CN2209008Y - 用于轧辊表面毛化的激光加工设备 - Google Patents

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王瑞林
孙传香
林斌
韩庆生
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本实用新型属于激光加工设备,特别是用于轧辊 表面毛化的激光加工设备,其中包括机床床头和用床 身导轨连接的机床床尾,激光器安装在床尾的上部, 机床移动架与导轨滑配由光杠带动左右移动,测控装 置和旋转驱动机构分别安装在床尾和床头中,激光器 与床头之间连有一激光防护罩,在移动架内安装有一 组光学装置。本实用新型具有结构紧凑,适于工业生 产应用,性能优于同类产品等优点。

Description

本实用新型属于激光加工设备,特别是用于轧辊表面毛化的激光加工设备。
近年来,很多产品尤其是汽车对钢板特别是冷轧钢板的使用性能提出越来越高的要求,因为这直接关系到产品自身的质量价值及其吸引力。这种对钢板性能的要求主要表现在钢板的冲压性能与涂漆性能上,良好冲压性能的钢板其板面应具有一定的不平整粗糙度,即所谓的毛面钢板。这种毛面钢板是通过对轧辊毛化后由轧辊平整生产出来的,其表面凹凸不平的存在可以有效地改善板材的延展性与储油性,提高冲压加工中的润滑效果,避免冲压时钢板和模具的粘连打滑以及擦伤等问题。另一方面,涂漆的好坏表现在喷涂后的光亮度与影像清晰度的好坏,合称为成像明晰度。为使涂漆表面获得令人满意的成像明晰度,涂漆层应具有足够的厚度,如果金属薄板过于光滑,则金属薄板表面上油漆的附着力就比较低,从而限制了能形成稳定油漆涂层的厚度。由此可以看出,最好使金属薄板表面具有适当的粗糙度。
为了解决上述问题,在八十年代初期,国外某些发达国家开始采用激光束对工作轧辊表面进行毛化处理的研究,到八十年代末期正式在生产上使用激光毛化技术并生产出激光毛化钢板。简称激光板。所谓激光毛化就是利用经过调制和聚焦的高频率高能量密度脉冲激光照射轧辊表面,使照射部分在瞬间熔化,汽化以形成由许许多多微坑组成的特定的凹凸图案,由于每一凹坑互不连通,存油性好,因此润滑良好,冲压成型性优良。
目前激光毛化种类分为采用气体CO2激光器的CO2激光毛化与采用调Q开关的固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化。CO2激光毛化的基本加工方式是用光调制盘把激光器射出的红外激光束变换成脉冲射束,通过透镜聚焦后照射在旋转的轧辊表面,机械支承装置使轧辊的旋转与激光和光学发射机构的平移同时进行,从而在辊面上按任意间距形成螺旋形规则分布的微小弧坑。这种方法的特点在于可通过控制激光的输出功率和光调制盘的转数来单独设定PPI值。但加工设备体积庞大,造价高。
YAG激光毛化一般讲是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为脉冲激光射束发生源。由于声光调Q器件的开关频率可高达50KHz,因此YAG脉冲激光的频率可做到5万次通过对YAG脉冲输出功率,调Q开关的频率以及轧辊的转速控制,可以实现所设计的Ra值与PPI值。这种方法除具有高频率的特点外,还具有脉冲周期短、激光峰值功率高,以及设备体积小、造价低、可用光纤与普通光学玻璃传输,聚焦及成像等优点,但存在着脉冲能量较小及由于脉冲周期短,峰值功率高而产生的材料熔化不充分的问题。
本实用新型的目的旨在提供一种能完全适用于冷轧薄钢板工业生产应用的新型YAG激光毛化轧辊设备。克服现有技术设备的缺点。
为实现上述目的,本实用新型的结构组成包括激光发生器,激光束光学处理与聚焦装置,显微成像与对焦装置,机床的机械传动与轧辊支承装置,机床的机械运动一轧辊转动装置,光路密封机构,机床的动作测控装置及辅助气喷射装置。以下结合附图,对各部分的组成及相互关系进行详细的描述。
图1是本实用新型总体结构示意图。
图2是本实用新型总体中的光学系统原理示意图。
