CN2818051Y - 轧辊激光毛化机床 - Google Patents

Abstract

轧辊激光毛化机床，属于激光加工设备，轧辊支承运动装置与毛化装置由同一床身支承，解决其相对稳定性、保证毛化质量，降低机床成本。本实用新型床头箱、尾座、滑板、轧辊支承运动装置、毛化装置、进给箱均位于同一床身；床头箱主轴卡盘、顶尖与尾座顶尖构成轧辊支承运动装置；滑板由纵滑板和横滑板组成，横滑板上安装毛化装置。本实用新型轧辊支撑与毛化装置在同一床身，固有频率一致，保证轧辊工作面与毛化头相对位置稳定和毛化质量；轧辊以两端中心孔定位，顶尖与轧辊同步旋转，转速可达250rpm，大幅度提高加工效率；轧辊旋转运动，毛化装置往复运动、激光器不动的飞行光路结构简单、实用、机床成本低。

Description

轧辊激光毛化机床

技术领域

本实用新型属于激光加工设备，特别涉及冶金行业的高功率CO₂激光毛化设备。

背景技术

毛化改变了轧辊与薄板的接触状态，能在薄板轧制中降低轧制力、提高轧制速度、减少划伤、边浪等；同时毛化改变了薄板与薄板间的间隙，能防止薄板在退火炉中的粘连现象及吊装卷板的滑移；毛化还改变了薄板的形貌，能提高下一步工序的深冲性、剪切性、涂镀性。随着钢铁市场薄板(镀锌板、彩涂板)需求量的急增，用户对薄板多元化、高质量的需求；企业本身降低投资成本、运行成本的需要以及市场、价格、品质的竞争，科学的选择毛化设备及工艺显得十分重要。

按产生、发展的时间，轧辊表面毛化设备及工艺可大致分为三代，第一代：喷丸毛化设备及工艺，在20世纪60、70年代占主导地位；第二代：电火花毛化设备及工艺在20世纪80、90年代逐步取得主导地位；第三代：激光毛化设备及工艺，是近十年才诞生的，以其突出的优势引起了冶金及有关行业的高度关注。

世界上第一台CO₂激光毛化示范设备是比利时冶金研究中心1984年研制的，1985年在汽车厂试用成功，由于其明显区别于电火花毛化设备及工艺，能有序排列毛化表面形貌、大范围调整粗糙度值及密度值、重复性好、储油性好、深冲性能好，所以日本、法国、英国、德国、美国一些大型企业开始引进、开发、使用CO₂激光毛化设备及工艺。但由于受激光器质量及光学元件性能的制约给机床设计和应用推广带来了很大困难。如为了保证激光光斑的稳定，德国WALDRICH SECGEN公司在20世纪90年代初研制的“LASER TEX”型CO₂激光毛化设备，其特点是轧辊以轴瓦支撑作旋转和平动，激光器、外光路传输系统和毛化装置固定不动，以保证外光路和光束质量不变。美国俄亥俄洲冷轧钢板公司在1996年生产了CO₂激光毛化机床，其特点是轧辊以轴瓦为支撑只作旋转运动，激光器、外光路传输系统和毛化装置作平行移动，以保证外光路和光束质量不变。

1、上述CO₂激光毛化机床均是采用磨床结构形式，体积庞大，且国外的轧辊轴瓦自动定位系统复杂，价格十分昂贵，进口一台需300万美元以上，是单头电火花毛化设备的2倍，给推广带来了一定的难度。

2、磨床结构形式的轧辊支撑床身与毛化装置支撑床身分离(一般用螺钉联接)，即使采用费用高昂的弹性地基，由于两大床身固有频率、激振频率不一样，难以控制轧辊工作面与毛化头相对位置的稳定，这是影响毛化质量的关键因素之一。

3、采用磨床结构形式利用轴瓦静压方式支撑轴颈，从理论上能保证该轧辊与前道磨削工艺定位基准统一，但在使用过程中轧辊属于需反复修整使用的零件，其支撑轴颈的尺寸公差、形位公差均会发生变化，不可能形成静压轴承支承，其转速(一般≤80rpm)即加工效率受到极大的限制；而一旦变成动压支承，轧辊转速即毛化效率就会受到极大的限制。

