專利名稱：軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料的表面加工設(shè)備。
背景技術(shù)：
優(yōu)質(zhì)的冷軋薄鋼板表面要求具有一定的粗糙度形貌，以改善鋼板的成型性能和涂鍍性能。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋薄板，首先要對(duì)軋機(jī)工作輥表面進(jìn)行毛化造形，然后軋機(jī)使用毛化軋輥軋制出所需粗糙度形貌的冷軋毛化薄板。目前，軋輥的毛化技術(shù)包括噴丸毛化(SBT)、電火花毛化(EDT)、激光毛化(LT)和電子束毛化(EBT)，噴丸毛化是用壓縮空氣把硬質(zhì)鋼砂高速噴射到軋輥表面，依靠鋼砂的動(dòng)能沖擊使軋輥表面塑性變形而改變表面形貌；電火花毛化是用多對(duì)電極，在電介質(zhì)油液中對(duì)軋輥表面放電熔凝造形；激光毛化技術(shù)又分為兩種，CO2激光毛化是采用高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械斬波器阻斷聚焦的激光束形成脈沖激光，對(duì)軋輥表面進(jìn)行熔凝毛化。YAG激光毛化是通過聲一光調(diào)Q開關(guān)控制激光腔內(nèi)的增益，從而形成高重復(fù)頻率脈沖激光束對(duì)軋輥表面實(shí)現(xiàn)毛化，如本申請(qǐng)人在1992年提出的專利申請(qǐng)；電子束毛化是用電子槍產(chǎn)生電子束，經(jīng)磁透鏡聚焦對(duì)輥面實(shí)行毛化，毛化系統(tǒng)和軋輥必須在真空環(huán)境下加工。以上毛化方法從軋輥表面毛化的粗糙形貌看，其表面形貌結(jié)構(gòu)又分為兩類隨機(jī)分布毛化和可控分布毛化，噴丸毛化及電火花毛化屬不可控的隨機(jī)分布毛化，而激光毛化和電子束毛化屬于可控分布毛化。
軋輥的隨機(jī)分布毛化，是由高速噴射砂丸反復(fù)撞擊輥面或通過多對(duì)電極在介質(zhì)油中反復(fù)向輥面多次放電熔凝而成，由于毛化過程不可控制，輥面的作用強(qiáng)化點(diǎn)常有重疊，粗糙度均勻性較差，而且強(qiáng)化點(diǎn)之間存在大量連通的微細(xì)溝槽，不利于受力狀況下潤(rùn)滑油、液的儲(chǔ)存，在板材成型時(shí)，不利于材料變形流動(dòng)，在一定程度上影響了深沖性能。
采用激光束和電子束對(duì)軋輥表面的可控毛化，由于激光和真空中的電子束均是直線傳播，方向性極佳，在計(jì)算機(jī)控制下，每個(gè)毛化點(diǎn)在輥面上的作用位置可精確控制，因此毛化粗糙度的均勻性好。同時(shí)，毛化點(diǎn)為均布的孤立微坑存在，每個(gè)微坑儲(chǔ)油潤(rùn)滑不易流失，在板材成形時(shí)能有效降低摩擦系數(shù)，提高深沖和涂鍍性能。因此在開發(fā)生產(chǎn)高質(zhì)量冷軋薄板帶箔時(shí)，可控分布毛化技術(shù)越來越顯示出優(yōu)勢(shì)。但可控分布毛化，均是采用單束光(或電子束)毛化，其毛化速度不如噴丸毛化和電火花毛化(往往采用多對(duì)電極放電)快。特別是固態(tài)YAG激光毛化調(diào)制高重復(fù)頻率所必須的聲一光Q開關(guān)受驅(qū)動(dòng)功率限制，難使激光毛化激光器功率進(jìn)一步提高，以滿足軋輥更高速毛化和高粗糙度毛化的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種速度快、指向性好、工作頻率高、功率大、毛化分布的均勻性可控制性好的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，該裝置包括脈沖電源、高重頻脈沖激光發(fā)生器、放電電極、控制裝置，所述脈沖電源的兩極分別連接所述待加工軋輥及放電電極，所述放電電極設(shè)置于靠近所述激光發(fā)生器的激光焦點(diǎn)處，并且所述放電電極與待加工軋輥之間留有間距，所述控制裝置控制所述脈沖電源及所述高重頻脈沖激光發(fā)生器的工作。
