专利名称：一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对热轧辊强化的装置，特别是涉及一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置。
随着我国国民经济的发展，对钢铁的需求也越来越大，自1997年以来我国的年钢产量已突破1.2亿吨，连年来占据世界第一钢铁大国的位置。由此带来的轧辊损耗也很大，每年达数亿元。由于钢材轧制时温度一般在1000℃左右，所以要求轧辊在较高的温度下具有一定的强度和韧性，以及较高的耐磨性，通常的强化方法难以奏效。同时，为了控制每吨钢的生产成本，要求每吨钢的轧辊损耗在一定范围以内，例如，对于线材一般要求每吨钢5元，所以轧辊处理的方法必须经济有效才行。因而研究一种经济有效的方法对热轧辊进行强化处理，对于冶金系统降低轧辊损耗，提高产品质量，是有很大的意义的。
如何对热轧辊处理的方法目前没有成熟的方法，但是用YAG激光处理冷轧辊系统，如中国专利号92113223.9，发明名称高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法所介绍的，它的主要原理是采用声光调Q YAG激光器，对激光脉冲进行编组、变频以对材料表面进行加工。该装置采用一数控机床，工件装在机床的夹具上，在电机驱动下沿Y轴移动，在它的垂直方向X方向上聚焦头在另一电机驱动下沿X方向移动，以实现对平面件的加工，如果Y轴为旋转件，也可实现对轧辊加工。它的激光脉冲能量小，只有几mJ，脉宽小，1微秒左右，所以激光作用区小，约20微米左右，不能用在热轧辊上。
本实用新型的目的在于克服已有技术的装置是一种通用轧辊刻花机床，而不是专用轧辊强化加工的机床，因此，它不能实现自动控制，并且轧辊强化加工的深度不够的缺点；进一步为了克服已有技术的装置只能处理通常平直轧辊的单一性缺点；为了实现对异型材进行热轧辊强化，从而提供一种操作方便、成本低的对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型提供的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，包括一双导轨数控机床，激光器和光路、辅助气体机构、具有CCD监视功能的控制部分，其特征在于所述的双导轨数控机床是一主轴采用变频调速电机的机床；在机床头侧安一伺服电机，机床头和尾之间安装有一根丝杠，丝杠通过两个轴承分别与机床头和机床尾固定，伺服电机和丝杠通过连轴节相联；一呈L形状、底座带V形槽的移动架(3)，其底座与机床的导轨滑配，移动架(3)通过螺母(35)与丝杠(36)相配，丝杠(18)固定在工作台(22)上，伺服电机(19)和丝杠(18)通过连轴节相联，伺服电机(19)与计算机(5)]电联结；滑台(17)和工作台(22)的导轨滑配，工作台(22)用螺钉固定在移动架(3)上；滑台(17)和螺母通过螺钉固定；由此移动架通过丝杠沿Z轴方向(轧辊轴向)的移动；移动架的移动速度由计算机控制的伺服电机决定。
所述的激光器可采用调Q后的具有重复脉冲频率为1-2k、功率300W-500W的连续脉冲激光器，垂直安置在移动架的前方，和镜组、聚焦单元构成的光路；其中移动架上方安置一45°全反镜、移动架下方按顺序安置一45°全反镜、固定在一个滑台上的聚焦单元，反射后的光入射聚焦镜组会聚在轧辊表面，对轧辊进行加工；滑台和小工作台的导轨滑配，小工作台用螺钉固定在移动架上；滑台和螺母通过螺钉固定，伺服电机用联轴节和控制丝杠相连，这样通过控制伺服电机就可以控制滑台的沿X方向(轧辊径向)移动速度和位置，以实现对不同直径的轧辊进行处理，其传动原理和移动架相似；两块聚焦镜组成聚焦镜组，它的另一个作用是作为CCD成像用的前置物镜，与另一物镜组统一构成CCD成像的物镜系统，其优点在于物镜组之间的距离在设计范围内任意改变，而不至于对成像清晰度造成影响。这一镜组是CCD成像的后置镜组，采用通常的变倍结构，即由多组镜片组成，改变各镜片的位置可以通过CCD在监视器上获得放大倍数不同的图像。还有一镜组是CCD成像目镜。YAG激光45°全反镜片对可见光有半透半反的作用。聚焦镜组、CCD后置物镜组、CCD成像目镜、CCD摄像头一起构成成像系统光路，将轧辊表面形貌放大成像于CCD像元上，视频信号被送到监视器上，用来对加工过程进行实时监测。射灯为CCD成像提供可见光照明源，镜片为可见光45°全反镜，它上、下两面镀有YAG激光增透膜，对YAG激光有全透过作用。两块45°反射镜、光阑射灯构成照明机构，为CCD成像提供光源。一保护镜筒，其后部装有保护镜片，避免加工过程中产生的脏物污染镜组。
