一种微试样夹持装置的夹持方法

摘要

本发明提供一种微试样夹持装置和夹持方法，所述夹持装置包括：夹持部件、调节部件、吸附部件和真空泵；夹持部件为上部敞口、下部开孔的内螺纹套筒，调节部件为中间贯通的外螺纹套筒，夹持部件与调节部件通过配合螺接围合形成腔体，调节部件内部设置台阶，吸附部件包括中空芯杆，在中空芯杆的底部套接有用于吸附微试样的吸盘，在所述中空芯杆下部设置与台阶配合的凸台，所述吸附部件贯穿于所述腔体通过气管与真空泵连接。本发明夹持装置通过夹持部件与调节部件实现对吸附部件的固定和高度调整，同时通过吸附部件上的双层吸盘实现对微试样的稳定夹持，以便在金相研磨机上进行加工，操作简单，提高效率和精度，不会对试样造成变形等损伤。

权利要求

1.一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述方法应用所述的微试样夹持装置完成夹持，包括如下步骤：将要研磨的试样装入夹持部件底部的沉孔内，打开真空泵，通过吸附部件的吸盘吸住该试样，选择砂纸，先粗磨再逐级研磨，磨削一段时间后旋转装置方向，完成粗磨后更换砂纸进行抛光；

其中，所述的微试样夹持装置包括：夹持部件(1)、调节部件(2)、吸附部件(3)和真空泵；所述夹持部件(1)为上部敞口、下部开孔的内螺纹套筒，所述调节部件(2)为中间贯通的外螺纹套筒，所述夹持部件(1)与调节部件(2)通过螺接配合形成腔体，所述调节部件(2)内部设置台阶(15)；所述吸附部件(3)包括中空芯杆(5)，在所述中空芯杆(5)的底部套接有用于吸附微试样的吸盘(6)，在所述中空芯杆(5)下部设置与所述台阶(15)配合并用于支撑调节部件(2)的凸台(7)，所述凸台(7)的外径与夹持部件的内径相适应，所述吸附部件(3)贯穿于所述腔体，通过气管与真空泵连接。

2.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述中空芯杆(5)底部边缘设置外凸缘(13)，所述吸盘(6)设置有与所述外凸缘配合套嵌的内凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述吸盘(6)为硅胶吸盘，所述硅胶吸盘上部为硅胶套接件(8)，所述硅胶吸盘下部为双层吸盘(9)；所述夹持部件(1)的下部开孔孔径小于硅胶套接件(8)的外径而大于双层吸盘(9)的口径。

4.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述夹持部件(1)内表面的下部设置有定位肩(10)。

5.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述夹持部件(1)底部设置用于平衡试样磨削时所产生的剪切力的沉孔(11)，所述沉孔(11)与中空芯杆的通孔和夹持部件的下部开孔同轴设置。

6.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述调节部件(2)设置有与调节部件的外螺纹配合的锁紧螺母(12)。

7.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述调节部件(2)的外螺纹套筒的长度大于夹持部件的内螺纹套筒的内腔深度。

8.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述中空芯杆(5)底部边缘的外凸缘粗糙度小于3.2。

9.根据权利要求1所述的一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述夹持部件(1)的外围的下部为外六角。

说明书

一种微试样夹持装置的夹持方法

技术领域

[0001] 本发明属于试样力学性能测试领域，具体涉及一种用于夹持微试样进行金相研磨的微试样夹持装置的夹持方法。

背景技术

[0002] 火电、核电、石油化工及冶金行业中有大量的在役压力容器和管道，这些压力容器和管道的材料长期在某种环境(高温、腐蚀等)下服役后会受到不同程度的损伤，为了客观评价设备的安全性并预测设备的剩余寿命，则必须准确获得其材料的力学性能。最有效也是最准确的做法是对设备进行有损的试样割取，然后按常规的方法进行材料各种性能的测试评定，但这种做法对原结构有明显的损伤与破坏，常常限制了在役设备的评定。

[0003] 因此，目前已逐渐采用微试样技术，即从设备上取下不足以对设备构成损伤的较小试样，然后对其进行研究，这样才能解决上述问题，真正评价设备安全性。

[0004] 如图7所示为微试样法(液压鼓胀法)的测试原理图，微试样20由上夹具21和下夹具22夹持固定，在微试样20上施加荷载P，通过位移传导装置23和位移传感器来测试其位移，因为其微小的试样尺寸，更简单的实验设备，更真实的加载方式，更少的影响因子，更可靠的实验数据，具有更加广泛的应用前景。在工程实际中，从在役设备取样时，可能会出现试样厚度不一的情况，而对微试样技术(小冲杆，液压鼓胀)微试样试验对试样厚度具有极高的敏感性，因此考虑试样厚度对试验结果的影响是必要的。

