一种超声辅助岩石取样装置及方法
【专利摘要】本发明提出一种超声辅助岩石取样装置及方法。该装置包括支撑架、超声振动系统、取样工具和气动元件，超声振动系统通过夹具固定于支撑架的Z向移动台，气动元件固定于支撑架的XY向移动台的中心位置，通过超声振动系统实现岩石取样工具在竖直方向的高频振动，采用气动元件实现载物台及被加工岩石标本的柔性竖直上下运动，从而使岩石表面与高频振动取样工具末端能够保持稳定的柔性微压力接触状态。本发明既能通过工具的超声振动增强SiC研磨液对岩石表面的磨削效率，又能保持合适的磨削压力，从而实现稳定、高效的超声辅助岩石取样过程。
【专利说明】一种超声辅助岩石取样装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微小尺寸脆性材料实验或检测试样的取样的【技术领域】，尤其涉及一种超声辅助岩石取样装置及方法。
【背景技术】
[0002]在地球科学领域的研究工作中，高温高压岩石学实验或在高温高压条件下对岩石进行物理、化学性质检测时经常需要从大的岩石样本中获取各种微小尺寸的岩石试样，岩石试样的形状通常为短圆柱状或长方体形，尺寸(直径或边长)通常小于5_。所制备岩石试样的质量好坏将直接影响实验结果的准确性。
[0003]目前，实验室中常用的岩石取样装置主要是由小型台钻改装而成，通过取样钻头的旋转磨削运动对岩石标本进行磨削取样加工，但这种取样装置只适用于钻取圆柱状的样品，而无法钻取长方体形的样品。另外，由于多数岩石具有明显的脆性，且取样钻头在磨削过程中主要通过操作人员手动实现向下进给，进给速度若拿捏不好会使得岩石试样破碎，所取的岩石试样表面完整性差且取样效率较低，同时该方法对操作者的操作水平和操作经验要求较高，使得岩石取样工艺的操作难度较大。因此，开发一种能够高效率获取完整的微小尺寸岩石试样且操作容易的岩石取样装置以及相应的岩石取样方法成为急需解决的难题之一。
[0004]超声辅助切削成形加工工艺是面向岩石、玻璃等脆性难加工材料进行高效成形加工的一种特种加工方法。常见的超声辅助切削成形加工方法主要包括超声辅助钻削、磨削、车削和铣削等方法。在超声辅助切削成形加工过程中，超声系统通过超声电源、超声换能器和超声变幅杆产生高频机械振动并将振动的幅值增大，传递给加工工具，使其产生高频谐振，从而实现超声辅助加工过程。
[0005]将超声辅助磨削加工工艺和岩石取样加工过程相结合是提高岩石取样效率和取样质量的一种有效方法，但与常规取样工艺一样也存在着如何实现超声取样设备合理向下进给的难题。由于岩石性能的各向异性，恒定的进给速度(电动进给)或者不均匀的进给速度(手动进给)都有可能导致岩石试样的破坏，因此研发可实现柔性进给的超声辅助岩石取样装置及其取样工艺是目前研究的难点。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种超声辅助岩石取样装置及方法，使岩石表面与高频振动取样工具末端能够保持稳定的柔性微压力接触状态，既能通过工具的超声振动增强SiC研磨液对岩石表面的磨削效率，又能保持合适的磨削压力，从而实现稳定、高效的超声辅助岩石取样过程。
[0007]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，包括支撑架、超声振动系统、取样工具和气动元件，所述的支撑架包括底座、Z向移动台和XY向移动台，XY向移动台固定于底座顶面的中心位置，Z向移动台固定于底座顶面，与XY向移动台相邻设置；所述的超声振动系统通过夹具固定于支撑架的Z向移动台，Z向移动台上的手摇柄带动夹具在竖直方向上移动，超声振动系统与所述的取样工具相连，带动取样工具在竖直方向实现高频振动；所述的气动元件固定于支撑架的XY向移动台的中心位置，气动元件与载物台相连，带动载物台在竖直方向的柔性上下运动。
