笼统地说，本发明涉及应用激光束来进行机械加工的装置，具体地说，本发明涉及能够进行精密机械加工的激光束机械加工装置，诸如为了在金属轧辊表面形成所需的粗糙度而形成预定的不平整的图案的激光打毛操作。更具体地说，本发明涉及用激光束对工件表面进行间歇照射，并且在工件被激光束光点照射之处释放辅助（assisting）气体的激光束机械加工装置。

近年来，在各种产品中，广泛使用了涂上美丽的油漆的金属薄板、面板和金属板，作为经油漆喷涂过的金属薄板的一个典型的例子的冷轧薄钢板，通常是将冷轧的钢板依次进行去油、退火和平整后生产出来的。在这一种情况下，平整是用具有毛糙表面的工作轧辊来进行的。具有毛糙表面的工作轧辊可以在金属薄板的表面形成适当的即所需在表面，以便在压制成形过程中改善抗磨损的性能。

当这种金属薄板、面板、或金属板被用作汽车壁板，尤其是汽车的外壁板时，因为汽车的外表能直接对消费者产生吸引力，所以油漆喷涂以后的光洁感对于汽车本身的估价是一个相当重要的因素。用于确定油漆喷涂金属薄板、面板或金属板的质量的因素有多种。在诸多因素中，油漆喷涂表面具有光泽以减少漫反射以及成像清晰，以及几乎没有成像畸变是尤为重要的一个因素。光泽度和成像清晰度合称为“成像明晰度”。

众所周知，涂漆表面的成像明晰度由油漆的种类以及涂漆方法决定，但亦强烈地受金属薄板、面板或金属板的材料表面的粗糙度的影响（在下文中，“金属薄板”一词将用于表示各种形状的金属产品， 包括金属条、金属面板、金属板等）。此即，当平整部分在钢板表面中所占的比率小而不平整部分相对来说较大时，平整部分在涂过漆的表面也就变小，而不平整部分则变大，结果，光的漫反射就使光泽度和成像清晰度降低，从而降低了成像明晰度。

另一方面，为了将金属薄板形成为所需的结构，在平整过程以后，要将金属薄板压制成形。在这一压制成形过程中，为使压制操作易于进行，在压模和金属薄板之间适当地加上润滑油以减小其间的摩擦力是至关重要的。此外，必须将由于模子和金属薄板之间的摩擦而产生的金属屑吸收掉以防可能产生的磨损。由此可以理解，金属薄板上所形成的凹痕可以有效地将润滑油保持住并将金属屑吸收进去。

此外，考虑到涂漆表面的光滑度，为使涂漆表面获得令人满意的光滑度和成像明晰度，涂漆层需具有足够的厚度。如果金属薄板过于光滑，金属薄板表面上油漆的附着力就比较低，从而限制了能形成稳定的油漆喷涂层的厚度。换言之，通过在金属薄板表面形成适当的不平整度，就可以使油漆获得足够高的附着力，从而可以形成较厚的油漆层。因此，由此可以看出，最好使金属薄板表面具有适当的粗糙度。

金属薄板表面的粗糙度一般由中心线平均粗糙度（center-line    average    roughness）Ra来表示。众所周知，当中心线平均粗糙度Ra变大时，凸起和凹进的高度差值就变大，这样就使涂漆表面的不平整度变大从而降低了成像明晰度。当金属薄板用通常的喷砂法或放电工艺进行毛面的工作轧辊进行平整处理时，它呈现出由不规则的图案形成的不平整毛糙部分组成的粗糙表面，即如上所述的一些不规则排列的凸凹部分组成，其中，平整部分在表面积中所占的比例很小。当对这种金属薄板进行喷涂时，由于涂层一般总是沿着表面结构形成的，因此，平整部分在喷涂区中所占的比率很低。

为了改进已有技术中的上述问题，已有人设想用激光束对工作轧 辊进行表面处理。例如，在日本专利（未经审查的）特开昭56-160892，日本专利（已经审查的）特公昭58-25587，日本专利特开昭54-61043以及日本专利特开昭和54-94790中，披露了用激光束对工作轧辊进行表面处理的方法。然而，已有的这些方法不能始终如一地提供令人满意的工作轧辊的性能。