图3是本实用新型总体中关于轧辊转速测量传感装置原理示意图。
机床的总体结构如图1所示,机床床头与机床床尾是由床身导轨连成一体,激光器安装固定在机床床尾的上部,机床移动架与导轨滑配由光杠带动左右移动,激光器射出的光束通过光学装置和激光头折射到轧辊表面,喷气嘴对准聚焦点吹气,CCD显示器安装在床头的内侧面,测控装置安装在床尾中,机床变速驱动机构与传感测速装置安装在床头中,激光器与床头之间连有一激光防护罩。其中(1-11)为激光发生与光学处理装置。它由一台调Q YAG激光器及光学扩束器组成,调Q YAG激光器应具有高频率高输出功率的特点,一个较佳的实施例是采用声光调Q开关的Nd:YAG激光器,其频率可达到50KHz,调Q激光输出功率达到100瓦,图1中的(1-4)为激光光学头。其作用在于对激光束进行聚焦和将焦点位置的工件表面形貌放大成像于CCD的接收元上,并通过CCD显示器(1-2)显示出来。整个装置均密封于机床的移动架(1-4)内,其光学上的一个较佳的实施例由图2所示。
按照图2,(2-8)为前述的激光扩束镜,它除了具有与一般的YAG激光加工机中的扩束镜相同的对激光束扩束准直作用外,其发散镜与会聚镜由多片镜组成,用以消除光学象差,减少激光束的弥散性并且有扩束倍率可变结构,(2-9),(2-10),(2-11)为三片光束反射镜,均由K9光学玻璃制成,但功能各不相同。(2-9)为激光全反射镜,用来转折激光束的传输方向,(2-10)为光束分色镜,对可见光全反射而对YAG激光为透射,(2-11)为另一光束分色镜,其作用是对波长1.06μm的YAG激光进行全反射转折而对波长0.4~0.8μm的可见光进行一半反射一半透射或按比例分光。(2-7)为照明光源,用来对成像时进行照明。(2-6)为准直镜,它的作用在于将照明光源发出的光束转换成平行光束后再经聚焦镜(2-1)会聚于轧辊表面,以形成一种有效的同轴照明。激光聚焦镜(2-1)除具有通常YAG激光加工机中的将激光束聚焦于工件表面的作用外,该镜组还特别采用变焦距结构,由多组镜片组成,用以和光束扩束器配合以有效地控制和改变聚焦功率密度与焦斑大小,因为光束扩束器倍率的单纯改变是有限的。一种较佳的实施例是设计焦距变化60mm~120mm。聚焦镜(2-1)的另一个作用是作为CCD成像用的前置物镜,它与镜组(2-2)统一构成CCD成像物镜系统,其优点在于物镜组(2-1),(2-2)的间距在设计范围内可以任意改变而不致对成像清晰度造成影响。因此,在一个较佳的实施例中,聚焦镜组(2-1)为可移动形式,通过聚焦镜头的前后移动,可以实现对不同直径轧辊的激光毛化加工。(2-2)是CCD成像后置物镜组,采用变倍结构即由多组镜片组成,改变各镜片的位置可以通过CCD在电视监视器上获得放大倍数不同的图像。(2-3)是分划板,其上具有交叉成十字的刻度,将它成像于CCD接收元上可对聚焦光斑的位置实行精确的定位和测量激光毛化的显微凹坑直径与坑间距等轧辊表面几何形貌的参数。(2-4)是CCD成像目镜用以将经物镜处理的轧辊表面形貌以及分划板(2-3)成像于CCD像元上。整个成像系统(2-1),(2-2),(2-3),(2-4),(2-5)构成一个实际上的显微镜装置。由于轧辊一般都比较大,很难在加工中在设备上用显微镜随时直接观测,同时对凹坑大小及其分布尺寸都有较为严格的要求。因此,将激光束的聚焦与显微成像结合起来是激光毛化加工急需之所在,它可以有效地对加工情况进行实时观测。该装置的另一个优点在于激光毛化加工中难免由于各种各样的原因导致的加工中途漏打或停机情况,在这种情况下,机床必须从断点处开始重新起动,但是由于每一凹坑大小仅为100μm左右,间距也只有100μm,因此,只凭宏观观测是不可能保证断点再接精度的,而该显微成像装置的设计正是考虑了此一问题,由于其成像放大倍数可达到100倍以上,因此,在电视屏的显示下可以将激光焦点精确地对准加工中的断点,从而保证对接精度。
所有光学装置采用多镜片组成的镜组结构的另一目的是为有效地改善光束经光学透镜折射造成的象差与畸变并由此而引起的弥散斑和成像清晰度变差,以达到设计上的理想要求。