[0008]按上述方案，所述的超声振动系统包括超声换能器、超声变幅杆和超声电源，超声换能器顶部与超声电源相连，底部中心位置通过双头螺柱连接超声变幅杆，超声变幅杆与取样工具采用螺纹连接，超声换能器通过夹具固定于支撑架的Z向移动台。
[0009]按上述方案，所述的取样工具的下端为中空的圆形或方形管状结构，管壁厚为
0.5mm?Imm,取样工具上端为螺纹结构与超声变幅杆的末端相连接,取样工具的材质为不锈钢。
[0010]按上述方案,所述的气动元件包括气缸和气动系统,所述的气缸为双作用紧凑型气缸,气缸竖直固定于XY向移动台的中心位置，气缸中的活塞杆与载物台的下表面中心米用螺纹连接；所述的气动系统连接气缸，为气缸提供可调节的气压。
[0011]按上述方案，所述的气动系统包括气动三联件、气源、电磁阀和单向节流阀，气源出口通过管道连接气动三联件进口，气动三联件出口通过管道连接电磁阀进口，电磁阀的两个出口分别连接一个单向节流阀进口，两个单向节流阀的出口分别通过管道与气缸的上下两端开口相连。
[0012]按上述方案，所述的载物台的上表面安设有垫板，垫板上安设工件，载物台还安设有上行程限位装置。
[0013]按上述方案，所述的电磁阀为两位五通电磁阀。
[0014]按上述方案，所述的Z向移动台与底座之间采用螺栓连接固定，加强筋的两个直角边分别与底座顶面和Z向移动台背面通过螺栓连接。
[0015]按上述方案，所述的底座底部四角设置有橡胶支撑脚，橡胶支撑脚与底座之间采用螺栓连接固定。
[0016]采用上述一种超声辅助岩石取样装置的方法，其特征在于，将所述的工件和垫板一起固定在载物台的中心位置，调节XY向移动台使工件在水平方向处于合理的取样位置；开启气源，调节单向节流阀、两位五通电磁阀和气动三联件为气缸提供合适的气压，使载物台在气缸的推动下平稳地竖直向上运动至载物台的上行程限位装置处，该位置与气缸活塞最大行程间的距离要大于工件的取样厚度；通过Z向移动台的手摇柄将夹具移动至合适位置，使取样工具的末端移动到工件上方0.8mm?Imm处，锁紧手摇柄，使取样工具的Z向位置固定；开启超声电源使取样工具产生竖直方向的高频谐振；打开载物台的上行程限位装置，工件在气缸的推动下缓慢竖直向上运动并与正在超声振动的取样工具末端接触，使取样工具末端对工件的上表面产生高频冲击，持续在取样工具与工件表面的冲击区域处加入少量SiC研磨液，通过取样工具的高频振动增强SiC研磨颗粒的磨削作用；随着取样工具和SiC磨粒对岩石表面的持续磨削作用，工件在气缸的推动下持续缓慢上升，直至取样工具穿过工件并与垫板发生接触；调节两位五通电磁阀使气流换向，工件随着气缸的活塞做竖直向下运动，与取样工具脱离；保持取样工具的高频振动，所获取的岩石试样将从取样工具内自然脱落，即可完成整个岩石取样过程。
[0017]本发明的有益效果是:通过超声取样工具的高频振动来提高研磨液中研磨颗粒对岩石表面的磨削效率，并通过气缸的支撑实现岩石试样与中空取样工具间的自动柔性进给，从而提高岩石检测样本的磨削取样效率并保证所获取样本的完整性，降低岩石取样过程的操作难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明一个实施例的正视图。
[0019]图2为本发明一个实施例的左视图。
[0020]图3为本发明一个实施例的轴侧图。
[0021]图4为本发明一个实施例的气动元件的回路示意图。
[0022]其中:1_橡胶支撑脚，2-底座，3-XY向移动台，4-Z向移动台，5-夹具，6-超声换能器，7-超声变幅杆，8-取样工具，9-工件，10-垫板，11-载物台，12-气缸，13-加强筋，14-超声电源，15-单向节流阀，16-两位五通电磁阀，17-气动三联件，18-气源。
【具体实施方式】
