专利名称：激光强化-激光毛化组合机床的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对轧辊表面进行激光强化和/或激光毛化处理的设备。
背景技术：
为了改善冷轧薄钢板的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，需要对冷轧薄钢板的轧 辊表面进行毛化处理，以使轧辊表面形成一层凸点。激光毛化是轧辊表面毛化处理的一种先进技术，激光毛化处理设备包括基模或低 阶模高功率激光器、导光系统、加工机床、毛化系统、控制系统。在控制系统的控制下，加工 机床带动轧辊高速旋转，毛化系统沿轧辊轴向运动，并将连续激光束转变成脉冲激光束作 用在轧辊表面，使轧辊表面在脉冲激光作用下产生大量的凹坑。另外，为了避免轧辊表面破坏，提高轧辊质量和使用寿命，必须对轧辊的表面进行 淬火、熔覆、合金化强化处理，以轧辊表面形成一层高强韧性、高耐磨性的合金层。激光强化处理是进行轧辊表面强化的一种方式，激光强化处理设备包括多模高功 率激光器、导光系统、加工机床、强化系统、控制系统。在控制系统的控制下，加工机床带动 轧辊旋转，强化系统沿轧辊轴向运动，并将激光束作用于轧辊表面，对轧辊进行淬火、熔覆、 合金化等强化处理。可见上述激光毛化处理设备和激光强化处理设备有许多相同和相似之处，如加工 机床、控制系统、导光系统、高功率激光器等。但是，上述激光毛化处理设备和激光毛化处理 设备为分别独立的设备，在批量生产过程中，这种分别独立的激光毛化处理设备和激光毛 化处理设备能满足大规模化的生产。然而，对于实验室、中试工厂等多品种、小批量的工 厂，由于加工批量较小，分别独立的激光毛化处理设备和激光毛化处理设备的利用率小，造 成两种设备的极大浪费。因此，有必要对激光毛化设备和激光强化设备的相同和相似部分进行合并和技术 处理，提供一种既能用于轧辊表面激光强化处理，又能用于轧辊表面激光毛化处理的设备。
实用新型内容本实用新型目的是提供一种激光强化-激光毛化组合设备，能进行激光强化处理 和/或毛化处理，并适于实验室和小批量工厂。为了实现上述目的，本实用新型提供了 一种激光强化-激光毛化组合设备，包括 具有旋转轴的加工机床、沿所述旋转轴的轴向运动的轴向平移工作台、置于所述轴向平移 工作台的光束切换系统、强化系统、毛化系统、激光器以及控制所述旋转轴的转速、轴向平 移工作台的轴向运动速度、光束切换系统的上移或下移切换、以及激光器启动的控制系统， 所述光束切换系统包括强化系统转光镜、毛化系统转光镜、以及在所述控制系统控制下牵 引所述强化系统转光镜上移或下移的气缸，所述强化系统转光镜与所述气缸机械连接，所 述强化系统在所述强化系统转光镜上移时通过所述强化系统转光镜与所述激光器光路连 接，所述毛化系统在所述强化系统转光镜下移时通过所述毛化系统转光镜与所述激光器光路连接。在本实用新型的一个实施例中，所述激光强化-激光毛化组合设备还包括固定待 处理的轧辊的旋转卡盘和顶尖、以及连接所述轴向平移工作台并在所述控制系统控制下沿 所述旋转轴的径向运动的垂向平移工作台，所述毛化系统和强化系统均置于所述垂向平移 工作台。在本实用新型的另一实施例中，所述强化系统包括光束均勻化镜、积分镜以及柱 面聚焦镜，所述光束均勻化镜在所述强化系统转光镜上移时与所述强化系统转光镜光路连 接，所述积分镜与所述光束均勻化镜光路连接，所述柱面聚焦镜与所述积分镜光路连接。与现有技术相比，本实用新型激光强化-激光毛化组合设备具有以下优点(1)集成激光毛化处理功和激光淬火或熔覆或合金化等强化处理功能，适于实验 室、中试工厂等多品种、小批量的工厂，设备利用率高，克服现有激光毛化处理设备和激光 强化处理设备在小批量工厂中利用率不高导致的浪费现象。