CN203265911U

CN203265911U - 单头双光点辊类表面激光毛化加工装置

Info

Publication number: CN203265911U
Application number: CN 201320313740
Authority: CN
Inventors: 陈培锋; 梁乔春; 刘著新
Original assignee: Kai Ruidi Laser Technology Co Ltd Of Wuhan City
Current assignee: Kai Ruidi Laser Technology Co Ltd Of Wuhan City
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-06-03

Abstract

本实用新型公开了一种单头双光点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装置能量利用效率不高、机械结构复杂、设备体积庞大的问题。技术方案包括安装在数控机床上的激光器系统，所述激光器系统包括激光器，所述激光器至辊类表面的激光传输光路上依次布置有前导光系统、前端聚焦镜、机械调制盘、扩束镜、输出聚焦镜，所述机械调制盘由高速电机驱动，所述机械调制盘的边缘设有K个通光孔，所述K个通光孔分布于以高速电机的旋转轴为中心的圆弧上，所述通光孔之间为反射面，所述扩束镜有两套，分别与机械调制盘的通光孔及反射面对应。本实用新型激光能量接近100%利用，加工效率高、设备结构简单、体积小、投资低。

Description

单头双光点辊类表面激光毛化加工装置

技术领域

本实用新型属于辊类表面激光毛化处理装置，特别涉及一种单头双光点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。

目前激光轧辊毛化技术主要分为两大类：一类是通过将连续激光调制为脉冲形式进行毛化；另一类是直接采用脉冲激光作为光源进行毛化。

目前，第一类毛化技术采用的光源为连续激光器，包括高功率CO₂轴快流激光器和高功率光纤激光器。已经研制成功且用于生产的第一类毛化装置的基本原理是：激光器发射出的高能连续激光束经光调制转盘（斩光盘）变换成脉冲激光束；利用聚焦透镜将变换后的脉冲激光束聚焦于被加工的轧辊表面进行毛化；加工过程中，轧辊旋转的同时，激光头与光学发射调制系统沿轧辊长度方向移动，在轧辊表面加工出螺旋形规则分布的微小毛化坑。例如：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。但由于该系统采用了光调制转盘技术，只有一部分激光输出能量能够得到有效利用，因而其能量利用效率不高；且机械结构复杂、设备体积庞大、相对造价较高。上述CO₂激光毛化设备由于能量利用率比较低，因此其加工效率与电火花毛化设备相比有一定差距。

发明内容

本实用新型目的是为了解决上述技术问题，提供一种单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，该装置可以实现激光能量接近100%利用，实现加工效率的成倍增加、毛化点大小可控，使毛化点在宏观上呈现无规律性、设备结构简单、体积小、投资低。

本实用新型的技术方案如下：一种单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，包括安装在数控机床上的激光器系统，所述激光器系统包括激光器，所述激光器至辊类表面的激光传输光路上依次布置有前导光系统、前端聚焦镜、机械调制盘、扩束镜、输出聚焦镜，所述机械调制盘由高速电机驱动，所述机械调制盘的边缘设有K个通光孔，所述K个通光孔分布于以高速电机的旋转轴为中心的圆弧上，所述通光孔之间为反射面，所述扩束镜有两套，分别与机械调制盘的通光孔及反射面对应。

述激光器为连续激光器或频率低于10kHz的低频率脉冲激光器。

所述激光器为高功率连续CO₂激光器、YAG激光器或光纤激光器。

所述机械调制盘上的通光孔数目K≥10。

所述机械调制盘上透光孔之间的反射面与高速电机的旋转轴之间呈30-90度夹角。

所述两套扩束镜与输出聚焦镜之间也设有对应的两套后导光系统。

所述前端聚焦镜为透射式聚焦镜或反射式聚焦镜。

所述扩束镜为透射式聚焦镜或反射式聚焦镜。

所述输出聚焦镜为透射式聚焦镜或反射式聚焦镜。

本实用新型提供的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置在具体毛化加工时，同现有技术一样，待加工的轧辊工件由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上的工作平台可作三维运动，其平移速度由数控机床控制。一束连续激光经过前端聚焦镜，然后由机械调制盘分为两路脉冲激光（一路通过通光孔形成，一路被通光孔之间的反射面反射而形成），分别经过扩束镜（或者还包括有导光系统），通过同一输出聚焦镜后分别聚焦于轧辊工件表面对轧辊表面实施毛化加工，从而在轧辊表面加工出两条螺旋线分布的毛化点阵。在数控机床对轧辊工件转速、机械调制盘的调制频率及工作平台平移速度的集中控制下，所述两路脉冲激光对应的聚焦光点在轧辊工件表面加工形成螺旋扫描线点阵毛化坑分布。

