專利名稱：聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輥類表面激光毛化處理領(lǐng)域，特別涉及一種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
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(yīng)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(jìn)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(shù)是現(xiàn)在使用的幾種毛化技術(shù)(包括噴丸毛化、電火花毛化以及 電子束毛化)中實(shí)用而又先進(jìn)的一種毛化技術(shù)。激光毛化技術(shù)是將聚焦后的高能量、高重復(fù)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(shí)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(fù)頻率(IO3 IO4次/秒)的脈沖激光束進(jìn)行聚焦，并 使其作用于作旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)行擠壓造型；短激光脈沖作用后，微坑熔池金屬在軋輥?zhàn)陨頍醾鲗?dǎo) 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(diǎn)。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(shù)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(diǎn)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(yùn)動，從而在軋輥表面形成等螺距的螺旋掃描線點(diǎn)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(shè)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(rèn)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)的平行直線上。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(rèn)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(diǎn)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(xì)的直線 劃痕。仔細(xì)觀察這些劃痕，發(fā)現(xiàn)絕大部分劃痕出現(xiàn)在對應(yīng)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?yàn)樵趦扇γ又g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 的直線形分布，則上述現(xiàn)象就可以避免。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提供一種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類 表面毛化加工方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)聚焦光點(diǎn)沿轉(zhuǎn)動軋輥長度方向上的快速擺動式毛化加 工，在軋輥表面形成沿其圓周方向的非直線形毛化坑分布，以此來確保由該方法處理的軋 輥在軋制鋼板時，不會在鋼板的長度方向上形成劃痕，從而提高鋼板的軋制質(zhì)量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法，其特 征在于將高功率連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光束聚焦于一高速旋轉(zhuǎn)的且各工作面法線方向 與鏡軸夾角不一致的多棱鏡的某個工作面上，經(jīng)多棱鏡掃描分光形成傳輸方向沿垂直于所 述多棱鏡的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動的K路脈沖激光束，再分別經(jīng)由K個集成聚焦頭對所述K路 脈沖激光束進(jìn)行聚焦后形成KXN個沿轉(zhuǎn)動的軋輥長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)，對軋輥 表面同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥表面形成KXN條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛 化坑分布，其中K ^ 1，而N為單個集成聚焦頭對應(yīng)輸出的聚焦光點(diǎn)數(shù)，KXN ^ 2。本發(fā)明的上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法，進(jìn)一步按照下述具體 步驟對軋輥表面實(shí)施毛化加工1)由數(shù)控機(jī)床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾軋輥；2)啟動數(shù)控機(jī)床，使軋輥按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；3)使高功率連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光束進(jìn)入安裝在數(shù)控機(jī)床工作平臺上的多 棱鏡分光機(jī)構(gòu)內(nèi)，并經(jīng)第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉(zhuǎn)且各工作面法線方向與鏡軸夾角不一致 的多棱鏡的某個工作面上；4)多棱鏡的該工作面在高速旋轉(zhuǎn)過程中將連續(xù)激光束依次掃過K個分光頭， K ^ 1 ；每個分光頭在激光掃過時接受一部分激光，當(dāng)激光束依次掃過所有分光頭時相當(dāng)于 給所有的分光頭分配一個激光脈沖；多棱鏡重復(fù)掃描時便將連續(xù)激光束分成K路脈沖激光 輸出，并且由于所述多棱鏡的各工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈沖 激光同時沿垂直于多棱鏡的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動；5)上述從多棱鏡分光機(jī)構(gòu)內(nèi)輸出的K路脈沖激光束分別經(jīng)K個集成聚焦頭聚焦后 形成K X N個密集排布且沿轉(zhuǎn)動的軋輥長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)，N為單個集成聚焦頭 對應(yīng)輸出的聚焦光點(diǎn)數(shù)，KXN ^ 2。