辅助气体结构一夹具用螺钉与滑台相连，可随滑台前后移动。夹具面板上有一大孔，大孔内车有螺纹，聚焦镜组安装在保护镜筒内，它通过大孔内螺纹与夹具固定。一用于喷射工作气体的气嘴穿过夹具面板上的小孔，用螺母固定在夹具上，气嘴前端为喷嘴，后端通过软管连在工作气体气缸上；气嘴吹气角度可调节，工作气体喷射在激光作用区域。另一用于喷射保护气体的气嘴通过螺纹配合固定在保护镜筒上，气嘴前端为喷嘴，后端通过软管联在保护气体气缸上。气嘴喷射保护气体，可用压缩空气，目的是防尘和冷却镜片。保护镜筒内有一保护镜片，它两面镀有YAG激光增透膜。
还包括一辊面跟随部分，是一传感器穿过夹具面板上的另一小孔用螺母固定在一夹具上，这一夹具固定在一滑台上；传感器与工控机电连接，它把聚焦镜与轧辊之间的距离转为电信号输入工控机，工控机对信号进行处理后，驱动聚焦镜自动聚焦，以实现对轧辊的处理。传感器可以是电感式传感器。
控制系统由工控机、控制卡和图像采集卡组成。通过程序编制可以实现对轧辊的智能化加工。控制系统方框图如图6所示。
其基本原理是这样的如图6所示，先设定加工的离焦量，一般为负100μm到正100μm，再加上聚焦镜的焦距，一般为60mm-120mm，视加工需要而定。它们之和为设定的聚焦镜至辊面的距离，它与传感器实测的距离进行比较，结果送到计算机，当距离之差超过10μm，计算机给信号给电动机19，驱动聚焦镜9至合适的位置，使聚焦镜至辊面的位置为设定值。
本实用新型提供的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置具有以下优点1、由于采用调Q后的具有重复脉冲频率为1-2k、功率300W-500W的连续脉冲激光器，激光脉冲的脉宽可以由微秒量级连续变化到毫秒量级，脉冲能量可以由几毫焦连续变化到几百毫焦，这样激光强化处理轧辊的硬化层深度由几微米增加到几百微米，硬度可达HRc66以上(图8)，该装置可以广泛应用于对轧辊、模具、轴承等工件强化处理。
由于钢铁对CO2激光的吸收率小，通常CO2热处理都要在工件表面发黑等预处理，工艺复杂，且大功率CO2激光处理，热沉积大，工件易变形开裂等。YAG脉冲激光功率密度高，可以用小功率的激光器(500W)实现大功率的CO2激光器(5000W)的处理效果，用户投资小效益高。同时由于钢铁对YAG激光的吸收好，处理前不用进行预处理，工艺简单，便于实现自动化。本实用新型相对于普通电源调制式YAG激光具有加工速度快的特点，一般电源调制式YAG激光脉冲频率只有几十次，只能用于小型工件的处理，本实用新型的激光脉冲频率可达数千次，是前者的几十倍，可用于对大型轧辊的处理。
2、本实用新型对轧辊进行分布式处理(图7)，通过调节激光功率密度和强化点分布参数，可以减小轧辊变形和开裂倾向，控制微裂纹的产生，可以用来处理最后几架次的轧辊，轧辊处理后可直接用于生产，能显著提高热轧辊寿命，同时改善产品质量。热轧线材辊经过处理后，寿命提高50％，产品质量得到了明显的改善，同时降低了工人的劳动强度。
3、本实用新型可以用来对异型辊的加工。对于线材辊等辊面形状规则的工件，可以把它的形状尺寸输入计算机，设定好离焦量，功率密度，分布参数，气压等工艺参数后，系统将会自动对其进行处理。对于形状不规则的凹形辊或凸形辊，可以启动辊形自动跟踪系统，设定好离焦量等工艺参数后，系统将会自动跟踪辊形，进行加工。
4、本实用新型采用双气路系统。气路一吹压缩空气，用来对聚焦镜组进行保护，主要有防尘、冷却镜片的作用。气路二吹工作气体，吹向激光照射轧辊时所形成的熔池，吹气的角度可以根据需要调节，气体的有压缩空气、氩气、氧气等，根据工艺需要进行选择，有造型、保护、助熔等作用。
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明
