專利名稱：高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種輥類表面激光毛化處理加工裝置，特別是涉及一種用于輥類表面毛化的高功率激光多頭高速毛化加工裝置。
背景技術：
毛化鋼板具有優(yōu)良的沖壓性能和表面涂鍍性能，是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的重要原材料，毛化鋼板生產(chǎn)的關鍵技術是軋輥表面毛化，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。
目前激光軋輥毛化技術主要分為兩大類一類是采用氣體CO2激光器的CO2激光毛化，另一類是采用固體Nd:YAG激光器的YAG激光毛化。
目前，已經(jīng)研制成功并且用于生產(chǎn)的CO2激光毛化裝置是將CO2激光器射出的高能激光束用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤(斬光盤)變換成脈沖激光束，通過聚焦透鏡聚焦后照射在被加工的軋輥表面，加工過程中軋輥旋轉(zhuǎn)，同時激光頭和光學發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)平移，在軋輥表面加工出螺旋形規(guī)則分布的微小毛化坑，如華中科技大學激光院研制的大型CO2激光軋輥毛化加工成套系統(tǒng)。但該系統(tǒng)由于采用光調(diào)制盤技術后，只能利用很少一部分輸出激光能量，能量利用效率不高，且機械結(jié)構(gòu)復雜、設備體積龐大，相對造價較高。上述的CO2激光毛化設備毛化效果比電火花毛化設備好，但由于能量利用率比較低所以加工效率與電火花毛化設備相比有一定差距。
YAG激光毛化設備是中國科學院力學研究所在九十年代研究開發(fā)的冷軋輥激光加工裝置。該裝置是采用聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器作為脈沖激光發(fā)生源，脈沖激光束經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后作用于軋輥表面，通過控制調(diào)Q頻率和軋輥轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。如“用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置”(專利號ZL00264774.5)，該激光加工裝置就是采用聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器作為加工光源，其缺點是由于YAG激光泵浦燈使用壽命有限，需要定期進行泵浦燈的更換等維護工作，影響生產(chǎn)效率；另外，該裝置所使用激光的平均功率較低，毛化效果有限，生產(chǎn)效率很低，難以滿足大型鋼廠的生產(chǎn)需要。盡管該裝置設計兩臺激光器通過光路轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)生產(chǎn)中激光器輪換使用，來解決持續(xù)生產(chǎn)這一問題，但這種設計增加了機械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和光路系統(tǒng)的復雜程度，對于加工裝置的工作可靠性、耐久性有影響。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術問題是為克服上述激光毛化裝置的不足，提供一種高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置。該裝置加工效率高，可以同時實現(xiàn)多頭加工，并且激光功率沒有限制，能夠充分利用激光能量。
本實用新型所采用的技術方案是設有激光器和數(shù)控機床，該機床的機身上裝有激光器、平移導軌、置放在平移導軌上的工作平臺以及與平移導軌平行的用于安裝軋輥工件的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖，工作平臺上裝有多棱鏡分光和聚焦機構(gòu)。其中激光器為高功率連續(xù)激光器；多棱鏡分光機構(gòu)由全反射鏡、多棱鏡以及帶動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機和K個分光頭組成；聚焦機構(gòu)是由K個聚焦頭組成的聚焦頭陣列，每個聚焦頭輸入端對應一個分光頭輸出端，聚焦頭光軸與軋輥工件表面垂直，聚焦頭兩兩之間的橫向距離為ΔX，此距離即為毛化點之間的點間距，縱向距離為ΔY，最小以能放置兩個聚焦頭為準；K≥2。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下主要優(yōu)點(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。由于激光加工頭是多個，所以可以同時實現(xiàn)多頭加工，并且技術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)采用多棱鏡分光系統(tǒng)，將連續(xù)高功率激光束分成多路脈沖激光輸出，不需采用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤或進行聲光調(diào)Q以獲得脈沖激光輸出，因此激光能量利用效率高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，使用壽命長，生產(chǎn)維護容易。