[0023]为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0024]如图1、2、3所示，一种超声辅助岩石取样装置，包括支撑架、超声振动系统、取样工具8和气动元件，支撑架包括底座2、Z向移动台4和XY向移动台3，XY向移动台固定于底座顶面的中心位置，Z向移动台固定于底座顶面，与XY向移动台相邻设置，超声振动系统通过夹具5固定于支撑架的Z向移动台上，Z向移动台上的手摇柄带动夹具在竖直方向上移动，超声振动系统与取样工具8相连，带动取样工具在竖直方向的高频振动；气动元件固定于支撑架的XY向移动台的中心位置，底座底部四角设置有橡胶支撑脚1，橡胶支撑脚与底座之间采用螺栓连接固定，气动元件与载物台11相连，带动载物台在竖直方向的柔性上下运动。岩石取样工具连接在超声振动系统末端可在竖直方向实现高频谐振；岩石试样和垫板10 —起固定在载物台上，通过气动元件支撑来实现载物台和试样在竖直方向的柔性升降，使岩石试样表面与高频振动取样工具末端能保持稳定的柔性微压力接触状态，从而实现稳定、高效的超声辅助岩石取样过程。
[0025]超声振动系统包括超声换能器6、超声变幅杆7和超声电源14，超声换能器顶部与超声电源14相连，底部中心位置通过双头螺柱连接超声变幅杆，超声变幅杆与取样工具采用螺纹连接，取样工具的下端为中空的圆形或方形管状结构，管壁厚为0.5mm?1mm，上端为螺纹结构与超声变幅杆的末端相连接，取样工具的材质为不锈钢，超声换能器通过夹具固定于支撑架的Z向移动台。Z向移动台与底座之间采用螺栓连接固定，加强筋13的两个直角边分别与底座和Z向移动台通过螺栓连接，增加Z向移动台的刚度。
[0026]气动兀件包括气缸12和气动系统,气缸为双作用紧凑型气缸，竖直固定于XY向移动台的中心位置，气缸中的活塞杆与载物台的下表面中心采用螺纹连接，载物台的上表面安设有垫板10，垫板上安设工件9，载物台还安设有上行程限位装置；气动系统包括气动三联件17、气源18、电磁阀16和单向节流阀15，气源出口通过管道连接气动三联件进口，气动三联件出口通过管道连接电磁阀进口，电磁阀为两位五通电磁阀，其两个出口分别连接一个单向节流阀进口，两个单向节流阀的出口分别通过管道与气缸的上下两端开口相连(见图4)，气动系统连接气缸，为气缸提供可调节的气压。[0027]米用上述一种超声辅助岩石取样装置的方法,将工件9和垫板10 —起固定在载物台11的中心位置，调节XY向移动台3使工件在水平方向处于合理的取样位置；开启气源18，调节单向节流阀15、两位五通电磁阀16和气动三联件17为气缸12提供合适的气压，使载物台在气缸的推动下平稳地竖直向上运动至载物台的上行程限位装置处，该位置与气缸活塞最大行程间的距离要大于工件的取样厚度；通过Z向移动台4的手摇柄将夹具5移动至合适位置，使取样工具8的末端移动到工件上方0.8mm?1_处，锁紧手摇柄，使取样工具的Z向位置固定；开启超声电源14使取样工具产生竖直方向的高频谐振；打开载物台的上行程限位装置，工件在气缸的推动下缓慢竖直向上运动并与正在超声振动的取样工具末端接触，使取样工具末端对工件的上表面产生高频冲击，持续在取样工具与工件表面的冲击区域处加入少量SiC研磨液，通过取样工具的高频振动增强SiC研磨颗粒的磨削作用；随着取样工具和SiC磨粒对岩石表面的持续磨削作用，工件在气缸的推动下持续缓慢上升，直至取样工具穿过工件并与垫板发生接触；调节两位五通电磁阀使气流换向，工件随着气缸的活塞做竖直向下运动，与取样工具脱离；保持取样工具的高频振动，所获取的岩石试样将从取样工具内自然脱落，即可完成整个岩石取样过程。
【权利要求】
