專利名稱：一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種對熱軋輥強化的裝置，特別是涉及一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置。
隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，對鋼鐵的需求也越來越大，自1997年以來我國的年鋼產(chǎn)量已突破1.2億噸，連年來占據(jù)世界第一鋼鐵大國的位置。由此帶來的軋輥損耗也很大，每年達數(shù)億元。由于鋼材軋制時溫度一般在1000℃左右，所以要求軋輥在較高的溫度下具有一定的強度和韌性，以及較高的耐磨性，通常的強化方法難以奏效。同時，為了控制每噸鋼的生產(chǎn)成本，要求每噸鋼的軋輥損耗在一定范圍以內(nèi)，例如，對于線材一般要求每噸鋼5元，所以軋輥處理的方法必須經(jīng)濟有效才行。因而研究一種經(jīng)濟有效的方法對熱軋輥進行強化處理，對于冶金系統(tǒng)降低軋輥損耗，提高產(chǎn)品質量，是有很大的意義的。
如何對熱軋輥處理的方法目前沒有成熟的方法，但是用YAG激光處理冷軋輥系統(tǒng)，如中國專利號92113223.9，發(fā)明名稱高重頻調(diào)制多脈沖YAG激光刻花系統(tǒng)及加工方法所介紹的，它的主要原理是采用聲光調(diào)Q YAG激光器，對激光脈沖進行編組、變頻以對材料表面進行加工。該裝置采用一數(shù)控機床，工件裝在機床的夾具上，在電機驅動下沿Y軸移動，在它的垂直方向X方向上聚焦頭在另一電機驅動下沿X方向移動，以實現(xiàn)對平面件的加工，如果Y軸為旋轉件，也可實現(xiàn)對軋輥加工。它的激光脈沖能量小，只有幾mJ，脈寬小，1微秒左右，所以激光作用區(qū)小，約20微米左右，不能用在熱軋輥上。
本實用新型的目的在于克服已有技術的裝置是一種通用軋輥刻花機床，而不是專用軋輥強化加工的機床，因此，它不能實現(xiàn)自動控制，并且軋輥強化加工的深度不夠的缺點；進一步為了克服已有技術的裝置只能處理通常平直軋輥的單一性缺點；為了實現(xiàn)對異型材進行熱軋輥強化，從而提供一種操作方便、成本低的對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，包括一雙導軌數(shù)控機床，激光器和光路、輔助氣體機構、具有CCD監(jiān)視功能的控制部分，其特征在于所述的雙導軌數(shù)控機床是一主軸采用變頻調(diào)速電機的機床；在機床頭側安一伺服電機，機床頭和尾之間安裝有一根絲杠，絲杠通過兩個軸承分別與機床頭和機床尾固定，伺服電機和絲杠通過連軸節(jié)相聯(lián)；一呈L形狀、底座帶V形槽的移動架(3)，其底座與機床的導軌滑配，移動架(3)通過螺母(35)與絲杠(36)相配，絲杠(18)固定在工作臺(22)上，伺服電機(19)和絲杠(18)通過連軸節(jié)相聯(lián)，伺服電機(19)與計算機(5)]電聯(lián)結；滑臺(17)和工作臺(22)的導軌滑配，工作臺(22)用螺釘固定在移動架(3)上；滑臺(17)和螺母通過螺釘固定；由此移動架通過絲杠沿Z軸方向(軋輥軸向)的移動；移動架的移動速度由計算機控制的伺服電機決定。
