JPS602156B2 - ロ−ルの粗面化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ光を利用したロールの粗面化装置に関
する。

圧延鋼板には例えば材質，物性，形状，寸法など各種の
品質，特性が要求されるが、その１つに表面品質がある
。

表面品質には、美観つまり見た目の総麓さ、塗装性つま
り塗料やほうろうの付き具合、加工性つまりプレス加工
や０功ｏ工などの加工難易性、耐蝕性主として発錆性、
および光学特性つまり可視光や赤外線の反射，吸収，韓
射特性などがあり、これらを決める要因には表面の物理
的，機械的，化学的性質はど多くの要因があるが、その
１つに表面のセミマィクロ的な幾何学的形状即ち表面粗
さがある。圧延製品表面に粗さを付ける最も普通の方法
は、圧延ロールに所要の粗さを付けておき、圧延によっ
て被圧延材の表面にその粗さを転写する方法である。

従って圧延製品に所望の粗さを付ける問題は、とりも直
さずロール表面に粗さを付ける問題でもある。粗さ賦与
に際しては、単に凹凸の高さおよび蓬だけでなく粗さの
ピッチも所望値にし、しかもこれらは独立に制御できる
ことが必要である。生産現場で普通に行なわれている現
在の粗さ賦与方法はショットプラストによる方法である
が、このショットプラスト法は、簡単でありそしてこの
加工で表面が硬化してロールの耐摩耗性が上るなどの利
点がある反面、面が不規制、不均一に荒れた面となり、
粗さの制御が困難である欠点がある。ショットプラスト
法に代る新しい方法としては放電加工法がある。

これはロールに電極を対向させ、ロールを回転させかつ
電極をロール軸方向に移動させながらロール、電極間に
火花放電を生じさせ、この放電エネルギーでロール表面
に微細なクレータ群を発生させるものである。この方法
では印加する電圧の電圧値と周波数を変えることによっ
てロール面に制御された粗さを付けることができる。し
かし、クレー夕の大きさを定める火花の及ぶ範囲は電極
の寸法，形状とロール面形状によって定まり、これはあ
る限界以下に小さくすることはできない。従って粗さの
微細化、特にＰＰ１（インチ当りの凹凸の個数）の増大
に限界がある。また放電加工により生じた凹凸部、所謂
クレータ特に凸部は機械的に弱く、圧延中にとれてしま
ったりしてロール粗度の初期変化が著しい。凹部の耐摩
耗性はよいので、凹部で表わされる粗度の寿命は長いが
、凸部を含めた粗度の寿命（初期寿命）は短い。そこで
本発明者はしーザを用いたダルロール製作装置を開発し
、先に提案した（侍鰯昭５３一６７５１６号）。

この方式によれば粗さの制御が容易で微細な粗さも付け
ることができ、粗面の耐摩耗性も優れているが、連続レ
ーザを用いるため出力が小さく、加工にやや手間取る難
がある。ところでＹＡＧレーザなどのレーザ光源は既知
のようにＱスイッチングによりその出力を一時的に巨大
化し強力なパルスレーザを出力することができる。Ｑス
イッチングは電気信号により容易、確実に制御でき、そ
してパルスレーザによりロール表面に作る凹凸部の深さ
は同一部分に投射するレーザパルスの数従ってＱスイッ
チングの回数により正確に制御することができる。また
凹凸部の径はレーザ光のビーム径により、従って絞りな
どの光学装置により簡単かつ正確に制御することができ
る。本発明はかかる点に着目してなされたものであって
、パルスレーザによる粗面化装置を提供しようとするも
のである。次に図面を参照しながら本発明を詳細に説明
する。第１図は本発明の粗面化装置の基本構成を示す。

１は被加工ロールであり、９は該ロールを回転させる駆
動部である。

２はしーザ発振器であり、３は該発振器より出力されそ
して絞りはどの光学装置１０でビーム径調整されたレー
ザ光Ｌｏをロールーの所望位置へ投射する光走査器であ
る。

ロール１‘こ付ける凹凸は多くの場合孔径５０〜２００
仏の、孔の深さ５〜２０仏の、孔間の間隔つまりピッチ
５０〜２００山肌の微細なものであるからロール全面に
対し１つずつ凹凸を作っていたのでは加工所要時間が相
当に大になる。そこでこの光走査器３はし”ザ光Ｌｏを
ｎ本のレーザ光Ｌ〜Ｌｎに分割し、ｎ個所で同時加工さ
せる機能を有する。８は光走査器３をロール軸方向に該
分割レーザ光Ｌ，，Ｌ……の間隔だけ移動させる駆動部
である。

