聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置的製作方法

2023-05-23 06:47:36 4

專利名稱：聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於輥類表面雷射毛化處理領域，特別涉及一種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置。
背景技術：
具有特殊表面形貌的毛化冷軋薄鋼板在製造業中，特別是在汽車與家電產業中有 著廣泛的應用。毛化冷軋薄鋼板是由表面經毛化處理後的軋輥軋制而成的，因此毛化軋輥 的表面形貌特徵對冷軋薄鋼板的深衝、塗裝等工藝性能影響極大。為了確保冷軋鋼板具有優良的板型、深衝性、延伸率和塗鍍性能，在冷軋薄鋼板生 產工藝中，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。雷射軋輥毛化技術是現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。雷射毛化技術是將聚焦後的高能量、高重複頻率的脈衝雷射束照射到軋輥表面， 利用雷射束的高亮度在軋輥表面形成非常高的能量密度，對雷射聚焦處的軋輥表面實施加 熱、熔化並部分汽化，以致在軋輥表面形成微小毛化坑。其基本原理是對經過特殊調製的 高能量密度(IO4 106W/cm2)、高重複頻率(IO3 IO4次/秒)的脈衝雷射束進行聚焦，並 使其作用於作旋轉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；短雷射脈衝作用後，微坑熔池金屬在軋輥自身熱傳導 作用下迅速冷卻，形成微坑和坑邊環形凸臺結構的相變硬化點。與此同時，聚焦脈衝雷射束 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，雷射毛化軋輥技術主要分為兩大類一類是採用固體Nd:YAG雷射器的YAG 雷射毛化，另一類則是採用氣體CO2雷射器的CO2雷射毛化。其共同特點是採用聲光調Q 的Nd: YAG雷射器或經特殊調製的CO2雷射器作為脈衝雷射加工源，由光源輸出的脈衝雷射 經雷射加工頭聚焦後，作用於以一定轉速旋轉的軋輥表面；加工過程中，雷射加工頭的橫向 移動配合軋輥的旋轉運動，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「用於軋輥表面毛化的雷射加工設備」(專利號ZL94220848. X)與中國專利 「分光式雷射毛化調製裝置」(專利號ZL200710041118. 9)。上述雷射軋輥毛化工藝的基本特徵是毛化坑在軋輥表面沿一條等螺距的螺旋掃 描線分布。由於螺旋掃描線的螺距(一般為0. 1 0. 4mm)相對於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，基本上可以認為是無規律的。上述毛化坑分布形式存在兩個明顯的缺點1.雖然軋輥表面的雷射毛化坑很淺，但對於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的直線 劃痕。仔細觀察這些劃痕，發現絕大部分劃痕出現在對應軋輥表面兩圈毛化坑之間的一條 直線形空白區域內。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 白區域內，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，始終存在於鋼板與軋輥之間，連續劃出可見的 直線痕跡。分析上述現象的成因後，我們發現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，則上述現象就可以避免。

發明內容
本發明目的是為解決現有技術存在的問題而提供一種聚焦光點擺動式雷射輥類 表面毛化加工方法，該方法可以實現聚焦光點沿轉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量。本發明的技術方案如下一種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，其特 徵在於將高功率連續雷射器輸出的連續雷射束聚焦於一高速旋轉的且各工作面法線方向 與鏡軸夾角不一致的多稜鏡的某個工作面上，經多稜鏡掃描分光形成傳輸方向沿垂直於所 述多稜鏡的旋轉方向快速擺動的K路脈衝雷射束，再分別經由K個集成聚焦頭對所述K路 脈衝雷射束進行聚焦後形成KXN個沿轉動的軋輥長度方向快速擺動的聚焦光點，對軋輥 表面同時進行毛化加工，在軋輥表面形成KXN條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛 化坑分布，其中K ^ 1，而N為單個集成聚焦頭對應輸出的聚焦光點數，KXN ^ 2。本發明的上述聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，進一步按照下述具體 步驟對軋輥表面實施毛化加工1)由數控工具機上的軋輥轉軸和頂尖裝夾軋輥；2)啟動數控工具機，使軋輥按設定的轉速旋轉；3)使高功率連續雷射器輸出的連續雷射束進入安裝在數控工具機工作平臺上的多 稜鏡分光機構內，並經第一聚焦鏡聚焦於高速旋轉且各工作面法線方向與鏡軸夾角不一致 的多稜鏡的某個工作面上；4)多稜鏡的該工作面在高速旋轉過程中將連續雷射束依次掃過K個分光頭， K ^ 1 ；每個分光頭在雷射掃過時接受一部分雷射，當雷射束依次掃過所有分光頭時相當於 給所有的分光頭分配一個雷射脈衝；多稜鏡重複掃描時便將連續雷射束分成K路脈衝雷射 輸出，並且由於所述多稜鏡的各工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈衝 雷射同時沿垂直於多稜鏡的旋轉方向快速擺動；5)上述從多稜鏡分光機構內輸出的K路脈衝雷射束分別經K個集成聚焦頭聚焦後 形成K X N個密集排布且沿轉動的軋輥長度方向快速擺動的聚焦光點，N為單個集成聚焦頭 對應輸出的聚焦光點數，KXN ^ 2。