4、加工时轧辊作旋转和往复直线运动的复合运动，光程与毛化装置不动，不仅会大幅度增加机床的长度、重量，而且轧辊及其支撑件在重载(15t左右)、低速(30mm/min左右)下，液压运行极易出现“爬行”，从而影响毛化质量。如轧辊只作旋转，激光器与外光路(含毛化装置)一起作往复直线运动，能保证外光路光程不变，但机床体积依然庞大。

发明内容

本实用新型提出一种轧辊激光毛化机床，轧辊支承运动装置与毛化装置两大部件由同一床身支承，解决其相对位置的稳定性、保证毛化的质量，且降低机床的成本。

本实用新型的轧辊激光毛化机床，包括床身、床头箱、尾座、轧辊支承运动装置、毛化装置和控制系统，其特征在于：

(1)床头箱、尾座、滑板、轧辊支承运动装置、毛化装置、进给箱均位于同一床身上；床身前部轴向设有滑板纵向导轨，床身后部轴向设有尾座移动导轨；

(2)床头箱固定安装在床身上，内设有由主传动系统驱动的床头箱主轴，床头箱主轴上装有卡盘和顶尖；

(3)尾座设于尾座移动导轨上，尾座由齿轮齿条传动装置驱动，尾座内部装有套筒、尾座主轴；尾座主轴通过轴承安装在套筒里，尾座主轴前端为顶尖；

所述床头箱主轴上的卡盘、顶尖与尾座上的顶尖构成轧辊支承运动装置；

(4)滑板由纵滑板和装于其上的横滑板两部分组成，纵滑板由纵向滚珠丝杠驱动，横滑板与纵滑板之间装有横向滚珠丝杠，横滑板顶面上安装毛化装置；

(5)进给箱固定安装在床身尾端，内部设有与纵向滚珠丝杠连接的消隙齿轮传动机构。

所述的轧辊激光毛化机床，其特征在于：所述的主传动系统由交流变频电机通过二级同步齿形带驱动床头箱主轴，或者由交流变频电机通过一级变速箱和一级同步齿形带驱动床头箱主轴；进给系统为分离传动，纵滑板由纵向交流伺服电机通过进给箱的消隙齿轮及纵向滚珠丝杠副带动沿床身滑板纵向导轨实现纵向进给运动，横滑板由装在纵滑板上的横向交流伺服电机通过消隙齿轮及横向滚珠丝杠带动沿纵滑板上横向导轨实现横向进给运动。

所述的轧辊激光毛化机床，其进一步特征在于：所述尾座、纵滑板、横滑板与相应的尾座移动导轨、滑板纵向导轨、横向导轨的接触面均采用聚四氟乙烯贴塑工艺；所述尾座主轴后方装有4组碟形弹簧，碟形弹簧部位装有压力传感器。

所述的轧辊激光毛化机床，其更进一步特征在于：尾座主轴轴承采用高精度可调整径向间隙的双列圆柱滚子轴承，安装在套筒里，尾座主轴前端的顶尖设有插键，用于将尾座主轴和套筒分开或连接，插键拔出时，为旋转顶尖；插键插入时，为固定顶尖。

本实用新型床身采用车床结构形式，将轧辊支撑与毛化装置安装在同一床身上，使其固有频率保持一致，即使有轻微震动也能保证轧辊工作面与毛化头相对位置的稳定，从振动理论上解决了其相对位置的稳定性、保证了毛化的质量，且降低了机床和机床的投资成本。

为保证毛化装置的稳定性，在床身上采用3导轨支撑毛化装置横向移动的纵滑板，在传动上取消了液压传动，采用了高精度滚珠丝杠副、消隙齿轮并施以预紧力。

主传动采用由变频伺服电机通过2级消声同步皮带直接驱动轧辊，从根本上消除了齿轮啮合冲击带来的激振源。

轧辊以其两端中心孔定位(与轧辊设计定位基准统一)，活动顶尖支撑，顶尖与轧辊同步旋转，顶尖与轧辊中心孔无相对运动，其转速可达250rpm，大幅度的提高了加工效率；轧辊只作旋转运动，毛化装置作往复直线运动、激光器不动的飞行光路结构，结构简单、实用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中轧辊支承结构示意图；

