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您当前的位置： 一种物理试样冷态加工方法与流程
2021-01-30 18:01:08|
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本发明涉及试样加工技术领域，尤其涉及一种物理试样冷态加工方法。
背景技术：
试样是指按试验目的，将试样经过加工制成可供试验的样品，工业生产中为检验质量所采取的样品。在对实验样品进行加工时，需要保持样品的原有性质，避免由于切割加工对样品的特性造成改变，通常会采用水刀进行切割，水刀是冷态切割，切割时不产生热效应、不变形、无挂渣、无烧蚀，不会改变材料的物理化学性质。
现有的水刀切割技术中，通过对刀头的移动路径进行限定，使刀头喷出的射流沿一定的路径穿通加工件，需要切割弧度时可以通过改变刀头的角度来达到，这种弧度在切割时是通过若干条笔直的切割线渐变产生的，切割方式都是直接穿通样品原料，现有的需加工的样品中，有些样品的外沿是具备一定厚度和宽度的阶梯的，这种凸出的阶梯能够方便样品在检验时更好的卡住固定，同时一些产品的外沿具备一定厚度和宽度的阶梯可以在使用时更好的拼接吻合，现有的水刀切割执行的是一次性射穿式的切割，很难在样品的边缘加工出一定厚度和宽度的阶梯。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种物理试样冷态加工方法，通过提供不同的加工策略与需要切割的阶梯匹配，以解决现有的冷态加工方法在切割出具备一定厚度和宽度的阶梯时存在不足的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种物理试样冷态加工方法，提供一种加工装置，所述加工装置用于将样品原料加工成样品，所述加工装置包括切割设备，所述切割设备连接有高压水发生器和供砂器，所述高压水发生器用于给切割设备提供不同压力的射流，所述供砂器用于给切割设备提供不同砂量的水刀砂，所述切割设备、高压水发生器以及供砂器分别与控制器电连接；
所述切割设备包括工作台、刀头以及刀头移动机构，所述刀头移动机构用于带动刀头分别沿相互垂直的x轴、y轴、z轴进行位置的移动，所述刀头移动机构设置在工作台顶部，所述刀头的一侧设置有厚度检测器；
所述加工方法包括切割参数获取步骤和切割步骤，所述切割参数获取步骤用于获取切割参数，所述切割参数包括靶距和移动速度，所述靶距为刀头与样品原料之间的距离，所述移动速度为刀头切割过程中的移动速度；
所述切割参数获取步骤包括：
步骤a1，通过控制器输入预加工样品的产品参数，所述产品参数包括样品厚度、样品硬度和样品尺寸以及样品的阶梯厚度和阶梯宽度，根据样品尺寸和阶梯宽度分别生成第一切割路径和第二切割路径，所述第一切割路径包括无阶梯部分的穿通切割路径以及有阶梯部分的阶梯切割路径，根据产品参数选择相应的预设参数，所述预设参数包括第一射流压力、第二射流压力、第一供砂量以及第二供砂量，所述第一射流压力和第一供砂量用于获取第一靶距、第一移动速度和第二移动速度以及切割第一切割路径，所述第二射流压力和第二供砂量用于获取第二靶距和第三移动速度以及切割第二切割路径；
步骤a2，在第一射流压力和第一供砂量的情况下获取刀头在不同靶距下所切割的槽宽，根据靶距与槽宽之间的关系得到第一公式为w＝k1h2+k2h+c1，其中，w为槽宽，h为靶距，且
步骤a3，在第二射流压力和第二供砂量的情况下获取刀头在不同靶距下所切割的槽宽，根据靶距与槽宽之间的关系得到第三公式为w＝k4h2+k5h+c2，其中，w为槽宽，h为靶距，且
所述切割步骤包括：
步骤b1，将样品原料放置在工作台上，并调整样品原料位于刀头下方的初始切割位置；
步骤b2，控制刀头沿第一切割路径进行切割，且切割时刀头与样品原料之间的距离配置为第一靶距，所述刀头沿穿通切割路径移动时的速度配置为第一移动速度，所述刀头沿阶梯切割路径移动时的移动速度配置为第二移动速度；
步骤b3，控制刀头沿第二切割路径进行切割，且切割时刀头与样品原料之间的距离配置为第二靶距同时刀头移动的速度配置为第三移动速度；
步骤b4，将切割后的样品和废料分别从工作台上取下，完成一次切割作业。
进一步地，所述厚度检测器将检测到刀头切割后的样品原料的厚度信息传输给控制器，所述控制器通过将样品原料的厚度减去切割后的样品原料的厚度得到实时的切割深度。