6)在數控工具機對軋輥轉速、多稜鏡轉速、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個聚焦光點對軋輥同時進行毛化加工，在軋輥表面形成 KXN條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布。本發明同時提供一種能夠實現上述加工方法的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛 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陣交錯排布的無規律毛化坑分 布，並且結構簡單、雷射能量利用率高。一種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，包括雷射器和數控工具機，所述 數控工具機的床身上裝有通過平移導軌驅動的工作平臺和用於安裝軋輥的軋輥轉軸和頂尖， 所述工作平臺上裝有多稜鏡分光機構和集成聚焦機構；其中雷射器為高功率連續雷射 器，所述多稜鏡分光機構由第一聚焦鏡、多稜鏡、驅動多稜鏡旋轉的高速電機和K個分光頭 組成，所述集成聚焦機構是一種由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，並可對應輸出N個聚焦 光點，KXN > 2，而K > 1 ；所述多稜鏡的各工作面法線方向與鏡軸夾角不一致。上述聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置中，所述多稜鏡的面數M > 5。上述聚焦光點擺動式雷射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。上述聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置中，所述每個集成聚焦頭內均設 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。或者，所述每個集成聚焦頭內均設有第二聚焦鏡和與第二聚焦鏡相對布置的多焦 點聚焦鏡，該多焦點聚焦鏡具有N個焦點。或者，所述每個集成聚焦頭內均設有第二聚焦鏡、位於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於所述N個反射鏡的反射光路上的
第三聚焦鏡。上述聚焦光點擺動式雷射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。上述聚焦光點擺動式雷射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。上述聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置在具體工作時，同常規技術一 樣，待加工的軋輥工件由數控工具機上的軋輥轉軸和頂尖裝夾，並由軋輥轉軸帶動旋轉，其轉 速由數控工具機控制。數控工具機上的工作平臺可作三維運動，其平移速度由數控工具機控制。同 樣地，驅動多稜鏡旋轉的高速電機，其轉速也由數控工具機控制。所述數控工具機採用現有的設 備，例如XL9型數控車床。本發明的優點是1.本發明方法及裝置由於採用特殊設計的多稜鏡，實現了多聚焦光點擺動式毛化 加工，在軋輥表面形成多條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布，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。故採用本發明方法及裝置生產出來的軋 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量。2.同時本發明提供的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置還具有如下優點(1)採用連續高功率雷射器作為加工光源，雷射功率能夠充分利用。由於雷射加 工集成聚焦頭是多個，所以可以同時實現多頭毛化加工；並且技術上沒有對雷射功率的限 制，同時由於目前連續雷射器已經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)採用集成聚焦頭技術，將連續高功率雷射束分成密集排布的多路聚焦脈衝激 光束輸出，不需要採用光調製轉盤或進行聲光調Q以獲得脈衝雷射輸出，因此雷射能量利 用率高。並且結構簡單、體積小、成本低，使用壽命長，生產維護容易。(3)由於採用連續高功率雷射器(例如高功率連續CO2雷射器或YAG雷射器)作 為加工光源，雷射功率能夠充分利用，且技術成熟，工作中無需特殊維護，保證設備長期可 靠運行。(4)多稜鏡掃描機構中可進一步採用拋物面反射式聚焦鏡進行聚焦，散熱快，熱變 形小，聚焦光斑無像差、球差，工作穩定。(5)由於數控工具機採用的是三軸聯動的數控系統與雷射輸出功率和脈衝頻率的計 算機控制相結合，所以能夠在線調節，實現毛化輥面粗糙度和毛化坑分布密度可變，並可實 現輥面毛化坑的多種分布，產品質量好。