專利名稱：高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輥類表面激光毛化處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高功率激光輥類表面 集成聚焦毛化加工方法及裝置。
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)是軋輥工件表面毛化，激光軋輥工件 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)。目前激光軋輥工件毛化技術(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工件表面進(jìn)行毛化；加工過程中，軋輥工件旋轉(zhuǎn)的同 時，激光頭與光學(xué)發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)沿軋輥工件長度方向移動，在軋輥工件表面加工出螺旋形 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0)2激光軋輥工件毛化加工 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工件表 面進(jìn)行毛化；通過控制調(diào)Q頻率與軋輥工件的轉(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。基于此方法 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；激光能量利用效率高，且對激光功率沒有限制；但所述方法及其裝置若要進(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，這會使得所述方法流程及其裝置的結(jié)構(gòu)變得較為復(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
本發(fā)明目的是提供一種高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工方法，該方法能 夠?qū)⑦B續(xù)激光束變換成為密集排布的多路聚焦脈沖激光輸出，以實現(xiàn)高效的毛化加工；同 時本發(fā)明提供一種實現(xiàn)上述毛化加工方法的高功率激光輥類表面多頭集成聚焦毛化加工 裝置，具有加工效率高，且激光能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單的特點。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工方法，其利 用高功率連續(xù)激光器輸出連續(xù)激光束，將該連續(xù)激光束通過一個多棱鏡分光機(jī)構(gòu)分成K路 脈沖激光束，再分別由K個集成聚焦頭聚焦后輸出，每個集成聚焦頭對應(yīng)輸出N個聚焦光 點，從而總共在軋輥工件表面形成K X N個密集排布的聚焦光點，對軋輥工件表面同時進(jìn)行 毛化加工，在軋輥工件表面形成KXN條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K > 1，而N彡2。本發(fā)明方法進(jìn)一步按下述具體步驟對軋輥工件表面實施毛化加工1)由數(shù)控機(jī)床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾軋輥工件；2)啟動數(shù)控機(jī)床，使軋輥工件按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；3)使高功率連續(xù)激光器輸出的連續(xù)激光束進(jìn)入安裝在數(shù)控機(jī)床工作平臺上的多 棱鏡分光機(jī)構(gòu)，經(jīng)第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)連續(xù)激光束依次掃過所有分光頭時相 當(dāng)于給每個分光頭分配一個激光脈沖；多棱鏡重復(fù)掃描時便將連續(xù)激光束分成K路脈沖激 光輸出；5)上述由多棱鏡分光機(jī)構(gòu)內(nèi)輸出的K路脈沖激光束分別經(jīng)K個集成聚焦頭聚焦后 輸出，在軋輥工件表面形成密集排布的KXN個聚焦光點，N為單個集成聚焦頭對應(yīng)輸出的 聚焦光點數(shù)，N≥ 2 ；6)在數(shù)控機(jī)床對軋輥工件轉(zhuǎn)速、多棱鏡轉(zhuǎn)速、工作平臺平移速度的集中控制下，所 述KXN個聚焦光點對軋輥工件同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥工件表面形成KXN條螺旋掃描 線點陣毛化坑分布。本發(fā)明同時提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述加工方法的高功率激光輥類表面集成聚焦毛 化加工裝置，該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 裝有多棱鏡分光機(jī)構(gòu)和集成聚焦機(jī)構(gòu)；所述多棱鏡分光機(jī)構(gòu)由第一聚焦鏡、多棱鏡、驅(qū)動多 棱鏡旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)和K個分光頭共同組成；所述集成聚焦機(jī)構(gòu)是由呈斜線或其它形式排 列的K個集成聚焦頭組成的集成聚焦頭陣列，K個集成聚焦頭的輸入端與K個分光頭的輸 出端一一相對，每個集成聚焦頭均可對應(yīng)輸出N個聚焦光點，K個集成聚焦頭則可在軋輥工件表面同時形成KXN條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K > 1，N > 2。本發(fā)明的上述高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置中，所述第一聚焦鏡為 透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。