一種軋輥表面局部激光熔注仿生強化方法與設備的制作方法
【專利摘要】提供了一種軋輥表面局部激光熔注仿生強化設備，由控制單元、仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺的通訊接口系統相連。采用激光熔注方法，針對軋輥表面磨損區域幾何特征，從仿生角度出發，研究耐磨損生物原型，從減小軋輥表面強化應力應變角度，將生物原型抗磨損的結構通過激光熔注“復制”在軋輥表面，提高軋輥表面的耐磨性，延長軋輥使用壽命，為軋輥表面強化提供了一種新的方法。
【專利說明】一種乳棍表面局部激光溶注仿生強化方法與設備
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于軋制型材用的軋輥。
【背景技術】
[0002]近年來，高速鋼軋輥、硬質合金組合軋輥的應用范圍越來越廣泛。但是，目前國內絕大多數軋鋼廠仍然在大量使用鑄鋼軋輥和球鐵軋輥，特別是粗軋機組和精軋機組的球鐵軋輥消耗量很大。軋輥在軋制各種線材、棒材、窄帶鋼、中帶鋼、無縫鋼管的過程中，軋輥處在高溫、高負荷和高速度的條件下工作，軋輥表面裂紋傾向嚴重有時甚至剛處理完尚未開始服役就出現長裂紋，在激光束的掃描搭接區產生回火軟化使軋輥表面出現“軟硬帶”，強化層深度不夠很難滿足大型軋輥重載磨損的要求。使用工況條件苛刻，要求軋輥具有高的強韌性、耐磨性、耐表面粗糙性和耐熱裂性。我國現在絕大多數軋鋼廠使用的軋輥，仍處于高合金無限冷硬軋輥、合金半鋼軋輥的階段，這些軋輥大都是采用同一種材質生產，耐磨性和韌性不能同時保證。對同一種材料來說，耐磨性和韌性是相互矛盾的兩個指標，而軋輥要求表面有高的耐磨性，心部要有好的韌性，生產中它們又是相互制約的。而對于提高軋輥耐磨性問題上，主要局限在表面涂層、激光表面改性、表面化學處理、以及材料的化學成分、組織結構、熱處理等方面，這是從材料的角度發展起來的表面抗磨技術，加工制造困難。從仿生學的角度研究耐磨性，近年來也有很大發展。

【發明內容】

[0003]本發明提供了一種軋輥表面局部激光熔注仿生強化設備，所述設備由控制單元、仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺組成，控制單元分別與仿生結構 體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺的通訊接口系統相連。
[0004]控制單元包括一臺工業控制計算機，該計算機具有多尺度激光熔注強化層工藝模塊、軋輥表面仿生結構體設計模塊和軋輥表面仿生強化數控加工模塊；
所述的多尺度激光熔注強化層工藝模塊，其第一部分是加工工藝參數數據庫，該數據庫是對大量實驗數據總結和優化的結果；數據庫中每一條數據記錄包括軋輥的材料牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、離焦量，陶瓷材料、顆粒尺寸、體積分數、彌散形態、熔注速度，熔注后軋輥表面化學成分、組織結構、耐磨性；其第二部分是仿生結構體視覺監控模塊，該部分主要接收視覺硬件系統圖像信號，處理激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形狀態，從而控制激光熔注工藝參數和四軸數控工作臺聯動狀態；
所述的軋輥表面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統結構和功能特征進行模擬和參數優化，建立相應生物模型，針對軋輥表面磨損區域不同特征，通過計算機數值模擬和特征參數優化，從減小軋輥表面強化應力應變角度，完成仿生結構體設計；
所述的軋輥表面仿生強化數控加工模塊可根據設計好的軋輥表面仿生結構體自動形成數控加工程序，驅動四自由度數控機械工作臺；也可以在其它計算機設計好軋輥表面仿生結構體，生成數控加工程序，然后導入該示教系統中；
同軸視覺傳感采集系統與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監控模塊；
所述的四自由度數控機械工作臺，其Y向進給機構安裝在機床主體上，其X向進給機構通過滑軌和絲杠安裝在Y向機構上，Z向上下移動機構安裝在Y向機構上，激光頭、同軸視覺和陶瓷送粉器通過機械連接固定在Z向上下移動機構上，B軸卡盤和軸向定位機構帶動軋棍轉動。
[0005]在軋輥功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，對表面進行填加化學元素和仿生強化。
[0006]在軋輥表面局部激光熔注陶瓷顆粒而成仿生結構體，仿生結構體筋脈寬度W1、W2為0.1Omm,仿生結構體筋脈厚度h2為0.8mm,仿生結構體網格長度W3為0.5~50mm,仿生結構體網格寬度W4為0.5~50mm，仿生耐磨點直徑d為0.5~40mm，仿生耐磨點厚度hi為