進(jìn)一步，所述高重頻脈沖激光發(fā)生器包括依次連接的聲光驅(qū)動(dòng)電源、激光器、反射鏡、聚焦透鏡，所述聲光驅(qū)動(dòng)電源與所述控制裝置相連接。
進(jìn)一步，所述激光器為聲-光調(diào)Q的YAG激光器。
進(jìn)一步，所述脈沖電源為充放電電源，該充放電電源回路為一高壓回路和一低壓回路并聯(lián)而成。
進(jìn)一步，所述脈沖電源負(fù)極連接所述放電電極，正極連接所述待加工軋輥。
進(jìn)一步，所述放電電極為針狀電極。
進(jìn)一步，所述放電電極為旋轉(zhuǎn)電極，該旋轉(zhuǎn)電極包括圓盤電極及與圓盤電極相連接的驅(qū)動(dòng)裝置，所述圓盤電極圓弧邊緣斷面為尖角形狀。
進(jìn)一步，所述尖角為20-30度。
進(jìn)一步，所述反射鏡上鍍有可使可見光透過的光學(xué)鍍層，在所述反射鏡下方設(shè)有攝象頭，該攝象頭連接所述控制裝置。
進(jìn)一步，該裝置還包括軋輥夾持機(jī)構(gòu)，該軋輥夾持機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)軌、溜板，旋轉(zhuǎn)軸固定于導(dǎo)軌一端，溜板與導(dǎo)軌相匹配并可相對(duì)導(dǎo)軌滑動(dòng)，所述反射鏡、聚焦透鏡、放電電極均固定于溜板上，待加工軋輥固定于旋轉(zhuǎn)軸上。
采用上述結(jié)構(gòu)后，由于該軋輥表面毛化裝置包括脈沖電源、高重頻脈沖激光發(fā)生裝置、放電電極及控制裝置，在控制裝置的的控制下，脈沖激光發(fā)生裝置輸出的脈沖激光束聚焦到待加工軋輥的輥面上，使輥面上產(chǎn)生等離子體羽，誘導(dǎo)放電電極向待加工軋輥表面放電，形成熔凝斑。本發(fā)明保留了激光的指向性好、毛化分布與均勻性可控制性好、工作頻率高，和放電電源的放電功率可根據(jù)需要提高的優(yōu)點(diǎn)，因此本裝置達(dá)到了毛化功率大、頻率高的效果，同時(shí)又克服了可控性差的問題，及單純YAG激光毛化能量轉(zhuǎn)換效率低、功率難以提高等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，單獨(dú)的激光毛化、電火花毛化后輥面粗糙度Ra難以達(dá)到5.0μm，而本發(fā)明的高重頻YAG激光誘導(dǎo)定向放電毛化方法，可使輥面毛化粗糙度Ra在1.5-14.0μm大范圍可控。另外，所述高重頻脈沖激光發(fā)生器中包含有反射鏡，在反射鏡下方設(shè)有CCD攝象頭，CCD攝象頭連接控制裝置，因此CCD攝象頭將采集到的軋輥表面的圖象輸入計(jì)算機(jī)，可對(duì)軋輥表面的形貌特征進(jìn)行顯示觀察，同時(shí)也可用于觀察調(diào)節(jié)聚焦透鏡相對(duì)于軋輥輥面的位置，使整個(gè)毛化過程更加可控；放電電極采用旋轉(zhuǎn)電極后，在高重頻脈沖激光誘導(dǎo)放電過程中，由于圓盤的不停轉(zhuǎn)動(dòng)，每次放電作用在圓盤邊緣的不同點(diǎn)上，這就大大減小了持續(xù)放電造成的電極尖端的過熱燒蝕現(xiàn)象，另外，以圓盤的圓周代替針狀電極的尖端，使電極放電點(diǎn)由一個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展到整個(gè)圓周線上，相當(dāng)于增加了電極數(shù)量，減少了電極上的熱量累計(jì)，同時(shí)，由于圓盤熱容量大，圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)又使散熱加快，從而顯著提高放電極的使用壽命，使軋輥毛化更加均勻。另外，充放電電源回路為一高壓回路和一低壓回路并聯(lián)而成，高壓回路保證了兩電極間電壓足夠高，誘導(dǎo)放電擊穿，低壓回路則提供擊穿后所需的大電流。