專利名稱：高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于輥類表面激光毛化處理領(lǐng)域，特別涉及一種高功率激光輥類表面 單頭集成聚焦毛化加工裝置。
背景技術(shù)：
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(yīng)用的重要原材料，毛化鋼板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是軋輥表面毛化，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)中實用而又先 進(jìn)的一種毛化技術(shù)。目前激光軋輥毛化技術(shù)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)研制成功且用于生產(chǎn)的CO2激光毛化裝置的基本原理是C02激光器發(fā) 射出的高能連續(xù)激光束經(jīng)光調(diào)制轉(zhuǎn)盤(斬光盤)變換成脈沖激光束；利用聚焦透鏡將變換 后的脈沖激光束聚焦于被加工的軋輥表面進(jìn)行毛化；加工過程中，軋輥旋轉(zhuǎn)的同時，激光 頭與光學(xué)發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)沿軋輥長度方向移動，在軋輥表面加工出螺旋形規(guī)則分布的微小毛 化坑。例如華中科技大學(xué)激光院研制的大型CO2激光軋輥毛化加工成套系統(tǒng)。但由于該 系統(tǒng)采用了光調(diào)制轉(zhuǎn)盤技術(shù)，只有很少一部分激光輸出能量能夠得到有效地利用，因而其 能量利用效率不高；且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備體積龐大、相對造價較高。上述CO2激光毛化設(shè) 備由于能量利用率比較低，因此其加工效率與電火花毛化設(shè)備相比有一定差距。近年來， 基于斬光盤光束調(diào)制原理的此類激光毛化技術(shù)，其主要發(fā)展集中體現(xiàn)在通過設(shè)計不同結(jié) 構(gòu)形式的光調(diào)制轉(zhuǎn)盤(斬光盤)，以提高激光能量利用率。例如中國專利“一種用于激光 調(diào)制的轉(zhuǎn)盤”(專利號ZL94218749.0)與中國專利“分光式激光毛化調(diào)制裝置”(專利號 ZL200710041118. 9)。YAG激光毛化裝置的基本原理是采用聲光調(diào)Q的Nd: YAG激光器作為脈沖激光發(fā) 生源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光束經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后，直接作用于被加工的軋輥表面進(jìn) 行毛化；通過控制調(diào)Q頻率與軋輥的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。例如 中國科學(xué)院力學(xué)研究所在九十年代研究開發(fā)的“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)，就是采用聲光調(diào)Q的Nd: YAG激光器作為加工光 源的。其缺點是由于所使用的聲光調(diào)Q脈沖Nd: YAG激光器的平均功率較低，毛化效果有 限，生產(chǎn)效率低，難以滿足大型鋼廠的生產(chǎn)需要。為了克服上述激光毛化技術(shù)的不足，本實用新型專利申請人發(fā)明了一種高功率激 光輥類表面多頭毛化加工方法及裝置，其方法的基本特征是利用高功率連續(xù)激光器輸出 連續(xù)激光束；通過多棱鏡分光機(jī)構(gòu)對該連續(xù)激光束進(jìn)行調(diào)制，使其分成K(>2)路脈沖激光 束；利用K個獨(dú)立的聚焦頭分別對K路脈沖激光束進(jìn)行聚焦后輸出，對輥類表面同時進(jìn)行多 頭(K個聚焦頭)毛化加工，在輥類表面形成K條螺旋掃描線點陣毛化坑分布?；诖朔椒?的高功率激光輥類表面多頭毛化加工裝置可以同時實現(xiàn)多頭毛化加工，加工效率高；激光
3能量利用效率高，且對激光功率沒有限制；但該裝置若要進(jìn)一步提高加工效率，則必須進(jìn)一 步增加聚焦頭的數(shù)量，這會使裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。上述發(fā)明已于2006年申報國家發(fā)明專利(申請?zhí)?00610018261. 1)與實用新型 專利(申請?zhí)?00620095100.8)。目前，發(fā)明專利“高功率激光輥類表面多頭毛化加工方 法及其裝置”已獲授權(quán)(專利號ZL200610018261. 1)，且實用新型專利“高功率激光輥類表 面多頭毛化加工裝置”已獲授權(quán)(專利號ZL200620095100. 8)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是提供一種高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置， 該裝置在上述已授權(quán)專利“高功率激光輥類表面多頭毛化加工方法及其裝置”(專利號 ZL200610018261. 1)的基礎(chǔ)上，擬采用集成聚焦頭技術(shù)，將多個分離的聚焦頭簡化為一個可 對應(yīng)輸出K ^ 2個聚焦光點的獨(dú)立的集成聚焦頭，以便達(dá)到簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)與提高加工效率 的目的。本實用新型的技術(shù)方案是一種高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝 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)動的工作平臺及 與平移導(dǎo)軌平行的用于安裝軋輥工件的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖；所述工作平臺上裝有多棱鏡掃描 機(jī)構(gòu)和集成聚焦頭；所述集成聚焦頭內(nèi)設(shè)有K個緊密排列的聚焦透鏡，可對應(yīng)輸出K個聚焦 光點，在軋輥工件表面同時形成K條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K > 2。本實用新型中，同現(xiàn)有技術(shù)一樣，所述激光器為高功率連續(xù)激光器，例如高功率連 續(xù)CO2激光器或者高功率連續(xù)Nd:YAG激光器；而所述多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)由第一聚焦鏡、第二 聚焦鏡、多棱鏡以及帶動多棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)組成。上述高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，所述多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)中的 第一聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。上述高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，所述多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)中的 第二聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。