一种改进型旋转超声岩石取样装置及方法与流程

本发明涉及一种改进型旋转超声岩石取样装置及方法，属于微小尺寸脆性材料实验或检测试样取样的技术领域。

背景技术：

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，直径小于5mm，高度为5～10mm。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。

由于岩石材料的硬脆性，实验室中早期常用的岩石取样装置主要是由小型台钻改装而成，取样过程是利用取样钻头的高速旋转来驱动取样钻头上的金刚石颗粒来磨削去除材料，但是由于材料的硬脆性和难以控制的动态磨削力，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，进给速度难以精确控制，所取的岩石试样表面完整性差且取样效率较低，使得岩石取样工艺的操作难度大，该方法对操作者的操作水平和操作经验要求较高。后期发展了超声辅助切削成形加工工艺，该工艺是一种面向岩石、玻璃等脆性难加工材料进行高效成形加工的特种加工方法。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。但是，目前的旋转超声机构研究主要集中在旋转超声系统与数控机床的一体化融合方向，将超声振动系统与机床主轴结合，对机床的改动大，改造成本高，且结构尺寸大，不适用于实验室小型设备加工的需求。因此，研发小型旋转超声磨削取样装置是目前研究的难点之一。

2014年中国公开了由中国地质大学(武汉)申请的“一种超声辅助岩石取样装置及方法”，专利授权公告号CN104034552B，该技术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。但该技术也存在一定的局限性，与常规超声辅助磨削加工工艺一样都是采用竖直方向的往复超声振动来实现磨削加工，也存在着如何实现取样工具的合理磨削进给以及如何进一步提高磨削取样效率的难题。由于不同种类岩石的硬度差异较大，单纯依靠气缸实现柔性磨削进给的超声磨削取样加工效率仍然较低，因此针对不同硬度岩石材料，还需要开发一种操作容易、且能够高效率获取表面精度较高的微小尺寸岩石试样的岩石取样装置以及相应的岩石取样方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述存在的技术问题，而提供一种改进型旋转超声岩石取样装置及方法，使取样工具在竖直方向高频振动的同时还能进行旋转运动，实现对岩石表面的旋转超声磨削加工，并增强取样工具表面金刚石颗粒对岩石坯料表面的磨削加工性能，从而实现稳定、高效的旋转超声辅助岩石取样。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种改进型旋转超声岩石取样装置，包括支撑架、超声振动系统、取样工具和气动元件；所述的支撑架设有底座，加强筋，XY向移动台和电动滑台；电动滑台竖直固定于底座一侧，XY向移动台固定于底座的中心位置，电动滑台与XY向移动台相邻设置；所述的超声振动系统设有超声换能器、连接变幅杆和超声电源；超声振动系统通过夹具固定于电动滑台的支撑板上，超声振动系统与取样工具相连，带动取样工具在竖直方向实现高频振动；气动元件固定于底座上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实现柔性上下运动；还增设了旋转系统以及改进了取样工具，所述的旋转系统设有控制面板，同步带、同步带轮A与同步带轮B，电机连接杆，电机支撑架，步进电机、联轴器和轴承C；所述的步进电机通过联轴器与电机连接杆连接，同时步进电机通过沉头螺栓固定于电机支撑架上，电机支撑架通过沉头螺栓固定于电动滑台的支撑板上，电机连接杆末端与轴承C连接并固定于变幅杆支撑架上，同步带轮B通过过盈配合固定于电机连接杆上；同步带轮A通过过盈配合固定于连接变幅杆A的法兰结构上端，步进电机通过同步带连接两个同步带轮A、B实现电机连接杆和超声连接变幅杆A同步转动；所述的改进的取样工具下端为中空的圆形管状结构，中空管的材质为不锈钢，管壁厚为0.5～1mm，中空管的内外壁和末端底面上电镀了一层金刚石颗粒，取样工具在旋转超声振动过程中实现对岩石坯料的磨削取样加工，完成从岩石坯料到岩石试样的磨削取样过程。

所述的连接变幅杆A通过自身的法兰结构分别与同步带轮A和轴承B实现过盈配合；同步带轮A与连接变幅杆A的法兰结构上端配合；轴承B的内圈与连接变幅杆A的法兰结构下端配合，并通过轴承B外圈固定在变幅杆支撑架上，轴承A和轴承B的中心线在竖直方向保持一致。

本发明还提供一种使用上述改进型旋转超声岩石取样装置辅助岩石取样的方法，先将岩石坯料固定在载物台的中心位置，调节XY向移动台使岩石坯料在水平方向处于设定的取样位置；打开空压机，调节气动元件，为气缸提供气压，使载物台在气缸的推动下平稳地竖直向上运动至载物台上的上行程限位器处，该位置与气缸最大行程间的距离要大于岩石坯料的取样厚度；再按如下步骤操作：