进一步地，所述刀头移动机构包括纵向移动组件、横向移动组件以及上下移动组件，所述横向移动组件用于带动刀头沿x轴进行移动，所述纵向移动组件用于带动刀头沿y轴进行移动，所述上下移动组件用于带动刀头沿z轴进行移动。
进一步地，所述刀头移动机构还包括龙门架，所述龙门架的底部两侧分别通过一组纵向移动组件与工作台活动连接，所述横向移动组件设置在龙门架的横梁一侧，所述上下移动组件设置在横向移动组件底部，所述刀头设置在上下移动组件底部。
进一步地，所述刀头上设置有角度调节机构，所述角度调节机构设置有水平转动组件和上下转动组件，所述水平转动组件和上下转动组件内分别设置有用于检测转动角度的位移传感器，所述上下转动组件用于调节刀头的第一切割角度和第二切割角度，所述第一切割角度和第二切割角度为刀头的射流方向与水平面之间的夹角，所述供砂器内设置有用于检测供砂量的质量检测器，所述高压水发生器内设置有用于检测射流压力的压力检测器。
进一步地，所述第一切割角度设置为85-90度，所述第二切割角度设置为80-85度，所述第一供砂量设置为30-50g/s，所述第二供砂量设置为0-30g/s，所述水刀砂设置为粒度为80-100目的石榴石，所述第一射流压力设置为400-500mpa，所述第二射流压力设置为300-400mpa。
进一步地，所述第一切割角度设置为86度，所述第二切割角度设置为82度，所述第一供砂量设置为40g/s，所述第二供砂量设置为25g/s，所述水刀砂设置为粒度为85目的石榴石，所述第一射流压力设置为500mpa，所述第二射流压力设置为350mpa。
进一步地，所述第一公式为
进一步地，所述第一靶距设置为3mm且对应的第一槽宽为3mm，所述第二靶距设置为4mm且对应的第二槽宽为2mm，所述第一切割深度设置为1cm且对应的第一移动速度为4mm/s，所述第二切割深度设置为0.5cm且对应的第二移动速度为8mm/s，所述第三切割深度设置为0.5cm且对应的第三移动速度为2mm/s。
本发明的有益效果：本发明能够根据加工样品的厚度以及样品的阶梯厚度和宽度匹配对应的加工策略，通过在第一射流压力、第一供砂量、第一切割角度以及第一靶距的情况下获得刀头在不同移动速度下的切割深度，能够对样品的厚度切割和阶梯处的切割匹配不同的切割移动速度，通过测量刀头在不同靶距h下所切割的槽宽w，能够满足不同阶梯宽度切割的需求，满足对不同切割深度和宽度的需求；
本发明针能够对阶梯的边缘进行穿通切割时匹配对应的加工策略，通过在第二射流压力、第二供砂量、第二切割角度以及第二靶距的情况下获得刀头在不同移动速度下的切割深度，并测量刀头在不同靶距h下所切割的槽宽w，选取阶梯边缘的穿通的槽宽，能够对阶梯的边缘部分进行精准切割，有效减小对阶梯部分的冲刷磨损，提高对样品加工的精确性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为加工装置的连接结构原理图；
图2为刀头切割的结构原理图；
图3为样品和样品原料的切割剖面示意图；
图4为图3中a的放大图；
图5为实施例一中样品原料切割后的俯视图；
图6为图5中b的放大图。
图中：1、控制器；2、供砂器；3、切割设备；31、工作台；32、刀头移动机构；33、刀头；321、龙门架；322、纵向移动组件；323、横向移动组件；324、上下移动组件；331、喷嘴；332、刀座；333、砂管；4、高压水发生器；5、样品原料；51、样品；52、阶梯；6、射流；7、水刀砂。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1和图2，图1图1为加工装置的连接结构原理图；图2为刀头切割的结构原理图。
一种物理试样冷态加工方法，提供一种加工装置，加工装置用于将样品原料5加工成样品51，加工装置包括切割设备3，切割设备3连接有高压水发生器4和供砂器2，高压水发生器4用于给切割设备3提供不同压力的射流6，供砂器2用于给切割设备3提供不同砂量的水刀砂7，切割设备3、高压水发生器4以及供砂器2分别与控制器1电连接，控制器1用于接收输入的产品参数、处理数据并生成对应的加工策略，控制器1还用于控制切割设备3、高压水发生器4以及供砂器2进行运作。
