本發(fā)明涉及一種改進型旋轉超聲巖石取樣裝置及方法，屬于微小尺寸脆性材料實驗或檢測試樣取樣的技術領域。

背景技術：

在地球科學領域的研究工作中，高溫高壓巖石學實驗或在高溫高壓條件下對巖石進行物理、化學性質檢測時經(jīng)常需要從大的巖石樣本中獲取各種微小尺寸的巖石試樣，巖石試樣的形狀通常為短圓柱狀，直徑小于5mm，高度為5～10mm。所制備巖石試樣的質量好壞將直接影響實驗結果的準確性。

由于巖石材料的硬脆性，實驗室中早期常用的巖石取樣裝置主要是由小型臺鉆改裝而成，取樣過程是利用取樣鉆頭的高速旋轉來驅動取樣鉆頭上的金剛石顆粒來磨削去除材料，但是由于材料的硬脆性和難以控制的動態(tài)磨削力，且取樣鉆頭在磨削過程中主要通過操作人員手動實現(xiàn)向下進給，進給速度難以精確控制，所取的巖石試樣表面完整性差且取樣效率較低，使得巖石取樣工藝的操作難度大，該方法對操作者的操作水平和操作經(jīng)驗要求較高。后期發(fā)展了超聲輔助切削成形加工工藝，該工藝是一種面向巖石、玻璃等脆性難加工材料進行高效成形加工的特種加工方法。常見的超聲輔助切削成形加工方法主要包括超聲輔助鉆削、磨削、車削和銑削等方法。在超聲輔助切削成形加工過程中，超聲系統(tǒng)通過超聲電源、超聲換能器和超聲變幅桿產(chǎn)生高頻機械振動并將振動的幅值增大，傳遞給加工工具，使其產(chǎn)生高頻諧振，從而實現(xiàn)超聲輔助加工過程。但是，目前的旋轉超聲機構研究主要集中在旋轉超聲系統(tǒng)與數(shù)控機床的一體化融合方向，將超聲振動系統(tǒng)與機床主軸結合，對機床的改動大，改造成本高，且結構尺寸大，不適用于實驗室小型設備加工的需求。因此，研發(fā)小型旋轉超聲磨削取樣裝置是目前研究的難點之一。

2014年中國公開了由中國地質大學(武漢)申請的“一種超聲輔助巖石取樣裝置及方法”，專利授權公告號CN104034552B，該技術既能通過工具的超聲振動增強SiC研磨液對巖石表面的磨削效率，又能保持合適的磨削壓力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的超聲輔助巖石取樣過程。但該技術也存在一定的局限性，與常規(guī)超聲輔助磨削加工工藝一樣都是采用豎直方向的往復超聲振動來實現(xiàn)磨削加工，也存在著如何實現(xiàn)取樣工具的合理磨削進給以及如何進一步提高磨削取樣效率的難題。由于不同種類巖石的硬度差異較大，單純依靠氣缸實現(xiàn)柔性磨削進給的超聲磨削取樣加工效率仍然較低，因此針對不同硬度巖石材料，還需要開發(fā)一種操作容易、且能夠高效率獲取表面精度較高的微小尺寸巖石試樣的巖石取樣裝置以及相應的巖石取樣方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述存在的技術問題，而提供一種改進型旋轉超聲巖石取樣裝置及方法，使取樣工具在豎直方向高頻振動的同時還能進行旋轉運動，實現(xiàn)對巖石表面的旋轉超聲磨削加工，并增強取樣工具表面金剛石顆粒對巖石坯料表面的磨削加工性能，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的旋轉超聲輔助巖石取樣。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：提供一種改進型旋轉超聲巖石取樣裝置，包括支撐架、超聲振動系統(tǒng)、取樣工具和氣動元件；所述的支撐架設有底座，加強筋，XY向移動臺和電動滑臺；電動滑臺豎直固定于底座一側，XY向移動臺固定于底座的中心位置，電動滑臺與XY向移動臺相鄰設置；所述的超聲振動系統(tǒng)設有超聲換能器、連接變幅桿和超聲電源；超聲振動系統(tǒng)通過夾具固定于電動滑臺的支撐板上，超聲振動系統(tǒng)與取樣工具相連，帶動取樣工具在豎直方向實現(xiàn)高頻振動；氣動元件固定于底座上XY向移動臺的中心位置，氣動元件與載物臺相連，帶動載物臺在豎直方向實現(xiàn)柔性上下運動；還增設了旋轉系統(tǒng)以及改進了取樣工具，所述的旋轉系統(tǒng)設有控制面板，同步帶、同步帶輪A與同步帶輪B，電機連接桿，電機支撐架，步進電機、聯(lián)軸器和軸承C；所述的步進電機通過聯(lián)軸器與電機連接桿連接，同時步進電機通過沉頭螺栓固定于電機支撐架上，電機支撐架通過沉頭螺栓固定于電動滑臺的支撐板上，電機連接桿末端與軸承C連接并固定于變幅桿支撐架上，同步帶輪B通過過盈配合固定于電機連接桿上；同步帶輪A通過過盈配合固定于連接變幅桿A的法蘭結構上端，步進電機通過同步帶連接兩個同步帶輪A、B實現(xiàn)電機連接桿和超聲連接變幅桿A同步轉動；所述的改進的取樣工具下端為中空的圓形管狀結構，中空管的材質為不銹鋼，管壁厚為0.5～1mm，中空管的內外壁和末端底面上電鍍了一層金剛石顆粒，取樣工具在旋轉超聲振動過程中實現(xiàn)對巖石坯料的磨削取樣加工，完成從巖石坯料到巖石試樣的磨削取樣過程。

