CN103260815A - 用于轧辊表面处理的操作机器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对轧辊（C）进行表面处理的机器（M），包括：第一操作工位（MA），用于支撑所述轧辊（C）并且使之围绕着其自身的纵向轴线（X）转动；以及至少一个第二操作工位（MB），它于所述第一工位（MA）合作以便通过光纤设备产生和发射脉冲激光辐射，这些激光辐射随机撞击所述轧辊（C）的表面（S）并且在所述表面（S）上限定出所期望的粗糙度，所述第二工位（MB）沿着相对于所述轧辊（C）的轴线（X）平行的第一方向（K）与所述第一工位（MA）可调节地连接并且承载有一个或多个脉冲激光辐射发射头（8），而且沿着与所述轴线（X）垂直的第二方向（Z）相对于所述轧辊（C）滑动地组装在一起。

Description

用于轧辊表面处理的操作机器及其方法

技术领域

本发明涉及用于工作轧辊尤其是层压轧辊的表面处理的操作机器和相关方法。

本发明例如有利地适用于进行表面处理，适用于金属层压件生产的轧辊具有一定的粗糙度特性或者参数，以便让它们适用于特定的用途例如模制和上漆。

因此，下面的说明书将尤其涉及这种用途，但是同时保持其通用性。

背景技术

用于金属层压的方法当前包括让金属板材通过一对旋转轧辊，这给予板材一定的厚度和硬度，并且在一些情况下例如在用于汽车和家用电器的制造的扁平产品的冷层压中，在将几何表面特性以凹入形式输送到所处理的板材赋予特定的表面粗糙度。

层压成型轧辊的上述的粗糙度参数以及通常的表面特性相对于通过相同轧辊得到的最终使用的板材是被预先确定的。

用于层压成型的上述轧辊由于在生产过程期间所受到的劣化而通常必须进行定期研磨，并且这种研磨过程不总是足以赋予轧辊表面所有所期望的特征，从而例如有时在上述用途中需要进一步的表面处理，以能够获得并且控制一定的粗糙度。对于这种粗糙度应该具有的所有特征而言，应该指出，所述粗糙度限定为凸起和凹坑的分布。这些凹坑必须具有或多或少的均匀尺寸，并且必须尽可能随即分布。

用于处理这些层压轧辊的表面的现有技术采用了不同的或多或少有些复杂的技术，其中最广泛采用的是喷砂和电腐蚀，也被本领域的专家称为EDT（电火花毛化）。

这些处理技术能够很好的调节平均粗糙度，但是除了操作成本之外，过程危险并且对环境影响很大，而且因此在残余物的管理和处理方面相当复杂。

喷砂例如需要大型工厂，这些工厂为了其工作使用了噪声大并且危险的大型涡轮机；另外该方法其磨砂产生出的粉末具有明显的毒性，这些必须通过特殊***提纯并且过滤。

最后，该方法的特性由于所使用的磨料而需要相当多的维护，因为这些磨料会损伤不能受到充分保护的许多部件。

除此之外，喷砂不能很好的控制粗糙度，因此用该方法处理的轧辊产生出在粗糙度水平方面具有较差的均匀性的层压件。

电腐蚀或EDT是这样一种技术，它由于所获得的粗糙度均匀并且完全没有机加工步骤痕迹，所以从质量方面看当前提供了最佳的结果。

但是，应该指出的是，该方法由于广泛使用了可燃产品例如介质液体而非常危险，因此需要引入复杂的防火***来防止出现任何可能的着火源。

EDT对环境的影响也是相当大的，甚至高于喷砂对环境的影响，因为介质液体毒性非常大并且必须经常通过特殊的程序处理，这成本也是非常高的。

即使没有得到广泛使用，EDT方法的变型为EBT（电子束毛化）方法，其中使得材料局部熔融，以便形成微凹坑并且沉积在所述凹坑的侧面处。

进行这种方法的机器的明显缺陷在于，轧辊在处理期间必须设置在其中存在相当大的强制真空程度的腔室中，从而使得该机器非常昂贵，难以维护，并且最终不适用于层压环境。

还存在其他技术，这些技术试图通过将材料施加到轧辊表面上而不是如在EDT技术中一样去除它来获得所期望的粗糙度，但是到目前为止所得到的结果对于工业应用而言并不令人感兴趣。