0.f 8mm，仿生結構體筋脈夾角Θ為10-170度。
[0007]激光熔注碳化物陶瓷顆粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度I~200 mg/S，顆粒尺寸為IOnm~1.0mm，在仿生結構體中陶瓷的體積分數為10%~50%，熔注層厚度
0.01 ~2.0mm。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1軋輥表面仿 生強化設備控制結構框圖 圖2軋輥表面仿生強化設備主視結構示意圖
其中:1 Z軸驅動2 X軸驅動 3 Y軸驅動4同軸視覺5激光入口 6 B軸卡盤驅動7輸出激光8陶瓷送粉器9軋輥10軸向定位機構11機床主體圖3軋輥強化表面耦合仿生結構體示意圖
其中:Wl、W2仿生結構體筋脈寬度h2仿生結構體筋脈厚度W3仿生結構體網格長度W4仿生結構體網格寬度d仿生耐磨點直徑hi仿生耐磨點厚度。
【具體實施方式】
[0009]本發明的軋輥表面局部激光熔注仿生強化設備，所述設備由控制單元、仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺的通訊接口系統相連。
[0010]控制單元包括一臺工業控制計算機，該計算機具有多尺度激光熔注強化層工藝模塊、軋輥表面仿生結構體設計模塊和軋輥表面仿生強化數控加工模塊；
所述的多尺度激光熔注強化層工藝模塊，其第一部分是加工工藝參數數據庫，該數據庫是對大量實驗數據總結和優化的結果；數據庫中每一條數據記錄包括軋輥的材料牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、離焦量，陶瓷材料、顆粒尺寸、體積分數、彌散形態、熔注速度，熔注后軋輥表面化學成分、組織結構、耐磨性；其第二部分是仿生結構體視覺監控模塊，該部分主要接受視覺硬件系統圖像信號，處理激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形狀態，從而控制激光熔注工藝參數和四軸數控工作臺聯動狀態；
所述的軋輥表面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統結構和功能特征進行模擬和參數優化，建立相應生物模型，針對軋輥表面磨損區域不同特征，通過計算機數值模擬和特征參數優化，從減小軋輥表面強化應力應變角度，設計仿生結構體設計；
所述的軋輥表面仿生強化數控加工模塊可根據設計好的軋輥表面仿生結構體自動形成數控加工程序，驅動四自由度數控機械工作臺；也可以在其它計算機設計好軋輥表面仿生結構體，生成數控加工程序，然后導入該示教系統中；
同軸視覺傳感采集系統與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監控模塊；
所述的四自由度數控機械工作臺，其Y向進給機構安裝在機床主體上，其X向進給機構通過滑軌和絲杠安裝在Y向機構上，Z向上下移動機構安裝在Y向機構上，激光頭、同軸視覺和陶瓷送粉器通過機械連接固定在Z向上下移動機構上，B軸卡盤和軸向定位機構帶動軋棍轉動。
[0011]在軋輥功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，對表面進行填加化學元素和仿生強化。
[0012]該軋輥表面局部激光熔注仿生強化方法步驟如下:
1.將表面已處理了的輥軸裝夾在機床的主軸箱卡盤上，閉合電源，啟動四自由度數控工作臺、激光發生器電源、視覺采集系統和陶瓷精密送粉器。
[0013]2.通過四自由度 數控工作臺調整激光焦點、陶瓷熔注位置與軋輥功能表面相對位 置。
[0014]3.啟動“多尺度激光熔注強化層工藝模塊”，輸入信息，確定激光熔注優化工藝參數；啟動“軋輥表面仿生結構體設計模塊”，針對軋輥表面不同特征，設計仿生結構體。
[0015]4.啟動“軋輥表面仿生強化數控加工模塊”，根據設計好的軋輥表面仿生結構體自動形成數控加工程序。
[0016]5.啟動“加工開始”，將激光熔注優化工藝參數傳遞到激光發生器，輸出激光，將數控加工程序傳遞到數控工作臺，數控平臺按照加工程序控制伺服電機驅動工作臺運動。
[0017]6.加工過程中，C⑶視覺監控激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形特征，對激光加工參數和工作臺運動軌跡做局部微調，保證軋輥功能表面仿生強化結構體加工質量。
