一种金相试样制备装置的制作方法

本发明涉及试样制备装置领域，特指一种金相试样制备装置。

背景技术

金相分析在金属材料研究领域具有重要地位，通过分析金属材料的显微组织可以研究金属材料的性能。随着金相显微镜和电子显微镜等检测设备的不断完善和发展，使金相分析逐渐向更高深范畴推进。为适应这种发展的需要，金属材料制样技术和设备也应有相应的发展。试样制备是显微组织检测的重要前提和基础，首先要制备一个能够反映被检材料真实结构的试样，不能因为在制样过程中不当操作而形成“伪组织”；另外，试样制备重现性要好，制备时间要尽可能短，成本要尽量低。

目前，关于金相试样制备的方法主要有机器制备和手工制备两种。相较手工制备，机器制备金相试样效率高，质量易于控制，对操作人员水平要求较低。然而，在机器制备金相试样过程中，一些机器设备主要通过气缸驱动的形式控制试样与研磨盘进行研磨，不仅难以保持恒定的气压值，而且还有动作的延迟：从发出指令到驱动气缸执行动作有一定时间的延迟。试样在研磨一段时间后，部分制备机器通过带传动的形式来控制其旋转分度，带传动的外轮廓尺寸较大、传动效率低、寿命短、传动的精度低，这会严重影响试样的分度精度和研磨试样的表面质量；而且，在某些试样制备机器中，控制试样旋转分度的旋转轴直接与机器主体间隙配合且配合距离长，增加了旋转轴和机器主体配合轴孔的加工难度，很难保证装配时的同轴度。此外，在现有的某些制备机器中，设置独立的粗研磨区和精研磨区，通过旋转整个试样夹持机构先后在两个区域研磨试样，但不能进行研磨试样横向的移动，降低了砂纸利用率；大部分试样制备机器都将试样旋转分度轴、伺服电机、试样卡盘用联轴器进行连接很难拆分，因此一般只能研磨特定形状和一定范围大小的试样。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金相试样制备装置，本发明创造性的提出采用弹簧销与分度头外圆周表面4个均布的小凹槽形成点面的滚动接触，在手动作用下可以实现研磨试样的4*90度分度；分度头与3个均布的浮动圆柱滚子接触，用左分度头紧固件和右分度头紧固件固定，形成高副接触，不需要分度头有过高的加工精度，分度头和3个均布的浮动圆柱滚子直接接触，没有同轴度要求。此外，本发明通过控制试样制备装置的横向水平往复直线运动机构，可以极大提高砂纸的利用率，降低成本；通过更换不同的试样卡盘可以达到夹持研磨抛光不同试样的目的，提高了加工柔性。另外，在本发明中，装置的整体支撑是通过3根导柱构成的等边三角形，其保证了装置的稳定性，同时，通过伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副的形式控制试样与研磨盘进行研磨，将伺服电机输出轴的旋转运动变为滑板的上下往复直线移动，传动平稳精确，有利于提高试样表面的研磨质量。本发明克服试样在夹持研磨抛光过程中研磨表面质量差、对操作者技术要求高、偶然因素大、效率低和难柔性加工的问题。

本发明的技术方案是：一种金相试样制备装置，包括分度头旋转运动机构、横向水平往复直线运动机构和竖直方向往复直线运动机构；

所述分度头旋转运动机构包括试样卡盘、分度头紧固件、分度头和分度旋转扳手；所述试样卡盘安装在分度头的下部，所述分度头紧固件套在分度头上，分度头紧固件的内壁上设有多个突出的浮动圆柱滚子，所述分度头与浮动圆柱滚子高副连接；所述分度头外圆表面设有若干凹槽，所述横向水平往复直线运动机构的一端设有弹簧销，所述弹簧销与凹槽高副连接；所述分度头紧固件的一端与横向水平往复直线运动机构的一端转动副连接，所述横向水平往复直线运动机构的另一端与竖直方向往复直线运动机构连接。