6)在數(shù)控機(jī)床對軋輥轉(zhuǎn)速、多棱鏡轉(zhuǎn)速、工作平臺平移速度的集中控制下，所述沿軋輥長度方向快速擺動的KXN個聚焦光點(diǎn)對軋輥同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥表面形成 KXN條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布。本發(fā)明同時提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述加工方法的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛 化加工裝置，該裝置能夠在軋輥上形成多條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分 布，并且結(jié)構(gòu)簡單、激光能量利用率高。一種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，包括激光器和數(shù)控機(jī)床，所述 數(shù)控機(jī)床的床身上裝有通過平移導(dǎo)軌驅(qū)動的工作平臺和用于安裝軋輥的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖， 所述工作平臺上裝有多棱鏡分光機(jī)構(gòu)和集成聚焦機(jī)構(gòu)；其中激光器為高功率連續(xù)激光 器，所述多棱鏡分光機(jī)構(gòu)由第一聚焦鏡、多棱鏡、驅(qū)動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)和K個分光頭 組成，所述集成聚焦機(jī)構(gòu)是一種由K個具有集成聚焦功能的集成聚焦頭組成的集成聚焦頭 陣列；各集成聚焦頭的輸入端與前述K個分光頭的輸出端一一對應(yīng)，并可對應(yīng)輸出N個聚焦 光點(diǎn)，KXN > 2，而K > 1 ；所述多棱鏡的各工作面法線方向與鏡軸夾角不一致。上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置中，所述多棱鏡的面數(shù)M > 5。上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置中，所述第一聚焦鏡為透射式聚 焦鏡或者反射式聚焦鏡。上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置中，所述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè) 有第二聚焦鏡和與第二聚焦鏡相對布置的N個緊密排列的聚焦透鏡?；蛘?，所述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡和與第二聚焦鏡相對布置的多焦 點(diǎn)聚焦鏡，該多焦點(diǎn)聚焦鏡具有N個焦點(diǎn)。或者，所述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡、位于第二聚焦鏡出射光路上的N 個緊密排列且相互之間成一定角度布置的反射鏡及位于所述N個反射鏡的反射光路上的
第三聚焦鏡。上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置中，所述第二聚焦鏡為透射式聚 焦鏡或者反射式聚焦鏡。上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置中，所述K個集成聚焦頭呈斜線 或其它形式的排列，且所述相鄰兩個集成聚焦頭之間的橫向距離為NX ΔΧ，ΔΧ = 50 500 μ m，縱向距離為Δ Y。上述聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置在具體工作時，同常規(guī)技術(shù)一 樣，待加工的軋輥工件由數(shù)控機(jī)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(jī)床控制。數(shù)控機(jī)床上的工作平臺可作三維運(yùn)動，其平移速度由數(shù)控機(jī)床控制。同 樣地，驅(qū)動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)，其轉(zhuǎn)速也由數(shù)控機(jī)床控制。所述數(shù)控機(jī)床采用現(xiàn)有的設(shè) 備，例如XL9型數(shù)控車床。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明方法及裝置由于采用特殊設(shè)計(jì)的多棱鏡，實(shí)現(xiàn)了多聚焦光點(diǎn)擺動式毛化 加工，在軋輥表面形成多條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布，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。故采用本發(fā)明方法及裝置生產(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.