高功率激光辊类表面多头毛化加工装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术高功率激光辊类表面多头毛化加工装置设有激光器（２）和数控机床（３），该机床有平移导轨（３０３）、工作平台（４）以及轧辊转轴（３０１）和顶尖（３０２），工作平台上装有多棱镜分光（５）和聚焦机构，其中：激光器为高功率连续激光器；多棱镜分光机构由全反射镜（５０２）、多棱镜（５０１）以及带动多棱镜旋转的高速电机（５０９）和Ｋ个分光头组成；聚焦机构是由Ｋ个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端对应一个分光头输出端，聚焦头光轴与轧辊工件表面垂直，聚焦头两两之间的横向距离△Ｘ为毛化点之间的点间距，纵向距离为△Ｙ；Ｋ≥２。本实用新型专利技术结构简单、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量好。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种辊类表面激光毛化处理加工装置，特别是涉及一种用于辊类表面毛化的高功率激光多头高速毛化加工装置。
技术介绍
毛化钢板具有优良的冲压性能和表面涂镀性能，是汽车、家电、电子和轻工业生产中广泛应用的重要原材料，毛化钢板生产的关键技术是轧辊表面毛化，激光轧辊毛化技术是现在使用的几种毛化技术包括喷丸毛化、电火花毛化以及电子束毛化中实用而又先进的一种毛化技术。目前激光轧辊毛化技术主要分为两大类一类是采用气体CO2激光器的CO2激光毛化，另一类是采用固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化。目前，已经研制成功并且用于生产的CO2激光毛化装置是将CO2激光器射出的高能激光束用光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束，通过聚焦透镜聚焦后照射在被加工的轧辊表面，加工过程中轧辊旋转，同时激光头和光学发射调制系统平移，在轧辊表面加工出螺旋形规则分布的微小毛化坑，如华中科技大学激光院研制的大型CO2激光轧辊毛化加工成套系统。但该系统由于采用光调制盘技术后，只能利用很少一部分输出激光能量，能量利用效率不高，且机械结构复杂、设备体积庞大，相对造价较高。上述的CO2激光毛化设备毛化效果比电火花毛化设备好，但由于能量利用率比较低所以加工效率与电火花毛化设备相比有一定差距。YAG激光毛化设备是中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的冷轧辊激光加工装置。该装置是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为脉冲激光发生源，脉冲激光束经光路系统聚焦后作用于轧辊表面，通过控制调Q频率和轧辊转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。如“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”(专利号ZL00264774.5)，该激光加工装置就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源，其缺点是由于YAG激光泵浦灯使用寿命有限，需要定期进行泵浦灯的更换等维护工作，影响生产效率；另外，该装置所使用激光的平均功率较低，毛化效果有限，生产效率很低，难以满足大型钢厂的生产需要。尽管该装置设计两台激光器通过光路转换，实现生产中激光器轮换使用，来解决持续生产这一问题，但这种设计增加了机械系统、冷却系统和光路系统的复杂程度，对于加工装置的工作可靠性、耐久性有影响。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是为克服上述激光毛化装置的不足，提供一种高功率激光辊类表面多头毛化加工装置。该装置加工效率高，可以同时实现多头加工，并且激光功率没有限制，能够充分利用激光能量。本技术所采用的技术方案是设有激光器和数控机床，该机床的机身上装有激光器、平移导轨、置放在平移导轨上的工作平台以及与平移导轨平行的用于安装轧辊工件的轧辊转轴和顶尖，工作平台上装有多棱镜分光和聚焦机构。其中激光器为高功率连续激光器；多棱镜分光机构由全反射镜、多棱镜以及带动多棱镜旋转的高速电机和K个分光头组成；聚焦机构是由K个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端对应一个分光头输出端，聚焦头光轴与轧辊工件表面垂直，聚焦头两两之间的横向距离为ΔX，此距离即为毛化点之间的点间距，纵向距离为ΔY，最小以能放置两个聚焦头为准；K≥2。本技术与现有技术相比具有以下主要优点(1)采用连续高功率激光器作为加工光源，激光功率能够充分利用。由于激光加工头是多个，所以可以同时实现多头加工，并且技术上没有对激光功率的限制，同时由于目前连续激光器已经能够获得非常高的功率输出，这样加工速度也没有限制，可以获得非常高的加工速度。