總之，本發明所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置雷射能量利用率 高、整體結構簡單、使用壽命長，並且工作穩定，加工效率高、產品質量好。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述圖1為常規雷射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為本發明一種具體實施例的外部結構示意圖；圖3為圖2實施例中多稜鏡分光機構的結構示意圖；圖4為圖3中多稜鏡實現多聚焦光點擺動的原理圖(所述多稜鏡的各工作面法線 方向與鏡軸夾角不一致)；圖5為圖4中所述多稜鏡的A-A向視圖；圖6為圖2實施例中集成聚焦頭陣列的結構示意圖；圖7為圖2實施例中單個集成聚焦頭的實現原理圖；圖8為本發明裝置第二種具體實施例的單個集成聚焦頭的實現原理圖；圖9為本發明裝置第三種具體實施例的單個集成聚焦頭的實現原理圖；圖10為本發明裝置第四種具體實施例的單個集成聚焦頭的實現原理圖；圖11為本發明提供的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置在軋輥表面形 成的無規律毛化坑分布。
具體實施例方式實施例1 如圖2所示為本發明聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置的一 種具體實施方式
，它包括雷射器1和數控工具機3，所述數控工具機3採用常規的XL9型數控工具機，其床身上裝有通過平移導軌303驅動的工作平臺12和用於安裝軋輥13的軋輥轉軸301和頂尖302，並且所述軋輥轉軸301和頂尖302與平移導軌303平行。所述工作平臺12上 裝有多稜鏡掃描機構4和集成聚焦機構，所述集成聚焦機構由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；而所述雷射器1採用高功率連續CO2雷射器，其輸出功率從500 6000瓦連續可調， 雷射輸出波長為10. 6 μ m(當然也可以根據實際需要選擇其它種類的雷射器，例如Nd:YAG 雷射器)。如圖3所示，本實施例中所述多稜鏡掃描機構4由第一反射式聚焦鏡403、多稜鏡 401、驅動多稜鏡401旋轉的高速電機409和四個分光頭405、406、407、408共同組成。多稜 鏡一側與高速電機409相連，在高速電機409帶動下高速旋轉，其轉速由數控工具機3控制， 高速電機409的轉速為η = 0. 3 5萬轉/分。結合圖4、圖5所示，本實施例中所述多稜 鏡401面數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稜鏡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，對應多稜鏡401 —個工 作面的反射區域呈扇形分布。結合圖6所示，本實施例中所述集成聚焦機構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。所述每個集成聚焦頭的內部結構均相同，以第一集成聚焦頭601為例，結 合圖7所示，可知其內部設置有第二透射式聚焦鏡7、位於第二透射式聚焦鏡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及位於所述N = 3 個反射鏡的反射光路上的第三透射式聚焦鏡10。再結合圖6所示，集成聚焦機構中相鄰兩 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。結合圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖11所示，對採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)由數控工具機3上的軋輥轉軸301和頂尖302裝夾軋輥13，具體如圖2所示。2)啟動數控工具機3，使軋輥13按設定的轉速旋轉。同常規技術一樣，所述軋輥13 由軋輥轉軸301帶動旋轉，轉速由數控工具機3控制；而所述工作平臺12可作三維運動，其運 動也由數控工具機3控制，多稜鏡掃描機構4和集成聚焦機構隨工作平臺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)使高功率連續雷射器1輸出的連續雷射束2進入多稜鏡分光機構4內，並經第 一反射式聚焦鏡403聚焦於高速旋轉且各工作面法線方向與鏡軸a夾角不一致的多稜鏡 401的某個工作面上，具體如圖3所示。4)多稜鏡401的該工作面在高速旋轉過程中將連續雷射束形成具有一定角度θ 的扇形反射掃描光束，並依次掃過4個分光頭405、406、407、408，每個分光頭在雷射掃過時 接受一部分雷射，當雷射束依次掃過所有分光頭時相當於給所有的分光頭分配一個雷射脈 衝。多稜鏡401重複掃描時便將連續雷射束分成4路脈衝雷射輸出，具體如圖4所示。並 且由於所述多稜鏡401的各工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，故當多稜鏡401高 速旋轉時，所述每路脈衝雷射同時沿垂直於多稜鏡401的旋轉方向快速擺動，具體如圖5所示。5)結合圖6、圖7(圖7中省略連接在多稜鏡401 —側的高速電機409及四個分光頭404、405、407、408)所示，上述從多稜鏡分光機構內輸出的4路脈衝雷射束分別經4個集成聚焦頭601、602、603、604進行聚焦，以第一集成聚焦頭601為例，並結合圖7所示對所述 聚焦過程進行說明如下進入第一集成聚焦頭601內的雷射脈衝首先經第二透射式聚焦鏡 7變換後，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到多稜鏡 401工作面上的聚焦點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向分成3束相互成一定角度的脈衝雷射束，這些脈衝雷射束進 而經第三透射式聚焦鏡10聚焦後形成N = 3個密集排布的脈衝式聚焦光點輸出。