切割设备3包括工作台31、刀头33以及刀头移动机构32，刀头移动机构32用于带动刀头33分别沿相互垂直的x轴、y轴、z轴进行位置的移动，刀头移动机构32设置在工作台31顶部，刀头33的一侧设置有厚度检测器，厚度检测器选用电涡流传感器，电涡流传感器的抗干扰能力强，能够进行非接触测量，其响应速度快且不受油水等介质的影响，能够实时检测到切割处的样品原料5的厚度。
刀头33上设置有角度调节机构，角度调节机构设置有水平转动组件和上下转动组件，水平转动组件和上下转动组件内分别设置有用于检测转动角度的位移传感器，位移传感器选用r36as的角度位移传感器，上下转动组件用于调节刀头33的第一切割角度和第二切割角度，第一切割角度和第二切割角度为刀头33的射流6方向与水平面之间的夹角，供砂器2内设置有用于检测供砂量的质量检测器，质量检测器选用型号为slc611的称重传感器，供砂器2内设置有流量阀用于控制供砂量，高压水发生器4内设置有用于检测射流6压力的压力检测器，压力检测器选用型号为pts702的超高压压力变送器，能够检测的最高压力为800mpa。
其中，刀头移动机构32包括龙门架321、纵向移动组件322、横向移动组件323以及上下移动组件324，龙门架321的底部两侧分别通过一组纵向移动组件322与工作台31活动连接，纵向移动组件322采用设置在龙门架321两端内部的第一直线电机进行动力输出，在工作台31的两侧设置有用于龙门架321纵向滑动的第一导轨，横向移动组件323设置在龙门架321的横梁一侧，横向移动组件323包括移动座，移动座内设置有第二直线电机，龙门架321上设置有用于移动座进行横向滑动的第二导轨，上下移动组件324设置在横向移动组件323底部，刀头33设置在上下移动组件324底部，刀头33包括刀座332以及连接在刀座332底部的喷嘴331，刀座332通过供水管与高压水发生器4相连，刀座332上连接有用于水刀砂7输入的砂管333，砂管333与供砂器2相连，上下移动组件324包括用于带动刀座332上下移动的电动缸，电动缸上设置有用于检测刀头33上下移动距离的光电距离传感器。
请参阅图3和图4，图3为样品和样品原料的切割剖面示意图；图4为图3中a的放大图。
图中，w1表示第一槽宽，w2表示第二槽宽，w3表示阶梯宽度，d1表示样品原料厚度和第一切割深度，d2表示阶梯厚度以及第三切割深度，d3表示第二切割深度。
加工方法包括切割参数获取步骤和切割步骤，切割参数获取步骤用于获取切割参数，切割参数包括靶距和移动速度，靶距h为刀头33与样品原料5之间的距离，移动速度为刀头33切割过程中的移动速度。
切割参数获取步骤包括：
步骤a1，通过控制器1输入预加工样品51的产品参数，产品参数包括样品厚度、样品硬度和样品尺寸以及样品51的阶梯厚度和阶梯宽度，步骤a1包括预设策略，所述预设策略被配置为根据不同的产品参数选择相应的预设参数，预设参数包括第一射流压力、第二射流压力、第一供砂量、第二供砂量、第一切割角度、第二切割角度、第一切割路径以及第二切割路径，第一切割路径包括阶梯切割路径和穿通切割路径，阶梯切割路径对应阶梯52的位置，穿通切割路径对应样品51外圈无阶梯52的部分，第一切割路径与样品51的外圈路径相匹配，第二切割路径与阶梯52的外圈路径相匹配，样品厚度d1与样品原料5的厚度相同。
根据横向移动组件323、纵向移动组件322以及上下移动组件324的移动轨迹进行x轴、y轴和z轴的定位，通过x轴和y轴的定位能够确定刀头33的切割路径、第一切割路径以及第二切割路径，通过z轴的定位能够确定刀头33的第一靶距和第二靶距。
由于刀头33处于移动切割的过程，射流6在穿透样品原料5时不能始终保持垂直穿透的状态，位于样品原料5下侧的射流6会呈现一定的弧度，弧度向刀头33移动方向的后侧弯曲，因此将刀头33设定一定的倾斜角能够改善射流6穿透过程中底部向后弯曲的问题，切割角度为刀头33的射流6方向与水平面的夹角，其中与射流6形成夹角的水平面位于刀头33移动方向的后侧。
步骤a2，通过高压水发生器4输出第一射流压力的射流6，通过供砂器2向刀头33内提供第一供砂量的水刀砂7，调整刀头33保持第一切割角度，控制刀头33与样品原料5之间的靶距由低至高进行移动，测量刀头33在不同靶距下所切割的槽宽，根据靶距与槽宽之间的关系得到第一公式为w＝k1h2+k2h+c1，其中，w为槽宽，h为靶距，且