同時本發(fā)明提供的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置還具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)采用連續(xù)高功率激光器作為加工光源，激光功率能夠充分利用。由于激光加 工集成聚焦頭是多個，所以可以同時實(shí)現(xiàn)多頭毛化加工；并且技術(shù)上沒有對激光功率的限 制，同時由于目前連續(xù)激光器已經(jīng)能夠獲得非常高的功率輸出，這樣加工速度也沒有限制， 可以獲得非常高的加工速度。(2)采用集成聚焦頭技術(shù)，將連續(xù)高功率激光束分成密集排布的多路聚焦脈沖激 光束輸出，不需要采用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤或進(jìn)行聲光調(diào)Q以獲得脈沖激光輸出，因此激光能量利 用率高。并且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，使用壽命長，生產(chǎn)維護(hù)容易。(3)由于采用連續(xù)高功率激光器(例如高功率連續(xù)CO2激光器或YAG激光器)作 為加工光源，激光功率能夠充分利用，且技術(shù)成熟，工作中無需特殊維護(hù)，保證設(shè)備長期可 靠運(yùn)行。(4)多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)中可進(jìn)一步采用拋物面反射式聚焦鏡進(jìn)行聚焦，散熱快，熱變 形小，聚焦光斑無像差、球差，工作穩(wěn)定。(5)由于數(shù)控機(jī)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(jì) 算機(jī)控制相結(jié)合，所以能夠在線調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)毛化輥面粗糙度和毛化坑分布密度可變，并可實(shí) 現(xiàn)輥面毛化坑的多種分布，產(chǎn)品質(zhì)量好?？傊?，本發(fā)明所述的聚焦光點(diǎn)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。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)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為本發(fā)明一種具體實(shí)施例的外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2實(shí)施例中多棱鏡分光機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3中多棱鏡實(shí)現(xiàn)多聚焦光點(diǎn)擺動的原理圖(所述多棱鏡的各工作面法線 方向與鏡軸夾角不一致)；圖5為圖4中所述多棱鏡的A-A向視圖；圖6為圖2實(shí)施例中集成聚焦頭陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖2實(shí)施例中單個集成聚焦頭的實(shí)現(xiàn)原理圖；圖8為本發(fā)明裝置第二種具體實(shí)施例的單個集成聚焦頭的實(shí)現(xiàn)原理圖；圖9為本發(fā)明裝置第三種具體實(shí)施例的單個集成聚焦頭的實(shí)現(xiàn)原理圖；圖10為本發(fā)明裝置第四種具體實(shí)施例的單個集成聚焦頭的實(shí)現(xiàn)原理圖；圖11為本發(fā)明提供的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置在軋輥表面形 成的無規(guī)律毛化坑分布。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 如圖2所示為本發(fā)明聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置的一 種具體實(shí)施方式
，它包括激光器1和數(shù)控機(jī)床3，所述數(shù)控機(jī)床3采用常規(guī)的XL9型數(shù)控機(jī)床，其床身上裝有通過平移導(dǎo)軌303驅(qū)動的工作平臺12和用于安裝軋輥13的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302，并且所述軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302與平移導(dǎo)軌303平行。所述工作平臺12上 裝有多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4和集成聚焦機(jī)構(gòu)，所述集成聚焦機(jī)構(gòu)由K = 4個集成聚焦頭(分別 是第一集成聚焦頭601、第二集成聚焦頭602、第三集成聚焦頭603和第四集成聚焦頭604) 組成；而所述激光器1采用高功率連續(xù)CO2激光器，其輸出功率從500 6000瓦連續(xù)可調(diào)， 激光輸出波長為10. 6 μ m(當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際需要選擇其它種類的激光器，例如Nd:YAG 激光器)。如圖3所示，本實(shí)施例中所述多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4由第一反射式聚焦鏡403、多棱鏡 401、驅(qū)動多棱鏡401旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)409和四個分光頭405、406、407、408共同組成。多棱 鏡一側(cè)與高速電機(jī)409相連，在高速電機(jī)409帶動下高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機(jī)床3控制， 高速電機(jī)409的轉(zhuǎn)速為η = 0. 3 5萬轉(zhuǎn)/分。結(jié)合圖4、圖5所示，本實(shí)施例中所述多棱 鏡401面數(shù)M= 12，每個工作面均為全反射面，但各工作面的法線方向與多棱鏡401的鏡 軸a的夾角不一致。所述四個分光頭405、406、407、408緊密排列，對應(yīng)多棱鏡401 —個工 作面的反射區(qū)域呈扇形分布。