当前可得到的能够克服上述那些技术的那些显著问题的另一种处理技术包括利用连续二氧化碳激光束或“CO₂激光”对轧辊表面进行切割处理。

利用连续CO₂激光束的上述处理技术是强大的（这些激光束能够到达kW级功率值），并且从环境方面看不会具有任何影响，但是它不是没有缺点，例如激光束朝着所要处理的轧辊表面的传输尤其缺乏灵活性并且是灵敏的。通过在“中等红外”频率范围内操作，实际上（其中玻璃是透明的并且因此光纤不起作用），通过反射镜和透镜***使得激光束切割所要处理的工件，并且该技术的局限性在于使得在所要处理的轧辊和激光束发射器之间形成相对运动复杂化。另外，所使用的激光束功率高、具有相对广泛的范围、到空气中并且不可见，在它在红外频率范围内操作时，使得这些机器尤其对于可能的眼睛损伤而言内在是危险的。因此，整个***（包括光路）必须遮蔽以避免出现危险的不受控制的反射。

CO₂激光束的传输局限性使之非常难以生产出不规则的表面，采用这项技术形成的切口序列容易在层压轧辊上具有通过线，并且这些会赋予金属层压件粗糙度品质，这不能用于许多用途，例如适用于机动车或家用电器的外部部件的层压件上漆。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种实施了能够解决上述现有技术的缺陷的方法的机器。

具体地说，本发明的目的在于用于对工作轧辊进行表面处理的新颖机器，它能够赋予有效的结果并且对环境的影响可以忽略，通常为正常的机加工工具，从而使用这样处理的轧辊能够获得金属层压件，其具有特别令人满意的粗糙度并且用于高质量用途例如上述那些用途。

另一个目的在于提供用于工作轧辊表面处理等的方法，该方法迅速、有效并且经济。鉴于上面的目的，根据本发明，提供了一种机器，以及具有在所给出的权利要求中所指出的特征的用于轧辊表面处理的相关方法。

附图说明

从下面的说明书中参照附图将更加清楚了解本发明的结构和功能特征及其相对于现有技术的优点，这些附图显示出所设计的用于表面处理的操作机器的优选但非限定实施方案的示意图，其中：

图1为用于轧辊的表面处理的机器的优选实施方案的示意性平面图。

图2为在图1中所示的机器的横截面视图。

图3为在图1中所示的机器的操作部件的示意性正视图。

图4为在图3中所示的部件的细节的放大示意性平面图。

图5示意性地显示出根据本发明的适于在及其中操作的轧辊表面上形成所期望的粗糙度的产生工艺。

图5a为框图，显示出根据本发明与机器控制相关的一些部件。

图5b为根据本发明在机器控制期间起作用的函数变量的示意图。

图6显示出能够采用在图1、2、3和4所示的部件获得的经处理轧辊的平面图。

具体实施方式

参照图1，M表示整个操作机器，尤其是自动的并且可能是数控的，适用于在工作轧辊C的表面S上进行处理以便在轧辊C自身的整个周向表面延伸部S上得到受控优化的粗糙度。

具体地说，适用于通过使用机器M处理的一对轧辊C有利且有效地用于对专用于高品质用途的金属板材进行层压，例如对用于汽车或家用电器行业中的板材进行模制和上漆。

该机器M基本上由彼此协作连接并且在图1中用MA和MB所示的两个操作工位构成。

该机器M的工位MA基本上由用于组2或工件夹头的支撑底座1限定，其中组2或工件夹头适用于使得轧辊C在马达MOT1的作用下围绕着其自身的纵向轴线X转动，并且支撑着组3或尾座顶心，组3或尾座顶心与组2一起用于在加工期间沿着周向方向约束轧辊C。

如在轧机轧辊的研磨技术中的通常情况一样，通过通常被称为“半月板”的一对合适的支撑件4来进行在加工期间支撑轧辊C，每个支撑件配备有至少两个滑动件4a，它们可径向调节以使得它们适应其上进行支撑的轧辊部分的直径；所述“半月板”4可以方便地容纳在支撑底座1上。但是，如果轧辊C具有特定的几何形状，则显然还可以使用装置2和3来支撑轧辊C并且限定其旋转轴线（在中央之间的支撑）；在该情况下，没有使用“半月板”4。