(2)仅采用一个激光器、控制系统和加工机床即可实现毛化处理和强化处理这两 种独立的功能，与现有激光毛化处理设备和激光强化处理设备均具有激光器、控制系统和 加工机床相比，本设备投资较小。(3)仅利用高功率基模或低阶模光束即可实现毛化处理和强化处理这两种独立 的功能，与现有激光强化处理设备采用多模激光束，以满足轧辊表面均勻、面积大的强化效 果，以及现有激光毛化处理设备采用低阶模或基模激光束，以满足轧辊表面毛化点粗糙度、 密度要求相比，本设备采用一种光束即可实现强化要求和毛化要求。具体地，由于毛化处理 必须采用基模或低阶模光束，强化处理必须采用强度均勻的光束，因此毛化和强化集成处 理的一个难点就是把用于毛化的光束变换成可用于强化的光束。本实用新型克服了这一难 点，使用一种光束-基模或低阶模光束来实现强化和毛化处理，其中，一路基模或低阶模光 束通过毛化系统进行毛化处理，一路基模或低阶模光束通过强化系统的光束均勻化镜变换 成强度均勻分布的光束，积分镜将强度均勻分布的光束变换成强度均勻分布的、固定长宽 比的矩形光束，柱面聚焦镜将强度均勻分布的、固定长宽比的矩形光束变换成强度均勻分 布的、可变长宽比的矩形光束，以便实现强化处理。通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本 实用新型的实施例。
图1为本实用新型激光强化-激光毛化组合设备的横截面示意图。图Ia为图1所示激光强化-激光毛化组合设备的断面示意图。图2为图1所示激光强化-激光毛化组合设备的光束切换系统的结构示意图。图3为图2所示光束切换系统与图1所示激光强化-激光毛化组合设备的激光器、 毛化系统、强化系统的光路关系示意图。图4为图1所示激光强化-激光毛化组合设备的强化系统的第一实施例的内部光 路图。图如为图1所示激光强化-激光毛化组合设备的强化系统的第二实施例的内部 光路图。[0023]具体实施方式
现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元 件。如图1和图la，本实用新型激光强化-激光毛化组合设备包括具有旋转轴151的 加工机床150、沿所述旋转轴151的轴向运动的轴向平移工作台161(运动方向如图1中箭 头Dl)、置于所述轴向平移工作台152上的光束切换系统120、与所述轴向平移工作台161 连接并沿所述旋转轴151的径向运动的垂向平移工作台162(运动方向如图Ia中箭头D2)、 置于所述垂向平移工作台156的强化系统130和毛化系统140、激光器110以及控制所述旋 转轴151的转速、轴向平移工作台161的轴向运动速度、垂向平移工作台162的径向运动速 度、激光器110的开启以及光束切换系统120上移或下移切换的控制系统(图未示)。另 外，所述激光强化-激光毛化组合设备还包括旋转卡盘152和顶尖153，所述待处理的轧辊 1000贯穿所述旋转轴151，所述旋转卡盘152和顶尖153固定所述轧辊1000的两端。如图2和图3，所述光束切换系统120包括毛化系统转光镜123、强化系统转光镜 121以及在所述控制系统控制下牵引所述强化系统转光镜121上移或下移的气缸122。所 述强化系统转光镜121与所述气缸122机械连接。所述强化系统130在所述强化系统转 光镜121上移时通过所述强化系统转光镜121与所述激光器110连接，所述毛化系统在所 述强化系统转光镜121下移时通过所述毛化系统转光镜123与所述激光器110光路连接。 具体地，在所述控制系统控制下，所述气缸122牵引所述强化系统转光镜121沿与所述激光 器110发射的光束垂直的方向上移或下移(见图2中的双箭头D)。