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明脈沖電源的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3A為正極放電時(shí)得到的熔凝斑的效果圖；圖3B為負(fù)極放電時(shí)得到的熔凝斑的效果圖；圖4A為大氣環(huán)境下單純YAG激光毛化得到的輥面圖；圖4B為大氣環(huán)境下本發(fā)明毛化得到的輥面圖；圖5為旋轉(zhuǎn)電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，該裝置包括脈沖電源1、高重頻脈沖激光發(fā)生器2、放電電極3、控制裝置4及待加工軋輥5、軋輥夾持機(jī)構(gòu)6；脈沖電源1為快速充放電電源，負(fù)極連接放電電極3，正極連接待加工軋輥5，放電電極3與待加工軋輥5之間留有不大于1mm的間距，該間距內(nèi)充滿空氣，放電電極3與待加工軋輥5之間的擊穿電壓在3000伏特以上，脈沖電源1的脈沖極間電壓最高為500伏特，從而保證放電電極3與待加工軋輥5之間不會(huì)自動(dòng)擊穿放電。所述放電電極3為針狀電極。
脈沖電源1為快速充放電電源，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，為保證在高重頻工作狀況下激光能可靠誘導(dǎo)放電，該充放電電源回路為一高壓回路和一低壓回路并聯(lián)而成，高壓回路的作用是易使兩電極間誘導(dǎo)放電擊穿，低壓回路則提供擊穿后所需的大電流，圖2中，m、n為兩相電源低壓整流后輸入端，輸入電壓為100-500伏特，p、q為兩相電高壓整流后輸入端，輸入電壓為300-1000伏特，C1、IGBT1、R1相互串聯(lián)構(gòu)成低壓充電回路對(duì)電容C2充電，C2通過IGBT2，在激光誘導(dǎo)情況下，經(jīng)放電電極向待加工軋輥5表面放電。C4、IGBT4、R2相互串聯(lián)構(gòu)成高壓充電回路對(duì)電容C3充電，C3通過IGBT3，在激光誘導(dǎo)情況下，經(jīng)放電電極向待加工軋輥表面放電。D3為隔離二極管，D1為續(xù)流二極管，R1為限流電阻。控制模塊IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分別連接控制裝置4，由控制裝置4控制觸發(fā)開通，開通時(shí)間決定了放電脈沖寬度可在10微秒-1毫秒范圍內(nèi)可調(diào)，由于IGBT可以20KHZ的頻率對(duì)電容C2、C3充電，因此可滿足高重復(fù)頻率工作要求。
高重頻脈沖激光發(fā)生器2包括依次連接的聲光驅(qū)動(dòng)電源21、聲-光調(diào)Q的YAG激光器22、反射鏡23、聚焦透鏡24；放電電極3設(shè)于靠近聚焦透鏡24的焦點(diǎn)位置處。
在本實(shí)施例中，控制裝置4采用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的一端依次連接聲光驅(qū)動(dòng)電源21、YAG激光器22，在計(jì)算機(jī)控制下，聲光驅(qū)動(dòng)電源21為激光器22里的聲光開關(guān)提供開關(guān)信號(hào)，使激光器22發(fā)出高重復(fù)頻率激光脈沖；激光器22的輸出端下游依次設(shè)有反射鏡23、聚焦透鏡24，反射鏡23為全反射鏡，激光器4輸出的波長(zhǎng)1.06μm的脈沖激光束經(jīng)全反射鏡23反射后，通過聚焦透鏡24聚焦到待加工軋輥5的輥面上，使輥面上被照射部位產(chǎn)生等離子體羽7，等離子體羽7起到誘導(dǎo)放電開關(guān)的作用；另外，反射鏡23上還鍍有光學(xué)鍍層，可使可見光波長(zhǎng)的光透過，在反射鏡23的下方設(shè)有CCD攝象頭8，CCD攝象頭8連接計(jì)算機(jī)，因此CCD攝象頭8將采集到的軋輥表面的圖象輸入計(jì)算機(