本发明的一个目的是提供一种激光束机械加工装置，它能够对工件表面有效而精密地进行机械加工。

本发明的另一个目的是提供一种能适用于平整工艺过程的将工作轧辊打毛的激光束机械加工装置。

为了完成上述及其他目的，根据本发明，激光束机械加工装置采用一个激光器，用以产生激光束;一个遮光装置，用于间歇地挡住激光束以使激光束间歇地照射在工件表面上;一个辅助（assisting）气体释放装置，用于将辅助气体射向激光束照射的那一点上。辅助气体释放装置安排得使辅助气体流大体上沿着照射到工件表面的激光束的轴线方向释放。

根据本发明的一个方面，激光束机械加工装置包括产生激光束的激光束源，确定激光束光路的装置，一个初级光学聚光器，设置在激光束之内，用来使照射到工件上的激光束聚焦在预定的一点上。一个辅助（assisting）气体释放装置，用于将辅助气体射向工件表面的预定点，一个机械遮光装置，具有一个旋转的遮光盘，设置在激光束光路上，位于初级聚光器的上游，用来间歇地建立和阻断激光束通路（光路），从而使激光束能得以间歇地照射在工件的预定点上。

在较佳实施例中，激光束机械加工装置进一步包括一个设置在激光束光路中遮光器上游的辅助聚光器，该辅助聚光器的焦距约和其与遮光盘的距离相对应。激光束机械加工装置还进一步包括一个设置在激光通路上并位于遮光器下游的光扩展器，该光扩展器将平行光通到 初级聚光器。

通过将遮光器置于初级聚光器的上游并且离开辅助气体流，朝着工件被激光束照射的预定点释放的辅助气体不会受到干扰。不然的话，则将产生扰动，降低激光机械加工的精度。此外，通过将遮光器置于初级聚光器的上游位置上，释放装置可以大体上沿着照射到工件的预定点上的激光束的轴向释放气体。为达到此目的，在激光束机械加工装置中包括一个喷管（torch），该喷管的一端与工件的预定点相对，喷管上有一个孔，用于通过由初级聚光器聚焦的激光束和辅助气体。

初级激光器可包括一个聚焦透镜，辅助聚光器可包括一个聚焦透镜，光扩展器可包括一个散焦透镜在（本发明的）一个变体中，初级聚光器可包括一个聚光镜，辅助聚光器可包括一个聚光镜，光扩展器可包括一个散光镜。

根据本发明的另一个方面，有一用于制造平整金属薄板的工作轧辊的设备，该工作轧辊须具有预定的表面粗糙度和规则的、具有几何图案的不平整表面，上述设备包括一个用于可转动地支持轧辊的支承装置，一个与支承装置相关联的用于以一给定速度转动材料轧辊的驱动装置，一激光机械加工装置，用于将激光束照射在材料轧辊的预定位置上以便形成由一凹陷及围绕这一凹陷的环状凸缘所构成的不平整部分，用以将工作轧辊表面打毛，激光机械加工装置包括：

一个产生激光束的激光束源;

用于确定激光束光路的装置;

设置在激光束上用以使激光束聚焦以照射在工件预定点上的初级光学聚光器;

用于向工件上预定点释放辅助气体的辅助气体释放装置;以及一个机械遮光器，它具有一个设置在激光束光路上并位于光学聚光器的上游的旋转遮光盘，用以间歇地建立和阻断激光束光路，从而使激光 束能得以间歇地照射在工件的预定点上。

在较佳构造中，激光束机械加工装置可以产生能量密度在5×104至9×106瓦/平方厘米范围内的激光束。

为了形成有规则的几何图案的不平整表面，所述设备还包括一个第二驱动装置，用以使材料轧辊和激光束机械加工装置在轴向以一预定的节距产生相对位移。

所述设备可以这样设计，使其形成的工件轧辊的外周表面上形成多个互相有一定间距关系的不平整部分，每个不平整部分由一个凹陷以及一个环绕该凹陷的环状凸缘构成，不平整部分安排成使相邻不平整部分的中心距与不平整部分的外部尺寸之比在0.85至1.7的范围内，并且中心距与外部尺寸之差小于280μm。