[0005] 由于微试样法所采用的试样尺寸极小，试样半径通常为几毫米，而厚度仅为几百微米。通过试样厚度非均匀性的数值模拟结果可知，不但厚度的大小会对爆破片的爆破压估算产生很大的影响，而且厚度的非线性也是不可忽略的。因此在进行试样制备时，加工精度要求非常高，试样的两个表面要求具有很好的光洁度和平行度，并且试样最终要具有良好的表面粗糙度。在传统的试样加工中，采用线切割加手工研磨的方法来制备试验所需的试样。线切割方法相较于一般的手工锯条或砂轮切割，其优点在于不仅切割面相对平整光滑，而且在一般材料和切割环境下的切割影响层很薄，仅为0.01～0.02mm左右，而这种加工方法的缺陷在于只能加工直径偏小，厚度偏大的试样，如在小冲杆试验中要制备0.5mm厚的试样时先要将棒材线切割为0.6mm的薄片，对于大部分不锈钢材料而言存在导热差、线膨胀系数大的问题，因此采用磨床磨削容易产生变形，故只能利用水砂皮手工研磨直至要求厚度，这不仅大大增加了劳动强度并且加工精度也得不到保证。

[0006] 在过去传统的小试样夹持装置往往采用微动连接，如在工装侧面开槽并用螺栓紧固，这种方法对螺栓紧固力的要求很高，紧固力小导致夹持不稳定，紧固力过大会造成试样变薄之后的弯曲变形。

发明内容

[0007] 为了解决线切割后微试样的精加工问题，本发明的目的在于提供一种微试样夹持装置的方法，使夹持装置通过夹持部件与调节部件实现对吸附部件的固定和高度调整，同时通过吸附部件上的双层吸盘实现对微试样的稳定夹持，以在金相研磨机上进行加工，操作简单，提高效率和精度，不会对试样造成变形等损伤。

[0008] 本发明的技术解决方案如下：

[0009] 一种微试样夹持装置的夹持方法，其特征在于，所述方法应用所述的微试样夹持装置完成夹持，包括如下步骤：将要研磨的试样装入夹持部件底部的沉孔内，打开真空泵，通过吸附部件的吸盘吸住该试样，选择砂纸，先粗磨再逐级研磨，磨削一段时间后旋转装置方向，完成粗磨后更换砂纸进行抛光；

[0010] 其中，所述的微试样夹持装置包括：夹持部件1、调节部件2、吸附部件3和真空泵；所述夹持部件1为上部敞口、下部开孔的内螺纹套筒，所述调节部件2为中间贯通的外螺纹套筒，所述夹持部件1与调节部件2通过螺接配合形成腔体，所述调节部件2内部设置台阶
15；所述吸附部件3包括中空芯杆5，在所述中空芯杆5的底部套接有用于吸附微试样的吸盘
6，在所述中空芯杆5下部设置与所述台阶15配合并用于支撑调节部件2的凸台7，所述凸台7的外径与夹持部件的内径相适应，所述吸附部件3贯穿于所述腔体，通过气管与真空泵连接。

[0011] 本发明所述的微试样为金属试样，优选的是，厚度为0.3～0.5mm,直径为10～20mm的金属试样。

[0012] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述中空芯杆5底部边缘设置外凸缘，所述吸盘6设置有与所述外凸缘配合套嵌的内凹槽。

[0013] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述吸盘6为硅胶吸盘，所述硅胶吸盘上部为硅胶套接件8，所述硅胶吸盘下部为双层吸盘9。

[0014] 所述双层吸盘直径，优选的是，2/3试样直径<吸盘直径<4/5试样直径。

[0015] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述夹持部件1的下部开孔孔径小于硅胶套接件8的外径而大于双层吸盘9的口径。

[0016] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述夹持部件1内表面的下部设置有定位肩。

[0017] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述吸附部件3的中空芯杆5通过气嘴接头与所述真空泵连接。

[0018] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述夹持部件1底部设置用于平衡试样磨削时所产生的剪切力的沉孔，所述沉孔与中空芯杆的通孔和夹持部件的下部开孔同轴。