图1是本实用新型的结构示意图图2是本实用新型的移动架传动示意图图3是本实用新型的光路示意图图4是本实用新型的辅助气体气路示意图图5是本实用新型的夹具示意图图6是本实用新型的控制系统示意图图面说明如下1.机床头 2.伺服电机 3.移动架 4.监视器5.工控机 6.45°全反镜7.密封光路 8.激光器9.聚焦镜 10.45°全反镜 11.CCD成像后置物镜组12.CCD成像目镜 13.CCD摄像头14.可见光45°全反镜15.光阑 16.照明射灯17.滑台18.丝杠 19.直流电机 20.保护镜筒21.丝杠螺母22.工作台 23.工作气体气嘴 24.保护气体气嘴25.保护镜片26.传感器 27.夹具 28.螺钉孔29.聚焦镜固定孔 30.螺钉孔 31.工作气体气嘴固定孔32.传感器固定孔 33.联轴节 34.37.轴承35.丝杠螺母 36.丝杠实施例1本实施例按
图1-3制作的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，包括一主轴采用变频调速电机2双导轨简易数控机床，在机床头1侧安一伺服电机2，机床头1和尾之间安装有一根丝杠，丝杠通过两个轴承分别与机床头1和机床尾固定，伺服电机2和丝杠36通过连轴节33相联。移动架3与机床的导轨滑配，通过螺母与丝杠36相配，由此通过丝杠36转动，移动架3沿Z轴方向(轧辊轴向)的移动；移动架3的移动速度由伺服电机2决定，通过计算机5进行控制；图2为移动架传动示意图。激光器8采用调Q后的具有重复脉冲频率为1-2k、功率300W-500W的连续脉冲激光器，垂直安置在移动架3的前方，和镜组、聚焦单元构成的光路；其中移动架3上方安置一45°全反镜6、移动架3下方按顺序安置一45°全反镜14、10、一个聚焦单元固定在滑台17上，反射光经安装在滑台17上、安装在保护镜筒20内的两块激光聚焦镜组9聚焦而会聚在轧辊表面，所述的聚焦单元是固定在移动架3上，随移动架沿z轴移动，移动架3是由伺服电机2通过丝杠36驱动的。聚焦系统如图3所示，镜组9为YAG激光的聚焦镜，滑台17和工作台22的导轨滑配，工作台22用螺钉固定在移动架上；直流电机19用联轴节和控制丝杠18相连，这样通过控制直流电机19就可以控制滑台22的沿X方向(轧辊径向)移动速度和位置，以实现对不同直径的轧辊进行处理，其传动原理和移动架3相似，参考图2。聚焦镜组9的另一个作用是作为CCD成像用的前置物镜11，与前置物镜11统一构成CCD成像的物镜系统，其优点在于物镜组9、11之间的距离在设计范围内任意改变，而不至于对成像清晰度造成影响。镜组11是CCD成像的后置镜组，采用通常的变倍结构，即由多组镜片组成，改变各镜片的位置可以通过CCD在监视器上获得放大倍数不同的图像。镜片10是YAG激光45°全反镜片、对可见光有半透半反的作用，聚焦镜组9、CCD后置物镜组11、CCD成像目镜12、CCD摄像头13一起构成成像系统，将轧辊表面形貌放大成像于CCD像元上，视频信号被送到监视器4上，用来对加工过程进行实时监测。16是射灯，为CCD成像提供可见光照明源，镜片14为可见光45°全反镜，它上、下，对YAG激光有全透过作用。45°反射镜10、45°反射镜14、光阑15、射灯16构成照明系统，为CCD成像提供光源。一保护镜筒20后部装有保护镜片23，避免加工过程中产生的脏物污染镜组9。
辅助气体一夹具25用螺钉与滑台22相连，可随滑台22前后移动。夹具25的面板上有一大孔29，大孔29内车有螺纹，聚焦镜组9在此通过螺纹与夹夹具相连。气嘴23穿过孔32，用螺母固定在气嘴固定在夹具上。气嘴23前端为喷嘴，后端通过软管连在工作气体气缸上。气嘴23喷射工作气体，吹气角度可调节，工作气体喷射在激光作用区域。气嘴24通过螺纹配合固定在保护镜筒20上，保护镜片25，它两面镀有YAG激光增透膜。前端为喷嘴，后端通过软管联在保护气体气缸上。气嘴24喷射保护气体，可用压缩空气，目的是防尘和冷却保护镜片25。
其基本原理是这样的如图6所示，先设定加工的离焦量，一般为负100μm到正100μm，再加上聚焦镜的焦距，一般为60mm-120mm，视加工需要而定。它们之和为设定的聚焦镜至辊面的距离，它与传感器实测的距离进行比较，结果送到计算机，当距离之差超过10μm，计算机给信号给电动机19，驱动聚焦镜9至合适的位置，使聚焦镜至辊面的位置为设定值。
控制系统由通用的工控机、控制卡和图像采集卡组成，通过程序编制可以实现对轧辊的智能化加工。控制系统方框图如图6所示。
实施例2本实施例按
图1-3制作的实施例1的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置基础上，还包括一辊面跟随部分，是一电感式传感器26穿过夹具25的面板上的一小31用螺母固定在一夹具27，一夹具27固定在保护镜筒20上；电感式传感器26与工控机5电连接，它把聚焦镜9与轧辊之间的距离转为电信号输入工控机5，工控机5对信号进行处理后，驱动聚焦镜9自动聚焦，以实现对轧辊的处理，特别是对异型材轧辊的处理。