jī)，可對(duì)軋輥表面的形貌特征進(jìn)行顯示觀察，同時(shí)也可用于觀察調(diào)節(jié)聚焦透鏡24相對(duì)于軋輥輥面的位置；計(jì)算機(jī)的另一端連接脈沖電源1，控制電源1的快速充放電過程；放電電極放電數(shù)千次后，電極尖端就會(huì)因過熱而嚴(yán)重?zé)g變形，以致無法有效地進(jìn)行激光誘導(dǎo)放電，為避免這種情況，放電電極3采用如圖5所示旋轉(zhuǎn)電極，包括圓盤電極31、旋轉(zhuǎn)軸32、電動(dòng)機(jī)34，所述圓盤電極31為一直徑約100-160mm、厚5-10mm的圓盤，圓盤電極圓弧邊緣斷面為20-30度的尖角形狀。所述圓盤電極31由鋼、銅及其合金或其它耐燒蝕的導(dǎo)電金屬材料加工而成，圓盤電極31的中心開孔，通過該孔安裝于旋轉(zhuǎn)軸32上，與旋轉(zhuǎn)軸32緊密配合，旋轉(zhuǎn)軸32由導(dǎo)電金屬材料制成，一端裝有槽形皮帶輪35，圓盤電極31、旋轉(zhuǎn)軸32、電動(dòng)機(jī)34、皮帶輪35通過軸承安裝于絕緣材料制成的支架36上，電動(dòng)機(jī)34通過皮帶輪35上的傳動(dòng)皮帶37帶動(dòng)圓盤電極31旋轉(zhuǎn)，圓盤電極31的轉(zhuǎn)速可由電源調(diào)控；旋轉(zhuǎn)軸32的另一端連接一電刷片38，電刷片38安裝在支架6上，電刷片38用于與脈沖電源1相連通，電刷片38、旋轉(zhuǎn)軸32、圓盤電極31組成導(dǎo)電通道連接脈沖電源1的一個(gè)輸出極，而脈沖電源1的另一輸出極連接待加工軋輥5，圓盤電極31的邊緣與待加工軋輥5之間保持微小間隙。
另外，旋轉(zhuǎn)軸32還可通過其它傳動(dòng)裝置連接電動(dòng)機(jī)34，由電動(dòng)機(jī)34帶動(dòng)圓盤電極31旋轉(zhuǎn)。
軋輥夾持機(jī)構(gòu)6為一加工機(jī)床，機(jī)床包括旋轉(zhuǎn)軸61、導(dǎo)軌62、溜板63，旋轉(zhuǎn)軸61固定于導(dǎo)軌62一端，溜板63與導(dǎo)軌62相匹配，并可沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，所述反射鏡23、聚焦透鏡24、放電電極3均固定于溜板63上，待加工軋輥5固定于旋轉(zhuǎn)軸61上，可隨旋轉(zhuǎn)軸61一起旋轉(zhuǎn)，而反射鏡23、聚焦透鏡24、放電電極3均固定于溜板63上，通過溜板63相對(duì)于待加工軋輥5的軸線平移，在待加工軋輥5的旋轉(zhuǎn)及聚焦透鏡24、放電電極3的平移運(yùn)動(dòng)下，完成對(duì)待加工軋輥5表面的加工。
當(dāng)放電電極與軋輥表面之間在大氣環(huán)境下放電時(shí)，隨著放電電流脈沖寬度的延長(zhǎng)，放電通道直徑由于熱效應(yīng)將發(fā)生膨脹，致使軋輥表面熔凝斑直徑變大，輪廓的光滑度變差，為減小這種影響，在本發(fā)明裝置中采用負(fù)極放電，即使放電電極3接脈沖電源1的負(fù)極，待加工軋輥5接電源正極，圖3A所示為正極放電時(shí)得到的熔凝斑的效果圖，圖3B所示為負(fù)極放電時(shí)得到的熔凝斑的效果圖。
圖4A、4B分別顯示了在大氣環(huán)境下，單純YAG激光毛化和本發(fā)明高重頻YAG激光誘導(dǎo)定向放電毛化得到的輥面圖。在相同激光參數(shù)條件下，單純激光毛化的表面粗糙度Ra＝2.0μm，而高重頻激光誘導(dǎo)定向放電毛化的表面粗糙度Ra＝10μm。
上述裝置不僅可用于軋輥表面毛化、應(yīng)用于鋼鐵、有色冶金冷軋薄板等工藝，也可應(yīng)用于工作條件惡劣的熱軋輥表面毛化、強(qiáng)化，還可用于金屬的群孔加工、焊接、熱處理或其他表面處理技術(shù)中。
權(quán)利要求