步骤⑴、通过控制面板控制电动滑台上的步进电机旋转，使电动滑台的支撑板向下移动，直至取样工具的末端与岩石坯料上方接触，并保持取样工具在Z向位置固定；

步骤⑵、开启超声电源使取样工具在竖直方向产生往复高频振动，然后通过控制面板控制旋转系统的步进电机旋转，从而通过同步带、同步带轮A和同步带轮B带动超声系统旋转并使取样工具实现竖直旋转超声振动；

步骤⑶、此时根据所加工岩石坯料的硬度选择磨削进给方式：

①.当岩石坯料的普氏硬度系数f≤4时，则直接通过控制面板控制电动滑台的支撑板以及取样工具以设定的速度继续下行，直至取样工具末端磨削穿过岩石坯料，完成磨削加工，磨削过程中通过外接水源对磨削区域进行滴注润滑；

②.当岩石坯料普氏硬度系数f>4时，打开载物台上的行程限位器，岩石坯料在气缸的推动下缓慢竖直向上运动并与正在做旋转超声振动的取样工具末端接触，使取样工具末端和取样工具的内外表面的金刚石颗粒对岩石坯料的表面产生竖直高频旋转超声磨削冲击，随着取样工具表面的金刚砂颗粒对岩石坯料表面的持续磨削作用，岩石坯料在气缸的推动下持续缓慢上升，直至取样工具末端磨削穿过岩石坯料，完成从岩石坯料到岩石试样的磨削过程；

步骤⑷、完成磨削加工后，调节气动元件使气流换向，岩石试样随气缸的活塞缓慢竖直向下运动，与取样工具脱离；然后关闭旋转系统的步进电机，使取样工具保持竖直高频振动，所获取的岩石试样从取样工具内自然脱落，即完成整个岩石试样取样过程。

本发明的改进型旋转超声岩石取样装置及方法与现有的技术相比具有的优点是：

⑴、本发明的装置结构紧凑，采用在已有专利技术“超声辅助岩石取样装置及方法”的基础上新增设了旋转系统和改进的取样工具，加上旋转系统通过控制面板控制步进电机旋转，从而由同步带、同步带轮A和同步带轮B带动超声系统旋转，使岩石取样工具同时实现旋转和竖直方向超声振动的复合运动；同时，由于取样工具的中空管内外壁和末端底面上电镀了有金刚石颗粒，进一步提高取样工具表面对岩石坯料的磨削去除能力，并通过气缸的支撑实现岩石坯料与中空取样工具间的自动柔性进给，或通过步进电机驱动实现取样工具的竖直自动进给，从而实现不同硬度岩石坯料的高效磨削取样过程。

⑵、本发明的改进型旋转超声辅助岩石取样方法，针对不同种类岩石硬度差异较大的特点，采用了两种磨削进给的方法，克服了已有技术“超声辅助岩石取样装置及方法”单纯依靠气缸柔性磨削进给存在的磨削加工效率较低问题，实现了取样工具的合理磨削进给，进一步提高了磨削取样效率。

⑶、本发明方法中的岩石取样过程主要通过控制面板控制，因此操作比较容易，降低了对操作者的操作水平和操作经验的要求，更重要的是保证了高效磨削取样及所获的岩石试样样品的完整性。

附图说明

图1为本发明的改进型旋转超声岩石取样装置结构正视示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本发明装置的轴侧示意图。

上述图中：1-底座，2-加强筋，3-电动滑台，4-控制面板，5-导电滑环，6-轴承A，7-换能器支撑架，8-超声换能器，9-连接变幅杆A，10-轴承B，11-变幅杆支撑架，12-连接变幅杆B，13-取样工具，14-岩石坯料，15-载物台，16-气缸，17-XY向移动台，18-轴承C，19-同步带，20-电机连接杆，21-电机支撑架，22-步进电机，23-支撑板，24-超声电源,25-同步带轮A，26-同步带轮B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种改进型旋转超声岩石取样装置及方法，装置包括支撑架、超声振动系统、改进的取样工具和气动元件，还设有旋转系统。其结构如图1、2、3所示。

所述的支撑架设有底座1，加强筋2，电动滑台3，XY向移动台17；电动滑台固定于底座一侧，XY向移动台固定于底座的中心位置，电动滑台与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电动滑台3的支撑板23上，超声振动系统设有超声换能器8、连接变幅杆A9、B12和超声电源24；还设有导电滑环5、轴承A6、轴承B10、换能器支撑架7和变幅杆支撑架11，通过导电滑环5分别与超声电源24和超声换能器8连接，超声换能器一端通过轴承A6固定在换能器支撑架7上，超声换能器另一端通过双头螺柱与连接变幅杆A9连接，连接变幅杆A9通过轴承B10固定于变幅杆支撑架11,换能器支撑架7和变幅杆支撑架11通过沉头螺栓固定于支撑板23上；连接变幅杆B12两端分别通过双头螺柱将连接变幅杆A9和取样工具13连接起来，连接变幅杆B12用于传递超声振动。超声振动系统与取样工具相连，带动取样工具在竖直方向实现高频振动。所述的取样工具13下端为中空的圆形管状结构，中空管的材质为不锈钢，管壁厚为0.5～1mm，中空管的内外壁和末端面上电镀有金刚石颗粒，取样工具通过竖直旋转超声振动实现对岩石坯料的磨削取样加工。

