JP2004216386A

JP2004216386A - レーザ加工装置および加工方法

Info

Publication number: JP2004216386A
Application number: JP2003003383A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sugibashi; 敦史杉橋; Akihiko Taniguchi; 明彦谷口; Kazunori Wakasa; 和式若狭
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: JP4523757B2

Abstract

【課題】複数台のレーザ発振器を用いて高速で圧延ロール表面に均一なダル加工を施すことができる加工装置および加工方法を提供する。
【解決手段】複数台のレーザと該レーザの光を集光する複数台の加工ヘッドを用いて、回転する圧延ロールに対し加工ヘッドをロール軸方向に移動しながら、圧延ロール表面にレーザ発振器からのレーザ光を集光して照射し、ロール表面に微小な凹凸模様を形成するダルロール加工装置において、パルス信号を発生するロール回転角度検出器と、該検出器からのパルス信号をトリガー信号として動作するレーザ発振制御装置と、パルス信号を数えるパルスカウンター装置と、移動する加工ヘッド位置を検出する横行位置検出器と、ロール回転角度検出器と横行位置検出器の信号によりレーザ発振を制御する制御装置と、複数のレーザ光軸間隔を調整する機構を備え、ロール寸法および加工ピッチに基づいて予め算出した加工穴数となる様にレーザパルス数をカウントしながら加工する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｑスイッチレーザ発振器にて、圧延ロールあるいは薄板連続鋳造用ドラムなどの円筒形状金属体表面に微小穴加工を行うレーザ加工装置および加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１に、２台のＹＡＧレーザを用い圧延ロール表面の２カ所を同時並列的に加工する装置が開示されている。図１に特許文献１発明の装置構成図（該公報図１ａ）を示す。図１において、レンズＦＬ１およびＦＬ２は加工の進捗に合わせて等速にて、ロール軸方向に移動する。ここでレンズＦＬ１にて加工する部位ＦＰ１が、レンズＦＬ２にて加工を開始した部位ＦＰ２にまで加工が進捗した際に問題が発生する。すなわち、何らかの手段にて加工部ＦＰ１と加工部ＦＰ２に重複が発生しない様に、速やかに加工ＦＰ１を停止する必要が生じる。しかし該発明には、各レンズＦＬ１、ＦＬ２にて加工されるの加工境界部においてどの様にレーザ発振を制御し、境界部での重複加工を防止するかについての具体的な記述は一切ない。
【０００３】
図２、３は特許文献１の装置（図１）にて加工したロール表面をＡ−Ａ′線にて展開した模式図である。ロールＲの白塗り部１および斜線部２が、レンズＦＬ１、ＦＬ２で集光した各ビームＬＢＰ１、ＬＢＰ２によりダル加工した部位である。
ロール上の点線部３が、レンズＦＬ１、ＦＬ２で集光した各ビームＬＢＰ１、ＬＢＰ２の加工境界になる。加工境界部３においてレーザ発振の制御が行われない場合は、加工開始時にＬＢＰ２により加工したダル穴部に、ＬＢＰ１によるダル加工部が重ねて加工され、２重加工によるダル穴径の拡大が発生する（図２の点線部）。このダル穴加工の乱れは、圧延時に鋼板表面に転写され、鋼板の表面性状を著しく損なう原因になる。また２重加工を防止するために、ＬＢＰ１ビームを早く停止させすぎると、図３の点線部３の様なロール上に未加工部が発生するため鋼板表面にダル穴転写がない領域が発生し、他の領域と粗度が異なる事が目視にて容易に観察され、やはり製品表面の不良となる。