1.一种超声辅助岩石取样装置,其特征在于，包括支撑架、超声振动系统、取样工具和气动元件，所述的支撑架包括底座、Z向移动台和XY向移动台，XY向移动台固定于底座顶面的中心位置，Z向移动台固定于底座顶面，与XY向移动台相邻设置；所述的超声振动系统通过夹具固定于支撑架的Z向移动台，Z向移动台上的手摇柄带动夹具在竖直方向上移动，超声振动系统与所述的取样工具相连，带动取样工具在竖直方向实现高频振动；所述的气动元件固定于支撑架的XY向移动台的中心位置，气动元件与载物台相连，带动载物台在竖直方向的柔性上下运动。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的超声振动系统包括超声换能器、超声变幅杆和超声电源，超声换能器顶部与超声电源相连，底部中心位置通过双头螺柱连接超声变幅杆，超声变幅杆与取样工具采用螺纹连接，超声换能器通过夹具固定于支撑架的Z向移动台。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的取样工具的下端为中空的圆形或方形管状结构，管壁厚为0.5mm~1mm，取样工具上端为螺纹结构与超声变幅杆的末端相连接，取样工具的材质为不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的气动元件包括气缸和气动系统，所述的气缸为双作用紧凑型气缸，气缸竖直固定于XY向移动台的中心位置，气缸中的活塞杆与载物台的下表面中心采用螺纹连接；所述的气动系统连接气缸，为气缸提供可调节的气压。
5.根据权利要求4所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的气动系统包括气动三联件、气源、电磁阀和单向节流阀，气源出口通过管道连接气动三联件进口，气动三联件出口通过管道连接电磁阀进口，电磁阀的两个出口分别连接一个单向节流阀进口，两个单向节流阀的出口分别通过管道与气缸的上下两端开口相连。
6.根据权利要求4或5所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的载物台的上表面安设有垫板，垫板上安设工件，载物台还安设有上行程限位装置。
7.根据权利要求5所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的电磁阀为两位五通电磁阀。
8.根据权利要求1或2所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的Z向移动台与底座之间采用螺栓连接固定，加强筋的两个直角边分别与底座顶面和Z向移动台背面通过螺栓连接。
9.根据权利要求1或2所述的一种超声辅助岩石取样装置，其特征在于，所述的底座底部四角设置有橡胶支撑脚，橡胶支撑脚与底座之间采用螺栓连接固定。
10.采用上述权利要求之一所述一种超声辅助岩石取样装置的方法，其特征在于，将所述的工件和垫板一起固定在载物台的中心位置，调节XY向移动台使工件在水平方向处于合理的取样位置；开启气源，调节单向节流阀、两位五通电磁阀和气动三联件为气缸提供合适的气压，使载物台在气缸的推动下平稳地竖直向上运动至载物台的上行程限位装置处，该位置与气缸活塞最大行程间的距离要大于工件的取样厚度；通过Z向移动台的手摇柄将夹具移动至合适位置，使取样工具的末端移动到工件上方0.8mm~1_处，锁紧手摇柄，使取样工具的Z向位置固定；开启超声电源使取样工具产生竖直方向的高频谐振；打开载物台的上行程限位装置，工件在气缸的推动下缓慢竖直向上运动并与正在超声振动的取样工具末端接触，使取样工具末端对工件的上表面产生高频冲击，持续在取样工具与工件表面的冲击区域处加入少量SiC研磨液，通过取样工具的高频振动增强SiC研磨颗粒的磨削作用；随着取样工具和SiC磨粒对岩石表面的持续磨削作用，工件在气缸的推动下持续缓慢上升，直至取样工具穿过工件并与垫板发生接触；调节两位五通电磁阀使气流换向，工件随着气缸的活塞做竖直向下运动，与取样工具脱离；保持取样工具的高频振动，所获取的岩石试样将从取样工具内 自然脱落，即可完成整个岩石取样过程。
【文档编号】G01N1/04GK104034552SQ201410301083
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】韩光超, 刘初见, 王超, 李艳云, 孙莹, 李凯, 孙明, 杨君龙 申请人:中国地质大学（武汉）