結(jié)合圖6所示，本實(shí)施例中所述集成聚焦機(jī)構(gòu)中的四個集成聚焦頭601、602、603、 604斜線形排布組成陣列，各集成聚焦頭的輸入端與前述四個分光頭405、406、407、408的 輸出端一一對應(yīng)。所述每個集成聚焦頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均相同，以第一集成聚焦頭601為例，結(jié) 合圖7所示，可知其內(nèi)部設(shè)置有第二透射式聚焦鏡7、位于第二透射式聚焦鏡7出射光路上 的N = 3個緊密排列且相互之間成一定角度布置的反射鏡801、802、803及位于所述N = 3 個反射鏡的反射光路上的第三透射式聚焦鏡10。再結(jié)合圖6所示，集成聚焦機(jī)構(gòu)中相鄰兩 個集成聚焦頭間的橫向間距為NX ΔΧ，Ν = 3，而縱向間距為ΔΥ;其中ΔΧ = 50 500μπι。結(jié)合圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖11所示，對采用上述實(shí)施例裝置對軋輥進(jìn) 行毛化加工的方法及原理進(jìn)行說明，所述方法具體分成下述幾個步驟1)由數(shù)控機(jī)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(jī)床3，使軋輥13按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。同常規(guī)技術(shù)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(jī)床3控制；而所述工作平臺12可作三維運(yùn)動，其運(yùn) 動也由數(shù)控機(jī)床3控制，多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4和集成聚焦機(jī)構(gòu)隨工作平臺12 —起移動，且四 個集成聚焦頭601、602、603、604的光軸均與軋輥13的表面垂直。3)使高功率連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)激光束2進(jìn)入多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4內(nèi)，并經(jīng)第 一反射式聚焦鏡403聚焦于高速旋轉(zhuǎn)且各工作面法線方向與鏡軸a夾角不一致的多棱鏡 401的某個工作面上，具體如圖3所示。4)多棱鏡401的該工作面在高速旋轉(zhuǎn)過程中將連續(xù)激光束形成具有一定角度θ 的扇形反射掃描光束，并依次掃過4個分光頭405、406、407、408，每個分光頭在激光掃過時 接受一部分激光，當(dāng)激光束依次掃過所有分光頭時相當(dāng)于給所有的分光頭分配一個激光脈 沖。多棱鏡401重復(fù)掃描時便將連續(xù)激光束分成4路脈沖激光輸出，具體如圖4所示。并 且由于所述多棱鏡401的各工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，故當(dāng)多棱鏡401高 速旋轉(zhuǎn)時，所述每路脈沖激光同時沿垂直于多棱鏡401的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動，具體如圖5所示。5)結(jié)合圖6、圖7(圖7中省略連接在多棱鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)409及四個分光頭404、405、407、408)所示，上述從多棱鏡分光機(jī)構(gòu)內(nèi)輸出的4路脈沖激光束分別經(jīng)4個集成聚焦頭601、602、603、604進(jìn)行聚焦，以第一集成聚焦頭601為例，并結(jié)合圖7所示對所述 聚焦過程進(jìn)行說明如下進(jìn)入第一集成聚焦頭601內(nèi)的激光脈沖首先經(jīng)第二透射式聚焦鏡 7變換后，形成具有一定掃描寬度AL的平行掃描光束(所述第二透射式聚焦鏡7到多棱鏡 401工作面上的聚焦點(diǎn)O的距離L = f，f為所述第二透射式聚焦鏡7的焦距)，所述平行掃 描光束依次掃過第一集成聚焦頭601內(nèi)緊密排列且互成一定角度的3個反射鏡801、802、 803，使得平行光束被重新導(dǎo)向分成3束相互成一定角度的脈沖激光束，這些脈沖激光束進(jìn) 而經(jīng)第三透射式聚焦鏡10聚焦后形成N = 3個密集排布的脈沖式聚焦光點(diǎn)輸出。K = 4個 集成聚焦頭則一共輸出KXN = 12個沿轉(zhuǎn)動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)。6)在數(shù)控機(jī)床3對軋輥13轉(zhuǎn)速、多棱鏡401轉(zhuǎn)速、工作平臺12平移速度的集中 控制下，所述沿軋輥13長度方向快速擺動的KXN = 12個聚焦光點(diǎn)對軋輥13同時進(jìn)行毛 化加工，在軋輥13表面形成KXN = 12條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分 布，具體如圖11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 采用上述裝置及方法生產(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(shí)施例2 如圖2所示，本實(shí)施例提供的這種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化 加工裝置，其外部結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，而區(qū)別在于它將實(shí)施例1的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4中的第一 反射式聚焦鏡403替換成了第一透射式聚焦鏡404，并且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603,604的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實(shí)施例在其 內(nèi)部設(shè)置了第二透射式聚焦鏡7和與第二透射式聚焦鏡7相對布置的N = 3個緊密排列的 聚焦鏡901、902、903，如圖8所示(圖8中省略連接在多棱鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)409及 四個分光頭405、406、407、408)。