所述的連接變幅桿A通過自身的法蘭結構分別與同步帶輪A和軸承B實現(xiàn)過盈配合；同步帶輪A與連接變幅桿A的法蘭結構上端配合；軸承B的內圈與連接變幅桿A的法蘭結構下端配合，并通過軸承B外圈固定在變幅桿支撐架上，軸承A和軸承B的中心線在豎直方向保持一致。

本發(fā)明還提供一種使用上述改進型旋轉超聲巖石取樣裝置輔助巖石取樣的方法，先將巖石坯料固定在載物臺的中心位置，調節(jié)XY向移動臺使巖石坯料在水平方向處于設定的取樣位置；打開空壓機，調節(jié)氣動元件，為氣缸提供氣壓，使載物臺在氣缸的推動下平穩(wěn)地豎直向上運動至載物臺上的上行程限位器處，該位置與氣缸最大行程間的距離要大于巖石坯料的取樣厚度；再按如下步驟操作：

步驟⑴、通過控制面板控制電動滑臺上的步進電機旋轉，使電動滑臺的支撐板向下移動，直至取樣工具的末端與巖石坯料上方接觸，并保持取樣工具在Z向位置固定；

步驟⑵、開啟超聲電源使取樣工具在豎直方向產(chǎn)生往復高頻振動，然后通過控制面板控制旋轉系統(tǒng)的步進電機旋轉，從而通過同步帶、同步帶輪A和同步帶輪B帶動超聲系統(tǒng)旋轉并使取樣工具實現(xiàn)豎直旋轉超聲振動；

步驟⑶、此時根據(jù)所加工巖石坯料的硬度選擇磨削進給方式：

①.當巖石坯料的普氏硬度系數(shù)f≤4時，則直接通過控制面板控制電動滑臺的支撐板以及取樣工具以設定的速度繼續(xù)下行，直至取樣工具末端磨削穿過巖石坯料，完成磨削加工，磨削過程中通過外接水源對磨削區(qū)域進行滴注潤滑；

②.當巖石坯料普氏硬度系數(shù)f>4時，打開載物臺上的行程限位器，巖石坯料在氣缸的推動下緩慢豎直向上運動并與正在做旋轉超聲振動的取樣工具末端接觸，使取樣工具末端和取樣工具的內外表面的金剛石顆粒對巖石坯料的表面產(chǎn)生豎直高頻旋轉超聲磨削沖擊，隨著取樣工具表面的金剛砂顆粒對巖石坯料表面的持續(xù)磨削作用，巖石坯料在氣缸的推動下持續(xù)緩慢上升，直至取樣工具末端磨削穿過巖石坯料，完成從巖石坯料到巖石試樣的磨削過程；

步驟⑷、完成磨削加工后，調節(jié)氣動元件使氣流換向，巖石試樣隨氣缸的活塞緩慢豎直向下運動，與取樣工具脫離；然后關閉旋轉系統(tǒng)的步進電機，使取樣工具保持豎直高頻振動，所獲取的巖石試樣從取樣工具內自然脫落，即完成整個巖石試樣取樣過程。