通过下文中结合本发明的最佳实施例的附图进行详细描述，可以对本发明将有更为全面的理解，然而，实施例不应用来限制本发明，而仅供解释和理解之用。

图中;

图1是对平整用的工作轧辊进行打毛的激光束打毛系统总体示意图，在最佳实施例中，采用了根据本发明的激光束机械加工装置;

图2是根据本发明的激光束机械加工装置第一个实施例的局部示意图;

图3是用来解释利用根据本发明的激光束机械加工装置的第一个实施例打毛的、具有毛糙表面的工作轧辊的放大的截面图;

图4为图3中所示工作轧辊的放大的平面图;

图5为根据本发明的激光束机械加工装置的第二个实施例的局部截面图。

为了便于对下文中披露的激光束机械加工装置的最佳实施例的理解，我们以正在受理（联合待批）中的美国专利申请号为第948，122 和029，083，（分别于1986年12月31日和1987年3月23日提出申请）以及正在受理中（联合待批）中的题为“具有成几何图案不平整毛糙部分的毛糙表面用于平整的工作轧辊及其制造方法”的美国专利申请（于1987年7月13日提出）作为参考。上述正在受理（联合待批）中的美国专利申请用于此处作为参考旨在利于披露本发明。

应该指出，通过根据本发明的激光束机械加工装置的最佳实施例，将以适用于平整工作轧辊的激光束打毛系统的形式，使本发明得到详尽的描述，但是根据本发明的激光束机械加工装置的最佳实施例的应用，并不仅限于所披露的系统，而是可以扩展到需要激光束机械加工的各种领域。

现参见附图，图1中展示了一个用于在工作轧辊的表面形成具有规则的几何图案的不平整度的打毛设备。如图1所示，工作轧辊打毛设备一般具有与车床、磨床等相同的构造。该设备包括一个用以可旋转地支持材料轧辊11的轧辊支架12，轧辊支架12可以以一个预定的转速旋转地驱动材料轧辊11。

一激光束机械加工装置10，包括一个激光束发生器13，通过光束通路15与激光束发生器相连接的激光头14。如图所示，光束通路15在其中间部分发生弯曲。偏转反射镜16设置在拐角上，用来将从激光束发生器13出来的激光束偏向激光头14。在所示例子中，通过将光束通路15的15b部分的轴与15a部分相垂直而使光束通路15弯成直角。因此，偏转反射镜16与15a和15b部分的轴相对成45°角。

在最佳结构中，激光束机械加装置产生能量密度在5×104至9～106W/cm2的范围内的激光束。

激光束机械加工装置10放在可移动底座17上。可移动底座17可沿与材料轧辊11的轴向平行延伸的导轨18上移动。激光头14与材料轧辊的外周相对，激光束聚焦在轧辊外周的一个预定点上。

不平整的毛糙部分在节距决定了轧辊表面的粗糙度。此节距可通过调节轧辊支架12的驱动速度以及沿导轨18的可移动底座的移动速度而得到调节。不平整的毛糙部分的深度则可通过调节确定激光束照射周期的遮光器的转速而得到控制。

尽管在图1中并未明显示出，辅助气体（诸如氧气）通过辅助气体喷嘴向材料轧辊11上被激光束照射的点释放。

图2展示了根据本发明的激光束机械加装置的第一个实施例的激光头14的一个最佳构造。激光头14包括聚焦透镜21，其焦距为l1，散焦透镜22，其焦距为l2，以及设置在喷管（气炬）24中的聚焦透镜23。喷管24有一孔25，激光束被聚焦透镜23聚焦后通过此孔照射在材料轧辊11的外周上。