上述高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，所述多棱鏡的面數(shù)N > 5， 且其每個工作表面均為全反射面。本實用新型的工作原理如下激光器發(fā)出的連續(xù)激光束進(jìn)入多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)，通 過第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉(zhuǎn)的多棱鏡的某個工作面上，形成扇形的掃描光束，該發(fā)散的 反射掃描光束經(jīng)第二聚焦鏡變換后，形成具有一定掃描寬度的平行掃描光束；所述平行掃 描光束經(jīng)由集成聚焦頭內(nèi)的K > 2個緊密排列的聚焦透鏡聚焦后，最終對應(yīng)輸出K > 2個 聚焦光點，在軋輥工件表面同時形成K > 2條螺旋掃描線點陣毛化坑分布。同現(xiàn)有技術(shù)一樣，本實用新型工作時，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數(shù)控車床。本實用新型在具體工作時，所述集成聚焦頭的光軸與軋輥工件表面垂直，并且其 輸出的K > 2個聚焦光點在軋輥工件表面形成的K ^2條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，掃 描線點陣的縱向點間距b = 50 500 μ m,橫向點間距Δ X = 50 500 μ m，掃描線螺距P=KX ΔΧ。本實用新型的優(yōu)點是本實用新型與已授權(quán)的發(fā)明專利(專利號ZL200610018261. 1)相比較，主要區(qū)別 如下已授權(quán)的專利采用κ( > 2)個獨(dú)立的聚焦頭，每個聚焦頭對應(yīng)一路脈沖激光輸出，因 而在軋輥表面形成K個聚焦光點，對其同時進(jìn)行毛化加工；而本實用新型采用集成聚焦頭 技術(shù)，利用一個獨(dú)立的集成聚焦頭便能夠?qū)?yīng)輸出Κ( > 2)路脈沖激光，在確保加工效率不 變的情況下，使得裝置整體的結(jié)構(gòu)得到大大簡化。具體優(yōu)點如下1.利用單個集成聚焦頭輸出多個聚焦光點，可以同時實現(xiàn)多聚焦光點毛化加工， 并且在技術(shù)上對激光功率沒有限制，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 算機(jī)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)輥面毛化坑的多種分布，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。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步描述


圖1為本實用新型整體外部通用結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一種具體實施例的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)和集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖3為第二具體實施例的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)和集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖4為第三具體實施例的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)和集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖5為本實用新型在軋輥工件表面產(chǎn)生的毛化坑分布示意圖。
具體實施方式
實施例1 首先如
圖1所示，本實施例提供的這種高功率激光輥類表面單頭集成聚 焦毛化加工裝置，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及與平移導(dǎo)軌303平行的用于安裝軋 輥工件13的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302 ；所述工作平臺12上裝有多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4和集成 聚焦頭6。本實施例中所述激光器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)實際需要選擇其它種類的激光器，
5例如Nd:YAG激光器)。如圖2所示，本實施例中所述多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4由第一透射式聚焦鏡402、第二拋 物面反射式聚焦鏡5、多棱鏡401以及帶動多棱鏡401旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)404(高速電機(jī)404 在圖2中省略)共同組成。本實施例中多棱鏡401面數(shù)N = 7，每個工作面均為全反射面。 多棱鏡一側(cè)與高速電機(jī)404相連，在高速電機(jī)404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)404的轉(zhuǎn)速為η = 0. 3 5萬轉(zhuǎn)/分。所述第二拋物面反射式聚焦鏡5的焦 點與多棱鏡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。本 實用新型的核心技術(shù)在于對集成聚焦頭6的設(shè)計，以實現(xiàn)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。本實施例中的集成聚焦頭6在內(nèi)部設(shè)置有緊密排列的K = 3個聚焦透鏡901,902,903ο結(jié)合
圖1、圖2和圖5所示，對本實施例的工作原理進(jìn)行說明待加工的軋輥工件13由數(shù)控機(jī)床3上的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302裝夾，并由軋輥 轉(zhuǎn)軸301帶動旋轉(zhuǎn)。所述工作平臺12可作三維運(yùn)動，其運(yùn)動由數(shù)控機(jī)床3控制。多棱鏡掃 描機(jī)構(gòu)4和集成聚焦頭6隨工作平臺12 —起移動，且集成聚焦頭6的光軸與軋輥工件13 的表面垂直。所述激光器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402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；該發(fā)散的反射掃描光束經(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△ L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)；該平行掃描光束直接進(jìn) 入所述集成聚焦頭6，并依次掃過緊密排列的K = 3個聚焦透鏡901、902、903，經(jīng)這3個聚 焦透鏡901、902、903聚焦后輸出K = 3個聚焦光點。在數(shù)控機(jī)床3對軋輥工件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K = 3個聚焦光點對軋輥工件13 同時進(jìn)行毛化加工，使軋輥工件13表面形成K = 3條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，具體如 圖5所示，該掃描線點陣的縱向點間距根據(jù)軋輥工件13表面粗糙度要求可設(shè)為b = 50 500 μ m,橫向點間距Δ X根據(jù)軋輥工件13表面粗糙度要求也可設(shè)為50 500 μ m,掃描線螺 距 P = KX ΔΧ, K = 3。實施例2 如