上述方案中，所述分度头的外圆表面设有四个凹槽；四个凹槽均匀布置，相邻两个凹槽之间间隔90度。

上述方案中，所述分度头紧固件包括左分度头紧固件和右分度头紧固件；

所述左分度头紧固件和右分度头紧固件的一端分别与横向水平往复直线运动机构的一端转动副连接；所述左分度头紧固件的另一端与右分度头紧固件的另一端可拆卸连接。

上述方案中，所述浮动圆柱滚子的数量为三个，三个浮动圆柱滚子均匀分布且相邻120度。

上述方案中，所述分度头上设有分度旋转扳手；所述分度旋转扳手与分度头螺纹连接。

上述方案中，所述横向水平往复直线运动机构包括前横向手臂、直线导轨副、后横向手臂和锁紧螺栓；所述前横向手臂通过直线导轨副与后横向手臂连接；

所述锁紧螺栓的一端穿过后横向手臂的螺纹孔与前横向手臂的表面接触。

上述方案中，所述竖直方向往复直线运动机构包括伺服电机、上底板、若干导柱、滑板、导向套、滚珠丝杠、推力球轴承、轴承座和下底板；

所述伺服电机安装在上底板上，伺服电机输出轴通过联轴器与滚珠丝杠的一端连接，滚珠丝杠的另一端穿过滑板通过推力球轴承与轴承座连接，轴承座与下底板为过盈配合；所述导柱的一端通过连接法兰与上底板连接，导柱的另一端穿过滑板通过连接法兰与下底板连接；所述导柱与导向套间隙配合，导向套与滑板螺栓连接；所述滚珠丝杠与安装在滑板上的滚珠丝杆螺母螺纹配合；所述滑板与横向水平往复直线运动机构连接。

上述方案中，所述导柱的数量为三根，三根导柱呈等边三角形分布，所述滚珠丝杠位于等边三角形中间。

上述方案中，所述试样卡盘可拆卸的安装在分度头的下部。

上述方案中，还包括控制单元；所述控制单元与伺服电机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明分度头的旋转运动机构，含有三个浮动的圆柱滚子，分度头和三个均布的浮动圆柱滚子直接接触，没有同轴度要求，从而保证分度头的稳定性与转动，在分度头的外圆表面上均布四个小凹槽，每转动90度时弹簧销就会嵌入小凹槽中，实现对分度头在4*90度上的精确分度，可以在研磨表面形成相互正交的均匀网格，可以提高试样的表面质量。

2.本发明竖直方向往复直线运动机构由伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副，滑板上下往复直线运动过程由控制单元驱动伺服电机进行控制，可以精确控制滑板在竖直方向的距离，精确控制研磨用量，保证研磨和抛光的效果。

3.本发明横向水平往复直线运动机构，可以通过调节前横向手臂的伸长或缩短，让试样可以全覆盖砂纸，极大提高砂纸的利用率，降低成本。

4.本发明可以通过更换不同的试样卡盘而达到夹持研磨抛光不同试样的目的，提高加工柔性。

5.本发明所述试样卡盘可拆卸的安装在分度头的下部，可以通过更换不同的试样卡盘夹持不同形状的试样。

6.本发明三根导柱呈等边三角形分布增加装置在运行过程中的稳定性。

7.本发明金相试样制备装置机构简单、成本低廉、运行平稳、传动精确、研磨均匀、效率高，也降低了对操作者的技术要求。

附图说明

图1为本发明一实施方式的金相试样制备装置的示意图。

图2为本发明一实施方式的金相试样制备装置的立体示意图。

图3为图1中分度头旋转运动机构a向的示意图。

图4为本发明一实施方式的浮动圆柱滚子结构的示意图。

图5为本发明一实施方式的浮动圆柱滚子结构的立体示意图。

图6为本发明一实施方式的浮动圆柱滚子结构的剖视图。

图7为图6中b-b示意图。

图8为本发明一实施方式的横向水平往复直线运动机构的侧视图。

图9为本发明一实施方式的横向水平往复直线运动机构的俯视图。

图10为本发明一实施方式的竖直方向往复直线运动机构的立体图。

图中，1—试样卡盘；2—卡盘扳手；3—分度头紧固件锁紧螺栓；4—左分度头紧固件；5—分度头、6—分度旋转扳手；7—分度头紧固件连接螺栓、8—前横向手臂；9—直线导轨副；10—锁紧螺栓；11—后横向手臂；12—联轴器下片；13—联轴器上片；14—伺服电机；15—电机锁紧螺栓；16—电机支架；17—上底板锁紧螺栓；18—上底板；19—连接法兰；20—导柱；21—滚珠丝杆螺母；22—滑板；23—导向套；24—滚珠丝杠；25—挡盖；26—推力球轴承；27—轴承座；28—下底板；29—弹簧销；30—右分度头紧固件；31—浮动圆柱滚子；32—法兰杯式轴承；33—固定块；34—复位弹簧；35—浮动圆柱滚子支撑；36—控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1和2所示为本发明所述金相试样制备的装置的一种实施方式，所述金相试样制备的装置，包括分度头的旋转运动机构、横向水平往复直线运动机构和竖直方向往复直线运动机构。所述分度头紧固件的一端与横向水平往复直线运动机构的一端连接，所述横向水平往复直线运动机构的另一端与竖直方向往复直线运动机构连接。