(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)，技術成熟，工作中無需特殊維護，保證設備長期可靠運行。
(4)采用金屬拋物面聚焦系統(tǒng)，所以散熱快，熱變形小，聚焦光斑無像散、球差，工作穩(wěn)定。
(5)由于采用三軸聯(lián)動數(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，所以能夠在線調(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)輥面毛化坑多種分布，產(chǎn)品質(zhì)量好。
總之，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、工作穩(wěn)定，并且加工效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好。
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中多棱鏡分光機構(gòu)5的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1中聚焦頭陣列的布置示意圖。
圖4為聚焦頭在軋輥工件1表面產(chǎn)生的毛化坑分布示意圖。
圖5為聚焦頭采用透射方式聚焦的示意圖。
圖6為聚焦頭采用拋物面反射方式聚焦的示意圖。
具體實施方式
本實用新型是一種高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示設有激光器2和數(shù)控機床3，該機床的機身上裝有激光器2、平移導軌303、置放在平移導軌303上的工作平臺4以及與平移導軌303平行的用于安裝軋輥工件1的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302，工作平臺4上裝有多棱鏡分光機構(gòu)5和聚焦機構(gòu)。其中激光器2為高功率連續(xù)激光器。多棱鏡分光機構(gòu)5由全反射鏡502、多棱鏡501以及帶動多棱鏡501旋轉(zhuǎn)的高速電機509和K個分光頭503、504、505、506、507、508組成，K≥2。聚焦機構(gòu)是一種由K個具有聚焦功能的聚焦頭601、602、603、604、605、606組成的聚焦頭陣列，它們呈斜線(圖3)或其它形式的排列，并且安裝在工作平臺4上，它們的輸入端一一與分光頭503、504、505、506、507、508的輸出端對應，K≥2。聚焦頭兩兩之間的橫向距離為ΔX，例如聚焦頭601、602之間的橫向距離為ΔX，此距離即為毛化點之間的點間距，ΔX根據(jù)軋輥表面粗糙度要求可為150～350μm；聚焦頭兩兩之間的縱向距離為ΔY，最小以能放置兩個聚焦頭為準，例如聚焦頭605、606之間的縱向距離為ΔY。聚焦頭陣列的光軸與軋輥工件1表面垂直，聚焦頭陣列在待加工軋輥工件1表面同時形成K條螺旋掃描線點陣毛化坑分布(見圖4)，掃描線點陣點間距縱向建議為b＝150～350μm，橫向間距建議為ΔX＝150～350μm，掃描線螺距P＝K·ΔX，K≥2。
上述的激光器2可采用CO2激光器，其輸出功率從750～6000瓦連續(xù)可調(diào)，激光輸出波長為10.6μm；也可以根據(jù)實際需要選擇其它種類的激光器，例如Nd:YAG激光器。激光器2輸出的連續(xù)激光束經(jīng)過多棱鏡分光機構(gòu)分成K≥2路脈沖激光束，輸入到K個激光聚焦頭例如圖3中的激光聚焦頭601、602、603、604、605、606，再由其聚焦后對輥類工件1同時進行多頭毛化加工，使輥類表面形成K條螺旋掃描線點陣毛化坑分布(圖4)。這樣加工效率最高。
待加工的軋輥工件1由數(shù)控機床3上的軋輥轉(zhuǎn)軸301和機床床尾頂尖302裝夾，軋輥工件1由軋輥轉(zhuǎn)軸301旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)動。數(shù)控機床3上的工作平臺4可作三維運動，其運動由數(shù)控機床3控制。數(shù)控機床3可采用現(xiàn)有的機床設備，例如XL9數(shù)控機床。
所述的聚焦頭可采用透射方式聚焦或采用拋物面反射方式聚焦?，F(xiàn)舉例如下透射方式聚焦如圖5所示聚焦頭601由一面放置在多棱鏡分光機構(gòu)分光頭503出射光路上的反射鏡7和聚焦透鏡8組成。從分光頭503出射的激光束經(jīng)過反射鏡7后，光路改變90°，然后入射聚焦透鏡8聚焦，焦點落在待加工的軋輥工件1表面。
拋物面反射方式聚焦如圖6所示由放置在分光頭503出射光路上的反射鏡7，以及反射鏡9和拋物面聚焦鏡10組成。從分光頭503出射的激光束經(jīng)過反射鏡7后，光路改變90°，然后入射到反射鏡9，光路再改變90°，最后進入拋物面聚焦鏡10聚焦，焦點落在待加工的軋輥工件1表面。
所述的多棱鏡分光機構(gòu)5，其結(jié)構(gòu)如圖2所示多棱鏡501面數(shù)N≥5，圖中示例為八面多棱鏡，每個工作表面均為全反射面。多棱鏡501一側(cè)與高速電機509相連，在高速電機509帶動下高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機床4控制，高速電機509轉(zhuǎn)速為n＝1.5～3萬轉(zhuǎn)/分。K≥2個分光頭503、504、505、506、507、508緊密排列，對應多棱鏡501一個工作表面的反射區(qū)域呈扇形分布。
