速旋转的多棱镜某个工作面上时，激光束经多棱镜扫描，再经扩束镜，并由N（N≥2）个反射镜组成的分光镜组进行分光，从而形成N路脉冲激光，N路脉冲激光同时经输出聚焦镜聚焦于轧辊表面，同时对轧辊表面进行毛化加工。所述多棱镜工作面的法线与旋转轴之间的角度不完全一致，因此上述N路脉冲激光束经输出聚焦镜聚焦后在轧辊表面的光点在轧辊长度方向摆动扫描，从而在轧辊表面形成N条摆动式螺旋扫描线点阵交错排布的可设定毛化坑分布。

本实用新型的聚焦光点的可设定分布实现原理如下：假定多棱镜工作面法线间夹角在多棱镜旋转轴方向的角度分量为α，扩束镜焦距为F，多棱镜工作面处光束反射离焦量（多棱镜工作面上光束反射的位置与扩束镜焦点之间的距离）为Δx，输出聚焦镜的焦距为f。故在多棱镜高速扫描时，光束经过上述两个有夹角的多棱镜工作面反射后，在输出聚焦镜的焦平面上的聚焦光点存在一定间距

。在激光毛化加工过程中，根据激光毛化加工工艺的需求，则可以设定加工多棱镜工作面之间的夹角大小及变化情况，同时通过控制离焦量Δx、F及f等光学参数对毛化点分布进行设定，从而控制聚焦光点的摆动幅度和分布周期，进而对毛化点阵分布形式进行控制。

举例：例如α=5mrad，Δx=10mm，F=300mm，f=100mm，则Δd=0.0167mm。

本实用新型的优点是：

1．本实用新型装置由于采用特殊设计的多棱镜及分光镜组，实现了两个或两个以上聚焦光点可设定分布毛化加工，从而在轧辊表面形成两条或两条以上非螺旋扫描线点阵交错排布的可设定毛化坑分布，使得轧辊表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线。故采用本实用新型装置生产出来的轧辊在轧制钢板的时候，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

2．采用连续连续激光器作为加工光源，激光功率能够充分利用，由于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。

3．采用分光镜组对扫描的脉冲激光进行分光，不但可以提高激光功率的利用率，也可以提高激光输出的脉冲频率，从而提高激光毛化加工的速度，该分光镜组结构简单、体积小、成本低，使用寿命长，生产维护容易。

4．两路或两路以上的脉冲激光同时经过一个输出聚焦镜聚焦于轧辊表面，既可以提高激光毛化加工效率，也可以确保多个聚焦光点不受激光镜片热效应的影响，从而提高了激光毛化加工工艺的稳定性。

总之，本实用新型所述辊类表面激光毛化加工装置激光能量利用率高、整体结构简单、使用寿命长，并且工作稳定，加工效率高、产品质量好。

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为常规激光毛化工艺在轧辊上形成的毛化坑分布示意图；

图2为本实用新型安装示意图；

图3为实施例1的结构原理图；

图4为图3中多棱镜实现多聚焦光可设定分布的具体加工外型图（所述多棱镜的工作面的法线方向与多棱镜转轴间的夹角不一致）；

图5为图3中所述多棱镜实现多聚焦光可设定分布的原理图（其中虚线b1、b2、b3分别表示多棱镜的不同角度的工作面）；

图6为采用本实用新型对辊类表面进行激光毛化加工后在轧辊表面形成的无规律毛化坑分布示意图；

图7为实施例2的结构原理图；

图8为实施例3的结构原理图；

图9为实施例4的结构原理图。

其中，1－激光器、2－激光束、3－毛化机床、301－轧辊转轴、302－顶尖、303－平移导轨、4－导光机构、5－前端聚焦镜、6－多棱镜、7－旋转轴、9－分光镜组、901－反射镜、902－反射镜、10－扩束镜、11－输出聚焦镜、12－拖板、13－轧辊。

具体实施方式

本实用新型以对辊类表面实现单头双光点可设定分布辊类表面激光毛化加工为例进行详细描述：

实施例1

参见图3，本实用新型的激光器1可以采用高功率连续CO₂激光器，其输出功率从500－6000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）。由激光器1至轧辊13表面的激光传输光路上依次布置有导光机构4、前端聚焦镜5（为透射式聚焦镜）、多棱镜6、扩束镜10（为透射式聚焦镜）、分光镜组9以及输出聚焦镜11（为透射式聚焦镜），所述多棱镜6的旋转轴7由高速电机驱动，所述分光镜组9由两个反射镜901、902组成（本实施例中为两个，根据需要也可布置3个相邻的反射镜，即可同时形成三个聚焦光点）。所述两个相邻的反射镜901、902的反射面夹角为90-180度。