在机械结构方面,本实用新型具有与普通车床相似的结构形式。一种典型的实施例就是在原有车床基础上的改造。其中,机械变速为分档调节方式,齿轮变速箱结构,传动采用光杠(1-6)传动,机床移动架(1-4)通过光杠(1-6)带动在导轨(1-3)上运动,机床具有通常的卡盘,顶尖座与单路导轨结构,即移动架与顶尖座共用同一对导轨。一种较佳的实施例如图1所示,图1中的(1-1)是机床床头部分,除具有通常的齿轮箱变速装置,主轴,卡盘及油路系统外,还包括与主轴电机相连的变频调速装置,光路防护机构的支架与主轴相连的测速传感装置。齿轮变速与电机调频变速的结合形成了机床的连续无级调速,也实现了机床调速的数控化。光路防护机构的支架用来支承和连接防护梁与防护罩(1-9),测速传感装置的作用在于精确地测量主轴转速,以确定激光毛化轧辊时的各项参数和使机床实现自动化加工。一种较佳的实施例如图3所示。在图3中,(3-1)是机床主轴,(3-2)是与主轴相连的齿轮变速器,其增速比的一种典型值为1:3,(3-3)是轴承与连接软轴用以增强旋转偏码器(3-4)的转动平稳性,旋转偏码器(3-4)的作用在于将转速变为脉冲信号并传送至控制系统中的计数部分以换算成实际转速并显示出来,主轴每转一转,旋转偏码器(3-4)提供脉冲数越多,系统采样越多而使得测量精度越高。但是直接采用高脉冲数的旋转编码器将使得装置的成本明显增加,如果使它和主轴直接相连还容易造成转动平稳性下降,容易导致传感器的损坏。因此,采用图3中变速装置(3-2)过渡有助于克服上述的问题和降低设备成本。在本实用新型中,另外一个较佳的结构是采用双路导轨结构,如图1中的(1-3)所示。采用这种结构形式的导轨使机床移动架与顶尖座位于不同的导轨之上,相互错开,有利于提高机床的导轨利用率,即增加移动的有效行程。同时,便于大型轧辊的装卸。其中在双路导轨结构中,中间的导轨为移动架与顶尖座共用。图1中的(1-4)是机床移动架,它的作用是沿导轨进行与工件中心轴线相平行的运动同时实现光路的伸缩变化。整个机床要求导轨,工件旋转中心轴与光路严格平行,其误差不应大于5μm/M。由于本实用新型在总体结构设计上最重要的一个方面是采用了激光聚焦头与成像装置为可移动形式而激光发生器及其附属控制装置为固定形式,这虽然造成在激光束传输过程中的光程变化,但由于其光束被良好地准直成近似于平行光而使由于光程变化所带来的对聚焦光斑大小的影响相对于毛化加工的精度可降到忽略不计的程度。这样一种结构形式与激光发生装置和光束聚焦成像装置共同移动以追求光程恒定的结构相比极大地减轻了机床在机械设计与制造精度上的难度和大大降低了制造成本。因此,机床移动架(1-4)具有较为简单的结构形式。在所述的较佳实施例中,机床移动架(1-4)采用全封闭结构,除包含有转折光路的2个反射器及聚焦成像装置外,还包含有支承聚焦头并使其进行上下前后两维平动的调节机构。激光聚焦头的上下移动用来实现沿轧辊表面的水平法线垂直毛化和偏心的倾斜毛化加工,激光聚焦头的前后移动用以实现对不同粗细轧辊的加工。聚焦头与后面的固定部分(光束反射与成像装置)的连接采用通常的多节金属防护筒形式。本实用新型在机械上的另一个重要方面是对长距离可移动光路的密封结构设计。光路的密封作用在于减少尘埃对光学镜片的污染以及增加对激光的安全防护。本实用新型采用的一个较佳实施例是选用以可折叠的多折式可伸缩防护罩,其伸缩范围可从0.5米~2.5米以上,如图1中的(1-9)所示。其内部支承采用4根拉紧的光滑钢丝作为支撑梁。防护罩在最长条件下的不直度(挠度)小于2mm。同时,为防止激光在失调情况下烧损防护罩,在防护罩的内层镶以与其一体化的一层高反射金属箔,因为高反射金属箔对YAG激光具有很高的反射率而不致为防护罩所吸收,加之防护罩的截面尺寸与激光束尺寸相比要大得多,因此,防护罩的微小挠度是不会对激光传输与防护罩的伸缩运动造成影响,整个机构轻便简单。