K = 4個 集成聚焦頭則一共輸出KXN = 12個沿轉動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點。6)在數控工具機3對軋輥13轉速、多稜鏡401轉速、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個聚焦光點對軋輥13同時進行毛 化加工，在軋輥13表面形成KXN = 12條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分 布，具體如圖11所示。由於軋輥13表面圓周上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的直線，故 採用上述裝置及方法生產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量。實施例2 如圖2所示，本實施例提供的這種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化 加工裝置，其外部結構同實施例1，而區別在於它將實施例1的多稜鏡掃描機構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，並且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603,604的內部結構均進行了重新設計。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實施例在其 內部設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中省略連接在多稜鏡401 —側的高速電機409及 四個分光頭405、406、407、408)。本實施例的工作原理結合圖8所示說明如下雷射器1輸 出的連續雷射束2進入多稜鏡掃描機構4，通過第一透射式聚焦鏡404聚焦於高速旋轉的 多稜鏡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，並依次掃過四個分 光頭(圖中省略)，從而輸出4路脈衝雷射，並且同樣由於所述多稜鏡401的各工作面法線 方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈衝雷射同時沿垂直於多稜鏡401的旋轉方向快 速擺動。從多稜鏡分光機構4內輸出的4路脈衝雷射束分別經4個集成聚焦頭601、602、 603、604進行聚焦。本實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入 第一集成聚焦頭601內的雷射脈衝經第二透射式聚焦鏡7變換後，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到多稜鏡401工作面上的聚焦點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內緊密排列的N = 3個聚焦鏡901、902、903，並經它們聚焦後形成N = 3個密集排布的 脈衝式聚焦光點輸出。同實施例1 一樣，K = 4個集成聚焦頭則一共輸出KXN = 12個沿 轉動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點。最終在數控工具機3對軋輥13轉速、多稜鏡 401轉速、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個聚焦光點對軋輥13同時進行毛化加工，在軋輥13表面形成KXN= 12條非螺旋掃描 線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布，具體如圖11所示。實施例3 如圖2所示，本實施例提供的這種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其外部結構同實施例1，而區別在於它將實施例1的多稜鏡掃描機構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，並且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603,604的內部結構均進行了重新設計。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實施例在其 內部設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中省略連接在多稜鏡401—側的高速 電機409及四個分光頭405、406、407、408)。本實施例的工作原理結合圖9所示說明如下 雷射器1輸出的連續雷射束2進入多稜鏡掃描機構4，通過第一透射式聚焦鏡404聚焦於 高速旋轉的多稜鏡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，並依次 掃過四個分光頭(圖中省略)，從而輸出4路脈衝雷射，並且同樣由於所述多稜鏡401的各 工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈衝雷射同時沿垂直於多稜鏡401的 旋轉方向快速擺動。