图3为本实用新型中尾座顶尖部分结构示意图；

图4为本实用新型中轧辊和毛化装置位置示意图；

图5为本实用新型中毛化装置示意图；

图6为图5的A-A剖面图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明：

本实用新型的机床主体包括床身、床头箱、尾座、进给箱、毛化装置、控制系统等部分；参见图1和图2，图中，床头箱顶尖1、卡盘2、轧辊3、尾座顶尖4；激光器10发出的激光通过反射镜9进入毛化装置，毛化装置部分包括测量头5、聚焦头6、斩光盘7、毛化装置箱体8。

图3为尾座顶尖部分结构示意图；尾座主轴轴承12采用高精度可调整径向间隙的双列圆柱滚子轴承，安装在套筒里，尾座主轴前端的尾座顶尖4设有插键13，用于将尾座主轴和套筒分开或连接，插键13拔出时，为旋转顶尖；插键13插入时，为固定顶尖。所述尾座主轴后方装有4组碟形弹簧15，碟形弹簧部位装有压力传感器14，其压力由压力显示器16显示。

图4为本实用新型中轧辊和毛化装置位置示意图；轧辊3的支撑运动装置、进给箱、毛化装置箱体8均装于激光毛化机床的床身11上。

图5为本实用新型中毛化装置示意图，毛化装置箱体8上装有测量头5、聚焦头6和斩光盘7，斩光盘7可为高铝合金异形齿轮，通过动平衡检测及配研直接安装在高速电机主轴上(1200r/min)，由变频器作无级调速。

图6为图5的A-A剖面图，毛化装置装聚焦头6的聚焦轴由交流伺服电机通过滚珠丝杠副18、拔叉17驱动作精密的往复运动；装测量头5的检测轴亦由交流伺服电机通过另一套滚珠丝杠副、拔叉驱动作精密的往复运动。在所述聚焦轴、检测轴的两端均装有接近开关的限位装置，实现所述两个轴的横向限位保护。

作为本实用新型的一个实施例，机床的主传动机构是由交流变频电机驱动，通过具有防油、消声性能的二级同步齿形带，将转速和扭矩转递给主轴，使主轴(轧辊)获得11-200r/min的转速范围。进给系统为分离传动，纵、横向均由单独的交流伺服电机驱动半闭环控制，经过机械消隙齿轮减速与精密滚珠丝杠副，带动纵、横滑板沿床身导轨纵向或纵滑板导轨横向进给运动和快速移动。

1.床身

床身是机床的基础部分。在床身的前面设一辅助弹性滚动导轨，通过滚动导轨块对纵滑板起到辅助支撑的作用，增强安装在滑板上毛化装置运动的稳定性。

床身左端设有一油池，为床头箱提供润滑油。床身上面设有四条导轨，前面两条加上床身前面的辅助弹性滚动导轨为滑板纵向导轨，供滑板纵向移动用；后面两条为尾座移动导轨，供尾座纵向移动用。因此，滑板纵向移动时不受尾座位置的限制。移动部件的导轨面均装有聚四氟乙烯的复合导轨板，不仅有降低摩擦系数、保持精度的优点，还能起到吸振的作用。

纵滑板由纵向滚珠丝杠驱动，滚珠丝杠的支撑结构和安装位置合理、刚性高、传动特性好。尾座由齿轮齿条传动装置驱动。

床身前面装有坦克链式的拖线装置。电气线路、液压、水冷和气控管路通过拖线装置与滑板上的相关装置相联，安全美观。在床身的后面设有若干供尾座电源用的插销座。

2.床头箱

床头箱为一封闭的箱体。箱体内全部传动轴均安装在滚动轴承上，其主轴装在高精度的可调整径向间隙的双列向心短圆柱滚子轴承上，采用整体穿轴式结构，故主轴旋转平稳、精度高，并有足够的刚性。床头箱内设有主传动系统和主轴部件的润滑装置。润滑电机通过齿轮泵将润滑油从床身油池输送到每个润滑点。系统上设有压力保护装置以保证主轴部件工作在可靠的润滑状态，并在箱体上设有来油显示和部分透气胶管，使操作者可直接的观测润滑状态。