本实用新型结构的另一个重要方面还有辅助气体喷射装置。如图1中的(1-10)所示为一种双气路结构。在激光毛化过程中,轧辊表面部分的金属在激光作用下产生熔化与部分汽化,为了使轧辊及轧制的金属板达到一定的粗糙度,必须使轧辊表面不仅形成凹坑而且在凹坑的周围还应有凸台的存在,这种凸台就是由熔化的金属流出凹坑凝固所形成。为此,辅助气体喷射装置的气路之一设计成与光轴形成一个夹角,变化范围从30°~75°,将激光作用点处的熔融金属吹向一侧。该喷射装置的特点在于气流通道的结构按照气体流体力学设计,使气体在脱离喷嘴后,可以保持最长的不扩散距离,用来提高气流的效率和集中气流的作用区域于激光聚焦处。气流的流量、压力均为可控方式,由机床上的调压阀,气阀所控制。喷气装置的另一气路是与会聚激光束同轴,从该气路喷嘴射出的气流目的主要是阻隔激光与金属作用的粉尘及飞溅物以保护激光聚焦镜不被污染。因此,每一气路的气流量与压力具有不同的大小。
本实用新型的另一个内容是机床尾(1-7)它包括激光发生装置的支承结构,光路密封防护罩梁的固定装置,激光器的电源及其循环冷却水装置,其中最重要的方面是整个机床的测控装置安装在尾部(1-7)。如此设计的特点在于机床具有较好的一体化形式与操作便利。本实用新型在控制上的一个较佳实施例是自动控制与手控制的相结合,其目的在于两者互为补充互为备用使激光毛化设备在工业生产应用上具有高的运行可靠性。

Claims (13)

1.一种用于轧辊表面毛化的激光加工设备,包括机床头、CCD显示器、机床导轨、光杠、机床床尾、机床移动架、喷气嘴和激光器,测控装置和机床变速转驱动机构,其特征在于:机床床头与机床床尾是由床身导轨连接成一体,激光器安装固定在机床床尾的上部,机床移动架与导轨滑配由光杠带动左右移动,激光器射出的光束通过光学装置和激光头折射到轧辊表面,喷气嘴对准聚焦点吹气,CCD显示器安装在机床床头的内测面,测控装置安装在机床尾中,机床变速驱动机构与传感测速装置安装在机床床头中,激光器与机床床头之间连有一激光防护罩。
2.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于激光防护罩是采用可折叠的多折式可伸缩的结构。
3.按权利要求2所述的激光加工设备,其特征在于,在防护罩的内壁镶有一层金属箔。
4.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,喷气嘴采用的是双路结构,一路是与光轴的夹角角度在30°-75°之间,另一路与光束同轴。
5.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所说的导轨采用三条平行的导轨组成的双路导轨结构。
6.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,所说的光学装置和激光头都安装在机床移动架内。
7.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,激光聚焦镜,成像物镜、分划板、成像目镜和CCD摄像头及CCD显示器组成一显微系统。
8.按权利要求7所述的激光加工设备,其特征在于,激光聚焦镜相对成像物镜可前后伸缩,伸缩范围不小于200mm。
9.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,激光聚焦镜和成像镜及激光扩束镜为变焦可调。
10.按权利要求8所述的激光加工设备,其特征在于,激光聚焦镜的焦距在60mm-120mm。
11.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,传感测速装置采用齿轮变倍,变倍比为1:3,编码器通过轴承和软轴连接减振。
12.按权利要求1所述的激光加工设备,其特征在于,激光头水平放置在机床移动架上,使激光束水平作用于轧辊表面,机床移动架内设计有两维调节机构与激光头相连使激光头可以上下和前后移动。
13.按权利要求6所述的激光加工设备,其特征在于,光学装置对焦点处的照明采用同轴照明。
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