本發(fā)明的上述高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置的核心在于對所述集 成聚焦機(jī)構(gòu)中的集成聚焦頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)將高功率連續(xù)激光束分成密集排布的多路 聚焦脈沖激光束輸出。所述單個集成聚焦頭的結(jié)構(gòu)具體可采用如下這幾種技術(shù)方案第一種集成聚焦頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在每個集成聚焦頭內(nèi)設(shè)置第二 聚焦鏡以及與第 二聚焦鏡相對布置的N個緊密排列的聚焦透鏡，N > 2。相應(yīng)的集成聚焦工作原理如下高 功率連續(xù)輸出的連續(xù)激光束經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)分光后，進(jìn)入多棱鏡分光機(jī)構(gòu)，通過第一聚焦 鏡聚焦于旋轉(zhuǎn)式多棱鏡的某個工作面上，多棱鏡的高速旋轉(zhuǎn)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)第二聚焦鏡變換后，形成具有一定掃描寬度AL 的平行掃描光束；當(dāng)該平行掃描光束依次掃過N個緊密排列的聚焦透鏡時，將形成N個密集 排布的脈沖式聚焦光點輸出。第二種集成聚焦頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在每個集成聚焦頭內(nèi)設(shè)置第二聚焦鏡以及與第 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，N > 2。相應(yīng)的集成聚 焦工作原理如下高功率連續(xù)輸出的連續(xù)激光束經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)分光后，進(jìn)入多棱鏡分光 機(jī)構(gòu)，通過第一聚焦鏡聚焦于旋轉(zhuǎn)式多棱鏡的某個工作面上，多棱鏡的高速旋轉(zhuǎn)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)第二聚焦鏡變換后，形成具有 一定掃描寬度AL的平行掃描光束；當(dāng)該平行掃描光束掃過具有N個焦點的多焦點聚焦鏡 時，將形成N個密集排布的脈沖式聚焦光點輸出。第三種集成聚焦頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在每個集成聚焦頭內(nèi)設(shè)置第二聚焦鏡、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，以及位于所述 N個反射鏡的反射光路上的第三聚焦鏡，N >2。相應(yīng)的集成聚焦工作原理如下高功率連續(xù) 激光器輸出的連續(xù)激光束經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)分光后，進(jìn)入多棱鏡分光機(jī)構(gòu)，通過第一聚焦鏡 聚焦于旋轉(zhuǎn)式多棱鏡的某個工作面上，多棱鏡的高速旋轉(zhuǎn)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)第二聚焦鏡變換后，形成具有一定掃描寬度AL的 平行掃描光束；當(dāng)該平行掃描光束依次掃過N個緊密排列且相互之間成一定小角度的反射 鏡時，光束被重新導(dǎo)向并分成N束相互成一定小角度的脈沖激光束；利用第三聚焦鏡對該N 束脈沖激光束進(jìn)行聚焦，形成N個密集排布的脈沖式聚焦光點輸出。上述三種集成聚焦頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，所述第二聚焦鏡為透射式聚焦鏡或者反射 式聚焦鏡。本發(fā)明的上述高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置中，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。本發(fā)明的上述高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置中，所述高功率連續(xù)激 光器可采用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. 6μ m ； 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。本發(fā)明的上述高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置在具體工作時，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)控機(jī)床。本發(fā)明的上述高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置中，所述多棱鏡的面數(shù) M ^ 5，并且每個工作面均為全反射面。多棱鏡的一側(cè)與高速電機(jī)相連，在高速電機(jī)的帶動 下高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機(jī)床控制。高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為η = 0.3 5萬轉(zhuǎn)/分。而所述 K個分光頭緊密排列，對應(yīng)多棱鏡一個工作面的反射區(qū)域呈扇形分布。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明與已授權(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K( ^ 2)個獨立的聚焦頭，每個聚焦頭對應(yīng)一路脈沖激光輸出，因而 在軋輥工件表面形成K個聚焦光點，對其同時進(jìn)行毛化加工；而本發(fā)明采用集成聚焦頭技 術(shù)，利用K個獨立的集成聚焦頭便能夠?qū)?yīng)輸出KXN(K ^ 1, N^ 2)路脈沖激光對軋輥工 件進(jìn)行毛化加工，故在提高了加工效率的同時，也使得裝置整體的結(jié)構(gòu)得到大大簡化。具體 優(yōu)點如下1.利用K個集成聚焦頭輸出KXN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.