当所述气缸122牵引所 述强化系统转光镜121上移时，所述激光器110发射的光束射到所述强化系统转光镜121 上，所述强化系统转光镜121将所述激光器110发射的光束反射至所述强化系统130 ；当所 述气缸122牵引所述强化系统转光镜121下移时(此时所述强化系统转光镜121不阻挡所 述激光器110发射的光束)，所述激光器110发射的光束经过毛化系统转光镜123反射至所 述毛化系统。如图4，所述强化系统130包括光束均勻化镜131、积分镜132以及柱面聚焦镜 133，所述光束均勻化镜131在所述强化系统转光镜121上移时与所述激光器110光束连 接，所述积分镜132与所述光束均勻化镜131光路连接，所述柱面聚焦镜133与所述积分镜 132光路连接。其中，所述激光器110采用高功率基模或低阶模激光器，其发射高功率基模或低 阶模光束。所述加工机床采用轧辊车床，所述毛化系统采用现有的激光毛化处理设备。下面说明所述激光强化-激光毛化组合设备对轧辊表面进行毛化处理和/强化处
理的原理。首先，将待处理的轧辊1000贯穿所述加工机床150的旋转轴151，轧辊的尾部用顶 尖153顶紧，头部用旋转卡盘152粗略卡紧。然后，控制系统控制所述加工机床的垂向平移工作台162沿所述旋转轴的径向运 动，从而调整到与轧辊1000直径大小匹配的位置使垂向平移工作台162临近轧辊1000的 外周，再将旋转卡盘152旋紧轧辊1000，此时，所述待处理的轧辊1000可旋转地固定在所述 加工机床150的旋转轴151上。接着，控制系统控制加工机床150的旋转轴151旋转以及控制轴向平移工作台161
5轴向运动，所述轴向平移工作台161的轴向运动速度与所述旋转轴151的旋转速度匹配。 此时，贯穿所述旋转轴151的轧辊1000在旋转轴151的带动下旋转(旋转方向见图Ia中 的箭头D3)，置于所述轴向平移工作台161的光束切换系统120和与所述轴向平移工作台 161连接的垂向平移工作台162也沿着所述旋转轴151轴向运动、位于所述垂向平移工作台 162上的强化系统130和毛化系统140也沿着所述旋转轴151轴向运动。同时，控制系统控制激光器110发射高功率基模或低阶模光束并控制所述光束切 换系统120的气缸122牵引所述强化系统转光镜121上移或下移。当所述控制系统控制所述光束切换系统120的气缸122牵引所述强化系统转光镜 121上移时，所述激光器110发射的高功率基模或低阶模光束射到所述强化系统转光镜121 上，所述强化系统转光镜121将所述激光器110发射的高功率基模或低阶模光束发射至所 述强化系统130的光束均勻化境131，所述光束均勻化境131将所述高功率基模或低阶模光 束转化为强度均勻的光束，所述强度均勻的光束射至所述积分镜132，所述积分镜132将所 述强度均勻的光束转化为长宽比固定的光束，所述长宽比固定的光束射至所述柱面聚焦镜 133，所述柱面聚焦镜133将所述长宽比固定的光束转化为长宽比可调的光束，所述长宽比 可调的光束射至所述待处理的轧辊的表面，对所述待处理的轧辊1000的表面进行淬火或 熔覆或合金化处理，从而在所述待处理的轧辊1000的表面形成一层强化带。当所述控制系统控制所述光束切换系统120的气缸122牵引所述强化系统转光镜 121下移时，所述激光器110发射的高功率基模或低阶模光束经过毛化系统转光镜123反射 至所述毛化系统140，所述毛化系统140对所述待处理的轧辊1000的表面进行毛化处理，从 而在所述待处理的轧辊1000的表面形成一系列凸点。可以理解地，所述强化系统还可以包括多个转光镜。