本實(shí)施例的工作原理結(jié)合圖8所示說明如下激光器1輸 出的連續(xù)激光束2進(jìn)入多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4，通過第一透射式聚焦鏡404聚焦于高速旋轉(zhuǎn)的 多棱鏡401的某個工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射掃描光束，并依次掃過四個分 光頭(圖中省略)，從而輸出4路脈沖激光，并且同樣由于所述多棱鏡401的各工作面法線 方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈沖激光同時沿垂直于多棱鏡401的旋轉(zhuǎn)方向快 速擺動。從多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4內(nèi)輸出的4路脈沖激光束分別經(jīng)4個集成聚焦頭601、602、 603、604進(jìn)行聚焦。本實(shí)施例中同樣以第一集成聚焦頭601為例說明聚焦過程如下進(jìn)入 第一集成聚焦頭601內(nèi)的激光脈沖經(jīng)第二透射式聚焦鏡7變換后，形成具有一定掃描寬度 AL的平行掃描光束(所述第二透射式聚焦鏡7到多棱鏡401工作面上的聚焦點(diǎn)0的距離 L = f,f為所述第二透射式聚焦鏡7的焦距)，所述平行掃描光束依次掃過第一集成聚焦頭 601內(nèi)緊密排列的N = 3個聚焦鏡901、902、903，并經(jīng)它們聚焦后形成N = 3個密集排布的 脈沖式聚焦光點(diǎn)輸出。同實(shí)施例1 一樣，K = 4個集成聚焦頭則一共輸出KXN = 12個沿 轉(zhuǎn)動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)。最終在數(shù)控機(jī)床3對軋輥13轉(zhuǎn)速、多棱鏡 401轉(zhuǎn)速、工作平臺12平移速度的集中控制下，所述沿軋輥13長度方向快速擺動的KXN = 12個聚焦光點(diǎn)對軋輥13同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥13表面形成KXN= 12條非螺旋掃描 線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布，具體如圖11所示。實(shí)施例3 如圖2所示，本實(shí)施例提供的這種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其外部結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，而區(qū)別在于它將實(shí)施例1的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4中的第一反射式聚焦鏡403替換成了第一透射式聚焦鏡404，并且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603,604的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實(shí)施例在其 內(nèi)部設(shè)置了第二拋物面反射式聚焦鏡5和與第二拋物面反射式聚焦鏡5相對布置的N = 3 個緊密排列的聚焦鏡901、902、903，如圖9所示(圖9中省略連接在多棱鏡401—側(cè)的高速 電機(jī)409及四個分光頭405、406、407、408)。本實(shí)施例的工作原理結(jié)合圖9所示說明如下 激光器1輸出的連續(xù)激光束2進(jìn)入多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4，通過第一透射式聚焦鏡404聚焦于 高速旋轉(zhuǎn)的多棱鏡401的某個工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射掃描光束，并依次 掃過四個分光頭(圖中省略)，從而輸出4路脈沖激光，并且同樣由于所述多棱鏡401的各 工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈沖激光同時沿垂直于多棱鏡401的 旋轉(zhuǎn)方向快速擺動。從多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4內(nèi)輸出的4路脈沖激光束分別經(jīng)4個集成聚焦頭 601、602、603、604進(jìn)行聚焦。本實(shí)施例中同樣以第一集成聚焦頭601為例說明聚焦過程如 下進(jìn)入第一集成聚焦頭601內(nèi)的激光脈沖經(jīng)第二拋物面反射式聚焦鏡5變換后，形成具有 一定掃描寬度AL的平行掃描光束(所述第二拋物面反射式聚焦鏡5的焦點(diǎn)與多棱鏡401 工作面上的聚焦點(diǎn)O重合，f為所述第二拋物面反射式聚焦鏡5的焦距)，所述平行掃描光 束依次掃過第一集成聚焦頭601內(nèi)緊密排列的N = 3個聚焦鏡901、902、903，并經(jīng)它們聚焦 后形成N = 3個密集排布的脈沖式聚焦光點(diǎn)輸出。同實(shí)施例1一樣，K = 4個集成聚焦頭 則一共輸出KXN = 12個沿轉(zhuǎn)動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)。最終在數(shù)控機(jī) 床3對軋輥13轉(zhuǎn)速、多棱鏡401轉(zhuǎn)速、工作平臺12平移速度的集中控制下，所述沿軋輥13 長度方向快速擺動的KXN = 12個聚焦光點(diǎn)對軋輥13同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥13表面 形成KXN = 12條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布，具體如圖11所示。