[0019] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述沉孔的深度为0.1mm～0.3mm,优选0.2mm。

[0020] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述调节部件2设置有与调节部件外螺纹配合的锁紧螺母。

[0021] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述调节部件的外螺纹套筒的长度大于夹持部件的内螺纹套筒的内腔深度。

[0022] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述中空芯杆5底部边缘的外凸缘粗糙度小于3.2。

[0023] 根据本发明所述的微试样夹持装置的夹持方法，所述夹持部件1的外围的下部为外六角，方便装卸与紧固。

[0024] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，其包括：夹持部件、调节部件、吸附部件和真空泵；所述夹持部件为上部敞口、下部开孔的内螺纹套筒，所述调节部件为中间贯通的外螺纹套筒，所述夹持部件与调节部件配合螺接围合形成腔体，所述调节部件内部设置台阶；所述吸附部件包括中空芯杆，在所述中空芯杆的底部套接有用于吸附微试样的吸盘，在所述中空芯杆下部设置与所述台阶配合并用于支撑调节部件的凸台，所述凸台的外径与夹持部件的内径相适应，所述吸附部件贯穿于所述腔体通过气管与真空泵连接。

[0025] 本发明所述的微试样为金属试样，优选的是，厚度为0.3～0.5mm,直径为10～20mm的金属试样。

[0026] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述中空芯杆底部边缘设置外凸缘，所述吸盘设置有与所述外凸缘配合套嵌的内凹槽。

[0027] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述吸盘为硅胶吸盘，所述硅胶吸盘上部为硅胶套接件，所述硅胶吸盘下部为双层吸盘。

[0028] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述夹持部件的下部开孔孔径小于硅胶套接件的外径而大于双层吸盘的口径。

[0029] 为了保证所述微试样夹持装置部件配合紧密以及抽气时的气密性，吸盘采用硅胶开内腔与芯杆底部边缘的外凸缘嵌套配合，前部采用双层吸盘不仅可以使吸附力更大，也可使试样在磨削过程中有一定的弹性操作空间。

[0030] 硅胶吸盘结构设计时：(1)吸盘口径确定要合适：2/3试样直径<吸盘直径<4/5试样直径，吸盘口径过大会超出试样直径这样会导致精加工时磨削冷却液吸入造成真空泵的损坏；(2)吸盘褶皱部分的尺寸直接决定了研磨时加压后弹性操作空间的大小，吸盘在抽真空后褶皱会完全变形，这种结构相当于在试样中心施加了一个弹性支撑而弹性间隙不能太大，以免造成试样加工时产生倾斜，此处吸盘褶皱部分的尺寸指双层吸盘的高度。

[0031] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述吸盘内腔的尺寸正偏差不大于0.2mm，由于硅胶的变形有限此外还需防止间隙过大对吸盘内的真空度造成影响，引起吸附力的降低，此处所述吸盘内腔的尺寸为内凹槽直径。

[0032] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述吸附部件的中空芯杆通过气嘴接头与所述真空泵连接。在中空芯杆的顶部加工有内螺纹，气嘴接头底部设置外螺纹与橡胶垫片保证抽气时的气密性，顶部采用快拧接头设计和采用螺纹紧固的方式将气管夹紧。

[0033] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述夹持部件1底部设置用于平衡试样磨削时所产生的剪切力的沉孔，所述沉孔与中空芯杆的通孔和夹持部件的下部开孔同轴；所述沉孔的深度为0.1～0.3mm。

[0034] 本发明所述沉孔深度为0.2mm，直径采用较小正偏差避免微试样在槽内有过大的活动间隙,当吸盘牢牢吸住需要加工的试样时，试样正好嵌入沉孔，也就是所开凹槽之中，这样就能利用凹槽边缘台阶来平衡试样磨削时所产生的剪切力。采用嵌入式的装夹模式不仅便于拆卸方便于试样厚度的实时监控，相比于机械紧固式的装夹模式嵌入式不会在试样精加工前在试样上产生预应力，有助于加工精度的提升。所述沉孔与通孔的同轴度公差小于0.01mm，这是为了保证吸盘给试样的中心支撑不会由于系统的误差产生加工的倾斜。

[0035] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述夹持部件内部的下部设置有定位肩，所述定位肩口径大小要与吸盘外沿形成小尺寸正偏差小于0.1mm，这是为了在不影响装配的前提下尽可能减小工装与内部吸盘之间的间隙。