【０００４】
【特許文献１】
特公平０４−４０１１８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決し、複数台のレーザ発振器を用いて高速で圧延ロール表面に均一なダル加工を施すことができる加工装置および加工方法を提供する事を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、
複数台のレーザと該レーザの光を集光する複数台の加工ヘッドを用いて、回転する圧延ロールに対し該加工ヘッドをロール軸方向に移動しながら、該圧延ロール表面に該複数レーザ発振器からのレーザ光を該複数の加工ヘッドにて各々集光して照射し、圧延ロール表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、
パルス信号を発生するロール回転角度検出器と、該ロール回転角度検出器からのパルス信号をトリガー信号として動作するレーザ発振制御装置と、該パルス信号を数えるパルスカウンター装置と、ロール軸方向に移動する該加工ヘッドの位置を検出する横行位置検出器と、該ロール回転角度検出器と該横行位置検出器の信号によりレーザ発振を制御する制御装置と、該複数のレーザ光軸間隔を調整する機構を備え、ロール寸法および加工ピッチに基づいて予め算出した加工穴数となる様にレーザパルス数をカウントしながら加工する事を特徴とするレーザ加工装置であり、
上記レーザ加工装置において、該ロール回転角度検出器のパルス信号を分周する分周器を備えたことを特徴とするレーザ加工装置である。
また、上記のレーザ加工装置を用いて、圧延ロールを回転させ、該加工ヘッドをロール軸方向に移動しながら、該圧延ロール表面に該複数レーザ発振器からのレーザ光を該複数の加工ヘッドにて各々集光して照射し、圧延ロール表面に微小な凹凸模様を形成するダル加工方法において、
加工パルス数をおよびロール回転角度検出器のパルス信号をトリガー信号としてレーザ発振器のパルス発振を制御しロール周方向にダル加工を行うロール加工方法であって、ロール径、加工長さ、周方向加工ピッチおよび軸方向加工ピッチから算出される加工穴数に基づいて、該パルスカウント装置にて加工パルス数（レーザパルス数）をカウントしながら穴加工を行い、該予め算出した穴加工数までカウントが進んだ時点でレーザ発振を停止させることを特徴とするロール加工方法。
およびロール径Ｄ（ｍｍ）、設定周方向加工ピッチＰＬ（ｍｍ）、ロール回転角度検出器の１回転当たりのパルス数Ｎ（パルス／回転）とした場合に、ロール回転角度検出器からのパルス信号をｎ＝Ｎ／（Ｄ×π／ＰＬ）で分周して、該分周信号をトリガー信号としてレーザ発振器をパルス発振させ、圧延ロール表面にダル加工を行うことを特徴とするロール加工方法。
および該複数台のレーザ光軸間隔Ｓを軸方向のロール加工ピッチＰＸの整数倍に調整し、ロール加工を行うことを特徴とするロール加工方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図４は本発明のレーザ加工装置図である。本例では２台のＱスイッチ−ＹＡＧレーザを用いているが、レーザ発振器の数を３台以上にしても何ら問題はない。
各レーザ装置Ｌ１、Ｌ２には個別に加工光学系が備えられている。各加工光学系は、ビームエクスパンダＥｘ１、Ｅｘ２、および加工ヘッドＰＨ１、ＰＨ２で構成される。加工ヘッドＰＨ１、ＰＨ２は集光レンズおよびレーザ光と同軸にエアーを噴出する加工ノズルから成る。レーザビームＬＢ１、ＬＢ２の光軸間隔（＝加工ヘッドＰＨ１、ＰＨ２の間隔）はＳである。図４はレーザ発振器本体がヘッドＰＨ１、ＰＨ２と同じ横行テーブルＴＢ上に設置される形態となっているが、レーザ発振器を別の場所に設置し、ミラーあるいはファイバーにて加工ヘッドＰＨ１、ＰＨ２にレーザ光を伝送しても良い。レーザ発振器はパルス発振形態であれば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザなどのレーザでも良い。