采用多棱鏡分光技術(shù)與集成聚焦頭技術(shù)相結(jié)合，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 運行。4.多棱鏡分光機(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?？傊景l(fā)明所述的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置激光能量利用率 高、整體結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，并且工作穩(wěn)定，加工效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明裝置的通用外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一種具體實施例的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一種具體實施例的集成聚焦頭陣列排布結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明裝置第一種具體實施例中的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)與單個集成聚焦頭的 實現(xiàn)原理圖；圖5為本發(fā)明裝置第二種具體實施例中的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)與單個集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖6為本發(fā)明裝置第三種具體實施例中的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)與單個集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖7為本發(fā)明裝置第四種具體實施例中的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)與單個集成聚焦頭的實現(xiàn)原理圖；圖8為本發(fā)明裝置第五種具體實施例中的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明裝置第五種具體實施例中單個集成聚焦頭的聚焦原理圖；圖10為圖9的A-A向視圖；圖11為本發(fā)明在軋輥工件表面產(chǎn)生的毛化坑分布示意圖。
具體實施例方式實施例1 如圖1所示為本發(fā)明高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置的一 種具體實施方式
，它由高功率連續(xù)激光器1、光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2、數(shù)控機(jī)床3、多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4 和集成聚焦機(jī)構(gòu)這幾個部分組成。本實施例中所述高功率連續(xù)激光器1采用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，例如Nd:YAG激光器)。所述光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2由半透半反鏡201和 兩個全反鏡202組成，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和用于安裝軋輥工件13的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302，并且所述 軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302與平移導(dǎo)軌303平行。所述工作平臺12上裝有所述多棱鏡分光 機(jī)構(gòu)4和集成聚焦機(jī)構(gòu)。進(jìn)一步結(jié)合圖2所示，本實施例中所述多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4由第一反射式聚焦鏡 403、多棱鏡401、驅(qū)動多棱鏡401旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī)408和四個分光頭404、405、406、407共 同組成。本實施例中的多棱鏡401面數(shù)M= 7，每個工作面均為全反射面，多棱鏡401—側(cè) 與高速電機(jī)408相連，在高速電機(jī)408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)408的轉(zhuǎn)速為η = 0. 3 5萬轉(zhuǎn)/分。所述四個分光頭404、405、406、407緊密排列，對 應(yīng)多棱鏡401 —個工作面的反射區(qū)域呈扇形分布。再結(jié)合圖3所示，本實施例中所述集成聚焦機(jī)構(gòu)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；并且這四個集成聚焦頭601、602、603、604呈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404、405、406、407的輸出端一一對應(yīng)。所述每個集成聚焦頭的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)均相同，以第一集成聚焦頭601為例，結(jié)合圖4所示，可知其內(nèi)部設(shè)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以及位于所述3個反射鏡的反射光路上的第三透射式聚焦 鏡10。依舊如圖4所示，本實施例的集成聚焦機(jī)構(gòu)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Δ Y ；其中，ΔΧ = 50 500μπι。