(2)采用多棱镜分光系统，将连续高功率激光束分成多路脉冲激光输出，不需采用光调制转盘或进行声光调Q以获得脉冲激光输出，因此激光能量利用效率高，结构简单、体积小、成本低，使用寿命长，生产维护容易。(3)由于采用连续高功率激光器(例如高功率连续CO2激光器或YAG激光器)，技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠运行。(4)采用金属抛物面聚焦系统，所以散热快，热变形小，聚焦光斑无像散、球差，工作稳定。(5)由于采用三轴联动数控系统与激光输出功率和脉冲频率的计算机控制相结合，所以能够在线调节，实现毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可实现辊面毛化坑多种分布，产品质量好。总之，本技术结构简单、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量好。附图说明图1为本技术的结构示意图。图2为图1中多棱镜分光机构5的结构示意图。图3为图1中聚焦头阵列的布置示意图。图4为聚焦头在轧辊工件1表面产生的毛化坑分布示意图。图5为聚焦头采用透射方式聚焦的示意图。图6为聚焦头采用抛物面反射方式聚焦的示意图。具体实施方式本技术是一种高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，其结构如图1、图2所示设有激光器2和数控机床3，该机床的机身上装有激光器2、平移导轨303、置放在平移导轨303上的工作平台4以及与平移导轨303平行的用于安装轧辊工件1的轧辊转轴301和顶尖302，工作平台4上装有多棱镜分光机构5和聚焦机构。其中激光器2为高功率连续激光器。多棱镜分光机构5由全反射镜502、多棱镜501以及带动多棱镜501旋转的高速电机509和K个分光头503、504、505、506、507、508组成，K≥2。聚焦机构是一种由K个具有聚焦功能的聚焦头601、602、603、604、605、606组成的聚焦头阵列，它们呈斜线(图3)或其它形式的排列，并且安装在工作平台4上，它们的输入端一一与分光头503、504、505、506、507、508的输出端对应，K≥2。聚焦头两两之间的横向距离为ΔX，例如聚焦头601、602之间的横向距离为ΔX，此距离即为毛化点之间的点间距，ΔX根据轧辊表面粗糙度要求可为150～350μm；聚焦头两两之间的纵向距离为ΔY，最小以能放置两个聚焦头为准，例如聚焦头605、606之间的纵向距离为ΔY。聚焦头阵列的光轴与轧辊工件1表面垂直，聚焦头阵列在待加工轧辊工件1表面同时形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布(见图4)，扫描线点阵点间距纵向建议为b＝150～350μm，横向间距建议为ΔX＝150～350μm，扫描线螺距P＝K·ΔX，K≥2。上述的激光器2可采用CO2激光器，其输出功率从750～6000瓦连续可调，激光输出波长为10.6μm；也可以根据实际需要选择其它种类的激光器，例如Nd:YAG激光器。激光器2输出的连续激光束经过多棱镜分光机构分成K≥2路脉冲激光束，输入到K个激光聚焦头例如图3中的激光聚焦头601、602、603、604、605、606，再由其聚焦后对辊类工件1同时进行多头毛化加工，使辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布(图4)。这样加工效率最高。待加工的轧辊工件1由数控机床3上的轧辊转轴301和机床床尾顶尖302装夹，轧辊工件1由轧辊转轴301旋转带动转动。数控机床3上的工作平台4可作三维运动，其运动由数控机床3控制。数控机床3可采用现有的机床设备，例如XL9数控机床。所述的聚焦头可采用透射方式聚焦或采用抛物面反射方式聚焦。现举例如下透射方式聚焦如图5所示聚焦头601由一面放置在多棱镜分光机构分光头503出射光路上的反射镜7和聚焦透镜8组成。从分光头503出射的激光束经过反射镜7后，光路改变90°，然后入射聚焦透镜8聚焦，焦点落在待加工的轧辊工件1表面。抛物面反射方式聚焦如图6所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率激光辊类表面多头毛化加工装置，设有激光器（２）和数控机床（３），该机床的机身上装有平移导轨（３０３）、置放在平移导轨上的工作平台（４）以及与平移导轨平行的用于安装轧辊工件（１）的轧辊转轴（３０１）和顶尖（３０２），工作平台上装有多棱镜分光（５）和聚焦机构，其特征在于：激光器为高功率连续激光器；多棱镜分光机构由全反射镜（５０２）、多棱镜（５０１）以及带动多棱镜旋转的高速电机（５０９）和Ｋ个分光头组成；聚焦机构是由Ｋ个聚焦头组成的聚焦头阵列，每个聚焦头输入端对应一个分光头输出端，聚焦头光轴与轧辊工件表面垂直，聚焦头两两之间的横向距离为△Ｘ，此距离即为毛化点之间的点间距，纵向距离为△Ｙ，最小以能放置两个聚焦头为准；Ｋ≥２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈培锋，王英，朱明珠，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]