【０００８】
横行テーブルＴＢをロールＲの軸方向（図４→Ｘ方向）に移動させるとともに、ロールを回転させ、レーザパルスをロール表面に照射する事でロール表面にダル加工（レーザ穴加工）が行われる。ロールＲの表面には、螺旋状の穴加工が施される。各加工ヘッドＰＨ１、ＰＨ２は独立のテーブルＴ１、Ｔ２上に設置されている。テーブルＴ１、Ｔ２上には、ロール表面との距離を測定するセンサーＳＧ１、ＳＧ２（図示しない）が設置されている。センサーは非接触式が望ましく、レーザ距離計あるいは渦流式距離計などが適している。圧延ロールには数十から数百μｍ程度のクラウンがついており、端部に対しロール中央部がやや太い形状となっている。このため加工中は、距離センサーＳＧ１，ＳＧ２でロール表面までの距離を測定し、その距離が常に一定（＝最適焦点時のギャップ）となる様に、テーブルＴ１、Ｔ２の位置を制御する。
【０００９】
以下に、本発明の加工における各構成装置の働きについて説明する。図５は本発明の加工装置の制御系統図を模式化したものである。ロールＲは回転速度Ｖｒ（ｒｐｓ）にて回転する。回転中のロール回転角度は検出器Ｓｒｏｌｌにて検出される。検出器ＳｒｏｌｌはＮパルス／回転のパルス信号を発生する。ロール回転角度検出器Ｓｒｏｌｌは通常のＮＣ装置サーボモータの位置制御などに使用されるエンコーダ方式センサーなどの、回転角度位置に応じてパルス信号を発振するもので良い。
ロール回転角度検出器Ｓｒｏｌｌからの該パルス信号はトリガー信号として、パルスカウンター装置Ｃに入力される。パルスカウンター装置Ｃは検出器Ｓｒｏｌｌからの信号パルス数をカウントしながら、カウント中は検出器Ｓｒｏｌｌからの信号をレーザ発振制御装置Ｌｃへ送信する。レーザ発振器Ｌ１、Ｌ２はＬｃからの駆動信号Ｄｖにより制御されパルス発振する。加工時間を短縮するため、レーザ発振は通常Ｑスイッチ発振であり、レーザ発振制御装置Ｌｃは音響光学素子ＡＯＭの駆動を制御することでレーザ発振を制御する。パルスカウンター装置Ｃは、設定された数のパルスをカウント終了すると以降のパルス信号のレーザ発振制御装置Ｌｃへの送信を停止する。つまりパルスカウンター装置Ｃは、設定されたパルス数に基づくゲート回路動作を行う事になる。パルスカウンター装置Ｃのカウント開始指令は、横行テーブルＴＢが加工開始位置Ｔｘ＝０に到達した段階で、制御装置ＰＣよりパルスカウンター装置Ｃに送信される。
【００１０】
パルスカウンター装置に設定するパルス数は予め次の様に決定される。図６は本発明により加工されたロール表面を展開した図である。ロール加工開始位置はレーザ光ＬＢ１による加工（＝加工ヘッドＰＨ１による加工）では横行テーブルＴＢの位置Ｔｘおよび、ロール回転角度位置θにより（Ｔｘ、θ）＝（０、θ_１）である。レーザ光ＬＢ２による加工（＝加工ヘッドＰＨ２による加工）加工ヘッドＰＨ２では（Ｔｘ、θ）＝（Ｓ、θ_１）である。ロール回転角度検出器Ｓｒｏｌｌによりレーザ発振が制御されるため、各加工位置θ_ｋ＝１〜_Ｎｃは等角度に加工されている（ｋは整数）。周方向の加工穴数Ｎｃ（個）は、周方向の加工ピッチＰＬ（ｍｍ）としてＮｃ＝π×Ｄ÷ＰＬとなる。また軸方向の加工列数Ｎ_Ｌ（列）は、軸方向の加工ピッチをＰＸ（ｍｍ）とすると、各レーザ発振器Ｌ１、Ｌ２で加工される軸方向の加工列数Ｎ_Ｌ１＝Ｎ_Ｌ２＝Ｎ_Ｌ＝Ｓ÷ＰＬである。従って、（Ｔｘ、θ）＝（０、θ_１）〜（Ｓ、θ_Ｎｃ）までの範囲を加工するレーザ発振器Ｌ１による加工穴数Ｎ１、Ｎ２は、Ｎ１＝Ｎ２＝Ｎｃ×Ｎ_Ｌである。パルスカウンター装置Ｃに予めＮ１を設定し、レーザ発振器Ｌ１の発振を加工開始からＮ１パルス発振後に停止すれば２重加工や未加工などの加工不良は発生しない。