實(shí)施例4 如圖2所示，本實(shí)施例提供的這種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化 加工裝置，其外部結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，而區(qū)別在于它將實(shí)施例1的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4中的第一 反射式聚焦鏡403替換成了第一透射式聚焦鏡404，并且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603、604的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實(shí)施例在其內(nèi) 部設(shè)置了第二拋物面反射式聚焦鏡5和與第二拋物面反射式聚焦鏡5相對布置的多焦點(diǎn)聚 焦鏡14，所述多焦點(diǎn)聚焦鏡14具有N = 2個焦點(diǎn)，如圖10所示(圖10中省略連接在多棱 鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)409及四個分光頭405、406、407、408)。本實(shí)施例的工作原理結(jié)合 圖10所示說明如下激光器1輸出的連續(xù)激光束2進(jìn)入多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4，通過第一透射 式聚焦鏡404聚焦于高速旋轉(zhuǎn)的多棱鏡401的某個工作面上形成具有一定角度θ的扇形 反射掃描光束，并依次掃過四個分光頭(圖中省略)，從而輸出4路脈沖激光，并且同樣由于 所述多棱鏡401的各工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈沖激光同時沿 垂直于多棱鏡401的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動。從多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4內(nèi)輸出的4路脈沖激光束分 別經(jīng)4個集成聚焦頭601、602、603、604進(jìn)行聚焦。本實(shí)施例中同樣以第一集成聚焦頭601 為例說明聚焦過程如下進(jìn)入第一集成聚焦頭601內(nèi)的激光脈沖經(jīng)第二拋物面反射式聚焦 鏡5變換后，形成具有一定掃描寬度AL的平行掃描光束(所述第二拋物面反射式聚焦鏡 5的焦點(diǎn)與多棱鏡401工作面上的聚焦點(diǎn)0重合，f為所述第二拋物面反射式聚焦鏡5的焦 距)，所述平行掃描光束經(jīng)多焦點(diǎn)聚焦鏡14聚焦后形成N = 2個密集排布的脈沖式聚焦光 點(diǎn)輸出。同實(shí)施例1有所區(qū)別的是本實(shí)施例中的K = 4個集成聚焦頭一共輸出KXN = Sf沿轉(zhuǎn)動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)。最終在數(shù)控機(jī)床3對軋輥13轉(zhuǎn)速、多棱 鏡401轉(zhuǎn)速、工作平臺12平移速度的集中控制下，所述沿軋輥13長度方向快速擺動的KXN =8個聚焦光點(diǎn)對軋輥13同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥13表面形成KXN = 8條非螺旋掃描 線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布，具體可參見圖11所示。 當(dāng)然上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù) 的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā) 明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾 ，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法，其特征在于將高功率連續(xù)激光器(1)輸出的連續(xù)激光束(2)聚焦于一高速旋轉(zhuǎn)的且各工作面法線方向與鏡軸(a)夾角不一致的多棱鏡(401)的某個工作面上，經(jīng)多棱鏡(401)掃描分光形成傳輸方向沿垂直于所述多棱鏡(401)的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動的K路脈沖激光束，再分別經(jīng)由K個集成聚焦頭對所述K路脈沖激光束進(jìn)行聚焦后形成K×N個沿轉(zhuǎn)動的軋輥(13)長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)，對軋輥(13)表面同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥(13)表面形成K×N條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布，其中N為單個集成聚焦頭對應(yīng)輸出的聚焦光點(diǎn)數(shù)，K×N≥2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法，其特征在于按 下述具體步驟對軋輥表面實(shí)施毛化加工1)由數(shù)控機(jī)床(3)上的軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)裝夾軋輥(13)；2)啟動數(shù)控機(jī)床(3)，使軋輥(13)按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；3)使高功率連續(xù)激光器(1)輸出的連續(xù)激光束(2)進(jìn)入安裝在數(shù)控機(jī)床(3)工作平臺 (12)上的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)內(nèi)，并經(jīng)第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉(zhuǎn)且各工作面法線方向與 