專利名稱：聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于輥類表面激光毛化處理領域，特別涉及一種聚焦光點小范圍二維 擺動式激光輥類表面毛化加工裝置。
背景技術：
具有特殊表面形貌的毛化冷軋薄鋼板在制造業(yè)中，特別是在汽車與家電產(chǎn)業(yè)中有 著廣泛的應用。毛化冷軋薄鋼板是由表面經(jīng)毛化處理后的軋輥軋制而成的，因此毛化軋輥 的表面形貌特征對冷軋薄鋼板的深沖、涂裝等工藝性能影響極大。為了確保冷軋鋼板具有優(yōu)良的板型、深沖性、延伸率和涂鍍性能，在冷軋薄鋼板生 產(chǎn)工藝中，要求對冷軋工作輥的表面進行毛化處理，以軋制出滿足用戶特殊工藝要求的毛 化冷軋鋼板。激光軋輥毛化技術是現(xiàn)在使用的幾種毛化技術(包括噴丸毛化、電火花毛化以及 電子束毛化)中實用而又先進的一種毛化技術。激光毛化技術是將聚焦后的高能量、高重復頻率的脈沖激光束照射到軋輥表面， 利用激光束的高亮度在軋輥表面形成非常高的能量密度，對激光聚焦處的軋輥表面實施加 熱、熔化并部分汽化，以致在軋輥表面形成微小毛化坑。其基本原理是對經(jīng)過特殊調(diào)制的 高能量密度(IO4 106W/cm2)、高重復頻率(IO3 IO4次/秒)的脈沖激光束進行聚焦，并 使其作用于作旋轉(zhuǎn)運動的軋輥表面形成微小熔池；同時吹以一定方向、壓力和流量的輔助 氣體，對熔池熔融金屬進行擠壓造型；短激光脈沖作用后，微坑熔池金屬在軋輥自身熱傳導 作用下迅速冷卻，形成微坑和坑邊環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)的相變硬化點。與此同時，聚焦脈沖激光束 沿軋輥長度方向移動，以完成對整根軋輥表面的毛化加工。目前，激光毛化軋輥技術主要分為兩大類一類是采用固體Nd:YAG激光器的YAG 激光毛化，另一類則是采用氣體CO2激光器的CO2激光毛化。其共同特點是采用聲光調(diào)Q 的Nd: YAG激光器或經(jīng)特殊調(diào)制的CO2激光器作為脈沖激光加工源，由光源輸出的脈沖激光 經(jīng)激光加工頭聚焦后，作用于以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的軋輥表面；加工過程中，激光加工頭的橫向 移動配合軋輥的旋轉(zhuǎn)運動，從而在軋輥表面形成等螺距的螺旋掃描線點陣毛化坑分布。例 如中國專利“用于軋輥表面毛化的激光加工設備”(專利號ZL94220848. X)與中國專利 “分光式激光毛化調(diào)制裝置”(專利號ZL200710041118. 9)。上述激光軋輥毛化工藝的基本特征是毛化坑在軋輥表面沿一條等螺距的螺旋掃 描線分布。由于螺旋掃描線的螺距(一般為0. 1 0. 4mm)相對于軋輥直徑來說非常小，可 以認為螺旋掃描線每一圈上的毛化坑分布在沿軋輥圓周方向的一條螺旋直線上；因此整 個軋輥面上的毛化坑分布在沿軋輥圓周方向的多條等間距(即螺距)的平行螺旋線上。但 一般情況下，各圈之間的毛化坑的相對位置分布是不固定的；因而在軋輥長度方向上，毛化 坑呈非直線形分布，如


圖1所示，基本上可以認為是無規(guī)律的。上述毛化坑分布形式存在兩個明顯的缺點1.雖然軋輥表面的激光毛化坑很淺，但對于大面積的毛化冷軋鋼板，還是可以明
3顯地感覺到冷軋鋼板在沿長度方向上(沿軋輥圓周方向軋制)存在均勻分布的直線，而在 冷軋鋼板的橫向方向則沒有明顯的直線分布。2.在冷軋鋼板的長度方向容易形成拉傷，形成沿冷軋鋼板長度方向上很細的直線 劃痕。仔細觀察這些劃痕，發(fā)現(xiàn)絕大部分劃痕出現(xiàn)在對應軋輥表面兩圈毛化坑之間的一條 直線形空白區(qū)域內(nèi)。分析這些直線劃痕形成的原因，是因為在兩圈毛化坑之間的直線形空 白區(qū)域內(nèi)，軋輥是平滑的，軋輥與鋼板之間緊密接觸；如果在鋼板軋制過程中形成鐵屑，則 這個鐵屑不能夠被軋輥表面的毛化坑吸收，始終存在于鋼板與軋輥之間，連續(xù)劃出可見的 直線痕跡。分析上述現(xiàn)象的成因后，我們發(fā)現(xiàn)如果軋輥表面的毛化坑不是沿軋輥圓周方向 的螺旋直線形分布，則上述現(xiàn)象就可以避免。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是為解決現(xiàn)有技術存在的問題而提供一種聚焦光點小范圍二維 擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，所述裝置可以使聚焦光點在小范圍內(nèi)二維擺動，從而 在軋輥表面加工出可控的無規(guī)則毛化點分布或有規(guī)律的橫向擺動毛化點分布。通過該裝置 處理的軋輥在軋制鋼板時，不會在鋼板的長度方向上形成劃痕，表面外觀更柔和，從而提高 鋼板的軋制質(zhì)量。