結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖11所示，對采用上述實施例裝置對軋輥工件進(jìn)行毛 化加工的方法及原理進(jìn)行說明，所述方法具體分成下述幾個步驟1)由數(shù)控機(jī)床3上的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302裝夾軋輥工件13，具體如圖1所示。2)啟動數(shù)控機(jī)床3，使軋輥工件13按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。同常規(guī)技術(shù)一樣，所述軋輥工件13由軋輥轉(zhuǎn)軸301帶動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由數(shù)控機(jī)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(jī)床3控制，多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4和集成聚焦機(jī)構(gòu)隨工作平臺12 —起 移動，且四個集成聚焦頭601、602、603、604的光軸均與軋輥工件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11經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2分光后進(jìn)入安 裝在數(shù)控機(jī)床3工作平臺12上的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4內(nèi)，并經(jīng)第一反射式聚焦鏡403聚焦于 高速旋轉(zhuǎn)的多棱鏡401的某個工作面上，具體結(jié)合圖1、圖2所示。4)多棱鏡401的該工作面在高速旋轉(zhuǎn)過程中使經(jīng)分光后輸出的連續(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K = 4個分光頭404、405、406、407 ；每 個分光頭在激光掃過時接受一部分激光，當(dāng)激光束依次掃過所有分光頭時相當(dāng)于給所有的 分光頭分配一個激光脈沖。多棱鏡401重復(fù)掃描時便將連續(xù)激光束分成K = 4路脈沖激光 輸出，具體如圖2所示。5)結(jié)合圖3、圖4 (圖4中省略連接在多棱鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)408及四個分光 頭404、405、406、407)所示，上述由多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4內(nèi)輸出的K = 4路脈沖激光束分別經(jīng) 4個集成聚焦頭601、602、603、604進(jìn)行聚焦，以第一集成聚焦頭601為例，并結(jié)合圖4所示 對所述聚焦過程進(jìn)行說明如下進(jìn)入第一集成聚焦頭601內(nèi)的激光脈沖首先經(jīng)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 的焦點到多棱鏡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)，所述平行掃描光束依次掃過第一集成聚焦頭601內(nèi)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(dǎo)向分成N=3束相互成一定角度的脈沖激光 束；上述N = 3束脈沖激光束經(jīng)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個聚焦光點。6)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KXN = 12個聚焦光點對軋輥工件13同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥工件13表 面形成KXN = 12條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，具體如圖11所示，該螺旋掃描線點陣的 縱向點間距b = 50 500μπι，螺距P = KXNX ΔΧ，其中K = 4，Ν = 3，ΔΧ為軋輥工件13 表面毛化點之間的橫向點間距，其根據(jù)軋輥表面粗糙度要求為50 500μπι。本實施例利 用四個集成聚焦頭601、602、603、604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)中十二 頭的加工速度，但裝置結(jié)構(gòu)卻得到了大大簡化。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的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4中的第一 反射式聚焦鏡403替換成了第一透射式聚焦鏡402，并且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603、604的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了重新設(shè)計。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實施例在其內(nèi) 部設(shè)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 焦透鏡901、902、903，如圖5所示(圖5中省略連接在多棱鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)408及 四個分光頭404、405、406、407)。