如图如，强化系统c包括转光 镜1311、光束均勻化镜131、转光镜1321、积分镜132以及柱面聚焦镜133，所述光束均勻化 镜131在所述强化系统转光镜121上移时通过所述转光镜1311与所述强化系统转光镜光 路121连接，所述积分镜132通过所述转光镜1321与所述光束均勻化镜131光路连接，所 述柱面聚焦镜133与所述积分镜132光路连接。此时，当所述强化系统转光镜121将所述 激光器110发射的高功率基模或低阶模光束发射至所述强化系统130时，所述转光镜1311 将所述高功率基模或低阶模光束反射至光束均勻化境131，所述光束均勻化境131将所述 高功率基模或低阶模光束转化为强度均勻的光束，所述强度均勻的光束射至转光镜1321， 所述转光镜1321将所述强度均勻的光束反射至所述积分镜132，所述积分镜132将所述强 度均勻的光束转化为长宽比固定的光束，所述长宽比固定的光束射至所述柱面聚焦镜133， 所述柱面聚焦镜133将所述长宽比固定的光束转化为长宽比可调的光束，所述长宽比可调 的光束射至所述待处理的轧辊1000的表面，对所述待处理的轧辊的表面进行淬火或熔覆 或合金化处理，从而在所述待处理的轧辊1000的表面形成一层强化带。以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭 示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。
权利要求1.一种激光强化-激光毛化组合设备，其特征在于，包括具有旋转轴的加工机床、沿所 述旋转轴的轴向运动的轴向平移工作台、置于所述轴向平移工作台的光束切换系统、强化 系统、毛化系统、激光器以及控制所述旋转轴的转速、轴向平移工作台的轴向运动速度、光 束切换系统的上移或下移切换、以及激光器启动的控制系统，所述光束切换系统包括强化 系统转光镜、毛化系统转光镜、以及在所述控制系统控制下牵引所述强化系统转光镜上移 或下移的气缸，所述强化系统转光镜与所述气缸机械连接，所述强化系统在所述强化系统 转光镜上移时通过所述强化系统转光镜与所述激光器光路连接，所述毛化系统在所述强化 系统转光镜下移时通过所述毛化系统转光镜与所述激光器光路连接。
2.如权利要求1所述的激光强化-激光毛化组合设备，其特征在于，还包括固定待处理 的轧辊的旋转卡盘和顶尖、以及连接所述轴向平移工作台并在所述控制系统控制下沿所述 旋转轴的径向运动的垂向平移工作台，所述毛化系统和强化系统均置于所述垂向平移工作 台。
3.如权利要求1所述的激光强化-激光毛化组合设备，其特征在于，所述强化系统包括 光束均勻化镜、积分镜以及柱面聚焦镜，所述光束均勻化镜在所述强化系统转光镜上移时 与所述强化系统转光镜光路连接，所述积分镜与所述光束均勻化镜光路连接，所述柱面聚 焦镜与所述积分镜光路连接。
专利摘要本实用新型公开了一种激光强化-激光毛化组合设备，包括加工机床、轴向平移工作台、垂向平移工作台、光束切换系统、强化系统和毛化系统、激光器以及控制系统等，光束切换系统包括强化系统转光镜、毛化系统转光镜以及在控制系统控制下牵引强化系统转光镜上移或下移的气缸，强化系统在强化系统转光镜上移时通过强化系统转光镜与激光器光路连接，毛化系统在强化系统转光镜下移时通过毛化系统转光镜与激光器光路连接。强化系统包括光束均匀化镜、积分镜以及柱面聚焦镜。本设备集成激光强化和激光毛化处理功能，适用于实验室及小批量工厂，利用率高，投资小。
文档编号C21D9/38GK201842862SQ20102023475
公开日2011年5月25日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者刘吉斌, 王玉涛, 缪凯, 郑汉成, 钟如涛, 黄治军, 龚涛 申请人:武汉钢铁(集团)公司