本實用新型的技術方案如下一種聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化 加工裝置，包括高功率脈沖激光器和數(shù)控機床，所述數(shù)控機床的床身上裝有通過平移導軌 驅(qū)動的工作平臺及用于安裝軋輥并與平移導軌平行的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖，其特征在于所述工 作平臺上裝有聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和聚焦機構(gòu)，所述聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由電連接的聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光 偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器構(gòu)成，所述聚焦機構(gòu)置于聲光偏轉(zhuǎn)器的前部或者后部。本實用新型的上述裝置中，所述聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器以一定的頻率周期性改變聲光偏 轉(zhuǎn)器的頻率，使通過聲光偏轉(zhuǎn)器的脈沖激光束的偏轉(zhuǎn)角在二維小范圍內(nèi)不停變化，其中所 述聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器的工作頻率范圍為IHz到200KHz，而所述聲光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角度范圍為 3mrad 到 IOOmrad0本實用新型的上述裝置中，所述高功率脈沖激光器是YAG脈沖激光器，所述YAG脈 沖激光器為調(diào)Q式脈沖激光器或者外調(diào)制脈沖激光器。本實用新型的上述裝置中，所述聚焦機構(gòu)為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。本實用新型的上述裝置中，所述高功率脈沖激光器和聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間的激光傳 輸光路上還設置有光學元件系統(tǒng)。所述光學元件系統(tǒng)是根據(jù)實際系統(tǒng)需要而使用的由一系 列光學元件構(gòu)成的光學機構(gòu)，既可以是擴束系統(tǒng)，也可以是導光系統(tǒng)。本實用新型的上述裝置在具體工作時，同常規(guī)技術一樣，待加工的軋輥工件由數(shù) 控機床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾，并由軋輥轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機床控制。數(shù)控機 床上的工作平臺可作三維運動，其平移速度由數(shù)控機床控制，聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器的工作頻率 范圍也由數(shù)控機床控制。所述數(shù)控機床采用現(xiàn)有的設備，例如XL9型數(shù)控車床。采用本實用新型裝置對軋輥表面進行毛化加工的方法及原理如下使高功率脈沖 激光器輸出的脈沖激光束入射于聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中由聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器控制的聲光偏轉(zhuǎn)器中， 通過該聲光偏轉(zhuǎn)器作用后產(chǎn)生一個小角度偏轉(zhuǎn)，且同時使用一置于聲光偏轉(zhuǎn)器前部或者后
4部的聚焦機構(gòu)對進入或射出聲光偏轉(zhuǎn)器的脈沖激光束進行聚焦后形成一系列沿轉(zhuǎn)動的軋 輥長度方向或周向小范圍快速擺動的聚焦光點對軋輥表面進行毛化加工，在軋輥表面形成 一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。上述方法進一步按下述具體步驟對軋輥表面實施毛化加工1)由數(shù)控機床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾軋輥；2)啟動數(shù)控機床，使軋輥按設定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時使搭載聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及聚焦機 構(gòu)的工作平臺沿軋輥的長度方向平移；3)使高功率脈沖激光器輸出的脈沖激光束經(jīng)光學元件系統(tǒng)入射到聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 中的聲光偏轉(zhuǎn)器；4)通過聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器控制聲光偏轉(zhuǎn)器的超聲頻率周期性變 化，從而使入射的脈沖激光束以變化的角度出射，出射的角度大小取決于聲光偏轉(zhuǎn)器的超 聲頻率大小；故當脈沖激光束入射于聲光偏轉(zhuǎn)器時，聲光偏轉(zhuǎn)器輸出的脈沖激光束傳輸方 向在一定小角度范圍內(nèi)以一定規(guī)律二維擺動；5)通過置于聲光偏轉(zhuǎn)器前部或者后部的聚焦機構(gòu)對進入或射出聲光偏轉(zhuǎn)器的脈 沖激光束進行聚焦；6)在數(shù)控機床對軋輥轉(zhuǎn)速、聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器的工作頻率及工作平臺平移速度的集 中控制下，使所述以螺旋線為軸線快速小范圍二維擺動的聚焦光點對軋輥同時進行毛化加 工，在軋輥表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。