步骤a3，通过高压水发生器4输出第一射流压力的射流6，通过供砂器2向刀头33内提供第一供砂量的水刀砂7，调整刀头33保持第一切割角度和第一靶距对样品原料5进行切割，通过刀头移动机构32带动刀头33由慢至快进行移动，通过厚度检测器检测不同移动速度下对应的切割深度，将切割深度与刀头33的移动速度对应，根据切割深度与移动速度之间的关系得到第二公式为
步骤a4，通过高压水发生器4输出第二射流压力的射流6，通过供砂器2向刀头33内提供第二供砂量的水刀砂7，调整刀头33保持第二切割角度，控制刀头33与样品原料5之间的靶距h由低至高进行移动，测量刀头33在不同靶距下所切割的槽宽，根据靶距与槽宽之间的关系得到第三公式为w＝k4h2+k5h+c2，其中，w为槽宽，h为靶距，且
步骤a5，通过高压水发生器4输出第二射流压力的射流6，通过供砂器2向刀头33内提供第二供砂量的水刀砂7，调整刀头33保持第二切割角度和第二靶距对样品原料5进行切割，通过刀头移动机构32带动刀头33由慢至快进行移动，通过厚度检测器检测不同移动速度下对应的切割深度，将切割深度与刀头33的移动速度对应，根据切割深度与移动速度之间的关系得到第四公式为
厚度检测器将检测到刀头33切割后的样品原料5的厚度信息传输给控制器1，控制器1通过将样品原料5的厚度减去切割后的样品原料5的厚度得到实时的切割深度。
切割步骤包括：
步骤b1，将样品原料5放置在工作台31上，并调整样品原料5位于刀头33下方的初始切割位置；
步骤b2，通过高压水发生器4输出第一射流压力的射流6，通过供砂器2向刀头33内提供第一供砂量的水刀砂7，调整刀头33保持第一切割角度和第一靶距，通过刀头移动机构32带动刀头33沿第一切割路径移动对样品原料5进行切割，当刀头33位于穿通切割路径时保持第一移动速度进行移动，当刀头33位于阶梯切割路径时保持第二移动速度进行移动，并使刀头33的切割路径的内圈与第一切割路径贴合；
步骤b3，通过高压水发生器4输出第二射流压力的射流6，通过供砂器2向刀头33内提供第二供砂量的水刀砂7，调整刀头33保持第二切割角度和第二靶距，通过刀头移动机构32带动刀头33保持第三移动速度对样品原料5进行切割，并使刀头33的切割路径的内圈与第二切割路径贴合；
步骤b4，将切割后的样品51和废料分别从工作台31上取下，完成一次切割作业。
其中，第一切割深度等于样品原料厚度，第二切割深度等于样品原料厚度减去阶梯厚度，第三切割深度等于阶梯厚度，第二槽宽等于第一槽宽减去阶梯宽度。
实施例一，请参阅图5和图6。
将第一切割角度设置为85-90度，第二切割角度设置为80-85度，第一供砂量设置为30-50g/s，第二供砂量设置为0-30g/s，水刀砂7设置为粒度为80-100目的石榴石，第一射流压力设置为400-500mpa，第二射流压力设置为300-400mpa。
具体的设置为，第一供砂量设置为40g/s，第二供砂量设置为25g/s，水刀砂7设置为粒度为85目的石榴石，第一射流压力设置为500mpa，第二射流压力设置为350mpa，第一切割角度设置为86度，第二切割角度设置为82度。
得到的第一公式具体为
根据四个公式确定具体的切割参数，第一靶距设置为3mm且对应的第一槽宽为3mm，第二靶距设置为4mm且对应的第二槽宽为2mm，第一切割深度设置为1cm且对应的第一移动速度为4mm/s，第二切割深度设置为0.5cm且对应的第二移动速度为8mm/s，第三切割深度设置为0.5cm且对应的第三移动速度为2mm/s。
样品51设置为圆形，样品51的厚度为1cm，阶梯52的厚度为0.5cm，阶梯52的宽度为1mm，阶梯52设置有三个且等距设置在样品51外圈，每个阶梯52占据样品51外圈的六分之一。
切割时，首先进行第一切割路径的切割，其中，第一切割路径中，有阶梯51的部分为阶梯切割路径，刀头在此路径上移动时，射流压力为500mpa，供砂量为40g/s，刀头33的切割角度为86度，移动速度为8mm/s，靶距为3mm。无阶梯51的部分为穿通切割路径，刀头33在此路径上移动时，射流压力为500mpa，供砂量为40g/s，刀头33的切割角度为86度，移动速度为4mm/s，靶距为3mm。再进行第二切割路径的切割，此时射流压力为350mpa，供砂量为25g/s，刀头33的切割角度为82度，移动速度为2mm/s，靶距为4mm。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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