所述的激光器可采用調(diào)Q后的具有重復脈沖頻率為1-2k、功率300W-500W的連續(xù)脈沖激光器，垂直安置在移動架的前方，和鏡組、聚焦單元構成的光路；其中移動架上方安置一45°全反鏡、移動架下方按順序安置一45°全反鏡、固定在一個滑臺上的聚焦單元，反射后的光入射聚焦鏡組會聚在軋輥表面，對軋輥進行加工；滑臺和小工作臺的導軌滑配，小工作臺用螺釘固定在移動架上；滑臺和螺母通過螺釘固定，伺服電機用聯(lián)軸節(jié)和控制絲杠相連，這樣通過控制伺服電機就可以控制滑臺的沿X方向(軋輥徑向)移動速度和位置，以實現(xiàn)對不同直徑的軋輥進行處理，其傳動原理和移動架相似；兩塊聚焦鏡組成聚焦鏡組，它的另一個作用是作為CCD成像用的前置物鏡，與另一物鏡組統(tǒng)一構成CCD成像的物鏡系統(tǒng)，其優(yōu)點在于物鏡組之間的距離在設計范圍內(nèi)任意改變，而不至于對成像清晰度造成影響。這一鏡組是CCD成像的后置鏡組，采用通常的變倍結構，即由多組鏡片組成，改變各鏡片的位置可以通過CCD在監(jiān)視器上獲得放大倍數(shù)不同的圖像。還有一鏡組是CCD成像目鏡。YAG激光45°全反鏡片對可見光有半透半反的作用。聚焦鏡組、CCD后置物鏡組、CCD成像目鏡、CCD攝像頭一起構成成像系統(tǒng)光路，將軋輥表面形貌放大成像于CCD像元上，視頻信號被送到監(jiān)視器上，用來對加工過程進行實時監(jiān)測。射燈為CCD成像提供可見光照明源，鏡片為可見光45°全反鏡，它上、下兩面鍍有YAG激光增透膜，對YAG激光有全透過作用。兩塊45°反射鏡、光闌射燈構成照明機構，為CCD成像提供光源。一保護鏡筒，其后部裝有保護鏡片，避免加工過程中產(chǎn)生的臟物污染鏡組。
輔助氣體結構一夾具用螺釘與滑臺相連，可隨滑臺前后移動。夾具面板上有一大孔，大孔內(nèi)車有螺紋，聚焦鏡組安裝在保護鏡筒內(nèi)，它通過大孔內(nèi)螺紋與夾具固定。一用于噴射工作氣體的氣嘴穿過夾具面板上的小孔，用螺母固定在夾具上，氣嘴前端為噴嘴，后端通過軟管連在工作氣體氣缸上；氣嘴吹氣角度可調(diào)節(jié)，工作氣體噴射在激光作用區(qū)域。另一用于噴射保護氣體的氣嘴通過螺紋配合固定在保護鏡筒上，氣嘴前端為噴嘴，后端通過軟管聯(lián)在保護氣體氣缸上。氣嘴噴射保護氣體，可用壓縮空氣，目的是防塵和冷卻鏡片。保護鏡筒內(nèi)有一保護鏡片，它兩面鍍有YAG激光增透膜。
還包括一輥面跟隨部分，是一傳感器穿過夾具面板上的另一小孔用螺母固定在一夾具上，這一夾具固定在一滑臺上；傳感器與工控機電連接，它把聚焦鏡與軋輥之間的距離轉為電信號輸入工控機，工控機對信號進行處理后，驅動聚焦鏡自動聚焦，以實現(xiàn)對軋輥的處理。傳感器可以是電感式傳感器。
控制系統(tǒng)由工控機、控制卡和圖像采集卡組成。通過程序編制可以實現(xiàn)對軋輥的智能化加工。控制系統(tǒng)方框圖如圖6所示。
其基本原理是這樣的如圖6所示，先設定加工的離焦量，一般為負100μm到正100μm，再加上聚焦鏡的焦距，一般為60mm-120mm，視加工需要而定。它們之和為設定的聚焦鏡至輥面的距離，它與傳感器實測的距離進行比較，結果送到計算機，當距離之差超過10μm，計算機給信號給電動機19，驅動聚焦鏡9至合適的位置，使聚焦鏡至輥面的位置為設定值。
本實用新型提供的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置具有以下優(yōu)點1、由于采用調(diào)Q后的具有重復脈沖頻率為1-2k、功率300W-500W的連續(xù)脈沖激光器，激光脈沖的脈寬可以由微秒量級連續(xù)變化到毫秒量級，脈沖能量可以由幾毫焦連續(xù)變化到幾百毫焦，這樣激光強化處理軋輥的硬化層深度由幾微米增加到幾百微米，硬度可達HRc66以上(圖8)，該裝置可以廣泛應用于對軋輥、模具、軸承等工件強化處理。
由于鋼鐵對CO2激光的吸收率小，通常CO2熱處理都要在工件表面發(fā)黑等預處理，工藝復雜，且大功率CO2激光處理，熱沉積大，工件易變形開裂等。YAG脈沖激光功率密度高，可以用小功率的激光器(500W)實現(xiàn)大功率的CO2激光器(5000W)的處理效果，用戶投資小效益高。同時由于鋼鐵對YAG激光的吸收好，處理前不用進行預處理，工藝簡單，便于實現(xiàn)自動化。本實用新型相對于普通電源調(diào)制式YAG激光具有加工速度快的特點，一般電源調(diào)制式YAG激光脈沖頻率只有幾十次，只能用于小型工件的處理，本實用新型的激光脈沖頻率可達數(shù)千次，是前者的幾十倍，可用于對大型軋輥的處理。