鏡軸(a)夾角不一致的多棱鏡(401)的工作面上；4)多棱鏡(401)的該工作面在高速旋轉(zhuǎn)過程中將連續(xù)激光束(2)依次掃過K個分光 頭，K ≥ 1 ；每個分光頭在激光掃過時接受一部分激光，當(dāng)激光束依次掃過所有分光頭時相 當(dāng)于給所有的分光頭分配一個激光脈沖；多棱鏡(401)重復(fù)掃描時便將連續(xù)激光束分成K 路脈沖激光輸出，并且由于所述多棱鏡(401)的各工作面法線方向與其鏡軸(a)的夾角不 一致，所述每路脈沖激光同時沿垂直于多棱鏡(401)的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動；5)上述從多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)內(nèi)輸出的K路脈沖激光束分別經(jīng)K個集成聚焦頭聚焦后 形成KXN個密集排布且沿轉(zhuǎn)動的軋輥(13)長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)，N為單個集成 聚焦頭對應(yīng)輸出的聚焦光點(diǎn)數(shù)，KXN ≥ 2 ；6)在數(shù)控機(jī)床(3)對軋輥(13)轉(zhuǎn)速、多棱鏡(401)轉(zhuǎn)速、工作平臺(12)平移速度的集 中控制下，所述沿軋輥(13)長度方向快速擺動的KXN個聚焦光點(diǎn)對軋輥(13)同時進(jìn)行毛 化加工，在軋輥(13)表面形成KXN條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布。
3.一種用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述加工方法的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加 工裝置，包括激光器(1)和數(shù)控機(jī)床(3)，所述數(shù)控機(jī)床(3)的床身上裝有通過平移導(dǎo)軌 (303)驅(qū)動的工作平臺(12)和用于安裝軋輥(13)的軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)，所述工 作平臺(12)上裝有多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)和集成聚焦機(jī)構(gòu)；其中激光器(1)為高功率連續(xù) 激光器，所述多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)由第一聚焦鏡、多棱鏡(401)、驅(qū)動多棱鏡(401)旋轉(zhuǎn)的高 速電機(jī)(409)和K個分光頭組成，所述集成聚焦機(jī)構(gòu)是一種由K個具有集成聚焦功能的集 成聚焦頭組成的集成聚焦頭陣列；各集成聚焦頭的輸入端與前述K個分光頭的輸出端一一 對應(yīng)，并可對應(yīng)輸出N個聚焦光點(diǎn)，KXN≥ 2 ；其特征在于所述多棱鏡(401)的各工作面法 線方向與鏡軸(a)夾角不一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于所 述多棱鏡(401)的面數(shù)M≥5。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于所 述第一聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于所 述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡和與第二聚焦鏡相對布置的N個緊密排列的聚焦 透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于所 述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡和與第二聚焦鏡相對布置的多焦點(diǎn)聚焦鏡，該多焦 點(diǎn)聚焦鏡具有N個焦點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于所 述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡、位于第二聚焦鏡出射光路上的N個緊密排列且相 互之間成一定角度布置的反射鏡及位于所述N個反射鏡的反射光路上的第三聚焦鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特 征在于所述第二聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于 所述K個集成聚焦頭呈斜線或其它形式的排列，且相鄰兩個集成聚焦頭之間的橫向距離為 NX ΔX，ΔΧ = 50 500 μ m，縱向距離為 Δ Y。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚焦光點(diǎn)擺動式激光輥類表面毛化加工方法，其特征是將高功率連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光束聚焦于一高速旋轉(zhuǎn)的且各工作面法線方向與鏡軸夾角不一致的多棱鏡的某個工作面上，經(jīng)其掃描分光形成傳輸方向沿垂直于所述多棱鏡的旋轉(zhuǎn)方向快速擺動的K路脈沖激光束，再分別經(jīng)由K個集成聚焦頭對所述K路脈沖激光束進(jìn)行聚焦后形成K×N個沿轉(zhuǎn)動的軋輥長度方向快速擺動的聚焦光點(diǎn)，對軋輥表面同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥表面形成K×N條非螺旋掃描線點(diǎn)陣交錯排布的無規(guī)律毛化坑分布。其中K≥1，而N為單個集成聚焦頭對應(yīng)輸出的聚焦光點(diǎn)數(shù)，K×N≥2。本方法處理的軋輥在軋制鋼板時，避免了在鋼板長度方向上形成劃痕，提高了鋼板的軋制質(zhì)量。
文檔編號G02B26/12GK101804506SQ20101014017
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者孫長東, 王焄, 羅曦, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海激光科技有限公司