金相試樣自動切割機的結構設計

渠忠偉 李 棟 劉 勇 馬繼涵

（聊城大學東昌學院，聊城 252000）

金相試樣作為金相檢驗的重要載體，對于金相檢驗結果是否準確起著關鍵作用[1]。目前，國內外對于金相試樣的制備設備功能較為單一，自動化程度不高，不能夠實現數據互聯，無法做到所有制樣步驟自動銜接[2]。由于金相試樣制備步驟復雜，影響制備質量的因素過多，在制備過程中即使同一位人操作同一臺設備，也很難制備出質量相同的兩個試樣。因此，設計一種金相試樣自動切割機，能夠實現自動上下料，具有高效率、高精度的優點。

1 金相試樣的制備過程分析

1.1 切割

一般情況下，金相試樣制備都需要進行切割。目前，對于常用的切割設備有手鋸、電動無齒鋸、金相切割機等。其中，手鋸和電動無齒鋸操作比較簡單，制造成本較低，一般用于大體積取樣，但是缺少冷卻系統，無法及時帶走切割過程中產生的熱，容易出現較大的切割影響區[3]。大多數金相試樣切割機在切割過程中相比手鋸和電動無齒鋸切割加入了冷卻系統，但是上下料部分依然采用手動方式，降低了加工效率，增加了操作者的工作強度。

1.2 鑲嵌

對于切割后的試樣，如果試樣形狀較小、較薄、過軟或者不規則，那么有必要對試樣進行鑲嵌，以便后續制備過程中夾持。生產過程中有時需要檢驗脫碳層。為了確保試樣的脫碳層完整，一般會對試樣進行鑲嵌。鑲嵌過程通常采用金相試樣鑲嵌機實現，即把需要制備的金相試樣放置于鑲嵌機模具，添加一定的鑲嵌材料對其進行加熱加壓處理，經過一段時間的保溫后進行冷卻，最后取出試樣。

1.3 磨制

試樣磨制是制備過程極為重要的環節。磨制一般分為粗磨和精磨。對于試樣中較深的切割影響區和不平整的表面，常采用80 目的金相砂紙進行粗磨。對于沒有切割影響區的平面，一般采用目數較高的金相砂紙進行精磨。在磨制過程中，金相砂紙一定要處于濕潤狀態，防止在摩擦中產生較多熱量，且往往朝著同一個方向進行打磨。

1.4 拋光

為了得到無劃痕的“鏡面”狀態的試樣表面，需要對精磨后試樣上存在的磨痕進行拋光。目前，拋光方法最常用的有機械拋光和化學拋光兩種。機械拋光一般用于實驗室內拋光，通常用到的設備是金相試樣拋光機，即拋光機高速旋轉對夾持的金相試樣進行拋光。在拋光的過程中要不斷添加拋光材料，保持對金相試樣有著微切削作用。需要注意，拋光的時間不宜過長。

1.5 侵蝕

經過拋光后的試樣表面，在顯微鏡下無法觀察和分析微觀組織結構。為了能夠在金相顯微鏡下清楚觀察并分析材料的微觀組織結構，需要對拋光后的試樣進行侵蝕。通常采用4%的硝酸酒精溶液，將試樣在酒精溶液中浸泡7 ～8 s。試樣侵蝕后的表面為灰白色[4]。

2 金相試樣自動切割機的總體布局

分析金相試樣制備過程可知，金相試樣的切割對整個制備過程起著關鍵作用。結合金相試樣的制備過程和切割機加工工藝要求，最終確定金相試樣自動切割機的整體結構布局[5]。金相試樣自動切割機主要由箱體、上下料機械臂、工作臺、切割系統以及冷卻系統等組成，結構如圖1 所示。

圖1 金相試樣自動切割機總體布局結構

在總體結構布局中，進行上下料時采用的是6 自由度的機械臂結構。先把需要金相制備的金屬材料放置在物料架上，通過機械臂進行抓取，然后將其放置在工作臺上。切割完成后，機械臂自動抓取，將其放置于下一道工序的工作臺。工作臺作為金相試樣切割時的基準，工作面的穩定程度對工件的加工精度有著直接影響，因此要具有足夠的剛度。通常工作臺安裝在機體上，在工作臺上安裝兩組夾具。在氣缸的作用下，夾具依靠導軌滑塊實現前后移動，使其夾緊試樣。切割系統主要由電動機帶動無齒鋸片進行旋轉切割試樣。電動機固定在安裝板上，安裝板與滑塊連接，步進電機通過帶傳動將其動力傳給絲杠，實現電動機前后的移動。在切割的過程中，冷卻系統不斷噴射冷卻液，及時帶走切割中產生的熱量，避免形成較深的切割影響區。