3.尾座

尾座由上体和下体两部分组成。上体是一整体的铸铁件，内部装有套筒、主轴、套筒手动移动机构、一组碟形弹簧、压力传感器及上部安装的测力显示仪、尾座主轴中的线水平方向前后移动调整机构。尾座下体也是一个整体铸铁件，设置有纵向快速移动机构和手动移动机构、尾座固定卡紧机构、止退机构和润滑油泵等。

尾座主轴轴承采用高精度可调整径向间隙的双列圆柱滚子轴承，安装在套筒里。主轴前端的顶尖通过插键，可以将主轴和套筒分开或连接。当插键拔出时，为旋转顶尖；当插键插入时，为固定顶尖。主轴后端安装的一组碟形弹簧是为了吸收被加工轧辊因热膨胀的伸长而保护相关机构。碟形弹簧部位安装的压力传感器及压力显示仪是为了便于操作工人控制预顶力及起到安全报警的作用。

尾座快速移动和机械自动锁紧固定采用同一电机驱动，通过手柄变换可分别实现尾座的纵向快速移动和自动锁紧，并设有可靠的润滑装置。

4.进给箱

进给箱是纵向进给运动传动链中的一部分，内部设有消隙齿轮传动机构。纵向交流伺服电机通过进给箱的消隙齿轮降速将动力传至纵向滚珠丝杠并设有滚珠丝杠的预紧装置。进给箱体为一封闭的铸铁箱体，整个部件固定安装在床身右下端处，并用保护罩封闭起来。

5.滑板

机床滑板由纵滑板、横滑板两部分组成。

纵滑板由交流伺服电机通过进给箱及滚珠丝杠副实现纵向进给运动。横滑板的运动是由装在纵滑板上的交流伺服电机通过消隙齿轮及横向滚珠丝杠实现的。纵滑板下面设有辅助支撑导轨滚动块及纵横导轨和横向进给传动系统的定时定量自动润滑系统，在纵滑板的外侧设置有引进激光的光路支架。

横滑板顶面上设有520mm×520mm的平面，以便于安装毛化装置。

为防止滑板及上部毛化装置与卡盘发生碰撞，在纵滑板上装有限位开关，与设有床身上的撞块共同实现纵向限位保护。在横滑板和纵滑板之间设有行程开关限位装置，实现本机床的横向限位保护(上述保护在编程上同时考虑了软件保护)。

6.毛化装置

毛化装置为一封闭箱体，固定安装在横滑板上方，箱体内传动轴全部安装在轴承上。

由激光器出来的激光束经反射镜折射进入毛化装置后，由聚焦透镜进行聚焦，并通过斩光盘将连续激光变成满足工艺需要脉冲光束。

与毛化装置连接采用专门为工业环境设计的美国PRC公司激光器，包括激光谐振腔、高压电源、控制系统、涡轮风机、热交换器、变频器、混气单元、光闸、真空泵·压力控制阀、冷却系统等部件，其主要技术参数见表1。

                  表1激光器的主要技术参数

激光波长(μ)	10.6	最大输出功率(W)	2800
				激光功率范围(W)	100-2500	长时间功率稳定度	±2％
光斑直径(输出窗口处)(mm)	16	光束发射角(全角)(mrad)	≤2.0
				模式	TEM00/01	光束质量(M2)	＜2.2
激光偏振状态	线偏振或圆偏振	工作方式	连续、脉冲、超脉冲
				脉冲频率(Hz)	20-2500	最小脉宽(μs)	150
峰值功率(W)	5000	预热时间(min)	6
				输入电流	3×380V+E±10％，50/60Hz	电功率消耗(KVA)	30
工作气体消耗(l/h)	20-50	长×宽×高(cm)	245×90×158

毛化装置装测量头的检测轴、装聚焦透镜的聚焦轴分别由交流伺服电机通过滚珠丝杠副、拔叉驱动作精密的往复运动。在所述两个轴的两端均装有接近开关的限位装置，实现所述两个轴的横向限位保护。

其斩光盘(高铝合金异形齿轮)通过动平衡检测及配研直接安装在高速电机主轴上(1200r/min)，由变频器作无级调速。

在毛化装置的右方安装有测吹装置，以便于毛化加工时提供设定压力、流量的侧吹气体。

在毛化装置的上方安装有工业摄像头，并通过视频线与操作控制台上的显示屏连接。

7.控制系统

机床数控系统为SINVMERIK 840D系统，系统及电气均安装在密闭的电控箱内。为方便操作，操作控制台设置在机床前后端，控制台上装有实时监视系统的屏幕显示器，可直接观察到毛化加工区域的现况。机床所有的控制功能及激光器、冷水机组的部分控制功能均设置在操作面板上。此外，在床头箱前面设有主轴传动、停止、点动和急停按钮。