机器M的工位MB在方便地设置在底座1上的一对引导件5上滑动，并且至少包括支撑结构6，例如可以沿着与轧辊C的旋转轴线X平行的第一方向K运动的门架。

所述引导件5可以具有例如流体静力或流体动力（已知的并且未示出）的辊子，而可动结构46可以通过一个或多个马达MOT2来致动。

工位MB的结构6适用于支撑一个或多个臂7，它们可以相对于机器中央沿着在其中在图2中表示出机器M的平面中由轴线X限定的径向方向或第二方向Z运动。

该方向由Z表示，并且与轴线X和方向K垂直；该运动用已知的装置产生出并且因此没有示出。

臂7适用于通过将在下面描述的合适的支撑和运动机构来承载脉冲激光束或激光脉冲序列的发射器或发射头8，其通过光纤14与激光产生器GE连接并且形成其一部分。

在图5的示意图中显示出这些激光脉冲序列的特征，该图在横轴表示时间t，并且在纵轴中表示信号状态：高，或状态1，或低，或状态0。

通常在状态0和1的持续时间中的随机变化方面存在由声音叠加的参考。加入到低状态0和高状态1的声音的数值通常是不同的。

图5a显示出形成与光纤激光束的产生和控制相关的部件的各个部件的方框图。

加工参数例如脉冲和声音曲线的特征由管理界面来形成，它例如安装在适用于管理人机界面的任意设备的计算机上，脉冲发生器然后给激光发生器GE提供具有所形成的特征的参考信号，它与激光束在探针出口处的存在对应。

激光发生器GE发射出激光束，其持续时间和能量取决于该***再充电的延迟期间（状态0）和脉冲持续期间或高状态1。

图5b示意性地显示出将切割轧辊的激光的特征，发生器GE能够发射出总体强度为In、持续期间为Dn并且在一个信号Dn和另一个信号Dn+1之间的沉默间隔为Sn的激光信号。

在图5b中所示的示意图清楚显示出可以如发生器GE的合适控制***所需的一样改变所有变量In、Dn和Sn。

上述发射头8的其它基本和特殊特征在于，由GE产生出的信号由并不笨重且在机械上柔性的简单光纤传输，从下面将清楚理解其相对于传统CO₂技术的优点。

根据在图3和4中所示的本发明的示例性而非限定性的实施方案中所示的，发射头8固定在小车9上，该小车可以通过合适的支撑引导件10沿着第三方向W运行，并进而与前面所述的第一方向K和轧辊C的轴线X平行运行。发射头8沿着方向W的可能运动例如可以通过由用13表示的合适旋转发生器转动的共同连杆-曲柄机构确定，该机构在图3和4中由连杆11和曲柄12表示。

上述简单机构在使用中时允许沿着方向W、以及与方向K和X平行地单独产生针对发射头8的位置的调节运动，并且其运动规律与由MOT2施加在结构6上的无关，另外，还可以通过作用在偏心装置12上来调节沿着W方向的运行范围。

总之，发射头8相对于轧辊C的位置可以根据两个自由度运动，即以两个目的通过臂7的运动得到的沿着方向Z相对于轧辊C来回微调，第一个目的在于在所期望的相对距离L（图6）处使得发射头的位置适应于所要加工的轧辊的直径，第二个目的在于沿着方向Z改变发射头的位置以在位置MB沿着方向K相对于轧辊外形变化的情况下将整个相对距离L保持恒定，假设（相当常见的）这个外形不是“扁平的”；在金属层压中所尤其使用的轧辊实际上具有各种形状的外形，这些外形可以为凹形弯曲、凸形弯曲、正弦波形或更常见的多边形。

另外，如果机器M如此构成从而工位MB配备有组装在相应臂7上的多于一个的激光头8，则这些可以同时操作并且覆盖并处理轧辊C的表面S的不同区域，结果使得该方法更加迅速。

而且，如果对于每个发射头8的区域W施加不同的运动规律，则可以获得甚至更加有效的随机效果。

这样，当在使用中时，机器M能够在轧辊C的表面S上形成切孔或微凹坑分布，这在轧辊C的自身表面S上形成一定的粗糙度。

在该说明书的这一点上，应该指出的是，如果利用传统CO₂技术产生出激光信号，则向一个或多个发射头8施加自由度Z和可能的W实际上是不可能的，因为这个信号实际上只是由反射镜和透镜“传输”，发生器GE将必须直接组装在小车9上，但是这些装置的重量和尺寸以可接受的动态特性施加上述自由度W和Z太困难了，如存在可能的话。