本實施例的工作原理結(jié)合圖1、圖5所示說明如下高功 率連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)激光束11經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2分光后進(jìn)入多棱鏡分光機(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，并依次掃過K = 4個分光頭(圖中省略)，從而輸出K = 4路脈沖激光，這4路脈沖激光束分別經(jīng)K = 4個集成聚焦頭601、602、603、604進(jìn)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(jìn)入第一集成聚焦頭601內(nèi)的激 光脈沖經(jīng)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的焦點到多棱鏡401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(nèi)緊密排列的N =3個聚焦透鏡901、902、903，并經(jīng)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KXN = 12個聚焦光點對軋輥工件13同時進(jìn)行毛化加工，最終在軋輥工件13表面形成KXN = 12 條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，具體如圖11所示。本實施例的加工速度同樣等同于已授權(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 十二頭的加工速度，但裝置結(jié)構(gòu)卻得到了大大簡化。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的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4中的第一 反射式聚焦鏡403替換成了第一透射式聚焦鏡402，并且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603、604的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了重新設(shè)計。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實施例在其內(nèi) 部設(shè)置了第二拋物面反射式聚焦鏡14和與第二拋物面反射式聚焦鏡14相對布置的N = 3 個緊密排列的聚焦透鏡901、902、903，如圖6所示(圖6中省略連接在多棱鏡401 —側(cè)的高 速電機(jī)408及四個分光頭404、405、406、407)。本實施例的工作原理結(jié)合圖1、圖6所示說 明如下高功率連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)激光束11經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2分光后進(jìn)入多棱鏡分 光機(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，并依次掃過K = 4個分光頭(圖中省略)，從而輸出K =4路脈沖激光，所述K = 4路脈沖激光束分別經(jīng)K = 4個集成聚焦頭601、602、603、604進(jìn) 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(jìn)入第一集成聚 焦頭601內(nèi)的激光脈沖經(jīng)第二拋物面反射式聚焦鏡14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14的焦點與多棱鏡401工作面上的聚焦 點0重合)，所述平行掃描光束依次掃過第一集成聚焦頭601內(nèi)緊密排列的N = 3個聚焦透 鏡901、902、903，并經(jīng)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KXN = 12個聚焦光點 對軋輥工件13同時進(jìn)行毛化加工，最終在軋輥工件13表面形成KXN = 12條螺旋掃描線 點陣毛化坑分布，具體如圖11所示。本實施例的加工速度同樣等同于已授權(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)中十二頭的加工 速度，但裝置結(jié)構(gòu)卻得到了大大簡化。實施例4 如圖1所示，本實施例提供的這種高功率激光輥類表面集成聚焦毛化 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的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4中的第一 反射式聚焦鏡403替換成了第一透射式聚焦鏡402，并且同時對四個集成聚焦頭601、602、 603、604的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了重新設(shè)計。具體以第一集成聚焦頭601為例，本實施例在其內(nèi) 部設(shè)置了第二拋物面反射式聚焦鏡14和與第二拋物面反射式聚焦鏡14相對布置的多焦點聚焦鏡15，所述多焦點聚焦鏡15具有N = 2個焦點，如圖7所示(圖7中省略連接在多棱 鏡401 —側(cè)的高速電機(jī)408及四個分光頭404、405、406、407)。本實施例的工作原理結(jié)合 圖1、圖7所示說明如下高功率連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)激光束11經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2分 光后進(jìn)入多棱鏡分光機(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，并依次掃過K = 4個分光頭(圖 中省略)，從而輸出K = 4路脈沖激光，這4路脈沖激光束分別經(jīng)K = 4個集成聚焦頭601、 602、603、604進(jìn)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(jìn) 入第一集成聚焦頭601內(nèi)的激光脈沖經(jīng)第二拋物面反射式聚焦鏡14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14的焦點與多棱鏡401工 作面上的聚焦點O重合)，所述平行掃描光束經(jīng)多焦點聚焦鏡15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KXN = 8個聚焦光點對軋輥工件13同時進(jìn)行毛化加 工，最終在軋輥工件13表面形成KXN = 8條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，具體如圖11所 示。