所述分度头旋转运动机构，用于夹持试样后，对试样进行4*90度的旋转运动，可以有效消除在研磨过程中试样与砂纸产生的划痕。所述横向水平往复直线运动机构，调节装置中前横向手臂的水平距离，使试样可以覆盖砂纸的任何位置。所述竖直方向往复直线运动机构通过伺服电机输出轴的旋转运动转换为滚珠丝杠螺母副的直线运动，精确控制试样在研磨和抛光过程中竖直方向的直线距离。

如图3、4和5所示，所述分度头旋转运动机构包括试样卡盘1、卡盘扳手2、分度头紧固件锁紧螺栓3、左分度头紧固件4、右分度头紧固件30、分度头5、分度旋转扳手6、弹簧销29、多个浮动圆柱滚子结构、分度头紧固件连接螺栓7、法兰杯式轴承32、固定块33、复位弹簧34、浮动圆柱滚子支撑35。

所述试样卡盘1通过螺栓与分度头5可拆卸连接，通过旋转卡盘扳手2调节卡爪，从而夹紧试样，所述卡盘扳手2与卡盘有足够的间隙，且可以从试样卡盘1上取下。所述左分度头紧固件4和右分度头紧固件30组成的分度头紧固件套在分度头5上，且左分度头紧固件4和右分度头紧固件30的一端通过分度头紧固件连接螺栓7与前横向手臂8形成转动副，左分度头紧固件4和右分度头紧固件30可以一定范围内转动；将分度头5置于合适的位置后，用分度头紧固件锁紧螺栓3将分度头5与左分度头紧固件4和右分度头紧固件30固定。所述分度头5的外圆表面设有四个均布的凹槽，相邻两个凹槽之间间隔90度。转动分度头5，弹簧销29可与其中一个凹槽形成点面接触的高副，弹簧销29的尖端为滚动体，与凹槽形成滚动摩擦，可以实现4*90度分度。

如图6和7所示，本实施例中所述浮动圆柱滚子结构的数量为三个，所述浮动圆柱滚子结构包括浮动圆柱滚子31、法兰杯式轴承32、固定块33、复位弹簧34和浮动圆柱滚子支撑35。所述浮动圆柱滚子31可以在复位弹簧34方向进行浮动。本实施例中，在左分度头紧固件4上安装一个浮动圆柱滚子31，在右分度头紧固件30上安装两个浮动圆柱滚子31，三个浮动圆柱滚子31均匀分布，相邻两个浮动圆柱滚子31之间的角度为120度，分度头5与三个浮动圆柱滚子31形成高副接触。所述分度头5上设有分度旋转扳手6；分度旋转扳手6通过螺纹与分度头5连接，且可以从分度头上取下。

所述横向水平往复直线运动机构包括前横向手臂8、直线导轨副9、后横向手臂11和锁紧螺栓10。

如图8和9所示，所述横向水平往复直线运动机构包括前横向手臂8、直线导轨副9、后横向手臂11和锁紧螺栓10；所述前横向手臂8通过直线导轨副9与后横向手臂11连接；所述锁紧螺栓10的一端穿过后横向手臂11的螺纹孔与前横向手臂8的表面接触。

所述后横向手臂11内壁安装固定板，所述直线导轨副9的滑块与固定板通过螺栓连接，前横向手臂8与直线导轨副9的导轨用螺栓连接，通过直线导轨副9滑块与导轨的运动带动前横向手臂8与后横向手臂11相对移动，待调节到合适位置后拧紧锁紧螺栓10将前横向手臂8与后横向手臂11的相对位置固定。所述前横向手臂8和后横向手臂11通过直线导轨副9连接，可以保证试样在研磨或则是抛光过程中，横向水平运动的平稳性；通过锁紧螺栓10将前横向手臂8和后横向手臂11固定。所以通过旋进或旋出锁紧螺栓10来控制是否与前横向手臂8的表面接触；两者接触，则利用螺纹配合间的锁紧力，使前横向手臂8固定，反之，前横向手臂8可以进行移动。