本發(fā)明的改進型旋轉超聲巖石取樣裝置及方法與現(xiàn)有的技術相比具有的優(yōu)點是：

⑴、本發(fā)明的裝置結構緊湊，采用在已有專利技術“超聲輔助巖石取樣裝置及方法”的基礎上新增設了旋轉系統(tǒng)和改進的取樣工具，加上旋轉系統(tǒng)通過控制面板控制步進電機旋轉，從而由同步帶、同步帶輪A和同步帶輪B帶動超聲系統(tǒng)旋轉，使巖石取樣工具同時實現(xiàn)旋轉和豎直方向超聲振動的復合運動；同時，由于取樣工具的中空管內外壁和末端底面上電鍍了有金剛石顆粒，進一步提高取樣工具表面對巖石坯料的磨削去除能力，并通過氣缸的支撐實現(xiàn)巖石坯料與中空取樣工具間的自動柔性進給，或通過步進電機驅動實現(xiàn)取樣工具的豎直自動進給，從而實現(xiàn)不同硬度巖石坯料的高效磨削取樣過程。

⑵、本發(fā)明的改進型旋轉超聲輔助巖石取樣方法，針對不同種類巖石硬度差異較大的特點，采用了兩種磨削進給的方法，克服了已有技術“超聲輔助巖石取樣裝置及方法”單純依靠氣缸柔性磨削進給存在的磨削加工效率較低問題，實現(xiàn)了取樣工具的合理磨削進給，進一步提高了磨削取樣效率。

⑶、本發(fā)明方法中的巖石取樣過程主要通過控制面板控制，因此操作比較容易，降低了對操作者的操作水平和操作經(jīng)驗的要求，更重要的是保證了高效磨削取樣及所獲的巖石試樣樣品的完整性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的改進型旋轉超聲巖石取樣裝置結構正視示意圖。

圖2為圖1的左視圖。

圖3為本發(fā)明裝置的軸側示意圖。

上述圖中：1-底座，2-加強筋，3-電動滑臺，4-控制面板，5-導電滑環(huán)，6-軸承A，7-換能器支撐架，8-超聲換能器，9-連接變幅桿A，10-軸承B，11-變幅桿支撐架，12-連接變幅桿B，13-取樣工具，14-巖石坯料，15-載物臺，16-氣缸，17-XY向移動臺，18-軸承C，19-同步帶，20-電機連接桿，21-電機支撐架，22-步進電機，23-支撐板，24-超聲電源,25-同步帶輪A，26-同步帶輪B。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施不限于此。

實施例1：本發(fā)明提供一種改進型旋轉超聲巖石取樣裝置及方法，裝置包括支撐架、超聲振動系統(tǒng)、改進的取樣工具和氣動元件，還設有旋轉系統(tǒng)。其結構如圖1、2、3所示。

所述的支撐架設有底座1，加強筋2，電動滑臺3，XY向移動臺17；電動滑臺固定于底座一側，XY向移動臺固定于底座的中心位置，電動滑臺與XY向移動臺相鄰設置。

所述的超聲振動系統(tǒng)通過夾具固定于電動滑臺3的支撐板23上，超聲振動系統(tǒng)設有超聲換能器8、連接變幅桿A9、B12和超聲電源24；還設有導電滑環(huán)5、軸承A6、軸承B10、換能器支撐架7和變幅桿支撐架11，通過導電滑環(huán)5分別與超聲電源24和超聲換能器8連接，超聲換能器一端通過軸承A6固定在換能器支撐架7上，超聲換能器另一端通過雙頭螺柱與連接變幅桿A9連接，連接變幅桿A9通過軸承B10固定于變幅桿支撐架11,換能器支撐架7和變幅桿支撐架11通過沉頭螺栓固定于支撐板23上；連接變幅桿B12兩端分別通過雙頭螺柱將連接變幅桿A9和取樣工具13連接起來，連接變幅桿B12用于傳遞超聲振動。超聲振動系統(tǒng)與取樣工具相連，帶動取樣工具在豎直方向實現(xiàn)高頻振動。所述的取樣工具13下端為中空的圓形管狀結構，中空管的材質為不銹鋼，管壁厚為0.5～1mm，中空管的內外壁和末端面上電鍍有金剛石顆粒，取樣工具通過豎直旋轉超聲振動實現(xiàn)對巖石坯料的磨削取樣加工。

所述的連接變幅桿A9通過自身的法蘭結構分別與同步帶輪A25和軸承B10實現(xiàn)過盈配合；同步帶輪A與連接變幅桿A9的法蘭結構上端配合；軸承B10的內圈與連接變幅桿A9的法蘭結構下端配合，并通過軸承B外圈固定在變幅桿支撐架11，軸承A和軸承B的中心線在豎直方向保持一致。