從多稜鏡分光機構4內輸出的4路脈衝雷射束分別經4個集成聚焦頭 601、602、603、604進行聚焦。本實施例中同樣以第一集成聚焦頭601為例說明聚焦過程如 下進入第一集成聚焦頭601內的雷射脈衝經第二拋物面反射式聚焦鏡5變換後，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的焦點與多稜鏡401 工作面上的聚焦點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內緊密排列的N = 3個聚焦鏡901、902、903，並經它們聚焦 後形成N = 3個密集排布的脈衝式聚焦光點輸出。同實施例1一樣，K = 4個集成聚焦頭 則一共輸出KXN = 12個沿轉動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點。最終在數控機 床3對軋輥13轉速、多稜鏡401轉速、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個聚焦光點對軋輥13同時進行毛化加工，在軋輥13表面 形成KXN = 12條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布，具體如圖11所示。
實施例4 如圖2所示，本實施例提供的這種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化 加工裝置，其外部結構同實施例1，而區別在於它將實施例1的多稜鏡掃描機構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，並且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603、604的內部結構均進行了重新設計。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實施例在其內 部設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相對布置的多焦點聚 焦鏡14，所述多焦點聚焦鏡14具有N = 2個焦點，如圖10所示(圖10中省略連接在多稜 鏡401 —側的高速電機409及四個分光頭405、406、407、408)。本實施例的工作原理結合 圖10所示說明如下雷射器1輸出的連續雷射束2進入多稜鏡掃描機構4，通過第一透射 式聚焦鏡404聚焦於高速旋轉的多稜鏡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，並依次掃過四個分光頭(圖中省略)，從而輸出4路脈衝雷射，並且同樣由於 所述多稜鏡401的各工作面法線方向與其鏡軸a的夾角不一致，所述每路脈衝雷射同時沿 垂直於多稜鏡401的旋轉方向快速擺動。從多稜鏡分光機構4內輸出的4路脈衝雷射束分 別經4個集成聚焦頭601、602、603、604進行聚焦。本實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入第一集成聚焦頭601內的雷射脈衝經第二拋物面反射式聚焦 鏡5變換後，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的焦點與多稜鏡401工作面上的聚焦點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多焦點聚焦鏡14聚焦後形成N = 2個密集排布的脈衝式聚焦光 點輸出。同實施例1有所區別的是本實施例中的K = 4個集成聚焦頭一共輸出KXN = Sf沿轉動的軋輥13長度方向快速擺動的聚焦光點。最終在數控工具機3對軋輥13轉速、多稜 鏡401轉速、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個聚焦光點對軋輥13同時進行毛化加工，在軋輥13表面形成KXN = 8條非螺旋掃描 線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布，具體可參見圖11所示。 當然上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術 的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發 明主要技術方案的精神實質所做的等效變換或修飾 ，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，其特徵在於將高功率連續雷射器(1)輸出的連續雷射束(2)聚焦於一高速旋轉的且各工作面法線方向與鏡軸(a)夾角不一致的多稜鏡(401)的某個工作面上，經多稜鏡(401)掃描分光形成傳輸方向沿垂直於所述多稜鏡(401)的旋轉方向快速擺動的K路脈衝雷射束，再分別經由K個集成聚焦頭對所述K路脈衝雷射束進行聚焦後形成K×N個沿轉動的軋輥(13)長度方向快速擺動的聚焦光點，對軋輥(13)表面同時進行毛化加工，在軋輥(13)表面形成K×N條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布，其中N為單個集成聚焦頭對應輸出的聚焦光點數，K×N≥2。