如图10所示，所述竖直方向往复直线运动机构包括联轴器、伺服电机14、电机锁紧螺栓15、电机支架16、上底板锁紧螺栓17、上底板18、连接法兰19、导柱20、滚珠丝杆螺母21、滑板22、导向套23、滚珠丝杠24、挡盖25、推力球轴承26、轴承座27、下底板28和控制单元36。所述联轴器包括联轴器上片13和联轴器下片12。

所述伺服电机14通过电机锁紧螺栓15与电机支架16固定，伺服电机14的输出轴通过联轴器上片13、联轴器下片12与滚珠丝杠24的一端相连，滚珠丝杠24的另一端穿过滑板22通过推力球轴承26与轴承座27连接，轴承座27与下底板28为过盈配合；所述导柱20的一端通过连接法兰19与上底板18连接，导柱20的另一端穿过滑板22通过连接法兰19与下底板28连接；所述导柱20与导向套23间隙配合，导向套23与滑板22螺栓连接；所述滚珠丝杠24与安装在滑板22上的滚珠丝杆螺母21螺纹配合；所述滑板22与横向水平往复直线运动机构的后横向手臂11连接。控制单元36与伺服电机14连接。所述滑板上下往复直线运动过程由控制单元驱动伺服电机进行控制。

本实施例中，所述导柱20的数量为三根，三根导柱20呈等边三角形分布，所述滚珠丝杠24位于等边三角形中间。

所述伺服电机14输出轴的旋转运动通过滚珠丝杠24和滚珠丝杆螺母21形成的丝杠螺母副变为滑板22的上下往复直线移动，控制单元36可以精确控制伺服电机14，进而精确控制试样在研磨和抛光过程中上下往复移动的距离；三根导柱20通过连接法兰19与上底板18连接，导柱20与连接法兰19为过盈配合，三根导柱20呈等边三角形分布；三根导柱20分别穿过三个导向套23形成间隙配合，三个导向套23与滑板22用螺栓连接；滚珠丝杠24与滚珠丝杆螺母21配合，滚珠丝杆螺母21与滑板22用螺栓固定，滚珠丝杠24的一端穿过上底板18与联轴器下片12相连；下底板28上有安装孔便于将整个装置安装在其他设备上，三根导柱20的另一端与下底板28分别通过三个连接法兰19连接，导柱20与连接法兰19为过盈配合，滚珠丝杠24通过推力球轴承26与轴承座27连接，挡盖25位于推力球轴承26的上方，且穿过滚珠丝杠24与轴承座27可拆卸连接，防止在工况条下，尘埃或则异物进入到推力球轴承26中，轴承座27与下底板28为过盈配合，滑板22与后横向手臂11通过焊接的形式连接在一起。

利用本发明进行试样的夹持研磨抛光的步骤具体为：

步骤一：根据需要研磨抛光试样的大小和形状选择合适的试样卡盘1，并将其与分度头5用螺栓连接，调整试样在试样卡盘1中的位置，保证试样有足够的研磨和抛光长度，旋转卡盘扳手2使试样夹紧；

步骤二：调整分度头5使弹簧销29与分度头5中的1个小凹槽与接触，调节分度头紧固件锁紧螺栓3使三个浮动圆柱滚子31与分度头5接触紧凑；

步骤三：调整前横向手臂8，使试样在砂纸研磨的合理位置，锁紧锁紧螺栓10；

步骤四：检查滚珠丝杆螺母21与滚珠丝杠24的转动是否异常；

步骤五：运行控制单元36驱动程序让滑板22运动回归零点；

步骤六：在正常运行中，让滑板22快速到达距离砂纸还有一定距离的安全位置，然后慢速进给，当试样与砂纸接触时，可以根据试样的初始表面情况，确定合理的研磨进给量；同时，设定好单次研磨的时间和研磨总时间；

步骤七：试样研磨到设定的单次时间后，快速升起滑板22，手动转动分度旋转扳手6，转动90度后，继续下降，继续研磨，到达研磨设定的单次时间后，快速升起滑板22，手动转动分度旋转扳手6，又一次转动90度，以此内推，直到研磨设定的总时间为止；

步骤八：试样研磨阶段完成后，对试样进行抛光，重复步骤七；

步骤九：完成抛光后，观察表面质量是否满足要求，如果满足要求，则更换试样继续研磨，如果不满足要求，则将原试样放置在试样卡盘1，重复步骤七、八。

本发明能够精确控制研磨用量，保证研磨和抛光获得良好的效果；全覆盖砂纸，极大提高砂纸的利用率，降低成本。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。