【００１１】
仮に加工するロール径を５００ｍｍ、周方向の加工ピッチを３１４μｍ、軸方向の加工ピッチを５００μｍ、全加工巾を１０００ｍｍ、加工ヘッドＰＨ１とＰＨ２の間隔を５００ｍｍとすると、ロール１周当たりの加工数Ｎｃ＝５００×π÷０．３１４＝５０００個、軸方向の加工列数は全巾でＮＬ＝１０００÷０．５＝２０００列となる。１周当たりの加工穴数を決定する場合、ロールにクラウンがある場合、厳密にはロール端部とロール中央部のロール径は異なる。ただし通常ロールクラウンは数１００μｍオーダーの大きさでありロール径に対し、１／１０００程度である。例えば、端部のロール径５００ｍｍ、中央部のロール径５００．２ｍｍの場合、周方向の加工ピッチを端部で合わせて３００μｍとした場合でも、中央部付近での周方向加工ピッチは３００．１μｍとなり、その差は無視できるレベルである。本発明ではロール径としてロール端部の値を用いた。上記の例では、全加工穴数はＮｃ×ＮＬ＝５０００×２０００＝１０^７個となり、レーザ発振器Ｌ１、Ｌ２による加工穴数は半分の５×１０^６個となる。従って、２つの加工ヘッドを用いてロール加工を行う場合、各加工ヘッドＰＨ１、ＰＨ２が同時にロール加工を開始し、各々５×１０^６個の穴加工を行った時点（パルスカウンター装置Ｃで５×１０００をカウントした時点）で加工を終了すれば、加工境界部で加工点の２重加工あるいは未加工部の様な加工不良部の発生を防止できる。
【００１２】
通常レーザによる圧延ロール表面のダル加工は、加工周波数が数ｋＨｚ以上の速さで行われるため、各ダル穴加工の間の時間は１ｍｓ以下である。この様な高速で正確に加工の停止を行うには、停止位置を検出した後に（開閉時間が通常０．１ｓｅｃのオーダである）外部シャッタを停止したのでは、加工停止制御が間に合わない。電気的にレーザ発振を制御する場合でも、制御装置ＰＣの処理時間が数１０ｍｓ必要であるために、加工停止位置情報（Ｔｘ、θ_ｋ）＝（Ｓ、θ_Ｎｃ）を検出器にて検出し、制御装置ＰＣからレーザ発振制御装置に発振停止指令を出したのでは、やはり加工停止制御が間に合わず、ダル穴加工数にして数１０個分の停止誤差が生じ、その領域では２重加工となる。本発明では、ロール寸法（ロール径、ロール長さ）および加工ピッチ（周方向ピッチおよび軸方向ピッチ）に基づいて、予め加工穴数を算出し、レーザパルス数をカウントしながら加工を行い、該算出したパルス数にてレーザ発振を停止する事が可能であるため、上記の様な境界部での加工不良域は発生しない。
【００１３】
また、例で示した様に通常のロール加工においては、加工パルス数が５×１０^６個という大量の加工数となる。仮にロール回転とレーザ発振が独立な場合（レーザ発振がロール回転とは無関係に制御されている場合）、パルスカウンター装置Ｃを用いて加工数を管理しても、ロール回転速度に変動が０．１％存在するだけで、累積された誤差の影響により、加工終了点付近の加工穴位置には５個オーダーの加工ピッチに相当するずれが生じる事になり、加工境界部での加工不良が発生する。本発明ではロール回転角度位置をレーザ発振のトリガー信号とする事で、こうした回転誤差の影響を受ける事がなく、ロール１回転を等分して穴加工が行われる。したがって、累積する誤差により加工境界部での加工不良が生じる事はない。
【００１４】