应该指出的是，通常存在三个基本参数，它们决定了轧辊表面处理的质量或所述轧辊的表面粗糙度：

在轧辊表面上形成的微凹坑的深度；

它们的尺寸，例如可以用其对应于轧辊表面的直径来限定；

这些微凹坑在轧辊表面的规定区域中的密度和分布。

采用上述表面处理机器M和本发明的目的，通过改变激光发生器GE的功率（该参数由在图5b的示意图中的幅度I限定）以及通过改变在发射头8和轧辊C的表面S之间的距离，来调节微凹坑的深度和尺寸。该距离由臂7改变，该臂可以相对于轧辊C沿着方向Z垂直平移。

一旦经过调节，对于轧辊C的整个处理循环而言，可以将在轧辊C和发射头8之间的距离保持恒定。

然后通过对各个参数例如轧辊C围绕着其自身轴线X的转速、结构MB沿着方向K的平移速度、小车9沿着方向W的平移运动（在进行时）的速度和范围以及由激光头8在单位时间内反射的激光脉冲数量即在图5b的图表中所示的变量Dn和Sn的组合进行作用，来调节在轧辊C上产生出的微凹坑的密度。

应该指出的是，在机器M的操作阶段期间可以适当地改变所有上面的参数，因此能够获得完全随机分布的微凹坑，并且不会存在以相同间隔的任何通过线或重复序列，这会使得最终加工的产品不合格。

具体地说，在机器M的工作循环期间，可以根据例如具有围绕着某个平均值呈正弦波变化的循环来改变组3或工件夹头的速度，而结构MB与轧辊的轴线X平行地移动。

由于由元件11、12和13限定的连杆-曲柄机构，小车9随着结构MB的平移同时运动，因此形成进一步对轧辊C的表面进行腐蚀处理的“随机”源；另外可以通过在运动发生器13上施加不恒定的运动规则来丰富该源。

因此，优选的是可以改变轧辊C的表面S的粗糙度（Ra）和切割在表面S自身上的波峰数量。

如在图5和5a中所示意性地显示出的一样，优选的是也可以通过利用显示界面（计算机）随机设定操作参数来有利地改变由激光发生器GE产生出的脉冲数量。

在这一点，本发明相对于已知的CO₂激光技术的另一个显著优点是显而易见的，在该情况下，实际上激光信号由具有恒定强度I的CO₂源发射出，因此波峰Dn和静默Sn没有任何交替；因此，用于在轧辊C的表面S上获得一种激光切割随机性的唯一方式是在CO₂激光发射器和表面S之间***能够使得其频率数量级为KHz的光束通过或者被阻挡的***。

例如这可以用设置在源和所要加工的表面S之间的圆盘来实现，它在其边界上带有一系列方形齿，并且激光束与该区域正确对应地通过。

一旦转动，该圆盘产生出上述波峰Dn和静默Sn的序列；但是该变化性受限于可应用在所述圆盘上的齿的数量，即它受限于圆盘自身的直径，这由于实际阻挡原因而不能太大；显然，一旦圆盘已经结束转动，齿的序列是重复的，因此形成周期性，这不可避免地损害了“随机”原理。用于克服这种限制的一种方式是在圆盘上施加可变的转动运动，但是相对于本发明的八个变量，即轧辊围绕着轴线Z的转动、结构6沿着K的运动规律、沿着方向W的轨迹、偏心装置12的运动法则、发射头沿着Z的位置、激光脉冲I的强度和脉冲Dn和静默Sn的持续时间，最终现有技术设想出三个随机变量（轧辊的角速度、圆盘的角速度和相对发射头-轧辊距离）。

根据下面的操作阶段来进行用于轧辊C的表面处理的机器M的工作循环：

将轧辊C设置在工位MA上。

在专用界面中设定好上述加工参数之后，启动机器M，并且轧辊C开始围绕着轴线X转动。

每个发射头8通过在臂7（已知的并未示出）上邻近轧辊C的适当驱动装置设置在规定的邻近距离L处，并且驱动装置11、12、13使得发射头8以预定的运行沿着方向W振荡。在这方面，发射头8开始发射激光脉冲序列，这些激光脉冲序列逐渐地撞击沿着轧辊C的表面S的圆周布置在条带上的位置。这样，在轧辊随着门架6平移而转动的情况下，该条带形成在所要加工的轧辊C的整个表面上逐渐延伸的螺旋形；因此在整个表面S上产生出微凹坑分布，这限定了轧辊C的最终粗糙度。产生出这些凹坑的随机性根据本发明所披露的内容取决于上述参数，并且显然，在加工期间可以主动调节这么多参数的情况下，在用于金属层压的特定轧辊中，如由使用这些轧辊C的方法所需的一样，可以获得完全随机分布的凹坑。