2、本實用新型對軋輥進行分布式處理(圖7)，通過調(diào)節(jié)激光功率密度和強化點分布參數(shù)，可以減小軋輥變形和開裂傾向，控制微裂紋的產(chǎn)生，可以用來處理最后幾架次的軋輥，軋輥處理后可直接用于生產(chǎn)，能顯著提高熱軋輥壽命，同時改善產(chǎn)品質量。熱軋線材輥經(jīng)過處理后，壽命提高50％，產(chǎn)品質量得到了明顯的改善，同時降低了工人的勞動強度。
3、本實用新型可以用來對異型輥的加工。對于線材輥等輥面形狀規(guī)則的工件，可以把它的形狀尺寸輸入計算機，設定好離焦量，功率密度，分布參數(shù)，氣壓等工藝參數(shù)后，系統(tǒng)將會自動對其進行處理。對于形狀不規(guī)則的凹形輥或凸形輥，可以啟動輥形自動跟蹤系統(tǒng)，設定好離焦量等工藝參數(shù)后，系統(tǒng)將會自動跟蹤輥形，進行加工。
4、本實用新型采用雙氣路系統(tǒng)。氣路一吹壓縮空氣，用來對聚焦鏡組進行保護，主要有防塵、冷卻鏡片的作用。氣路二吹工作氣體，吹向激光照射軋輥時所形成的熔池，吹氣的角度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，氣體的有壓縮空氣、氬氣、氧氣等，根據(jù)工藝需要進行選擇，有造型、保護、助熔等作用。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明


圖1是本實用新型的結構示意圖圖2是本實用新型的移動架傳動示意圖圖3是本實用新型的光路示意圖圖4是本實用新型的輔助氣體氣路示意圖圖5是本實用新型的夾具示意圖圖6是本實用新型的控制系統(tǒng)示意圖圖面說明如下1.機床頭 2.伺服電機 3.移動架 4.監(jiān)視器5.工控機 6.45°全反鏡7.密封光路 8.激光器9.聚焦鏡 10.45°全反鏡 11.CCD成像后置物鏡組12.CCD成像目鏡 13.CCD攝像頭14.可見光45°全反鏡15.光闌 16.照明射燈17.滑臺18.絲杠 19.直流電機 20.保護鏡筒21.絲杠螺母22.工作臺 23.工作氣體氣嘴 24.保護氣體氣嘴25.保護鏡片26.傳感器 27.夾具 28.螺釘孔29.聚焦鏡固定孔 30.螺釘孔 31.工作氣體氣嘴固定孔32.傳感器固定孔 33.聯(lián)軸節(jié) 34.37.軸承35.絲杠螺母 36.絲杠實施例1本實施例按
圖1-3制作的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，包括一主軸采用變頻調(diào)速電機2雙導軌簡易數(shù)控機床，在機床頭1側安一伺服電機2，機床頭1和尾之間安裝有一根絲杠，絲杠通過兩個軸承分別與機床頭1和機床尾固定，伺服電機2和絲杠36通過連軸節(jié)33相聯(lián)。移動架3與機床的導軌滑配，通過螺母與絲杠36相配，由此通過絲杠36轉動，移動架3沿Z軸方向(軋輥軸向)的移動；移動架3的移動速度由伺服電機2決定，通過計算機5進行控制；圖2為移動架傳動示意圖。激光器8采用調(diào)Q后的具有重復脈沖頻率為1-2k、功率300W-500W的連續(xù)脈沖激光器，垂直安置在移動架3的前方，和鏡組、聚焦單元構成的光路；其中移動架3上方安置一45°全反鏡6、移動架3下方按順序安置一45°全反鏡14、10、一個聚焦單元固定在滑臺17上，反射光經(jīng)安裝在滑臺17上、安裝在保護鏡筒20內(nèi)的兩塊激光聚焦鏡組9聚焦而會聚在軋輥表面，所述的聚焦單元是固定在移動架3上，隨移動架沿z軸移動，移動架3是由伺服電機2通過絲杠36驅動的。