專利名稱：聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于輥類表面激光毛化處理領域，特別涉及一種聚焦光點擺動式輥類表面 激光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制造業(yè)中，特別是在汽車與家電產業(yè)中有 著廣泛的應用。毛化冷軋薄鋼板是由表面經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。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。激光毛化技術是將聚焦后的高能量、高重復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。其基本原理是對經過特殊調制的 高能量密度(IO4 106W/cm2)、高重復頻率(IO3 IO4次/秒)的脈沖激光束進行聚焦，并 使其作用于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；短激光脈沖作用后，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(huán)形凸臺結構的相變硬化點。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。其共同特點是采用聲光調Q 的Nd: YAG激光器或經特殊調制的CO2激光器作為脈沖激光加工源，由光源輸出的脈沖激光 經激光加工頭聚焦后，作用于以一定轉速旋轉的軋輥表面；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“用于軋輥表面毛化的激光加工設備”(專利號ZL94220848. X)與中國專利 “分光式激光毛化調制裝置”(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(guī)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的直線 劃痕。仔細觀察這些劃痕，發(fā)現(xiàn)絕大部分劃痕出現(xiàn)在對應軋輥表面兩圈毛化坑之間的一條 直線形空白區(qū)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(qū)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)明內容
本發(fā)明目的是為解決現(xiàn)有技術存在的問題而提供一種聚焦光點擺動式輥類表面 激光毛化加工方法，該方法可以實現(xiàn)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出來 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(fā)明的技術方案如下一種聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工方法，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的且轉軸與鏡軸不重合 的多棱鏡的某個工作面上，分光形成傳輸方向沿垂直于所述多棱鏡的旋轉方向快速擺動的 K路脈沖激光束，再分別經由K個集成聚焦頭對所述K路脈沖激光束進行聚焦后形成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(guī)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(shù)，KXN ^ 2。本發(fā)明的上述聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工方法，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(shù)控機床上的軋輥轉軸和頂尖裝夾軋輥；2)啟動數(shù)控機床，使軋輥按設定的轉速旋轉；3)使高功率連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光束進入安裝在數(shù)控機床工作平臺上的多 棱鏡分光機構內，并經第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉且轉軸與鏡軸不重合的多棱鏡的某個工 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，當激光束依次掃過所有分光頭時相當于 給所有的分光頭分配一個激光脈沖；多棱鏡重復掃描時便將連續(xù)激光束分成K路脈沖激光 輸出，并且由于所述多棱鏡的轉軸與鏡軸不重合，所述每路脈沖激光同時沿垂直于多棱鏡 的旋轉方向快速擺動；5)上述從多棱鏡分光機構內輸出的K路脈沖激光束分別經K個集成聚焦頭聚焦后 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(shù)，KXN > 2 ；6)在數(shù)控機床對軋輥轉速、多棱鏡轉速、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(guī)律毛化坑分布。本發(fā)明同時提供一種能夠實現(xiàn)上述加工方法的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛 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(guī)律毛化坑分 布，并且結構簡單、激光能量利用率高。一種聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，包括激光器和數(shù)控機床，所述 數(shù)控機床的床身上裝有通過平移導軌驅動的工作平臺和用于安裝軋輥的軋輥轉軸和頂尖， 所述工作平臺上裝有多棱鏡分光機構和集成聚焦機構；其中激光器為高功率連續(xù)激光 器，所述多棱鏡分光機構由第一聚焦鏡、多棱鏡、驅動多棱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個具有多點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，并可對應輸出N個聚焦 光點，KXN ^ 2 ；所述多棱鏡的轉軸與鏡軸不重合。上述聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置中，所述多棱鏡的面數(shù)M > 5。上述聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置中，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輥類表面激光毛化加工裝置中，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?；蛘?，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?；蛘?，所述每個集成聚焦頭內均設有第二聚焦鏡、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。上述聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置中，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輥類表面激光毛化加工裝置中，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輥類表面激光毛化加工裝置在具體工作時，同常規(guī)技術一 樣，待加工的軋輥工件由數(shù)控機床上的軋輥轉軸和頂尖裝夾，并由軋輥轉軸帶動旋轉，其轉 速由數(shù)控機床控制。數(shù)控機床上的工作平臺可作三維運動，其平移速度由數(shù)控機床控制。同 樣地，驅動多棱鏡旋轉的高速電機，其轉速也由數(shù)控機床控制。所述數(shù)控機床采用現(xiàn)有的設 備，例如XL9型數(shù)控車床。本發(fā)明的優(yōu)點是1.本發(fā)明方法及裝置由于采用特殊設計的多棱鏡，實現(xiàn)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(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。2.同時本發(fā)明提供的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置還具有如下優(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。由于激光加工集成聚焦頭是多個，所以可以同時實現(xiàn)多頭毛化加工；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，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，不需要采用光調制轉盤或進行聲光調Q以獲得脈沖激光輸出，因此激光能量利 用率高。并且結構簡單、體積小、成本低，使用壽命長，生產維護容易。(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)作 為加工光源，激光功率能夠充分利用，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)多棱鏡掃描機構中可進一步采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(wěn)定。