加工境界部３においてレーザ光ＬＢ１とＬＢ２による加工穴（＝加工ヘッドＰＨ１と加工ヘッドＰＨ２による加工穴）が軸方向に等間隔で繋がるためには、加工ヘッド間隔Ｓ＝ｍ×ＰＸでなければならない（ｍ：整数）。任意の軸方向ピッチＰＸに対しては常に上記式の関係を満たすことはできない。そこで加工ヘッド間隔Ｓを可変にし、任意の軸方向加工ピッチＰＸに対しＳ＝ｍ×ＰＸ（ｍ：整数）とする。例えば、図４のレーザ発振器Ｌ１からのレーザ光を２枚のミラーにて折り曲げるとともに、ミラーＭ２およびビームエキスパンダＥｘ１をＸ軸方向のテーブルＴＭ２により、加工ヘッドＰＨ１の位置をＸ方向にテーブルＴＸ１により稼働可能とし、加工ヘッド間距離Ｓを調整可能とすれば良い。
【００１５】
ロール回転角度検出器の１回転当たりのパルス数Ｎ（パルス／回転）と、ロール１周当たりのダル穴加工数とは必ずしも一致しない。その場合は図５のロール回転角度検出器Ｓｒｏｌｌとレーザ発振制御装置Ｌｃとの間に分周器Ｄｓを設け、ロール回転角度検出器Ｓｒｏｌｌの信号を以下の様に分周する事により、ロール周上に等角度間隔でダル穴加工を行う事が可能となる（図７）。ロール径Ｄ（ｍｍ）、設定周方向加工ピッチＰＬ（ｍｍ）、ロール回転角度検出器の１回転当たりのパルス数Ｎ（パルス／回転）をｎ＝Ｎ／（Ｄ×π／ＰＬ）で分周して、該分周信号をトリガー信号としてレーザパルス発振させる。この場合、任意のロール径Ｄ、周方向加工ピッチＰＬ、ロール回転角度検出器の１回転当たりのパルス数Ｎに対して、ｎは必ずしも整数値にはならない。しかし、分周器にて分周する場合にはｎを整数値にする必要があり、誤差が発生する。誤差量を考慮した場合はｎ＞５程度である様なロール１回転当たりのパルス数Ｎを持つ角度検出器Ｓｒｏｌｌを使用することが望ましい。
【００１６】
【実施例】
図４に記載の本加工装置を用いて、冷延材圧延用ワークロール表面にダル加工を行った。ロール直径５００ｍｍ、クラウン２００μｍのロール表面に、ロール胴長１２００ｍｍの範囲にダル加工を行った。レーザは出力平均出力１００ＷのＱスイッチＹＡＧレーザを２台使用し、加工対象範囲範囲１２００ｍｍを２等分した６００ｍｍづつを該２台のレーザで同時に加工した。各レーザの加工ヘッド距離は６００ｍｍにセットした。各レーザはロール回転角度検出器からのパルス信号に基づいて、約１０ｋＨｚでＱスイッチ発振した。横行テーブルの移動により、ロール表面に穴径８０μｍ、深さ２０μｍのダル穴を、周方向ピッチ、軸方向ピッチとも２００μｍにて加工した。パルスカウント装置Ｐｃには各レーザ発振器Ｌ１、Ｌ２の加工穴数として、ともに１１７８０５７２４パルスを設定し、加工開始とともにパルスカウンター装置によりレーザパルス数をカウントし、前記１１７８０５７２４までカウントアップした時点でレーザ発振を停止した。本方法により、レーザ発振器Ｌ１、Ｌ２にて加工したロールの加工境界部においても、加工ピッチに全く乱れのない均一な加工をロール全面に実施する事ができた。
【００１７】
本ロールを用いて、０．８ｍｍ板厚の冷延鋼板に圧下率１％のスキンパス圧延を実施した。鋼板表面にはロール表面の模様を転写した直径８０μｍ、高さ５μｍの円筒状の均一な模様が発生した。しかし、ロール境界部にて圧延された部位を観察しても周辺部と模様の不均一を見出す事はなく、表面光沢が均一で良好な鋼板が製造できた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により複数台のレーザ加工機を用いて、圧延ロール表面に微小凹凸模様を付与したダルロール加工においてもその境界部において、２重加工によるダル穴形状あるいはダル穴ピッチに乱れのない均一な加工を行う事ができる。本発明により加工した圧延ロールで鋼板圧延を行う事で鋼板表面の特定部位に不均一を発生させる事なく鋼板を圧延製造可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】特公平０４−４０１１８号公報に記載の発明を示す図である。