[0036] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述夹持部件的外部的下部为外六角外形设计，便于螺纹连接的拆卸，由于加工时需要不停转换方向，设计六角头方便加工时磨削方向的改变。

[0037] 所述夹持部件的内螺纹的螺距小于等于1.5mm,较小的螺距方便对试样高度进行微调。

[0038] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述调节部件2设置有与外螺纹配合的锁紧螺母。外螺纹套筒与夹持部件的内螺纹套筒连接，内部通过芯杆上的凸台定位，通过螺纹上下运动调节通过芯杆将位移传递到试样上，从而对试样磨削厚度进行精确调节。锁紧螺母与外螺纹套筒连接用加工厚度确定之后的紧固锁紧作用，有助于加工精度的提升。

[0039] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述调节部件的外螺纹套筒的长度大于夹持部件的内螺纹套筒的内腔深度。留出一定调节空间，调节完成后用锁紧螺母锁紧即可。

[0040] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，所述中空芯杆底部边缘的外凸缘粗糙度小于3.2。中空芯杆与硅胶吸盘直接接触的外凸缘表面粗糙度小于3.2，这是为了避免安装时吸盘被外凸缘刮伤。

[0041] 本发明提供的微试样的夹持方法所应用的微试样夹持装置，优选的是，吸附部分吸盘采用硅胶，其余材料选用综合性能较好的不锈钢，优选SUS304不锈钢。

[0042] 本发明所述微试样夹持装置装配以及使用方法：

[0043] 精密加工装置需要正确的装配以及正确的使用方法。先将硅胶吸盘套在芯杆底部边缘的外凸缘上，再将套有吸盘的芯杆插入夹持部件内螺纹套筒中，再旋入调节部件内螺纹套筒到合适高度，并通过锁紧螺母将外螺纹套筒锁止固定在该高度，此时芯杆的顶部伸出外螺纹套筒顶部与气嘴接头连接，该气嘴接头经气管与真空泵连接。使用时将要研磨的试样装入夹持部件底部沉孔中，打开真空泵，使双层吸盘吸住试样，选用合适粗糙度的砂纸进行研磨，研磨时靠近砂轮的旋转中心避免磨削时产生过大的横向剪切力，磨削一段时间后旋转装置方向避免磨削面倾斜，完成粗磨后更换砂纸进行抛光。微试样磨削完成后，按图7所示的原理，对微试样进行力学性能测试。

[0044] 本发明有益的技术效果：

[0045] 本发明所述微试样夹持装置的夹持方法，其中，所述夹持装置的试样夹持稳定，试样高度可调，便于试样拆装，可实时监控磨削情况的变化，并可方便高效的切换磨削面，提高磨削效率和磨削精度，不会对试样造成变形等损伤。

附图说明

[0046] 图1为本发明中微试样夹持装置示意图；

[0047] 图2为本发明中吸附部件示意图；

[0048] 图3为本发明中图2的A向视图；

[0049] 图4为本发明中夹持部件示意图；

[0050] 图5为本发明中调节部件示意图；

[0051] 图6为本发明中微试样夹持装置工作示意图；

[0052] 图7为微试样法(液压鼓胀法)的测试原理图。

[0053] 图中：1-夹持部件，2-调节部件，3-吸附部件，5-中空芯杆，6-吸盘，7-凸台，8-硅胶套接件、9-双层吸盘、10-定位肩、11-沉孔、12-锁紧螺母、13-外凸缘、14-孔、15-台阶、16-金相研磨机、17-夹持装置、18-真空泵、19-电源、20-微试样、21-上夹具、22-下夹具、23-位移传导装置。

具体实施方式

[0054] 下面结合附图对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。

[0055] 本实施例具体涉及一种微试样夹持装置，该微试样夹持装置包括吸附部部件、夹持部件以及调节部件，三个部件组装完成后连接真空泵，夹持微试样在金相研磨机上进行加工。

[0056] 吸附部件由中空芯杆5、硅胶吸盘6以及气嘴接头(图中未示出)组成，中空芯杆5为中间通孔形式，在其杆体上部设置有内螺纹，在其杆体下部设置有凸台7，而在其杆体底部边缘设置有外凸缘13；硅胶吸盘6具体是由硅胶套接件8和双层吸盘9两部分构成的，两者为一体硅胶结构，在硅胶套接件8的内腔中开设有环形内凹槽，用以同芯杆的外凸缘嵌套配合；气嘴接头的下部设置有外螺纹，与芯杆5的上部螺纹配合，且在两者之间还设置有橡胶垫片以保证抽气时的气密性，气嘴接头的上部经气管同真空泵相连。