所述激光器优选为连续式激光器，如高功率连续CO₂激光器、YAG激光器或光纤激光器。但当使用频率低于10kHz的低频率脉冲激光器时，则会产生无序毛化加工效果。

所述导光系统通常包括导光反射镜，还可以光纤。本新型中所述前导光系统可以为导光反射镜，或者光纤及导光反射镜；后导光系统可以为导光反射镜。所述输出聚焦镜仅有一套，两路脉冲激光均聚焦于一套输出聚焦镜输出。

本实用新型的优点是：

1．本实用新型装置的外光路采用机械调制盘，实现了激光能量的100%利用，成倍提高了激光毛化效率；

2、采用集成聚焦头技术，将连续高功率激光束分成密集排布的两路聚焦脉冲激光束经同一输出聚焦镜输出，对焦方便、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、YAG激光器或光纤激光器）作为加工光源，激光功率能够充分利用，且技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠运行。

4、所述聚焦镜可采用抛物面反射式聚焦镜进行聚焦，散热快，热变形小，聚焦光斑无像差、球差，工作稳定。

5、配合数控机床采用的是三轴联动的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，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的多种分布，产品质量好。

总之，本实用新型所述的单头双光点可设定分布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

图1为本实用新型毛化时在轧辊工件表面产生的毛化坑分布示意图；

图2为本实用新型一种安装示意图；

图3为实施例1的结构原理图；

图4为机械调制盘6示意图；

图5为是实施例2的结构原理图；

图6为是实施例3的结构原理图；

图7为是实施例4的结构原理图；

其中，1-连续激光器、2-激光束、3-毛化机床、301-轧辊转轴、302-顶尖、303-平移导轨、304-工作平台、401-光纤、402-前导光反射镜、5-前端聚焦镜、6-机械调制盘、601-通光孔、602-反射面、7-高速电机、801-第一扩束镜、802-第二扩束镜、803、第三扩束镜、9-输出聚焦镜、1001-第一后导光反射镜、1002-第二后导光反射镜、11-轧辊。

具体实施方式

实施例1：如图2所示为本实用新型单头双光点可设定分布辊类表面激光毛化加工装置的一种具体实施方式，它安装在数控机床3上的连续激光器1，所述数控机床3为常规的数控机床，其床身上装有通过平移导轨303驱动的工作平台3.4和用于安装轧辊11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。所述工作平台3.4上沿激光传输光路上依次装有前导光系统（包括与连续激光器1连接光纤401及前导光反射镜402、前端聚焦镜5、高速电机7驱动的机械调制盘6、与机械调制盘6的通光孔601对应的第一扩束镜801（为反射式）及第一后导光反射镜1001、与机械调制盘6的反射面602对应的第二扩束镜802（为透射式）及第二后导光反射镜1002、以及同时与第一后导光反射镜1001及第二后导光反射镜1002对应的输出聚焦镜9（为透射式）；而所述激光器1采用高功率连续光纤激光器，其输出功率从200-1000瓦连续可调，激光输出波长为1064n m（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激光器或高功率连续CO₂激光器），激光通过光纤4.1由连续激光器1传输到工作平台304上。

参见图4，机械调制盘6的以高速电机的旋转轴为中心的圆弧上布置有多个通光孔601，所述机械调制盘6上激光入射面的通光孔601间为反射面602，所述通光孔601可为圆形、腰形、锯齿形。不同通光孔的有效通光尺寸△Y与及其之间的反光面有效尺寸△X可以相同也可以不同，因此经过不同的通光孔601和反射面602形成的激光脉冲能量也不相同，由此可达到使毛化点大小不同的目的。反射面602与高速电机7的旋转轴之间的夹角α在30-90度可变。