聚焦系統(tǒng)如圖3所示，鏡組9為YAG激光的聚焦鏡，滑臺17和工作臺22的導軌滑配，工作臺22用螺釘固定在移動架上；直流電機19用聯(lián)軸節(jié)和控制絲杠18相連，這樣通過控制直流電機19就可以控制滑臺22的沿X方向(軋輥徑向)移動速度和位置，以實現(xiàn)對不同直徑的軋輥進行處理，其傳動原理和移動架3相似，參考圖2。聚焦鏡組9的另一個作用是作為CCD成像用的前置物鏡11，與前置物鏡11統(tǒng)一構成CCD成像的物鏡系統(tǒng)，其優(yōu)點在于物鏡組9、11之間的距離在設計范圍內(nèi)任意改變，而不至于對成像清晰度造成影響。鏡組11是CCD成像的后置鏡組，采用通常的變倍結構，即由多組鏡片組成，改變各鏡片的位置可以通過CCD在監(jiān)視器上獲得放大倍數(shù)不同的圖像。鏡片10是YAG激光45°全反鏡片、對可見光有半透半反的作用，聚焦鏡組9、CCD后置物鏡組11、CCD成像目鏡12、CCD攝像頭13一起構成成像系統(tǒng)，將軋輥表面形貌放大成像于CCD像元上，視頻信號被送到監(jiān)視器4上，用來對加工過程進行實時監(jiān)測。16是射燈，為CCD成像提供可見光照明源，鏡片14為可見光45°全反鏡，它上、下，對YAG激光有全透過作用。45°反射鏡10、45°反射鏡14、光闌15、射燈16構成照明系統(tǒng)，為CCD成像提供光源。一保護鏡筒20后部裝有保護鏡片23，避免加工過程中產(chǎn)生的臟物污染鏡組9。
輔助氣體一夾具25用螺釘與滑臺22相連，可隨滑臺22前后移動。夾具25的面板上有一大孔29，大孔29內(nèi)車有螺紋，聚焦鏡組9在此通過螺紋與夾夾具相連。氣嘴23穿過孔32，用螺母固定在氣嘴固定在夾具上。氣嘴23前端為噴嘴，后端通過軟管連在工作氣體氣缸上。氣嘴23噴射工作氣體，吹氣角度可調(diào)節(jié)，工作氣體噴射在激光作用區(qū)域。氣嘴24通過螺紋配合固定在保護鏡筒20上，保護鏡片25，它兩面鍍有YAG激光增透膜。前端為噴嘴，后端通過軟管聯(lián)在保護氣體氣缸上。氣嘴24噴射保護氣體，可用壓縮空氣，目的是防塵和冷卻保護鏡片25。
其基本原理是這樣的如圖6所示，先設定加工的離焦量，一般為負100μm到正100μm，再加上聚焦鏡的焦距，一般為60mm-120mm，視加工需要而定。它們之和為設定的聚焦鏡至輥面的距離，它與傳感器實測的距離進行比較，結果送到計算機，當距離之差超過10μm，計算機給信號給電動機19，驅動聚焦鏡9至合適的位置，使聚焦鏡至輥面的位置為設定值。
控制系統(tǒng)由通用的工控機、控制卡和圖像采集卡組成，通過程序編制可以實現(xiàn)對軋輥的智能化加工?？刂葡到y(tǒng)方框圖如圖6所示。
實施例2本實施例按
圖1-3制作的實施例1的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置基礎上，還包括一輥面跟隨部分，是一電感式傳感器26穿過夾具25的面板上的一小31用螺母固定在一夾具27，一夾具27固定在保護鏡筒20上；電感式傳感器26與工控機5電連接，它把聚焦鏡9與軋輥之間的距離轉為電信號輸入工控機5，工控機5對信號進行處理后，驅動聚焦鏡9自動聚焦，以實現(xiàn)對軋輥的處理，特別是對異型材軋輥的處理。