圖1所示，本實施例提供的這種高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛 化加工裝置，其外部結(jié)構(gòu)同實施例1，而區(qū)別在于它將實施例1的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4中的第 二拋物面反射式聚焦鏡5替換成了第二透射式聚焦鏡7，如圖3所示(圖3中依舊省略連接 在多棱鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)404)。故在其具體工作時，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402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；該發(fā)散的反射掃描光束經(jīng)第二透射式聚 焦鏡7變換后形成具有一定掃描寬度△ L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 平行掃描光束經(jīng)集成聚焦頭6聚焦后最終對應(yīng)輸出K = 3個聚焦光點，在軋輥工件13表面 同時形成K = 3條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，如圖5所示。本實施例其余均同實施例1。實施例3 如
圖1所示，本實施例提供的這種高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛 化加工裝置，其外部結(jié)構(gòu)同實施例1，而區(qū)別在于它將實施例1的多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4中的第 一透射式聚焦鏡402替換成了第一反射式聚焦鏡403，第二拋物面反射式聚焦鏡5替換成了
6第二透射式聚焦鏡7，如圖4所示(圖4中未省略連接在多棱鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)404)。 故其具體工作時，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，通過第一反射式聚 焦鏡403反射聚焦于高速旋轉(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；該發(fā)散的反射掃描光束經(jīng)第二透射式聚焦鏡7變換后形成具有一定掃描寬 度Δ L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)；所述平行掃描光束經(jīng)集成聚焦頭6聚焦 后最終對應(yīng)輸出K = 3個聚焦光點，在軋輥工件13表面同時形成K = 3條螺旋掃描線點陣 毛化坑分布，如圖5所示。本實施例其余均同實施例1。上述三個實施例均利用單個集成聚焦頭6來實現(xiàn)多聚焦光點輸出，加工速 度等同于已授權(quán)專利“高功率激光輥類表面多頭毛化加工方法及其裝置”(專利號 ZL200610018261. 1)中三頭加工的速度，但裝置結(jié)構(gòu)卻得到了大大簡化。另外值得一提的是 本實用新型采用單個集成聚焦頭6直接對準(zhǔn)軋輥工件13中心的加工方式，特別適合于對小 直徑軋輥工件進(jìn)行毛化加工。當(dāng)然上述實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項 技術(shù)的人能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護(hù)范 圍。凡根據(jù)本實用新型主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實 用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，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)及與平移導(dǎo)軌(303)平行的用于安裝軋輥工件(13)的軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)；所述工作平臺(12)上裝有多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)(4)和集成聚焦頭(6)；其特征在于所述集成聚焦頭(6)內(nèi)設(shè)有K個緊密排列的聚焦透鏡，可對應(yīng)輸出K個聚焦光點，在軋輥工件(13)表面同時形成K條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K≥2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，其特征在 于所述激光器(1)為高功率連續(xù)激光器，而所述多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)(4)由第一聚焦鏡、第二 聚焦鏡、多棱鏡(401)以及帶動多棱鏡(401)旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)(404)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，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。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，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。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，其特征在 于所述多棱鏡(401)的面數(shù)N > 5，且其每個工作表面均為全反射面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，其特征在 于所述螺旋掃描線點陣毛化坑分布的縱向點間距b = 50 500μπι，橫向點間距ΔΧ = 50 500 μ m,掃描線螺距P = KX Δ X。
專利摘要本實用新型公開了一種高功率激光輥類表面單頭集成聚焦毛化加工裝置，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)動的工作平臺及與平移導(dǎo)軌平行的用于安裝軋輥工件的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖；所述工作平臺上裝有多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)和集成聚焦頭；所述集成聚焦頭內(nèi)設(shè)有K個緊密排列的聚焦透鏡，可對應(yīng)輸出K個聚焦光點，在軋輥工件表面同時形成K條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K≥2。本實用新型將原先多個分離的聚焦頭簡化為一個可對應(yīng)輸出K≥2個聚焦光點的獨(dú)立的集成聚焦頭，在確保加工效率的同時，達(dá)到了簡化裝置的目的。
文檔編號B23K26/42GK201752819SQ201020185340
公開日2011年3月2日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11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