所述的连接变幅杆A9通过自身的法兰结构分别与同步带轮A25和轴承B10实现过盈配合；同步带轮A与连接变幅杆A9的法兰结构上端配合；轴承B10的内圈与连接变幅杆A9的法兰结构下端配合，并通过轴承B外圈固定在变幅杆支撑架11，轴承A和轴承B的中心线在竖直方向保持一致。

所述增设的旋转系统设有控制面板4，同步带19与同步带轮B26，电机连接杆20，电机支撑架21，步进电机22、联轴器和轴承C18；所述的步进电机22通过联轴器与电机连接杆20连接，同时步进电机通过沉头螺栓固定于电机支撑架21上，电机支撑架通过沉头螺栓固定于支撑板23上，电机连接杆20末端与轴承C18连接并固定于变幅杆支撑架11上，同步带轮B26通过过盈配合固定于电机连接杆上；同步带19连接两个同步带轮A、B，并实现电机连接杆和超声连接变幅杆A9的同步转动。

气动元件固定于支撑架的XY向移动台17的中心位置，气动元件与载物台15相连，带动载物台在竖直方向实现柔性上下运动。

使用本发明的装置辅助岩石取样的方法，先将岩石坯料14固定在载物台15的中心位置，调节XY向移动台17使岩石坯料在水平方向处于设定的取样位置。打开空压机，调节气动元件，为气缸16提供0.1MPa的气压，使载物台15在气缸的推动下平稳地竖直向上运动至载物台上的行程限位器处，该位置与气缸最大行程间的距离大于岩石坯料14的取样厚度；再按如下步骤操作：

步骤⑴、通过控制面板4控制电动滑台3的步进电机22旋转，将电动滑台的支撑板23移动至取样工具13的末端与岩石坯料14接触，并保持取样工具在Z向位置固定。

步骤⑵、开启超声电源24使取样工具13产生竖直方向的往复高频谐振，然后通过控制面板4控制旋转系统的步进电机22旋转，从而通过同步带19带动超声系统旋转并使取样工具14实现旋转超声振动。

步骤⑶、此时根据本实施例所加工岩石坯料14的硬度选择磨削进给方式：由于本实施例岩石坯料的普氏硬度系数f≤4，则直接通过控制面板4控制电动滑台3的支撑板23以设定的速度继续下行，直至取样工具13末端磨削穿过岩石坯料，完成从岩石坯料到岩石试样的磨削过程，磨削过程中通过外接水源对磨削区域进行滴注润滑。

步骤⑷、完成磨削加工后，调节气动元件使气流换向，岩石试样随着气缸16的活塞缓慢竖直向下运动，与取样工具13脱离；然后关闭旋转系统的步进电机22，使取样工具保持竖直高频振动，所获取的岩石试样将从取样工具内自然脱落，即完成整个岩石取样过程。

实施例2：本发明提供一种改进型旋转超声岩石取样装置及方法，装置的结构与实施例1相同，辅助岩石取样的方法与实施例1不同的是操作步骤⑶中根据本实施例所加工岩石坯料的硬度选择磨削进给方式：由于岩石坯料14的普氏硬度系数f>4，此时打开载物台15上的行程限位器，岩石坯料14在气缸16的推动下缓慢竖直向上运动并与正在做旋转超声振动的取样工具13末端接触，使取样工具末端和内外表面的金刚石颗粒对岩石工件的表面产生高频旋转磨削冲击，随着取样工具上的金刚石颗粒对岩石表面的持续磨削作用，岩石坯料14在气缸16的推动下持续缓慢上升，直至取样工具末端磨削穿过岩石坯料，完成从岩石坯料到岩石试样的磨削过程，磨削过程中同样通过外接水源对磨削区域进行滴注润滑。

本发明的装置结构紧凑，通过岩石取样工具的旋转和轴向超声振动的复合作用，提高取样工具表面金刚石颗粒对岩石坯料的磨削去除能力和效率；本发明的岩石取样方法采用了两种磨削进给的方法，改变了以往单纯依靠气缸柔性磨削进给存在的磨削加工效率较低问题，通过合理磨削进给进一步提高磨削取样效率。且本发明的操作主要通过控制面板控制，使操作比较容易，保证了高效磨削取样及岩石试样的完整性。