1.一種軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于該裝置包括脈沖電源、高重頻脈沖激光發(fā)生器、放電電極、控制裝置，所述脈沖電源的兩極分別連接所述待加工軋輥及放電電極，所述放電電極設(shè)置于靠近所述激光發(fā)生器的激光焦點(diǎn)處，并且所述放電電極與待加工軋輥之間留有間距，所述控制裝置控制所述脈沖電源及所述高重頻脈沖激光發(fā)生器的工作。
2.如權(quán)利要求1所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述高重頻脈沖激光發(fā)生器包括依次連接的聲光驅(qū)動(dòng)電源、激光器、反射鏡、聚焦透鏡，所述聲光驅(qū)動(dòng)電源與所述控制裝置相連接。
3.如權(quán)利要求2所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述激光器為聲-光調(diào)Q的YAG激光器。
4.如權(quán)利要求1所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述脈沖電源為充放電電源，該充放電電源回路為一高壓回路和一低壓回路并聯(lián)而成。
5.如權(quán)利要求1所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述脈沖電源負(fù)極連接所述放電電極，正極連接所述待加工軋輥。
6.如權(quán)利要求1所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述放電電極為針狀電極。
7.如權(quán)利要求1所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述放電電極為旋轉(zhuǎn)電極，該旋轉(zhuǎn)電極包括圓盤電極及與圓盤電極相連接的驅(qū)動(dòng)裝置，所述圓盤電極圓弧邊緣斷面為尖角形狀。
8.如權(quán)利要求7所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述尖角為20-30度。
9.如權(quán)利要求2所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于所述反射鏡上鍍有可使可見光透過的光學(xué)鍍層，在所述反射鏡下方設(shè)有攝象頭，該攝象頭連接所述控制裝置。
10.如權(quán)利要求2所述的軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于該裝置還包括軋輥夾持機(jī)構(gòu)，該軋輥夾持機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)軌、溜板，旋轉(zhuǎn)軸固定于導(dǎo)軌一端，溜板與導(dǎo)軌相匹配并可相對(duì)導(dǎo)軌滑動(dòng)，所述反射鏡、聚焦透鏡、放電電極均固定于溜板上，待加工軋輥固定于旋轉(zhuǎn)軸上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置，其特征在于該裝置包括脈沖電源、高重頻脈沖激光發(fā)生器、放電電極、控制裝置，所述脈沖電源的兩極分別連接所述待加工軋輥及放電電極，所述放電電極設(shè)置于靠近所述激光發(fā)生器的激光焦點(diǎn)處，并且所述放電電極與待加工軋輥之間留有間距，所述控制裝置控制所述脈沖電源及所述高重頻脈沖激光發(fā)生器的工作。該裝置指向性好、工作頻率高、功率大、毛化分布與均勻性可控制性好。
文檔編號(hào)C21D1/09GK1789439SQ20051013276
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月26日
發(fā)明者楊明江, 王之桐, 劉會(huì)婷, 陳國(guó)幼, 覃志康, 石茂, 吳惠忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所