４は粗度検出器、７は粗度解析器、６は制御信号発生器
、５はＱスイッチ、１１は表示器である。

レーザ発振器２としてはＹＡＧレーザ、ルビーレーザな
どのＱスイッチング可能なものを用いる。レーザ光−の
ビーム径は波長の３倍まで絞れるから、最小径が数山肌
から数十山肌のものが容易に得られる。光走査器３の具
体例を第２図，第３図、および馨る馬云を鮒矧ぎ零砕予
鞠麓ｎ）が該ミラーである。

これらのミラーはしーザ発振器２からのレーザ光Ｌｏの
光路に沿って一列に等間隔で配設され、そしてｒｉ（ｉ
＝１，２・・・・・・ｎ）なる反射率を持ち、残りを透
過する。しかもミラーｌｉから反射されるレーザ光Ｌｊ
はすべて等しくなるように、反射率ｒｉを選ぶ。従って
ｎ＝１０とすると、Ｌ，＝Ｌ＝・・…・Ｌ，ｏ＝Ｌ，ｏ
／１０であり、反射率ｒｉはｒ，ｏ＝１／１０，ｒ９＝
１／９，ｒ８＝１／８……つまりｒｉ＝１／ｉである。
２Ｇましンズなどの集光系で、レーザ光Ｌｉを所望の径
に集東する。

第３図ａは環状から段違いに配置した反射鏡を用いる例
を示し、３ｉ（ｉ＝１，２……ｎ）は切頭円錐状の鏡面
を１／ｎに分割したその個々の扇形状の鏡面で、回転軸
３０に等間隔でかつ３６０／ｎずつずれて配設される。
従ってレーザ発振器２からのレーザ光Ｌｏを軸３川こ平
行に図示の如く投射すると鏡面３ｉのいずれかにレーザ
光Ｌｏが当り、反射されてレーザ光Ｌｉとなる。軸３０
を回転させるとしーザ光Ｌｏが当る鏡面が変り、例えば
最初鏡面３１に当てたとすると次は３２となり、以下順
に３３，３４・・・・・・となり、レーザ光Ｌ。，−，
Ｌ……が順次得られる。なおこのレーザＬ，Ｌ２…・・
・の発生順序、従って鏡両取付位置の順序は任意でよい
。第３図ｂはしーザ光Ｌ，の強度分布と時間ｔに対する
発生態様を示す。第２図の例ではしーザ光ＬｉはＬｏ／
ｎであったが本例ではＬｉ＝Ｌｏであり、代りに第２図
ではしーザ光Ｌｉ（ｉ＝１，２…・・・ｎ）は同時に得
られたが本例ではＬｉは１つずつ逐次得られる。第４図
は第２図と同様な１／ｎのレーザ光が同時に得られる例
であるが、部分透過、部分反射ミラーの代りにレーザ光
を柱状から筒状に変換する機構を使用する。

第４図ａに示す機構がその変換部であり、円錐鏡面４１
と、等間隔を置いて該鏡面と対向する功頭円錐状の鏡面
４２からなる。かかる鏡面機構に、鏡面４２の中央の孔
４２ａから紬柱状レーザ光Ｌｏを投射すると、該レーザ
光は鏡面４１に当って反射し、更に鏡面４２に当って再
反射し、円筒状レーザ光ＬＱとなって入射方向へ進行す
る。かかる反射を行なわせるためしーザ光の光軸は円錐
鏡面４１および切頭円錐状鏡面４２の中心軸と一致させ
、鏡面４１，４２の周面が中心軸となす角は４５ｏにし
ておく。筒状レーザ光Ｌｏａが得られたら、これを第３
図と同様な反射鏡群５ｉ（ｉ＝１，２・・・・・・ｎ）
に投射すれば反射鏡面群を回転させる必要なしにＬｏ／
ｎの強さの平行なしーザ光Ｌｉが得られる。６ｉは集光
レンズである。

次に再び第１図に戻って本装置の動作を説明するに、Ｑ
スイッチ５を操作してレーザ発振器２によりパルスレー
ザ光Ｌｏを発生し、これを光走査器３により前述のよう
にレーザ光Ｌ，Ｌ・・・・・・Ｌｎにしてロー′レ１の
表面に投射する。