一旦已经完成了表面处理，则每个发射头8在其驱动装置的推动作用下运动离开轧辊C，并且自动地设定该机器M以便取出经处理的轧辊C。

Claims (12)

1.一种用于对轧辊（C）进行表面处理的机器（M），其特征在于，所述机器包括：第一操作工位（MA），用于支撑所述轧辊（C）并且使所述轧辊围绕着其自身的纵向轴线（X）转动；以及至少一个第二操作工位（MB），用于与所述第一工位（MA）合作以便通过光纤设备形成和发射脉冲激光辐射，这些激光辐射随机撞击所述轧辊（C）的表面（S）并且在所述表面（S）上形成所期望的粗糙度，所述第二工位（MB）沿着与所述轧辊（C）的所述轴线（X）平行的第一方向（K）与所述第一工位（MA）可调节地连接并且带有一个或多个脉冲激光辐射发射头（8），而且沿着与所述轴线（X）垂直的第二方向（Z）相对于所述轧辊（C）滑动地组装在一起。

2.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述一个或多个脉冲激光辐射发射头（8）能够沿着与所述第一方向（K）和所述轧辊（C）平行的第三方向（W）运动。

3.如权利要求1和2所述的机器，其特征在于，所述第二工位（MB）包括激光脉冲序列的发射头（8）、用于所述发射头（8）沿着所述第二和第三方向（W，Z）相对于所述轧辊（C）的所述表面（S）的位置的支撑和调节装置（6，7，9，10，11，12，13）以及用于使得所述发射头（8）的所述支撑和调节装置（6，7，9，10，11，12，13）沿着与所述轧辊（C）的所述轴线（X）平行的所述第一方向（K）运动的运动装置（MOT2，5）。

4.如权利要求3所述的机器，其特征在于，所述支撑和调节装置（6，7，9，10，11，12，13）包括适于支撑所述发射头（8）的至少一个臂（7），所述发射头（8）每个都组装在小车支撑件（9）上，该小车支撑件能够在引导件（10）上运动并且适于使得所述发射头（8）相对于所述臂（7）自身的位置能够在借助于连杆（11）连接至所述小车（9）的马达装置（12，13）推动作用下沿着方向（W）运动。

5.如权利要求2和3所述的机器，其特征在于，所述运动装置（MOT2，5）至少包括在马达（MOT2）的推动作用下在安装于所述第一工位（MA）的底座（1）的引导件（5）上滑动的结构（6）。

6.如权利要求1-4中任一项所述的机器，其特征在于，由所述发射头（8）发射出的通过光纤设备的脉冲撞击激光辐射适于在所述表面（S）上形成切口或凹坑的分布，这形成所述粗糙度。

7.如前面权利要求1至6中任一项所述的机器，其特征在于，所述机器包括用于传输所述脉冲激光辐射的光纤装置。

8.如权利要求4所述的机器，其特征在于，所述臂（7）能够通过特定的指令连续地调节所述发射头（8）沿着所述第三方向（Z）的位置。

9.一种用于对轧辊（C）进行表面处理的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：使得所述轧辊（C）围绕着其自身轴线（X）转动；用由激光发射头（8）发射出的序列脉冲撞击所述轧辊（C）的表面（S），从而在所述表面（S）自身上产生出切口或凹坑的分布，并且通过所述发射头（8）相对于所述轧辊（C）的调节和运动控制所述凹坑的分布以在所述表面（S）上形成一定的粗糙度。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过调节所述发射头（8）自身沿着与所述轴线（X）成横向的第二方向（Z）相对于所述轧辊（C）的表面（S）的位置来进行所述发射头（8）的调节。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述发射头（8）能够以沿着与其横向方向（Z）垂直的第三方向（W）振荡的方式运动。

12.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过使得所述发射头（8）沿着与所述轧辊（C）的所述轴线（X）平行的第一方向（K）滑动来实现所述发射头（8）的运动。

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