(5)由于數(shù)控機床采用的是三軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)與激光輸出功率和脈沖頻率的計 算機控制相結合，所以能夠在線調節(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)輥面毛化坑的多種分布，產品質量好。總之，本發(fā)明所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置激光能量利用率 高、整體結構簡單、使用壽命長，并且工作穩(wěn)定，加工效率高、產品質量好。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖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)明一種具體實施例的外部結構示意圖；圖3為圖2實施例中多棱鏡分光機構的結構示意圖；圖4為圖3中多棱鏡實現(xiàn)多聚焦光點擺動的原理圖(所述多棱鏡的轉軸與鏡軸不 重合)；圖5為圖4中所述多棱鏡的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(xiàn)原理圖；圖8為本發(fā)明裝置第二種具體實施例的單個集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖9為本發(fā)明裝置第三種具體實施例的單個集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖10為本發(fā)明裝置第四種具體實施例的單個集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖11為本發(fā)明提供的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置在軋輥表面形 成的無規(guī)律毛化坑分布。
具體實施例方式實施例1 如圖2所示為本發(fā)明聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置的一 種具體實施方式
，它包括激光器1和數(shù)控機床3，所述數(shù)控機床3采用常規(guī)的XL9型數(shù)控機床，其床身上裝有通過平移導軌303驅動的工作平臺12和用于安裝軋輥13的軋輥轉軸301 和頂尖302，并且所述軋輥轉軸301和頂尖302與平移導軌303平行。所述工作平臺12上 裝有多棱鏡掃描機構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， 激光輸出波長為10. 6 μ m(當然也可以根據(jù)實際需要選擇其它種類的激光器，例如Nd:YAG 激光器)。 如圖3所示，本實施例中所述多棱鏡掃描機構4由第一反射式聚焦鏡403、多棱鏡 402、驅動多棱鏡402旋轉的高速電機409和四個分光頭405、406、407、408共同組成。多棱 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(shù)控機床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，本實施例中所述多棱 鏡402面數(shù)M = 8，每個工作面均為全反射面，且其轉軸b與鏡軸a不重合。所述四個分光 頭405、406、407、408緊密排列，對應多棱鏡402 —個工作面的反射區(qū)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，N= 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，對采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(shù)控機床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(shù)控機床3，使軋輥13按設定的轉速旋轉。同常規(guī)技術一樣，所述軋輥13 由軋輥轉軸301帶動旋轉，轉速由數(shù)控機床3控制；而所述工作平臺12可作三維運動，其運 動也由數(shù)控機床3控制，多棱鏡掃描機構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(xù)激光器1輸出的連續(xù)激光束2進入多棱鏡分光機構4內，并經第 一反射式聚焦鏡403聚焦于高速旋轉且轉軸b與鏡軸a不重合的多棱鏡402的某個工作面 上，具體如圖3所示。4)多棱鏡402的該工作面在高速旋轉過程中將連續(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，當激光束依次掃過所有分光頭時相當于給所有的分光頭分配一個激光脈 沖。多棱鏡402重復掃描時便將連續(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402的轉軸b與鏡軸a不重合，故當多棱鏡402高速旋轉時，所述每路脈 沖激光同時沿垂直于多棱鏡402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中省略連接在多棱鏡402 —側的高速電機409及四個分光 頭404、405、407、408)所示，上述從多棱鏡分光機構內輸出的4路脈沖激光束分別經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，并結合圖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內的激光脈沖首先經第二透射式聚焦鏡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 402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N = 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沖激光束，這些脈沖激光 束進而經第三透射式聚焦鏡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(shù)控機床3對軋輥13轉速、多棱鏡402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(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輥類表面激光毛化 加工裝置，其外部結構同實施例1，而區(qū)別在于它將實施例1的多棱鏡掃描機構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，并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中省略連接在多棱鏡402 —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所示說明如下激光器1輸出的 連續(xù)激光束2進入多棱鏡掃描機構4，通過第一透射式聚焦鏡404聚焦于高速旋轉的多棱 鏡402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402的轉軸b與鏡軸a不 重合，所述每路脈沖激光會沿垂直于多棱鏡402的旋轉方向快速擺動。從多棱鏡分光機構 4內輸出的4路脈沖激光束分別經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內的激光 脈沖經第二透射式聚焦鏡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402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，并經它們聚焦后形成N = 3個密集排布的脈沖式聚焦光點輸出。同實施 例1 一樣，K = 4個集成聚焦頭則一共輸出K XN= 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(shù)控機床3對軋輥13轉速、多棱鏡402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(guī)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輥類表面激光毛化 加工裝置，其外部結構同實施例1，而區(qū)別在于它將實施例1的多棱鏡掃描機構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，并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中省略連接在多棱鏡402 —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 激光器1輸出的連續(xù)激光束2進入多棱鏡掃描機構4，通過第一透射式聚焦鏡404聚焦于 高速旋轉的多棱鏡402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402的轉 軸b與鏡軸a不重合，所述每路脈沖激光會沿垂直于多棱鏡402的旋轉方向快速擺動。