本實用新型的優(yōu)點是1.本實用新型裝置由于采用聲光偏轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)了聚焦光點以螺旋線為軸線小范圍 的擺動式毛化加工，在軋輥表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的毛化坑分布，使得軋 輥表面圓周上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的直線。故采用本實用新型裝置生產(chǎn)出來的 軋輥在軋制鋼板時，能夠確保軋制過程中可能形成的鐵屑顆粒被軋輥圓周方向上交錯排列 的毛化坑所吸收，而避免在鋼板的長度方向上造成劃痕，從而大大提高了鋼板軋制質(zhì)量。2.同時本實用新型提供的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝 置還具有如下優(yōu)點(1)采用聲光偏轉(zhuǎn)器實現(xiàn)軋輥表面上聚焦光點以螺旋線為軸線小范圍擺動，不但 簡化了光學系統(tǒng)(不需使用振鏡、多棱鏡等光學系統(tǒng)進行掃描)，而且提高了擺動的控制精度。(2)采用聲光偏轉(zhuǎn)器二維控制激光束的偏轉(zhuǎn)方向，可方便地使軋輥表面聚焦光點 在二維小范圍內(nèi)快速擺動。(3)采用聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器控制聲光偏轉(zhuǎn)器頻率變化的快慢，可以非常方便地根據(jù) 軋輥轉(zhuǎn)動速度和工作臺平移速度的需要而實時控制聚焦光點擺動速度的快慢。因此，本實 用新型的聚焦光點擺動機構(gòu)簡單、使用方便，而且可以靈活地根據(jù)實際要求進行實時控制。(4)由于數(shù)控機床采用的是三軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)與激光輸出功率和脈沖頻率的計 算機控制相結(jié)合，非常方便于在線調(diào)節(jié)，實現(xiàn)毛化輥面粗糙度和毛化坑分布密度可變，并可 實現(xiàn)輥面毛化坑的多種分布，產(chǎn)品質(zhì)量好。總之，本實用新型所述的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置 激光能量利用率高，整體結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，并且工作穩(wěn)定，加工效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好。以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述
圖1為常規(guī)激光毛化工藝在軋輥上形成的毛化坑分布示意圖(毛化坑沿軋輥圓周 方向是直線形分布，但在軋輥長度方向上是非直線形分布)；圖2為本實用新型一種具體實施例的外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為聚焦機構(gòu)放置于聲光偏轉(zhuǎn)器后部狀態(tài)的聚焦光點小范圍二維隨機掃描系 統(tǒng)圖；圖4為聚焦機構(gòu)放置于聲光偏轉(zhuǎn)器前部狀態(tài)的聚焦光點小范圍二維隨機掃描系 統(tǒng)圖；圖5為聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作原理圖；圖6為本實用新型提供的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝 置在軋輥表面形成的毛化坑分布。
具體實施方式
實施例如圖2、圖3和圖5所示為本實用新型提供的聚焦光點小范圍二維擺動式 激光輥類表面毛化加工裝置的一種具體實施方式
，包括高功率脈沖激光器1和數(shù)控機床3， 所述數(shù)控機床3的床身上裝有通過平移導軌303驅(qū)動的工作平臺12及用于安裝軋輥13并 與平移導軌303平行的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302，所述工作平臺12上裝有聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4 和聚焦機構(gòu)6，所述聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4由電連接的聲光偏轉(zhuǎn)器401和聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器402構(gòu) 成，所述聚焦機構(gòu)6置于聲光偏轉(zhuǎn)器401的前部或者后部。同時具體如圖5所示，本實施例 中在高功率脈沖激光器1和聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4之間的激光傳輸光路上還設置有光學元件系統(tǒng) 5，所述光學元件系統(tǒng)5在圖2中并未示出。