權利要求1.一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，包括一雙導軌數(shù)控機床，激光器和光路、輔助氣體機構、具有CCD監(jiān)視功能的控制部分，其特征在于所述的雙導軌數(shù)控機床是一主軸采用變頻調(diào)速電機的機床；在機床頭側安一伺服電機(2)，一根絲杠(36)通過兩個軸承分別與機床頭(1)和機床尾固定，伺服電機(2)和絲杠(36)通過連軸節(jié)(33)相聯(lián)；一呈L形狀、底座帶V形槽的移動架(3)，其底座與機床的導軌滑配，移動架(3)通過螺母(35)與絲杠(36)相配，絲杠(18)固定在工作臺(22)上，伺服電機(19)和絲杠(18)通過連軸節(jié)相聯(lián)，伺服電機(19)與計算機(5)]電聯(lián)結；滑臺(17)和工作臺(22)的導軌滑配，工作臺(22)用螺釘固定在移動架(3)上；滑臺(17)和螺母通過螺釘固定；所述的激光器(8)和光路是由垂直安置在移動架(3)前方的激光器、鏡組(9)、聚焦單元構成的光路；其中移動架(3)上方安置一45°全反鏡(6)、移動架(3)下方按順序安置一45°全反鏡(14、10)、一個聚焦單元固定在滑臺(17)上，反射光經(jīng)安裝在滑臺(17)上、安裝在保護鏡筒(20)內(nèi)的兩塊激光聚焦鏡組(9)聚焦而會聚在軋輥表面，保護鏡筒(20)的出口端安有一保護鏡片(25)；夾具27上固定一輔助氣體機構；為CCD成像提供光源的照明機構由一45°反射鏡(10)、45°反射鏡(14)、光闌(15)、射燈(16)構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，其特征在于還包括一輥面跟隨部分，所述的輥面跟隨部分是一電感式傳感器(26)穿過一小孔(31)用螺母固定在夾具(27)上，夾具(27)置固定在滑臺(17)上；電感式傳感器(26)與工控機(5)電連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，其特征在于所述的輔助氣體機構包括一夾具(27)，用螺釘與滑臺(17)相連，夾具(27)的面板上有一大孔(29)，大孔(29)內(nèi)車有螺紋，聚焦鏡組(9)安裝在保護鏡筒(20)內(nèi)，它通過大孔(29)內(nèi)螺紋與夾具固定；一用于噴射工作氣體的氣嘴(23)穿過夾具面板上的小孔(32)通過螺紋與夾具(27)相連，氣嘴(23)前端為噴嘴，后端通過軟管連在工作氣體氣缸上。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，其特征在于還包括在光路上安置一密封光路保護套(7)，所述的密封光路保護套(7)由一根不銹鋼管的一端固定在移動架(3)上，另一端與密封橡膠圈套在另一根不銹鋼管里，該不銹鋼管的另一端固定在激光器(8)上。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，其特征在于所述的激光器(6)具有重復脈沖頻率為1-2k、功率300W-500W。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置，其特征在于所述的保護鏡筒(20)的出口端安有一保護鏡片(25)，該保護鏡片(25)兩面鍍有YAG激光增透膜。
專利摘要本實用新型涉及一種對熱軋輥采用高頻脈沖激光強化的裝置,包括激光器、一雙導軌數(shù)控機床,在機床頭側安一伺服電機和絲杠通過連軸節(jié)相聯(lián),一根絲杠通過兩個軸承分別與機床頭和機床尾固定;一呈L形狀帶底座的移動架與機床的導軌滑配,移動架的底座上有一滑臺和工作臺的導軌滑配,平行兩導軌之間有一絲杠,伺服電機和絲杠通過連軸節(jié)相聯(lián),伺服電機與計算機電聯(lián)結;安置在移動架上的光路、輔助氣體機構、具有CCD監(jiān)視功能的控制部分。
文檔編號B21B27/02GK2480096SQ0026477
公開日2002年3月6日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權日2000年12月14日
發(fā)明者彭林華, 楊明江 申請人:中國科學院力學研究所