[發明專利]一種軋輥表面局部激光熔注仿生強化方法與設備

有效

• 申請號: 201310436927.5
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN103710699A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 劉立君;柳學楊;王義強
• 申請（專利權）人: 浙江大學寧波理工學院
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 寧波市鄞州甬致專利代理事務所(普通合伙) 33228
• 代理人: 代忠炯

技術領域

本發明屬于軋制型材用的軋輥。

背景技術

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

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。

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輥轉動。

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。

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0.1~10mm，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h1為0.1~8mm，仿生結構體筋脈夾角θ為10~170度。

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1～200?mg/s，顆粒尺寸為10nm～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。

附圖說明

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