3 金相試樣自動切割機關鍵零部件設計

3.1 上下料機械臂的結構設計

上下料機械臂是金相試樣自動切割機的重要組成部分。分析目前金相試樣切割機的結構發現，多數情況下采用人工方式完成試樣的上下料。這種方式大大增加了工人的勞動強度，生產效率低。為了降低操作者的工作勞動強度，提高生產效率，在金相試樣切割機上創新設計一個6 自由度上下料機械臂，用機械臂代替人手抓取金相試樣，實現自動上下料。

利用機械手迅速準確定位，從物料臺取出金相試樣送至工作臺，經過切割后從工作臺取走放置到鑲嵌機的模具中，從而完成金相試樣的上下料。因此，機械臂的結構設計要滿足一定的基本要求：一是機械手的負載能力應不小于10 N；二是金相試樣能夠被精確放到工作臺的夾具中，且在切割后能準確放置到鑲嵌機的模具中；三是機械臂結構設計應安全可靠，運行平穩；四是機械臂的結構要有一定的拓展性，運動行程易控制，簡單改裝后能夠滿足金相制備生產線的上下料需求。

分析機械臂的應用環境和基本要求后，確定機械臂的自由度。根據機械手的工作需求，機械手在一個周期內需要到達3 個位置，分別是物料臺、金相切割工作臺及鑲嵌機模具。在動作層次方面，機械手涉及抓取、上升、轉移、下降以及放料等動作。要想完成機械手的上升和下降至少需要1 個自由度，完成3 個位置的轉移至少需要1 個自由度。為了實現機械手更自由的工作，設計的上下料機械臂為6 自由度。上下料機械臂結構主要包括基座、腰部回轉關節、大臂、小臂、手腕以及夾手，結構如圖2 所示。

圖2 上下料機械臂結構

機械臂常用的驅動方式有氣壓驅動、液壓驅動和電機驅動。電機驅動結構簡單、使用方便、成本低廉，因此上下料機械臂采用混合式步進電機進行驅動。機械臂的腰部回轉關節與基座相連，可以實現旋轉運動。機械手裝在手腕結構上，與其小臂連接。小臂與大臂相連接，實現上下移動。在金相試樣制備過程中，機械手可以從物料臺上抓取要制備的試樣，將其準確無誤地放置在工作臺中，利用裝在工作臺上的夾具夾緊試樣。當切割完成后，夾具松開試樣，機械手抓取試樣將其放置在下一道工序的工作臺上。整個上下料過程實現了自動化，可以加快試樣制備的速度，提升試樣的表面質量。

3.2 夾具及切割系統結構設計

夾具是金相試樣能夠進行穩定切割的重要裝置。目前，大多數金相試樣切割機的夾具結構為虎口鉗，對于金相試樣需要人工手動夾緊，增加了操作人員的工作強度。切割系統的移動一般采用絲杠和光杠相結合的方式。這種方式雖然結構簡單、制造成本較低，但是精度不高。設計的夾具及切割系統的引導機構采用直線導軌。

直線導軌作為一種引導機構，主要用于高精度直線往復運動場合。它既能夠承受一定的扭矩，又能在高負載情況下實現高精度的直線運動。通過安裝在導軌與滑塊之間的鋼珠循環滾動減小摩擦力，循環滾動的鋼珠使得安裝在滑塊上的機構可以很容易地沿著導軌方向做直線運動。直線導軌機構能夠承受來自不同方向的載荷，且定位精度高、裝配簡單、維修便捷，廣泛應用于機床設備。

設計的夾具組件主要包括氣缸、夾緊板以及固定擋板等。切割系統組件主要由電動機、絲杠、電動機安裝板、帶輪、皮帶以及導軌滑塊等組成。夾具及切割系統結構如圖3 所示。

圖3 夾具及切割系統結構

夾具整個結構安裝在工作臺上，工作臺固定在機體上。夾緊板的底部與滑塊連接，夾緊元件的固定擋板通過螺栓固定在工作臺上，夾緊板的另一端與氣缸相連。在工作過程中，當機械手把金相試樣放置到工作臺上后，通過氣缸的作用推動夾緊板沿著直線導軌進行移動，夾緊金相試樣。切割系統結構中的電動機固定在電機安裝板上，電機安裝板與滑塊、螺母連接，絲杠穿過螺母與帶輪連接，電機通過帶傳動將動力傳輸到絲杠上。當夾具夾緊試樣后，電動機帶動無齒鋸片進行旋轉運動。步進電機帶動絲杠使其能夠沿著直線導軌進行前后移動，實現對試樣的切割。切割過程中，冷卻系統將噴射冷卻液產生的熱量帶走。

4 結語

金相試樣的制備是研究各種材料內部微觀組織結構的重要載體。金相試樣切割是試樣制備過程中非常關鍵的環節。針對當前金相試樣切割設備中存在的問題，設計了一臺金相試樣自動切割機。通過分析金相試樣制備過程，明確了金相試樣切割機的加工路線，確定了整體結構布局，運用三維繪圖軟件完成了對整個設備的結構設計。實踐應用表明，設計的設備能夠實現對金相試樣的全自動切割，提高了生產效率。