工作过程：

待加工的轧辊工件11由数控机床3上的轧辊转轴301和机床床尾顶尖302装夹，并由轧辊转轴301带动旋转。所述工作平台304可作三维运动，其运动由数控机床3控制。机械调制盘6和输出聚焦头9随工作平台304一起移动，且输出聚焦头9的光轴与轧辊工件11的表面垂直。所述激光器1输出的连续激光束2经过光纤401、前导光反射镜402、前端聚焦镜5聚焦于高速电机7带动旋转的机械调制盘6上，由于机械调制盘6的高速转动，连续激光束2先入射至机械调制盘6的某个反射面602上，然后再经过第一扩束镜801变为平行光，经由后导光系统的第一后导光反射镜1001进入输出聚焦镜9聚焦输出至轧辊工件11上；当机械调制盘6继续转动时，连续激光束2入射至随后转至的某个通光孔601，再经第二扩束镜802变为平行光，经由后导光系统的第二后导光反射镜1002进入输出聚焦镜9聚焦输出至轧辊工件11上。输出聚焦镜9交替输出两个聚焦光点。通过在数控机床3对轧辊工件11转速、机械调制盘6转速、工作平台304 平移速度的集中控制下，所述K=2个聚焦光点对轧辊工件11同时进行毛化加工，使轧辊工件11表面形成K=2条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体如图1所示，该扫描线点阵的纵向点间距根据轧辊工件11表面粗糙度要求可设为b=50~500μm，横向点间距△X根据轧辊工件13表面粗糙度要求也可设为50~500μm，扫描线螺距P=K×△X，K＝2。

实施例2：

参见图5，与实施例1不同的是，取消了光纤401及后导光系统（即第一后导光反射镜1001及第二后导光反射镜1002）。所述连续激光器1的输出光不通过光纤401耦合输出，而直接入射至前导光反射镜401，经机械调制盘6分出的两束脉冲激光中一束经通过光601、第二导光扩束镜802（为反射式）、输出聚焦镜9输出；另一束脉光激光经反射面602、第一导光扩束镜801（为透射式）输出聚焦镜9输出。该方案减少了后导光系统，系统更为简单。

实施例3：

参见图6，与实施例1不同的是，取消了后导光系统（即第一后导光反射镜1001及第二后导光反射镜1002），且第一扩束镜801、第二扩束镜802均为反射式，同时在第一扩束镜801和输出聚焦镜9之间还增设了第三扩束镜803（为反射式）。

实施例4：

参见图7，与实施例1不同的是，所述输出聚焦镜9为反射式。

Claims

1.一种单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，包括安装在数控机床上的激光器系统，其特征在于，所述激光器系统包括激光器，所述激光器至辊类表面的激光传输光路上依次布置有前导光系统、前端聚焦镜、机械调制盘、扩束镜、输出聚焦镜，所述机械调制盘由高速电机驱动，所述机械调制盘的边缘设有K个通光孔，所述K个通光孔分布于以高速电机的旋转轴为中心的圆弧上，所述通光孔之间为反射面，所述扩束镜有两套，分别与机械调制盘的通光孔及反射面对应。

2.根据权利要求1所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述激光器为连续激光器或频率低于10kHz的低频率脉冲激光器。

3.根据权利要求2所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述连续激光器为高功率连续CO₂激光器、YAG激光器或光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述机械调制盘上的通光孔数目K≥10。

5.根据权利要求1所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述机械调制盘上透光孔之间的反射面与高速电机的旋转轴之间呈30-90度夹角。

6.根据权利要求1-5任一项所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述两套扩束镜与输出聚焦镜之间也设有对应的两套后导光系统。

7.根据权利要求1所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述前端聚焦镜为透射式聚焦镜或反射式聚焦镜。

8.根据权利要求1所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述扩束镜为透射式聚焦镜或反射式聚焦镜。

9.根据权利要求1所述的单头双光点辊类表面激光毛化加工装置，其特征在于，所述输出聚焦镜为透射式聚焦镜或反射式聚焦镜。