多棱鏡分光機構(gòu)5和聚焦機構(gòu)隨工作平臺4一起移動。由激光器2輸出的高功率連續(xù)激光束進入多棱鏡分光機構(gòu)5，經(jīng)全反射鏡502反射后照射到多棱鏡501的某個工作表面上，這個工作表面在旋轉(zhuǎn)過程中將激光束依次掃過分光頭503、504、505、506、507、508，每一個分光頭在激光掃過時接受到一部分激光，于是，當激光依次掃過所述分光頭時，相當于給每個分光頭分配一個激光脈沖。當多棱鏡501旋轉(zhuǎn)時，每一個多棱鏡面都給所有的分光頭分配一個脈沖，這樣實際上旋轉(zhuǎn)多棱鏡501相當于將一個連續(xù)激光分割成為K≥2路脈沖激光，每一路激光完全相同，其脈沖頻率為f＝N·n/60赫茲。激光的路數(shù)K可以根據(jù)加工要求變化，現(xiàn)在最多已經(jīng)獲得K＝20路。
圖3給出了六路激光脈沖，它們分別進入安裝在工作平臺上的六個聚焦頭601、602、603、604、605、606，通過這些聚焦頭將激光束聚焦，使焦點落在待加工軋輥1的表面上，六路脈沖激光同時對軋輥1表面進行毛化，使輥類表面形成六條螺旋掃描線點陣毛化坑分布(圖4)。工作時軋輥轉(zhuǎn)軸301的轉(zhuǎn)速，工作平臺4的平移速度和高速電機509的轉(zhuǎn)速都由數(shù)控機床4通過設定的參數(shù)集中進行運算控制。需要輸入數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)有軋輥直徑D(mm)，軋輥長度L(mm)，毛化點的間距ΔX，高速電機轉(zhuǎn)速nl(轉(zhuǎn)/分)，工作平臺移動速度V(mm/s)。加工速度可比單路激光提高六倍。
本實施例所給出的數(shù)據(jù)僅供參考，它們可依據(jù)實際情況而定。
權利要求1.一種高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置，設有激光器(2)和數(shù)控機床(3)，該機床的機身上裝有平移導軌(303)、置放在平移導軌上的工作平臺(4)以及與平移導軌平行的用于安裝軋輥工件(1)的軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)，工作平臺上裝有多棱鏡分光(5)和聚焦機構(gòu)，其特征在于激光器為高功率連續(xù)激光器；多棱鏡分光機構(gòu)由全反射鏡(502)、多棱鏡(501)以及帶動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機(509)和K個分光頭組成；聚焦機構(gòu)是由K個聚焦頭組成的聚焦頭陣列，每個聚焦頭輸入端對應一個分光頭輸出端，聚焦頭光軸與軋輥工件表面垂直，聚焦頭兩兩之間的橫向距離為ΔX，此距離即為毛化點之間的點間距，縱向距離為ΔY，最小以能放置兩個聚焦頭為準；K≥2。
2.根據(jù)權利要求1所述的高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置，其特征在于多棱鏡(501)的面數(shù)N≥5，其每個工作表面均為全反射面。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置，其特征在于多棱鏡(501)的一側(cè)與高速電機(509)轉(zhuǎn)軸相連，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機床(3)控制。
4.根據(jù)權利要求1所述的高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置，其特征在于聚焦頭采用透射方式聚焦或拋物面反射方式聚焦。
專利摘要本實用新型高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置設有激光器(2)和數(shù)控機床(3)，該機床有平移導軌(303)、工作平臺(4)以及軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)，工作平臺上裝有多棱鏡分光(5)和聚焦機構(gòu)，其中激光器為高功率連續(xù)激光器；多棱鏡分光機構(gòu)由全反射鏡(502)、多棱鏡(501)以及帶動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機(509)和K個分光頭組成；聚焦機構(gòu)是由K個聚焦頭組成的聚焦頭陣列，每個聚焦頭輸入端對應一個分光頭輸出端，聚焦頭光軸與軋輥工件表面垂直，聚焦頭兩兩之間的橫向距離ΔX為毛化點之間的點間距，縱向距離為ΔY；K≥2。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、工作穩(wěn)定，并且加工效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好。
文檔編號B24B1/00GK2882895SQ200620095100
公開日2007年3月28日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權日2006年1月19日
發(fā)明者陳培鋒, 王英, 朱明珠 申請人:華中科技大學