本實施例中的所述高功率脈沖激光器1采用YAG激光器，其輸出功率從100 2000瓦連續(xù)可調(diào)，激光輸出波長為1.06 μ m。本實施例中所述光學元件系統(tǒng)5是擴束鏡。所 述聚焦機構(gòu)6為透射式聚焦鏡。具體結(jié)合圖5所示，所述聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4由電連接的聲光 偏轉(zhuǎn)器401和聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器402構(gòu)成，其中，聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器402以一定的頻率周期性改 變聲光偏轉(zhuǎn)器401的頻率，使通過聲光偏轉(zhuǎn)器401的脈沖激光束2的偏轉(zhuǎn)角在二維小范圍 內(nèi)不停變化，這樣當脈沖激光束2入射于聲光偏轉(zhuǎn)器401并經(jīng)其作用后產(chǎn)生一個二維小角 度θ的偏轉(zhuǎn)。所述聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器402的工作頻率范圍為IHz到200ΚΗζ，該工作頻率由數(shù) 控機床3控制，而所述聲光偏轉(zhuǎn)器401的偏轉(zhuǎn)角度范圍為3mrad到lOOmrad。結(jié)合圖2、圖3、圖5所示，對采用上述實施例裝置對軋輥進行毛化加工的方法及原 理進行說明，所述方法具體分成下述幾個步驟1)由數(shù)控機床3上的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302裝夾軋輥13，具體如圖2所示；2)啟動數(shù)控機床3，使軋輥13按設定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時使搭載聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4及 聚焦機構(gòu)6的工作平臺12沿軋輥13的長度方向平移；同常規(guī)技術一樣，所述軋輥13由軋 輥轉(zhuǎn)軸301帶動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由數(shù)控機床3控制；而所述工作平臺12可作三維運動，其運動也 由數(shù)控機床3控制，聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4和聚焦機構(gòu)6隨工作平臺12 —起移動；3)使高功率脈沖激光器1輸出的脈沖激光束2經(jīng)光學元件系統(tǒng)5入射到聲光偏轉(zhuǎn)
6聲光偏轉(zhuǎn)器401，具體如圖3所示；4)通過聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4中的聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器402控制聲光偏轉(zhuǎn)器401的超聲頻 率周期性變化，從而使入射的脈沖激光束2以變化的角度出射，出射的角度大小取決于聲 光偏轉(zhuǎn)器401的超聲頻率大??；故當脈沖激光束2入射于聲光偏轉(zhuǎn)器401時，聲光偏轉(zhuǎn)器 401輸出的脈沖激光束2傳輸方向在一定小角度范圍內(nèi)以一定規(guī)律二維擺動，具體如圖5所 示；5)通過置于聲光偏轉(zhuǎn)器401前部或者后部的聚焦機構(gòu)6對進入或射出聲光偏轉(zhuǎn)器 401的脈沖激光束2進行聚焦；6)在數(shù)控機床3對軋輥13轉(zhuǎn)速、聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器402的工作頻率及工作平臺12 平移速度的集中控制下，使所述以螺旋線為軸線快速小范圍二維擺動的聚焦光點對軋輥13 同時進行毛化加工，在軋輥13表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。具體如圖6所示，由于軋輥13表面圓周上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的直 線，故采用上述裝置生產(chǎn)出來的軋輥在軋制鋼板的時候，能夠確保軋制過程中可能形成的 鐵屑顆粒被軋輥圓周方向上交錯排列的毛化坑所吸收，而避免在鋼板的長度方向上造成劃 痕，從而大大提高了鋼板軋制質(zhì)量。實施例2 具體結(jié)合圖4所示，本實施例與實施例1的區(qū)別在于，本實施例中將聚 焦機構(gòu)6放置于聲光偏轉(zhuǎn)器401前部，聚焦機構(gòu)6依然采用透射式聚焦鏡，而本實施例其余 同實施例1。這樣高功率脈沖激光器1發(fā)射出的脈沖激光束2經(jīng)過光學元件系統(tǒng)5之后入 射到聚焦機構(gòu)6聚焦，然后再經(jīng)由聲光驅(qū)動器402控制的聲光偏轉(zhuǎn)器401偏轉(zhuǎn)而在軋輥13 的表面進行毛化加工。聚焦機構(gòu)6的等效焦距相對實施例1更長，這是由于聲光偏轉(zhuǎn)器401 放置于聚焦機構(gòu)6與軋輥13表面之間所致。當然上述實施例只為說明本實用新型的技術構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項 技術的人能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范 圍。凡根據(jù)本實用新型主要技術方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本實 用新型的保護范圍之內(nèi)。