[0057] 夹持部件1为一顶面敞口、底面开孔(即孔14)的内螺纹套筒，在内螺纹套筒的底部设置0.2mm深度的沉孔，该沉孔与中空芯杆的通孔和夹持部件的下部开孔有同轴度的要求，同轴度小于0.1mm；芯杆5位于内螺纹套筒的内腔中，其上的凸台7的直径与内螺纹套筒的内径相适应以对芯杆5在内螺纹套筒的径向上限位，芯杆5下口处的双层吸盘贯穿孔14并伸出于内螺纹套筒的底面，而硅胶套接件则抵于定位肩上防止其掉落出内螺纹套筒，孔14的孔径小于硅胶套接件的外径而大于双层吸盘的口径；夹持部件1的关键之处在于设置沉孔，沉孔的直径应与微试样的直径相适应，当双层吸盘牢牢吸住需要加工的微试样时，微试样正好嵌入内螺纹套筒底面上所开的沉孔中，这样就能利用沉孔的边缘台阶来平衡微试样磨削时所产生的剪切力，采用嵌入式的装夹模式不仅便于拆卸，而且便于对微试样的厚度进行实时监控，相比于以往机械紧固式的装夹模式，嵌入式不会在微试样精加工前在微试样上产生预应力，有助于加工精度的提升。

[0058] 调节部件2由外螺纹套筒和锁紧螺母12构成，外螺纹套筒中间是贯通的，外螺纹套筒插设于顶部敞口的夹持部件(内螺纹套筒)中，两者螺纹配合，芯杆5贯穿外螺纹套筒与夹持部件所围合的腔体中，芯杆上的凸台顶于外螺纹套筒内的台阶15上；外螺纹套筒可在螺纹配合下自由调节其在夹持部件上的高度，外螺纹套筒高度的变化通过台阶15传递给芯杆5并最终将位移传递至微试样上，从而对微试样的磨削厚度进行精确调节，最终通过位于外螺纹套筒外螺纹上的锁紧螺母12进行锁止固定，有助于微试样加工精度的提升，需要注意的时，外螺纹套筒的长度需大于夹持部件(即内螺纹套筒)的内腔深度，以留出一定冗余调节空间。

[0059] 本发明提供的微试样夹持方法，该方法应用本发明所述的微试样的夹持装置，包括如下步骤：

[0060] 首先对微试样夹持装置的进行装配，先将硅胶吸盘套在芯杆底部边缘的外凸缘上，再将套有吸盘的芯杆插入夹持部件内螺纹套筒中，再旋入调节部件内螺纹套筒到合适高度，并通过锁紧螺母将外螺纹套筒锁止固定在该高度，此时芯杆的顶部伸出外螺纹套筒顶部与气嘴接头连接，该气嘴接头经气管与真空泵连接；

[0061] 装配好后，使用时将要研磨的试样装入夹持部件底部沉孔中，打开真空泵在绝对压力小于10KPa(1/10atm)下，使双层吸盘吸住试样，选用合适粗糙度的砂纸进行研磨，研磨时靠近砂轮的旋转中心避免磨削时产生过大的横向剪切力，磨削一段时间后旋转装置方向避免磨削面倾斜，完成粗磨后更换砂纸进行抛光；

[0062] 最后微试样磨削完成后，对微试样进行力学性能测试。

[0063] 效果对比实施例：线切割后的试样研磨，应用传统技术和本申请微试样夹持装置和夹持方法研磨效果对比，此处主要考察指标为平行度、粗糙度和时间，如下表：

[0064]  手工研磨法 螺拴紧固槽法 本申请真空吸附夹持法
平行度 >0.05 0.03～0.05 <0.03
粗糙度 6.3 3.2 3.2
时间 120min 60min 20min

[0065] 在现有技术中，除了手工研磨法外，传统的小试样夹持装置往往采用微动连接，如在工装侧面开槽并用螺栓紧固，这种方法对螺栓紧固力的要求很高，紧固力小导致夹持不稳定，紧固力过大会造成试样变薄之后的弯曲变形。

[0066] 本发明所述微试样夹持装置，试样夹持稳定，试样高度可调，便于试样拆装，可实时监控磨削情况的变化，并可方便高效的切换磨削面，平行度更好，粗糙度更小和节省时间，提高磨削效率和磨削精度，不会对试样造成变形等损伤。