從 多棱鏡分光機構4內輸出的4路脈沖激光束分別經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內的激光脈沖經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的焦點與多棱鏡402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，并經它們聚焦后形成N = 3個密 集排布的脈沖式聚焦光點輸出。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(shù)控機床3對軋輥13轉速、 多棱鏡402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(guī)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輥類表面激光毛化 加工裝置，其外部結構同實施例1，而區(qū)別在于它將實施例1的多棱鏡掃描機構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，并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中省略連接在多棱 鏡402 —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所示說明如下激光器1輸出的連續(xù)激光束2進入多棱鏡掃描機構4，通過第一透射 式聚焦鏡404聚焦于高速旋轉的多棱鏡402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402的轉軸b與鏡軸a不重合，所述每路脈沖激光會沿垂直于多棱鏡402的 旋轉方向快速擺動。從多棱鏡分光機構4內輸出的4路脈沖激光束分別經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內的激光脈沖經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的焦點與多棱鏡402 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聚焦后形成N= 2個密集排布的脈沖式聚焦光點輸出。同實施例1 有所區(qū)別的是本實施例中的K = 4個集成聚焦頭一共輸出KXN = S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(shù)控機床3對軋輥13轉速、多棱鏡402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 = S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(guī)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(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術 的人能夠了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā) 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(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工方法，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)聚焦于一高速旋轉的且轉軸(b)與鏡軸(a)不重合的多棱鏡(402)的某個工作面上，經多棱鏡(402)掃描分光形成傳輸方向沿垂直于所述多棱鏡(402)的旋轉方向快速擺動的K路脈沖激光束，再分別經由K個集成聚焦頭對所述K路脈沖激光束進行聚焦后形成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(guī)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(shù)，K×N≥2。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工方法，其特征在于按 下述具體步驟對軋輥表面實施毛化加工1)由數(shù)控機床(3)上的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)裝夾軋輥(13)；2)啟動數(shù)控機床(3)，使軋輥(13)按設定的轉速旋轉；3)使高功率連續(xù)激光器(1)輸出的連續(xù)激光束(2)進入安裝在數(shù)控機床(3)工作平臺 (12)上的多棱鏡分光機構(4)內，并經第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉且轉軸(b)與鏡軸(a) 不重合的多棱鏡(402)的某個工作面上；4)多棱鏡(402)的該工作面在高速旋轉過程中將連續(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，當激光束依次掃過所有分光頭時相 當于給所有的分光頭分配一個激光脈沖；多棱鏡(402)重復掃描時便將連續(xù)激光束分成K 路脈沖激光輸出，并且由于所述多棱鏡(402)的轉軸(b)與鏡軸(a)不重合，所述每路脈沖 激光同時沿垂直于多棱鏡(402)的旋轉方向快速擺動；5)上述從多棱鏡分光機構(4)內輸出的K路脈沖激光束分別經K個集成聚焦頭聚焦后 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(shù)，KXN > 2 ；6)在數(shù)控機床(3)對軋輥(13)轉速、多棱鏡(402)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(guī)律毛化坑分布。
3.一種用于實現(xiàn)如權利要求1所述加工方法的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加 工裝置，包括激光器(1)和數(shù)控機床(3)，所述數(shù)控機床(3)的床身上裝有通過平移導軌 (303)驅動的工作平臺(12)和用于安裝軋輥(13)的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)，所述工 作平臺(12)上裝有多棱鏡分光機構(4)和集成聚焦機構；其中激光器(1)為高功率連續(xù) 激光器，所述多棱鏡分光機構(4)由第一聚焦鏡、多棱鏡(402)、驅動多棱鏡(402)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，并可對應輸出N個聚焦光點，KXN彡2 ；其特征在于所述多棱鏡(402)的轉軸(b)與 鏡軸(a)不重合。
4.根據(jù)權利要求3所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，其特征在于所 述多棱鏡(402)的面數(shù)M彡5。
5.根據(jù)權利要求3所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，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)權利要求3所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，其特征在于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(jù)權利要求3所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，其特征在于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(jù)權利要求3所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，其特征在于所述每個集成聚焦頭內均設有第二聚焦鏡、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)權利要求6或7或8所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，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)權利要求3所述的聚焦光點擺動式輥類表面激光毛化加工裝置，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，且所述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擺動式輥類表面激光毛化加工方法，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的且轉軸與鏡軸不重合的多棱鏡的某個工作面上，經其掃描分光形成傳輸方向沿垂直于所述多棱鏡的旋轉方向快速擺動的K路脈沖激光束，再分別經由K個集成聚焦頭對所述K路脈沖激光束進行聚焦后形成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(guī)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(shù)，K×N≥2。本方法處理的軋輥在軋制鋼板時，避免了在鋼板的長度方向上形成劃痕，提高了鋼板的軋制質量。
文檔編號B23K26/00GK101804505SQ20101014015
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權日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