本實施例的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)中八頭的加工速度，但裝置結(jié)構(gòu)卻得到了大大簡化。實施例5 參考圖1所示，本實施例提供的這種高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置，其外部結(jié)構(gòu)基本同實施例1，而區(qū)別在于它的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)4中僅采用兩個分 光頭404、405，如圖8所示，相應(yīng)的集成聚焦機(jī)構(gòu)內(nèi)也僅采用兩個集成聚焦頭601、602。并 且這兩個集成聚焦頭601、602的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了重新設(shè)計。具體以第一集成聚焦頭601 為例，結(jié)合圖9、圖10所示，本實施例在其內(nèi)部設(shè)置了第二透射式聚焦鏡7、位于第二聚焦鏡 7出射光路上的N = 2個緊密排列且相互之間成一定角度布置的反射鏡801、802及位于所 述2個反射鏡的反射光路上的第三透射式聚焦鏡10。本實施例的工作原理結(jié)合圖1、圖8、 圖9和圖10所示說明如下高功率激光器1輸出的連續(xù)激光束11經(jīng)光學(xué)變換機(jī)構(gòu)2分光 后進(jìn)入多棱鏡掃描機(jī)構(gòu)4，通過反射式聚焦鏡403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，并依次掃過K = 2個分光頭404、405，從而 輸出K = 2路脈沖激光，所述K = 2路脈沖激光束分別經(jīng)K = 2個集成聚焦頭601、602進(jìn) 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(jìn)入第一集成聚 焦頭601內(nèi)的激光脈沖經(jīng)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，所述平行掃描光束依次掃過第一集成聚焦頭601內(nèi)緊密排列且互成一定角度的 N = 2個反射鏡801、802，使得平行光束被重新導(dǎo)向分成N = 2束相互成一定角度的脈沖激 光束；所述N = 2束脈沖激光束經(jīng)第三透射式聚焦鏡10聚焦后形成N = 2個脈沖式聚焦光 點輸出。K = 2個集成聚焦頭則一共輸出KXN = 4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KXN = 4個聚焦光 點對軋輥工件13同時進(jìn)行毛化加工，最終在軋輥工件13表面形成KXN = 4條螺旋掃描線 點陣毛化坑分布，具體如圖11所示。本實施例的加工速度同樣等同于已授權(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)中四頭的加工速 度，但裝置結(jié)構(gòu)卻得到了大大簡化。已申報專利“高功率激光輥類表面多頭毛化加工方法及其裝置”中的雙頭毛化加工(即K = 2，N = 1)時，30分鐘內(nèi)以6點/mm密度毛化一根長1500mm的軋輥工件，需要 軋輥工件轉(zhuǎn)速達(dá)到150轉(zhuǎn)/min。一個重達(dá)數(shù)噸的冷軋輥工件以如此高的速度旋轉(zhuǎn)，機(jī)床必 須采用特殊的設(shè)計，造價大大增加。但如果采用實施例5的雙集成聚焦頭進(jìn)行四聚焦點毛 化加工(即K = 2，N = 2)時，同樣在30分鐘內(nèi)以6點/mm密度毛化一根長1500mm的軋輥 工件，軋輥工件的轉(zhuǎn)速僅僅需要75轉(zhuǎn)/min。普通的機(jī)床設(shè)計就可以保證冷軋輥達(dá)到這樣的 速度旋轉(zhuǎn)，機(jī)床不必采用特殊的設(shè)計，例如就可以采用托瓦支撐軋輥工件。采用托瓦支撐軋 輥工件使得激光毛化時軋輥工件的定位基準(zhǔn)與磨削時的基準(zhǔn)相同，保證了軋輥加工精度的 一致性。
當(dāng)然上述各實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技 術(shù)的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本 發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
一種高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工方法，其特征在于將高功率連續(xù)激光器(1)輸出的連續(xù)激光束通過一個多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)分成K路脈沖激光束，再分別由K個集成聚焦頭(601、602、603、604)聚焦后輸出，每個集成聚焦頭對應(yīng)輸出N個聚焦光點，從而總共在軋輥工件(13)表面形成K×N個密集排布的聚焦光點，對軋輥工件(13)表面同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥工件(13)表面形成K×N條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K≥1，而N≥2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工方法，其特征在于按 下述具體步驟對軋輥工件(13)表面實施毛化加工1)由數(shù)控機(jī)床(3)上的軋輥轉(zhuǎn)軸(301)和頂尖(302)裝夾軋輥工件(13)；2)啟動數(shù)控機(jī)床(3)，使軋輥工件(13)按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；3)使高功率連續(xù)激光器(1)輸出的連續(xù)激光束進(jìn)入安裝在數(shù)控機(jī)床(3)工作平臺 (12)上的多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)，經(jīng)第一聚焦鏡聚焦于高速旋轉(zhuǎn)的多棱鏡(401)的某個工作 面上；4)多棱鏡(401)的該工作面在高速旋轉(zhuǎn)過程中將連續(xù)激光束依次掃過K個分光頭 (404、405、406、407)，K ≥ 1 ；每個分光頭在激光掃過時接受一部分激光，當(dāng)連續(xù)激光束依次 掃過所有分光頭時相當(dāng)于給每個分光頭分配一個激光脈沖；多棱鏡(401)重復(fù)掃描時便將 連續(xù)激光束分成K路脈沖激光輸出；5)上述由多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)內(nèi)輸出的K路脈沖激光束分別經(jīng)K個集成聚焦頭(601、 602,603,604)聚焦后輸出，在軋輥工件(13)表面形成密集排布的KXN個聚焦光點，N為單 個集成聚焦頭對應(yīng)輸出的聚焦光點數(shù)，N≥ 2；6)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KXN個聚焦光點對軋輥工件(13)同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥工件(13) 表面形成KXN條螺旋掃描線點陣毛化坑分布。
3.一種用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述加工方法的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加 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)上裝有多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)和集成聚焦機(jī)構(gòu)； 所述多棱鏡分光機(jī)構(gòu)(4)由第一聚焦鏡、多棱鏡(401)、驅(qū)動多棱鏡(401)旋轉(zhuǎn)的高速電機(jī) (408)和K個分光頭(404、405、406、407)共同組成；其特征在于所述集成聚焦機(jī)構(gòu)是由呈 斜線或其它形式排列的K個集成聚焦頭(601、602、603、604)組成的集成聚焦頭陣列，K個集 成聚焦頭(601、602、603、604)的輸入端與K個分光頭(404、405、406、407)的輸出端——相 對，每個集成聚焦頭均可對應(yīng)輸出N個聚焦光點，K個集成聚焦頭則可在軋輥工件(13)表 面同時形成KXN條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K ≥ 1，N ≥ 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率激光輥類表面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)M≥ 5，且每個工作面均為全反射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率激光輥類表面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。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置，其特征在于所 述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡以及與第二聚焦鏡相對布置的N個緊密排列的聚焦透鏡(901,902,903)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置，其特征在于所 述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)有第二聚焦鏡以及與第二聚焦鏡相對布置的多焦點聚焦鏡(15)， 該多焦點聚焦鏡(15)具有N個焦點。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置，其特征在于所 述每個集成聚焦頭內(nèi)均設(shè)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(801、802、803)以及位于所述N個反射鏡(801、802、803) 的反射光路上的第三聚焦鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的高功率激光輥類表面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。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工裝置，其特征在于 所述K個集成聚焦頭(601、602、603、604)呈斜線或其它形式排列，且所述相鄰兩個集成聚 焦頭之間的橫向距離為NX A X，AX = 50 500 iim，縱向距離為AY。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率激光輥類表面集成聚焦毛化加工方法及裝置，所述方法利用高功率連續(xù)激光器輸出連續(xù)激光束，將該連續(xù)激光束通過一個多棱鏡分光機(jī)構(gòu)分成K路脈沖激光束，再分別由K個集成聚焦頭聚焦后輸出，每個集成聚焦頭對應(yīng)輸出N個聚焦光點，從而總共在軋輥工件表面形成K×N個密集排布的聚焦光點，對軋輥工件表面同時進(jìn)行毛化加工，在軋輥工件表面形成K×N條螺旋掃描線點陣毛化坑分布，其中K≥1，而N≥2。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明采用集成聚焦頭技術(shù)，利用K個獨立的集成聚焦頭便能夠?qū)?yīng)輸出K×N路脈沖激光對軋輥工件進(jìn)行毛化加工，故在提高了加工效率的同時，也使得裝置整體的結(jié)構(gòu)得到大大簡化。
文檔編號B23K26/04GK101829846SQ20101016857
公開日2010年9月15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