ロール１は駆動部９により回転させ、かつ光走査器３は
駆動部８によりロール軸方向に移動させる。レーザ光Ｌ
ｉ（ｉ＝１，２……ｎ）はロール長をＬとして最初まｏ
，吉Ｌ，登ＩＬ，‐．…．三三Ｌの位置‘こ置き、光走
査器３をロール１がｍ回転（ｎは大なる程ピッチが密に
なるが、ビーム幅を孝慮して適当に定める）する間にＬ
ノｎ移動する割合で駆動すれば、第２図のように同時照
射型の場合はロールをｍ回転させることによりまた第３
図のような逐次照射型の場合はロールをｍｎ回転させる
ことによりロールーの全表面をパルスレーザ光により照
射（パルスレーザの周期によって定まる微細な間隔の光
点群で）することができる。第５図はＱスイッチ４５に
対する制御信号波形延いてはしーザ発振器２の出力波形
の概要を示す。

パルスレーザ光Ｌｏはロール１の同一地点にＮ個照射す
る。Ｔ２がその照射期間であり、この間はレーザ光の走
査は停止する。ここで、レーザ光の走査は。ール１の回
転と光走査器３の移動もしくは回転により行なわれ、前
者はし、わ１ま水平走査、後者が垂直走査となる。水平
，垂直走査はどちらを先に行なってもよいが、ここでは
水平走査を先、垂直走査を後に行なう。従って時間Ｌ経
過後に本例ではロール１が孔のピッチだけ回転し、その
位置で再びＮ個のパルスレーザが照射され、以下これを
繰り返す。Ｔ，がその繰り返し周期である。ロールが１
回転すると光走査器３はパルスレーザ投射位置を孔のピ
ッチだけロール軸方向だけ移動させ、その位置でロール
１が回転して上記と同様なしーザ照射が行なわれる。以
下同様である。本発明ではこの１回に投射するパルスレ
ーザの個数Ｎを変化することにより微細穴の深さを制御
する。この目的で制御信号発生器６はＱスイッチングの
回数Ｎを設定する設定器を備えており、これは手動もし
くは後述の如く帰還信号により操作される。また穴の径
はレーザ光−のビーム径を光学系１０で調整して決定し
、該光学系の制御信号も信号発生器６が出力する。ロー
ル１の粗さは、これらピッチ，径，深さにより決定され
る。第１図の装置では自動制御系も付加されており、こ
れにより粗度の自動制御が行なわれる。

即ち、触針式粗度計などからなる粗度検出器４はロール
１の表面組さを示す信号を出力し、これを粗度解析器７
に入力する。粗度解析器７はこれを解析してその結果を
制御信号発生器６に入力し、また必要に応じて表示器１
１に表示する。信号発生器６は粗度解析器からの凹凸の
深さ，径，ピッチ信号を基準値と比較し、その差により
レーザ発振器２の発振制御を行なう。例えば凹凸の深さ
が基準値より小さい場合は１回のＱスイッチングの回数
ＮをＮ＋１，Ｎ＋２などに変更し、凹凸の径が大きい場
合は絞り１０を減少させる信号を出力する。また、制御
信号発生器６は駆動部８，９に対して駆動指令を与え、
水平，垂直走査の周期制御を行なうが粗度検出器４によ
り検出されたピッチが基準値からずれている場合は駆動
装置８，９を制御してその修正を行なうが通常はピッチ
制御は不要である。上述したＱスイッチ５の制御、従っ
て第５図の波数変更は第６図に示す如き特性曲線に基い
て行なわれる。これらの曲線Ｃ，，Ｃ２はパルス照射回
数Ｎ、つまり第５図のパルス群のパルス数Ｎと、それら
により形成される微細穴の深さとの関係を示すすもので
、曲線Ｃ，は第７図および第８図のプロフィルに基づき
、また曲線Ｃ２は第９図および第１０図のプロフィルに
基づき描かれたものである。測定に際してはしーザ発振
器２に波長１．０６山肌のＮｄ−ＹＡＧレーザを用い、
また出力パルスレーザのパルス幅を１１仇ｓｅｃとした
。第７図〜第１０図のプロフィル（縦軸が深さ）はロー
ル１表面を触針式組度計で測定したもので、各プロフィ
ルに番号ｌａ，２ａ・・・…４ａを付すとこれらの測定
条件の主たるものは下表の通りである。尚、パルス発振
周波数はｌａ〜４ａ，ｌｃ，４ｃがＩＫＨｚで、ｌ ｂ
〜４ｂ，ｌ ｄ〜４ｄが２ＫＨｚであり、パルス幅は全
て１１仇ｓｅｃである。