權利要求一種聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，包括高功率脈沖激光器(1)和數(shù)控機床(3)，所述數(shù)控機床(3)的床身上裝有通過平移導軌(303)驅(qū)動的工作平臺(12)及用于安裝軋輥(13)并與平移導軌(303)平行的軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)，其特征在于所述工作平臺(12)上裝有聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(4)和聚焦機構(gòu)(6)，所述聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(4)由電連接的聲光偏轉(zhuǎn)器(401)和聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器(402)構(gòu)成，所述聚焦機構(gòu)(6)置于聲光偏轉(zhuǎn)器(401)的前部或者后部。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其 特征在于所述高功率脈沖激光器(1)是YAG脈沖激光器，所述YAG脈沖激光器為調(diào)Q式脈 沖激光器或者外調(diào)制脈沖激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其 特征在于所述聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器(402)以一定的頻率周期性改變聲光偏轉(zhuǎn)器(401)的頻率， 使通過聲光偏轉(zhuǎn)器(401)的脈沖激光束(2)的偏轉(zhuǎn)角在二維小范圍內(nèi)不停變化，其中所述 聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器(402)的工作頻率范圍為IHz到200KHz，而所述聲光偏轉(zhuǎn)器(401)的偏轉(zhuǎn) 角度范圍為3mrad至Ij 1 OOmrad。
4.根據(jù)權利要求1所述的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其 特征在于所述聚焦機構(gòu)(6)為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
5.根據(jù)權利要求1所述的聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其 特征在于所述高功率脈沖激光器(1)和聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(4)之間的激光傳輸光路上還設置有 光學元件系統(tǒng)(5)。
專利摘要本實用新型公開了一種聚焦光點小范圍二維擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，包括高功率脈沖激光器和數(shù)控機床，所述數(shù)控機床的床身上裝有通過平移導軌驅(qū)動的工作平臺及用于安裝軋輥并與平移導軌平行的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖，其特征在于所述工作平臺上裝有聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和聚焦機構(gòu)，所述聲光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由電連接的聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器構(gòu)成，所述聚焦機構(gòu)置于聲光偏轉(zhuǎn)器的前部或者后部。本實用新型可以使聚焦光點在小范圍內(nèi)二維擺動，從而在軋輥表面加工出可控的無規(guī)則毛化點分布或有規(guī)律的橫向擺動毛化點分布。通過該裝置處理的軋輥在軋制鋼板時，不會在鋼板的長度方向上形成劃痕，表面外觀更柔和，從而提高鋼板的軋制質(zhì)量。
文檔編號G02F1/33GK201693292SQ201020230838
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權日2010年6月21日
發(fā)明者孫長東, 梁喬春, 談賢杰, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海激光科技有限公司