权利要求1.一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，包括一双导轨数控机床，激光器和光路、辅助气体机构、具有CCD监视功能的控制部分，其特征在于所述的双导轨数控机床是一主轴采用变频调速电机的机床；在机床头侧安一伺服电机(2)，一根丝杠(36)通过两个轴承分别与机床头(1)和机床尾固定，伺服电机(2)和丝杠(36)通过连轴节(33)相联；一呈L形状、底座带V形槽的移动架(3)，其底座与机床的导轨滑配，移动架(3)通过螺母(35)与丝杠(36)相配，丝杠(18)固定在工作台(22)上，伺服电机(19)和丝杠(18)通过连轴节相联，伺服电机(19)与计算机(5)]电联结；滑台(17)和工作台(22)的导轨滑配，工作台(22)用螺钉固定在移动架(3)上；滑台(17)和螺母通过螺钉固定；所述的激光器(8)和光路是由垂直安置在移动架(3)前方的激光器、镜组(9)、聚焦单元构成的光路；其中移动架(3)上方安置一45°全反镜(6)、移动架(3)下方按顺序安置一45°全反镜(14、10)、一个聚焦单元固定在滑台(17)上，反射光经安装在滑台(17)上、安装在保护镜筒(20)内的两块激光聚焦镜组(9)聚焦而会聚在轧辊表面，保护镜筒(20)的出口端安有一保护镜片(25)；夹具27上固定一辅助气体机构；为CCD成像提供光源的照明机构由一45°反射镜(10)、45°反射镜(14)、光阑(15)、射灯(16)构成。
2.根据权利要求1所述的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，其特征在于还包括一辊面跟随部分，所述的辊面跟随部分是一电感式传感器(26)穿过一小孔(31)用螺母固定在夹具(27)上，夹具(27)置固定在滑台(17)上；电感式传感器(26)与工控机(5)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，其特征在于所述的辅助气体机构包括一夹具(27)，用螺钉与滑台(17)相连，夹具(27)的面板上有一大孔(29)，大孔(29)内车有螺纹，聚焦镜组(9)安装在保护镜筒(20)内，它通过大孔(29)内螺纹与夹具固定；一用于喷射工作气体的气嘴(23)穿过夹具面板上的小孔(32)通过螺纹与夹具(27)相连，气嘴(23)前端为喷嘴，后端通过软管连在工作气体气缸上。
4.根据权利要求1或2所述的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，其特征在于还包括在光路上安置一密封光路保护套(7)，所述的密封光路保护套(7)由一根不锈钢管的一端固定在移动架(3)上，另一端与密封橡胶圈套在另一根不锈钢管里，该不锈钢管的另一端固定在激光器(8)上。
5.根据权利要求1或2所述的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，其特征在于所述的激光器(6)具有重复脉冲频率为1-2k、功率300W-500W。
6.根据权利要求1所述的一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置，其特征在于所述的保护镜筒(20)的出口端安有一保护镜片(25)，该保护镜片(25)两面镀有YAG激光增透膜。
专利摘要本实用新型涉及一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置,包括激光器、一双导轨数控机床,在机床头侧安一伺服电机和丝杠通过连轴节相联,一根丝杠通过两个轴承分别与机床头和机床尾固定;一呈L形状带底座的移动架与机床的导轨滑配,移动架的底座上有一滑台和工作台的导轨滑配,平行两导轨之间有一丝杠,伺服电机和丝杠通过连轴节相联,伺服电机与计算机电联结;安置在移动架上的光路、辅助气体机构、具有CCD监视功能的控制部分。
文档编号B21B27/02GK2480096SQ0026477
公开日2002年3月6日 申请日期2000年12月14日 优先权日2000年12月14日
发明者彭林华, 杨明江 申请人:中国科学院力学研究所