聚焦透镜21和散焦透镜22互相相对激光束轴线y成一直线安置，距离为l1+l2。激光束由聚焦透镜21聚束（聚焦）后被散焦透镜22变成平行光束。从散焦透镜22发出的平行光束再次被喷管24中的聚焦透镜23聚焦。从图中可以看出，聚焦透镜23也相对于激光束轴线y与聚焦透镜21和散焦透镜22排成一直线。然后，被聚焦的激光束照射在材料轧辊外周的预定点上。

遮光机构26用来在聚焦透镜21和散焦透镜22之间间歇地建立和阻断激光束的光路。本例中所示的遮光机构26是一个机械遮光器，包括一个遮光盘27，其上有多个圆周排列的通孔或缝28。缝28具有规则的间距，该间距可视轧辊外周上所需的粗糙度而定。遮光盘27固定在转轴29的一端，该转轴29由支承部件30可转动地支持住。在转轴29的另一端邻近，装有一个从动滑轮31用于使其与轴一起旋转。从动滑轮31通过传动带33与驱动滑轮32可驱动地连接。驱动滑轮32连在驱动马达M的驱动轴34上。于是，马达M以一给定速度驱动遮光盘27以便间歇地建立和阻断激光束的光路。

如图2所示，遮光盘27放置得使其周边部分处于聚焦透镜21和散焦透镜22之间的激光束的光路上。在最佳构造中，遮光盘27位于聚焦透镜21的焦点附近以便在该处建立和阻断激光束的光路。

在喷管24上有一个辅助气体进口35，通过该进口引进辅助气体。辅助气体进入喷管24，经由孔25向轧辊外周上被激光束照射的部分释放。因此，辅助气体基本上是沿着行将照射到轧辊处周上的激光束的轴线方向释放的。

在操作过程中，由激光束发生器13产生的激光束经由光束通路15传送并被聚焦透镜21接收。聚焦透镜21将激光束射向散焦透镜22。通过聚焦透镜21的激光束聚焦在聚焦透镜的焦点处。因为遮光盘27在聚透镜21和散焦透镜22之间转动，如上文所述，当缝28中的一个位于激光束光路上时，激光束射到散焦透镜22上。

散焦透镜22接收聚焦后的激光束并将聚焦激光束转换成平行光束。该平行光束被喷管24中的聚焦透镜23接收。聚焦透镜23将激光束聚焦后打向材料轧辊11的外周的一点上。由于遮光盘27在聚焦透镜21和散焦透镜22之间建立和阻断激光束通路，因此，激光束是间歇地照射在轧辊的外周上的。

在进行这种操作时，辅助气体（如O）向激光束所照射的点上释放。该辅助气体帮助激光束照射的金属处熔化，并将蒸发的金属蒸气附着在被蒸发部分的周边上。

图3和图4展示了用上述激光束机械加工装置打毛而形成的轧辊表面。

上述设备可设计得使所形成的工件轧辊的外周周表面上的多个不平整部分相互以一定的间隔关系隔开，每个不平整部分由一凹陷和围绕该凹陷的环状凸缘构成，不平整部分安排得使其相邻不平整部分的中心距与不平整部分的外部尺寸之比在0.85至1.7范围内，中心距与 外部尺寸之差小于280μm。

如上所述的经由激光头14聚焦的激光束依次照射在旋转着的材料工作轧辊表面上，以便有规则地熔化工件受到激光能量照射的表面部分。这样，就可在工作轧辊的表面43上形成有规则的呈几何图案的火山形不平整毛糙部分41。如图3和图4所示，每个不平整的毛糙部分具有一个凹坑41a，工作轧辊的熔化的金属从工作轧辊的表面位置46处向上隆起，形如一个圆环，围绕着相应的凹坑。下文中，隆起部分将被称为“环形峰”或“峰状环”，在整个文本中，环状峰用参考号码42来表示。另一方面，在用激光束进行照射以形成相应的火山形不平整毛糙部分41的过程中，金属被激光束能量熔化，沿着凹坑41a的内周形成一个由热产生的层45。