本实用新型经济效益分析：

(1)节约换辊时间

由于毛化后平整机工作辊的耐磨性能提高，平整机工作辊的单次上机使用周期增长，按平整机平均换辊周期400吨/对(不毛化为200吨/对)计，2003年2月至2005年2月产量为398000吨，少换辊995次，每换一次轧辊需要0.5小时，则共节约换辊时间497.5小时，按平均机时产量100吨/小时计算，可以增加产量49750吨，按过去25个月吨材固定费用300元/吨材计算，可节约成本1492.5万元；按平均市场价格5700元/吨(目前市场平均价格为7500元/吨)计算，新增产值28357.5万元；按每吨钢平均利润400元/吨计算，可创造利润1990万元。

(2)节约轧辊消耗

平整机工作辊使用寿命提高约一倍，使得平整机的轧辊消耗下降50％，轧辊总体消耗水平下降了：12kg/。t按目前市场冷轧用Cr3锻钢工作辊价33000元/t计算，使用毛化平整工作辊以来轧辊消耗节约金额为157.608万元。

另外，12支随机辊增加使用直径22mm/支，相当于节省(22/52)×12＝5.077支新辊，14支淬硬层不够的轧辊增加使用直径8mm/支节省(8/52)×12＝2.154支新辊，共节省新辊7.231支，新辊重量为4.642吨/支，则节约金额为110.77万元。

Claims (4)

1.一种轧辊激光毛化机床，包括床身、床头箱、尾座、轧辊支承运动装置、毛化装置和控制系统，其特征在于：

(1)床头箱、尾座、滑板、轧辊支承运动装置、毛化装置、进给箱均位于同一床身上；床身前部轴向设有滑板纵向导轨，床身后部轴向设有尾座移动导轨；

(2)床头箱固定安装在床身上，内设有由主传动系统驱动的床头箱主轴，床头箱主轴上装有卡盘和顶尖；

(3)尾座设于尾座移动导轨上，尾座由齿轮齿条传动装置驱动，尾座内部装有套筒、尾座主轴；尾座主轴通过轴承安装在套筒里，尾座主轴前端为顶尖；

所述床头箱主轴上的卡盘、顶尖与尾座上的顶尖构成轧辊支承运动装置；

(4)滑板由纵滑板和装于其上的横滑板两部分组成，纵滑板由纵向滚珠丝杠驱动，横滑板与纵滑板之间装有横向滚珠丝杠，横滑板顶面上安装毛化装置；

(5)进给箱固定安装在床身尾端，内部设有与纵向滚珠丝杠连接的消隙齿轮传动机构。

2.如权利要求1所述的轧辊激光毛化机床，其特征在于：所述的主传动系统由交流变频电机通过二级同步齿形带驱动床头箱主轴，或者由交流变频电机通过一级变速箱和一级同步齿形带驱动床头箱主轴；进给系统为分离传动，纵滑板由纵向交流伺服电机通过进给箱的消隙齿轮及纵向滚珠丝杠副带动沿床身滑板纵向导轨实现纵向进给运动，横滑板由装在纵滑板上的横向交流伺服电机通过消隙齿轮及横向滚珠丝杠带动沿纵滑板上横向导轨实现横向进给运动。

3.如权利要求1或2所述的轧辊激光毛化机床，其特征在于：所述尾座、纵滑板、横滑板与相应的尾座移动导轨、滑板纵向导轨、横向导轨的接触面均采用聚四氟乙烯贴塑工艺；所述尾座主轴后方装有4组碟形弹簧，碟形弹簧部位装有压力传感器。

4.如权利要求3所述的轧辊激光毛化机床，其特征在于：尾座主轴轴承采用高精度可调整径向间隙的双列圆柱滚子轴承，安装在套筒里，尾座主轴前端的顶尖设有插键，用于将尾座主轴和套筒分开或连接，插键拔出时，为旋转顶尖；插键插入时，为固定顶尖。

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