[0018]選擇具有耐磨抗裂功能如蜻蜓翅膀等為生物原型，運用相似理論建立相應的生物模型，根據軋輥表面形態、材料、結構特征，通過計算機數值模擬和特征參數優化，進行軋輥表面仿生單元體和結構體設計，利用激光陶瓷熔注加工出具有仿生結構表面軋輥。軋輥材料為60CrMnMo，WC粉末由熔池中后部注入，平均尺寸為110 μ m，采用負離焦5.0mm，激光束加工斑點尺寸為4.0mm,激光功率密度600 ff/mm2,掃描速度1.3m/min,送陶瓷粉速度130mg/s，熔注層中陶瓷(WC)的體積分數為34%，陶瓷以均勻梯度彌散形態，在軋輥表面加工成一定仿生紋理網格，如圖3所示，該蜻蜓仿生結構體是由筋脈和耐磨點按一定規律耦合而成，耐磨點和筋脈中彌散熔注了碳化物陶瓷顆粒。其中仿生結構體筋脈寬度Wl、W2為4mm，仿生結構體筋脈厚度h2為2mm，仿生結構體網格長度W3為10mm，仿生結構體網格寬度W4為IOmm,仿生耐磨點直徑d為5mm,仿生耐磨點厚度hi為3mm,仿生結構體筋脈夾角Θ為60度。根據圖紙要求尺寸，對強化軋輥精磨，進行表面粗糙度、幾何尺寸的檢測和無損探傷檢測，確保符合要求。軋輥 表面局部激光熔注仿生強化后，提高軋輥使用壽命1.8倍以上。
【權利要求】
1.一種軋輥表面局部激光熔注仿生強化設備，其特征在于:所述設備由控制單元、仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺組成，控制單元分別與仿生結構體視覺監控系統、陶瓷精密送粉器、激光發生器和四自由度數控機械工作臺的通訊接口系統相連。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于: 控制單元包括一臺工業控制計算機，該計算機具有多尺度激光熔注強化層工藝模塊、軋輥表面仿生結構體設計模塊和軋輥表面仿生強化數控加工模塊； 所述的多尺度激光熔注強化層工藝模塊，其第一部分是加工工藝參數數據庫，該數據庫是對大量實驗數據總結和優化的結果；數據庫中每一條數據記錄包括軋輥的材料牌號、原始顯微組織，激光功率、掃描速度、離焦量，陶瓷材料、顆粒尺寸、體積分數、彌散形態、熔注速度，熔注后軋輥表面化學成分、組織結構、耐磨性；其第二部分是仿生結構體視覺監控模塊，該部分主要接收視覺硬件系統圖像信號，處理激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形狀態，從而控制激光熔注工藝參數和四軸數控工作臺聯動狀態； 所述的軋輥表面仿生結構體設計模塊是選擇具有耐磨抗裂功能的生物為生物原型，運用相似理論，對生物體幾何尺寸、外形、系統結構和功能特征進行模擬和參數優化，建立相應生物模型，針對軋輥表面磨損區域不同特征，通過計算機數值模擬和特征參數優化，從減小軋輥表面強化應力應變角度，完成仿生結構體設計； 所述的軋輥表面仿生強化數控加工模塊可根據設計好的軋輥表面仿生結構體自動形成數控加工程序，驅動四自由度數控機械工作臺；也可以在其它計算機設計好軋輥表面仿生結構體，生成數控加工程序，然后導入該示教系統中； 同軸視覺傳感采集系統與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感激光熔注熔化狀態和仿生結構體成形特征，傳給控制單元中仿生結構體視覺監控模塊；
所述的四自由度數控機械工作臺，其Y向進給機構安裝在機床主體上，其X向進給機構通過滑軌和絲杠安裝在Y向機構上，Z向上下移動機構安裝在Y向機構上，激光頭、同軸視覺和陶瓷送粉器通過機械連接固定在Z向上下移動機構上，B軸卡盤和軸向定位機構帶動軋棍轉動。
3.一種利用權利要求1或2所述的設備進行軋輥功能表面局部激光熔注仿生強化方法，其特征在于:在軋輥功能表面，利用激光陶瓷熔注加工的方法，對表面進行填加化學元素和仿生強化。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述在軋輥表面局部激光熔注陶瓷顆粒而成仿生結構體，仿生結構體筋脈寬度Wl、W2為0.riOmm,仿生結構體筋脈厚度h2為0.1~8mm，仿生結構體網格長度W3為0.5~50mm，仿生結構體網格寬度W4為0.5~50mm，仿生耐磨點直徑d為0.5~40mm,仿生耐磨點厚度hi為0.:T8mm,仿生結構體筋脈夾角Θ為10~170度。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述激光熔注碳化物陶瓷顆粒，陶瓷包括TiC、WC和SiC，送陶瓷粉速度I~200 mg/s，顆粒尺寸為IOnm~1.0mm，在仿生結構體中陶瓷的體積分數為10%~50%，熔注層厚度0.01~2.0mm。
【文檔編號】C23C24/10GK103710699SQ201310436927
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】劉立君, 柳學楊, 王義強 申請人:浙江大學寧波理工學院