2.根據權利要求1所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，其特徵在於按 下述具體步驟對軋輥表面實施毛化加工1)由數控工具機(3)上的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)裝夾軋輥(13)；2)啟動數控工具機(3)，使軋輥(13)按設定的轉速旋轉；3)使高功率連續雷射器(1)輸出的連續雷射束(2)進入安裝在數控工具機(3)工作平臺 (12)上的多稜鏡分光機構(4)內，並經第一聚焦鏡聚焦於高速旋轉且各工作面法線方向與 鏡軸(a)夾角不一致的多稜鏡(401)的工作面上；4)多稜鏡(401)的該工作面在高速旋轉過程中將連續雷射束(2)依次掃過K個分光 頭，K ≥ 1 ；每個分光頭在雷射掃過時接受一部分雷射，當雷射束依次掃過所有分光頭時相 當於給所有的分光頭分配一個雷射脈衝；多稜鏡(401)重複掃描時便將連續雷射束分成K 路脈衝雷射輸出，並且由於所述多稜鏡(401)的各工作面法線方向與其鏡軸(a)的夾角不 一致，所述每路脈衝雷射同時沿垂直於多稜鏡(401)的旋轉方向快速擺動；5)上述從多稜鏡分光機構(4)內輸出的K路脈衝雷射束分別經K個集成聚焦頭聚焦後 形成KXN個密集排布且沿轉動的軋輥(13)長度方向快速擺動的聚焦光點，N為單個集成 聚焦頭對應輸出的聚焦光點數，KXN ≥ 2 ；6)在數控工具機(3)對軋輥(13)轉速、多稜鏡(401)轉速、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個聚焦光點對軋輥(13)同時進行毛 化加工，在軋輥(13)表面形成KXN條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布。
3.一種用於實現如權利要求1所述加工方法的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加 工裝置，包括雷射器(1)和數控工具機(3)，所述數控工具機(3)的床身上裝有通過平移導軌 (303)驅動的工作平臺(12)和用於安裝軋輥(13)的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)，所述工 作平臺(12)上裝有多稜鏡分光機構(4)和集成聚焦機構；其中雷射器(1)為高功率連續 雷射器，所述多稜鏡分光機構(4)由第一聚焦鏡、多稜鏡(401)、驅動多稜鏡(401)旋轉的高 速電機(409)和K個分光頭組成，所述集成聚焦機構是一種由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，並可對應輸出N個聚焦光點，KXN≥ 2 ；其特徵在於所述多稜鏡(401)的各工作面法 線方向與鏡軸(a)夾角不一致。
4.根據權利要求3所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於所 述多稜鏡(401)的面數M≥5。
5.根據權利要求3所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於所 述第一聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
6.根據權利要求3所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於所 述每個集成聚焦頭內均設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.根據權利要求3所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於所 述每個集成聚焦頭內均設有第二聚焦鏡和與第二聚焦鏡相對布置的多焦點聚焦鏡，該多焦 點聚焦鏡具有N個焦點。
8.根據權利要求3所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於所 述每個集成聚焦頭內均設有第二聚焦鏡、位於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於所述N個反射鏡的反射光路上的第三聚焦鏡。
9.根據權利要求6或7或8所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特 徵在於所述第二聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
10.根據權利要求3所述的聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於 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
本發明公開了一種聚焦光點擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，其特徵是將高功率連續雷射器輸出的連續雷射束聚焦於一高速旋轉的且各工作面法線方向與鏡軸夾角不一致的多稜鏡的某個工作面上，經其掃描分光形成傳輸方向沿垂直於所述多稜鏡的旋轉方向快速擺動的K路脈衝雷射束，再分別經由K個集成聚焦頭對所述K路脈衝雷射束進行聚焦後形成K×N個沿轉動的軋輥長度方向快速擺動的聚焦光點，對軋輥表面同時進行毛化加工，在軋輥表面形成K×N條非螺旋掃描線點陣交錯排布的無規律毛化坑分布。其中K≥1，而N為單個集成聚焦頭對應輸出的聚焦光點數，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 優先權日2010年3月31日
發明者孫長東, 王焄, 羅曦, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海雷射科技有限公司