また焦点位置は全てロール表面である。拡大倍率Ｍはｌ
ａ〜４ｂが５倍、ｌｃ〜４ｄが３倍である。また９〜１
６の外部絞りは７〜８肋◇である。第６図はこれらのプ
ロフイルを基にした曲線であり、曲線Ｃ，は穴径が約２
００〃の、ピーク出力２００ＫＷ、焦点距離７５脚、Ｍ
＝３の場合、曲線Ｃ２は穴径が約１００ムの、ピーク出
力６必Ｗ、焦点距離２５側、Ｍ＝５の場合である。

穴径およびピッチを固定して考えれば（勿論変化させ得
る）、所望とする穴深さはパルス照射回数Ｎと一定の関
係にあるので、該穴深さを照射回数Ｎで高精度に制御で
きる。以上述べたように、この装置によれば、レーザ光
による投入ヱネルギ量の制御がパルス数で制御できるの
で極めて容易であり、かつ光東径の制御も容易なので、
粗さを正確に制御しかつ従来より遥かに微細な粗面の形
成が可能である。

また放電スパークと異なり、極めて微小な部分にかつ短
時間（ｎＳオーダー）にェネルギを集中できるため熱影
響部が小さく、また超急冷組織が得られる。また必ずし
もロールを油中に浸す必要はなく、それどころか大気中
でもよく、レーザ発生部とロール面とは離隔できかつ移
動容易なので、ロールは圧延機に取付けたままで粗面化
処理を行なうこともできる。このロールのオンラインダ
ル化処理は大きな利点を有する。第１１図は本発明の他
の実施例である。

前記実施例では圧延ロール１に直接レーザ光を照射して
表面を粗面化したが、本例では超合金のロール７０にパ
ルスレーザ光を照射してその表面を粕面化して標準租度
ロールを作り、該ロール７０を上段ロール７１および下
段ロール７２の間に加圧状態で介在させて回転する等の
方法で粗面パターンをロール７１，７２に転写するもの
である。このようにすれば、標準粗度ロール７０の表面
が最適に粕面化されていれば、以後レーザ照射をするこ
となく、他のロールに同様の粗面を形成できる利点があ
る。更にレーザを用いると上記の如く超急冷効果が得ら
れるが、これを利用してロール表面の硬化を行なうこと
ができる。

例えばロール表面に前以つて塗布するかレーザ投射と同
時に吹付けるかして焼入性表面耐摩耗性向上効果のある
合金元素をロール表面に添加しておくと、レーザ光照射
に表面硬化処理が行なえてロール面寿命を増すことがで
きる。第１２図はＡそ，Ｃ，Ｃｒ，Ｗなどの元素を用い
てレーザ光照射で表面硬化処理した例を示し、曲線Ｃ，
は硬化前の硬度、曲線Ｃ２は硬化後の硬度を示す。縦軸
はロックウェル硬度、榛軸は表面からの深さである。こ
れにより確実に表面硬化されていることが分る。図面の
簡単な説明第１図は本発明の−実施例を示す説明図、第
２図〜第４図はしーザ光分配集光器の各例を示す説明図
、第５図はパルスレーザ光の説明図、第６図はパルスレ
ーザの照射回数とロール表面に形成される微細穴の深さ
との関係を示す特性図、第７図〜第１０図はしーザ光照
射によりロール表面に形成された微細穴のプロフイルの
異なる例を示す測定図、第１１図は本発明の他の実施例
を示す要部説明図、第１２図はしーザ光照射による表面
硬化状況を説明するグラフである。

図面で１はロール、２はしーザ発振器、３は光走査器、
９はロール駆動部、８は集光器３の駆動、４，７は粗度
検出装置、５はＱスイッチ、６は制御信号発生装置であ
る。

第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ発振器と、該レーザ発振器にパルスレーザ光
   を発光させるＱスイツチおよび該レーザ光のビーム径を
   調節する装置と、該レーザ発振器の出力レーザ光を被加
   工ロール表面へ投射するレーザ光走査器と、被加工ロー
   ルを回転させる装置と、レーザ光投射により被加工ロー
   ル表面に作る凹凸の所望深さに応じて被加工ロール表面
   の同一部分に対して行なうＱスイツチングの回数をまた
   該凹凸の所望径に応じて前記ビーム径調節装置の調節動
   作を制御する装置、とを備えることを特徴とするロール
   の粗面化装置。 ２ Ｑスイツチングおよびビーム径調節動作に対する制
   御装置は、粗面検出器により検出された被加工ロールの
   表面粗度信号を受け、該表面粗度が設定値に等しくなる
   ようにＱスイツチングの回数およびビーム径調節動作を
   制御するように構成されてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のロールの粗面化装置。 ３ 被加工ロールは、該ロールの粗面パターンを圧延ロ
   ールへ転写するのに用いられる標準粗度ロールであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のロールの粗面化装置。