所述增設的旋轉系統(tǒng)設有控制面板4，同步帶19與同步帶輪B26，電機連接桿20，電機支撐架21，步進電機22、聯(lián)軸器和軸承C18；所述的步進電機22通過聯(lián)軸器與電機連接桿20連接，同時步進電機通過沉頭螺栓固定于電機支撐架21上，電機支撐架通過沉頭螺栓固定于支撐板23上，電機連接桿20末端與軸承C18連接并固定于變幅桿支撐架11上，同步帶輪B26通過過盈配合固定于電機連接桿上；同步帶19連接兩個同步帶輪A、B，并實現(xiàn)電機連接桿和超聲連接變幅桿A9的同步轉動。

氣動元件固定于支撐架的XY向移動臺17的中心位置，氣動元件與載物臺15相連，帶動載物臺在豎直方向實現(xiàn)柔性上下運動。

使用本發(fā)明的裝置輔助巖石取樣的方法，先將巖石坯料14固定在載物臺15的中心位置，調節(jié)XY向移動臺17使巖石坯料在水平方向處于設定的取樣位置。打開空壓機，調節(jié)氣動元件，為氣缸16提供0.1MPa的氣壓，使載物臺15在氣缸的推動下平穩(wěn)地豎直向上運動至載物臺上的行程限位器處，該位置與氣缸最大行程間的距離大于巖石坯料14的取樣厚度；再按如下步驟操作：

步驟⑴、通過控制面板4控制電動滑臺3的步進電機22旋轉，將電動滑臺的支撐板23移動至取樣工具13的末端與巖石坯料14接觸，并保持取樣工具在Z向位置固定。

步驟⑵、開啟超聲電源24使取樣工具13產(chǎn)生豎直方向的往復高頻諧振，然后通過控制面板4控制旋轉系統(tǒng)的步進電機22旋轉，從而通過同步帶19帶動超聲系統(tǒng)旋轉并使取樣工具14實現(xiàn)旋轉超聲振動。

步驟⑶、此時根據(jù)本實施例所加工巖石坯料14的硬度選擇磨削進給方式：由于本實施例巖石坯料的普氏硬度系數(shù)f≤4，則直接通過控制面板4控制電動滑臺3的支撐板23以設定的速度繼續(xù)下行，直至取樣工具13末端磨削穿過巖石坯料，完成從巖石坯料到巖石試樣的磨削過程，磨削過程中通過外接水源對磨削區(qū)域進行滴注潤滑。

步驟⑷、完成磨削加工后，調節(jié)氣動元件使氣流換向，巖石試樣隨著氣缸16的活塞緩慢豎直向下運動，與取樣工具13脫離；然后關閉旋轉系統(tǒng)的步進電機22，使取樣工具保持豎直高頻振動，所獲取的巖石試樣將從取樣工具內自然脫落，即完成整個巖石取樣過程。

實施例2：本發(fā)明提供一種改進型旋轉超聲巖石取樣裝置及方法，裝置的結構與實施例1相同，輔助巖石取樣的方法與實施例1不同的是操作步驟⑶中根據(jù)本實施例所加工巖石坯料的硬度選擇磨削進給方式：由于巖石坯料14的普氏硬度系數(shù)f>4，此時打開載物臺15上的行程限位器，巖石坯料14在氣缸16的推動下緩慢豎直向上運動并與正在做旋轉超聲振動的取樣工具13末端接觸，使取樣工具末端和內外表面的金剛石顆粒對巖石工件的表面產(chǎn)生高頻旋轉磨削沖擊，隨著取樣工具上的金剛石顆粒對巖石表面的持續(xù)磨削作用，巖石坯料14在氣缸16的推動下持續(xù)緩慢上升，直至取樣工具末端磨削穿過巖石坯料，完成從巖石坯料到巖石試樣的磨削過程，磨削過程中同樣通過外接水源對磨削區(qū)域進行滴注潤滑。

本發(fā)明的裝置結構緊湊，通過巖石取樣工具的旋轉和軸向超聲振動的復合作用，提高取樣工具表面金剛石顆粒對巖石坯料的磨削去除能力和效率；本發(fā)明的巖石取樣方法采用了兩種磨削進給的方法，改變了以往單純依靠氣缸柔性磨削進給存在的磨削加工效率較低問題，通過合理磨削進給進一步提高磨削取樣效率。且本發(fā)明的操作主要通過控制面板控制，使操作比較容易，保證了高效磨削取樣及巖石試樣的完整性。