如图3和图4所示的实施例中，相应的不平整毛糙部分41的中心C在纵向和圆周方向上排齐并与相邻的不平整毛糙部分43有一Sm的相对距离。不平整部分由凹陷41a及环状峰42形成，其中火山状的不平整部分41在纵向和圆周方向上与相邻不平整部分排齐，不平整部分41与相邻不平整部分之间有一预定且规则的中（心）到中（心）的间距Sm。凹陷41a和环状峰42的直径及其凹陷的深度由照射在工作轧辊43表面上的激光束的强度和密度决定。在所示的实施例中，环状峰42的外径D（即不平整毛糙部分的外部极限），根据上述中心间距Sm选定，使在相邻不平整毛糙部分41之间留有一与表面相平的平整部分46a。上述规则的不平整毛糙部分41可通过转动或沿轴向移动工件轧辊，有规则地照射激光束而形成，其中，轧辊表面通过这样形成的不平整毛糙部分而形成粗糙状态。轧辊上的粗糙表面如图3和4所示。不平整毛糙部分41之间的间距可以通过控制与工作轧辊的转速有关的在工作轧辊转动方向上的激光照射的频率以及控制激光束照射点的轴向移动节距而得到调节。

如上所述，不平整毛糙部分的深度和直径（该直径由环状峰42的外径确定）由入射激光束的强度和照射时间决定。

受激光束照射的轧辊的金属由于照射激光束的高能量密度而迅速变成金属蒸气。在本例中，熔化的金属被所产生的蒸气压力吹离轧辊表面从而形成凹陷41a。另一方面，蒸发起来的金属重又附着在凹陷的周边上从而围绕凹陷而形成环状峰42。通过将诸如氧气或类似的辅助气体吹到产生反应的点上，这一系列过程将变得更为有效。

图5所示的激光头是构成根据本发明的激光束机械加工装置的第二个实施例的主要部份。

在图5所示的这一实施例中，弯曲的激光束光路由激光头壳体51形成。即，激光头壳体51具有一个与激光束光路对齐的第一部分52，一个经过拐角54与第一部分相连接的第二部分53，后者（53）具有一个基本上与第一部分的轴垂直延伸的轴，一个经过拐角56与第二部分相连接的第三部分55，55具有基本上与第二部分相垂直延伸的轴，一个经过拐角58与第三部分相连接的第四部分57，57具有一个基本上沿与第三部分相垂直的方向延伸的轴，一个经由拐角60与第四部分相连接的喷管部分59。

聚光镜61设置在第一拐角54处，将沿第一部分52入射的激光束聚束并偏转至第二部分53的方向。由聚光镜61发出的聚束的激光束照射在设置在第二拐角56上的散光镜62上。散光镜62形成沿第三部分55出射的平行光束。该平行光束被设置在第三拐角58上的平面镜63偏转并照射在设置在第四拐角处的聚光镜64上。该聚光镜64使平行光束的激光能量聚集起来，经由喷管部分59的末端上的通孔65照射在材料轧辊11的外周表面上。

与上述第一个实施例相类似，辅助气体入口66形成在喷管59内，用以引进辅助气体并通过孔65释放。

具有遮光盘68的遮光机构大体上与第一个实施例中所公开的结构相同。遮光盘68的安排使得盘的周边部分69置于聚光镜61和散光镜62之间的激光束光路上，并大约位于聚镜的焦点上。与上述实施例相似，位于激光束光路中的遮光盘部分上有很多缝70。

在第二个实施例中，可以实现与第一个实施中相同的激光束机械加工操作。

根据本发明，由于遮光装置置于辅助气体气流通路之外，遮光盘转动所产生的气流将不会影响辅助气体的流动。这使辅助气体免受干扰，不然的话，将影响形成所需结构的凹坑和凸峰的精确度。

在以最佳实施例的形式对本发明进行描述使本发明易于理解以后，应该指出，在本发明的原理指导之下，本发明可有多种实现方式。因此，本发明应被理解成在不悖离在权利要求中所提出的构思的情况下，应该包含所有可能的实施例以及对所示实施例的各种变形。