参见图4，所述多棱镜6的的工作面（本实施例中多棱镜6的工作面M＝12，每个工作面均为全反射面）的法线方向与多棱镜6的旋转轴7间的夹角不一致，存在三种（也可大于三种）不同的角度，三类工作面的法线与多棱镜转轴的夹角分别是α、0、﹣α（这里夹角也可不对称，从而使得毛化点的排布更加无序）。参见图5，虚线b1、b2、b3分别表示多棱镜6的不同角度的工作面，不同的工作面可反射出不同角度的激光光束，从而使得聚焦光点在沿轧辊旋长度的方向上摆动，从而在辊类表面进行毛化点阵可设定分布的激光毛化加工。

参见图2，所述毛化机床3采用数控车床，其床身上装有通过平移导轨303驱动的拖板12和用于安装轧辊13的轧辊转轴301和顶尖302，并且所述轧辊转轴301和顶尖302与平移导轨303平行，本实用新型可配套安装在毛化机床上，其中，所述激光器1与毛化机床3的拖板12分离安装，除激光器1外的其它部件安装在拖板12上，经输出聚焦镜11输出的激光光轴与轧辊13表面保持垂直。利用数控机床3的控制系统可控制调节激光器1的功率及多棱镜6的转速，使其与轧辊13的旋转及移动速度相匹配，从而实现单头双光点摆动扫描毛化加工的可设定分布。

工作过程：

启动数控机床3，使轧辊13按设定的转速旋转。同常规技术一样，所述轧辊13由轧辊转轴301带动旋转，转速由数控机床3控制；所述拖板12可作二维运动，其运动也由数控机床3控制，本实用型中除激光器1外的其它部件也随工作平台12一起移动，且输出聚焦镜11的光轴与轧辊13的表面垂直。

使高功率连续激光器1输出的连续激光束2经导光机构4后，由前端聚焦镜5聚焦于多棱镜6的某个工作面上，见图3。多棱镜6的在高速电机的带动下作高速旋转运动，使其工作面在高速旋转过程中将连续激光束反射形成具有一定角度θ的扇形扫描宽光束，宽激光束经由扩束镜10后形成具有一定扫描宽度△L的平行扫描光束，所述平行扫描光束依次扫过的分光反射镜组中反射镜901、反射镜902，分成两路脉冲激光束，反射镜901、反射镜902同时将两束脉冲激光束传输到透射式输出镜11上，2束脉冲激光束经透射式输出聚焦镜11聚焦后在焦平面形成2个间距可调的脉冲式聚焦光点，当多棱镜6高速旋转时，输出两个脉冲激光束沿轧辊13长度方向摆动扫描，从而在轧辊表面形成可设定毛化点阵分布。

通过调节反射镜901、902之间的夹角可以改变输出聚焦镜输出的两个聚焦光点沿轧辊长度方向上的间距；通过调节多棱镜6反射切面处光束离焦量Δx可以改变输出的聚焦光点在轧辊13长度方向上摆动范围，从而实现聚焦光点可设定摆动的轧辊毛化加工。

在数控机床3对轧辊13转速、多棱镜6转速、拖板12平移速度的集中控制下，所述沿轧辊13长度方向呈可设定摆动的2个聚焦光点对轧辊13同时进行毛化加工，在轧辊13表面形成2条非螺旋扫描线点阵交错排布的无规律毛化坑分布，具体如图6所示。由于轧辊13表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线，故采用上述装置及方法生产出来的轧辊在轧制钢板的时候，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

实施例2：

参见图7，与实施例1不同的是，前端聚焦镜5为反射式聚焦镜，其余同实施例1。

实施例3：

参见图8，与实施例1不同的是，扩束镜10为反射式聚焦镜，其余同实施例1。

实施例4：

参见图9，与实施例1不同的是，输出聚焦镜11为反射式聚焦镜，其余同实施例1。

Claims (6)

1.一种辊类表面激光毛化加工装置，包括毛化机床和激光器系统，其特征在于，所述激光器至辊类表面的激光传输光路上依次布置有导光机构、前端聚焦镜、多棱镜、扩束镜、分光镜组以及输出聚焦镜，所述多棱镜由电机驱动，所述分光镜组由N个反射镜组成，N≥2，所述多棱镜至少存在两个工作面的法线方向与多棱镜旋转轴间的夹角不一致。

2.如权利要求1所述的辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述分光镜组中任意两个反射镜之间的夹角呈90-180度夹角。

3.如权利要求1所述的辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述多棱镜的工作面M≥10。

4.如权利要求1-3任一项所述辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述前端聚焦镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。

5.如权利要求1-3任一项所述辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述扩束镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。

6.如权利要求1-3任一项所述辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述输出聚焦镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。

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