【図２】特公平０４−４０１１８号公報の発明により加工したロール表面図である。
【図３】特公平０４−４０１１８号公報の発明により加工したロール表面の展開図である。
【図４】本発明の装置模式図である。
【図５】本発明の制御系統図である。
【図６】本発明により加工したロール表面（展開図）
【図７】本発明の他の制御系統図である。
【符号の説明】
Ｌ１、Ｌ２：レーザ発振器
ＬＢ１：レーザ発振器Ｌ１のレーザ光
ＬＢ２：レーザ発振器Ｌ２のレーザ光
Ｓ：レーザ光軸間隔
Ｅｘ１、Ｅｘ２：ビームエクスパンダ
Ｍ１、Ｍ２：レーザ反射ミラー
ＰＨ１、ＰＨ２：加工ヘッド
ＴＢ：横行テーブル
Ｔｘ：横行テーブル位置
Ｔ１、Ｔ２：焦点調整用テーブル
ＴＸ１：加工ヘッドＰＨ１用のＸ軸方向テーブル
ＴＭ２：ミラーＭ２、ビームエキスパンダーＥｘ１用のＸ軸方向テーブル
Ｒ：ロール
Ｄ：ロール直径
Ｓｒｏｌｌ：ロール回転角度検出器
θ_ｋ：ロール回転角度位置
Ｃ：：パルスカウンター装置
ＰＬ：周方向加工ピッチ
ＰＸ：軸方向加工ピッチ
Ｎｃ：１周あたりの穴個数
Ｎ_Ｌ：加工穴列数

Claims

複数台のレーザと該レーザの光を集光する複数台の加工ヘッドを用いて、回転する圧延ロールに対し該加工ヘッドをロール軸方向に移動しながら、該圧延ロール表面に該複数レーザ発振器からのレーザ光を該複数の加工ヘッドにて各々集光して照射し、圧延ロール表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、パルス信号を発生するロール回転角度検出器と、該ロール回転角度検出器からのパルス信号をトリガー信号として動作するレーザ発振制御装置と、該パルス信号を数えるパルスカウンター装置と、ロール軸方向に移動する該加工ヘッドの位置を検出する横行位置検出器と、該ロール回転角度検出器と該横行位置検出器の信号によりレーザ発振を制御する制御装置と、該複数のレーザ光軸間隔を調整する機構を備え、ロール寸法および加工ピッチに基づいて予め算出した加工穴数となる様にレーザパルス数をカウントしながら加工することを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置において、該ロール回転角度検出器のパルス信号を分周する分周器を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１または２に記載のレーザ加工装置を用いて、圧延ロールを回転させ、該加工ヘッドをロール軸方向に移動しながら、該圧延ロール表面に該複数レーザ発振器からのレーザ光を該複数の加工ヘッドにて各々集光して照射し、圧延ロール表面に微小な凹凸模様を形成するダル加工方法において、加工パルス数をおよびロール回転角度検出器のパルス信号をトリガー信号としてレーザ発振器のパルス発振を制御しロール周方向にダル加工を行うロール加工方法であって、ロール径、加工長さ、周方向加工ピッチおよび軸方向加工ピッチから算出される加工穴数に基づいて、該パルスカウンター装置にて加工パルス数（レーザパルス数）をカウントしながら穴加工を行い、該予め算出した穴加工数までカウントが進んだ時点でレーザ発振を停止させることを特徴とするロール加工方法。
請求項３記載の加工方法において、ロール径Ｄ（ｍｍ）、設定周方向加工ピッチＰＬ（ｍｍ）、ロール回転角度検出器の１回転当たりのパルス数Ｎ（パルス／回転）とした場合に、ロール回転角度検出器からのパルス信号をｎ＝Ｎ／（Ｄ×π／ＰＬ）で分周して、該分周信号をトリガー信号としてレーザ発振器をパルス発振させ、圧延ロール表面にダル加工を行うことを特徴とするロール加工方法。
請求項３または請求項４の加工方法において、該複数台のレーザ光軸間隔Ｓを軸方向のロール加工ピッチＰＸの整数倍に調整し、ロール加工を行うことを特徴とするロール加工方法。