金相试样自动切割机的结构设计

渠忠伟 李 栋 刘 勇 马继涵

（聊城大学东昌学院，聊城 252000）

金相试样作为金相检验的重要载体，对于金相检验结果是否准确起着关键作用[1]。目前，国内外对于金相试样的制备设备功能较为单一，自动化程度不高，不能够实现数据互联，无法做到所有制样步骤自动衔接[2]。由于金相试样制备步骤复杂，影响制备质量的因素过多，在制备过程中即使同一位人操作同一台设备，也很难制备出质量相同的两个试样。因此，设计一种金相试样自动切割机，能够实现自动上下料，具有高效率、高精度的优点。

1 金相试样的制备过程分析

1.1 切割

一般情况下，金相试样制备都需要进行切割。目前，对于常用的切割设备有手锯、电动无齿锯、金相切割机等。其中，手锯和电动无齿锯操作比较简单，制造成本较低，一般用于大体积取样，但是缺少冷却系统，无法及时带走切割过程中产生的热，容易出现较大的切割影响区[3]。大多数金相试样切割机在切割过程中相比手锯和电动无齿锯切割加入了冷却系统，但是上下料部分依然采用手动方式，降低了加工效率，增加了操作者的工作强度。

1.2 镶嵌

对于切割后的试样，如果试样形状较小、较薄、过软或者不规则，那么有必要对试样进行镶嵌，以便后续制备过程中夹持。生产过程中有时需要检验脱碳层。为了确保试样的脱碳层完整，一般会对试样进行镶嵌。镶嵌过程通常采用金相试样镶嵌机实现，即把需要制备的金相试样放置于镶嵌机模具，添加一定的镶嵌材料对其进行加热加压处理，经过一段时间的保温后进行冷却，最后取出试样。

1.3 磨制

试样磨制是制备过程极为重要的环节。磨制一般分为粗磨和精磨。对于试样中较深的切割影响区和不平整的表面，常采用80 目的金相砂纸进行粗磨。对于没有切割影响区的平面，一般采用目数较高的金相砂纸进行精磨。在磨制过程中，金相砂纸一定要处于湿润状态，防止在摩擦中产生较多热量，且往往朝着同一个方向进行打磨。

1.4 抛光

为了得到无划痕的“镜面”状态的试样表面，需要对精磨后试样上存在的磨痕进行抛光。目前，抛光方法最常用的有机械抛光和化学抛光两种。机械抛光一般用于实验室内抛光，通常用到的设备是金相试样抛光机，即抛光机高速旋转对夹持的金相试样进行抛光。在抛光的过程中要不断添加抛光材料，保持对金相试样有着微切削作用。需要注意，抛光的时间不宜过长。

1.5 侵蚀

经过抛光后的试样表面，在显微镜下无法观察和分析微观组织结构。为了能够在金相显微镜下清楚观察并分析材料的微观组织结构，需要对抛光后的试样进行侵蚀。通常采用4%的硝酸酒精溶液，将试样在酒精溶液中浸泡7 ～8 s。试样侵蚀后的表面为灰白色[4]。

2 金相试样自动切割机的总体布局

分析金相试样制备过程可知，金相试样的切割对整个制备过程起着关键作用。结合金相试样的制备过程和切割机加工工艺要求，最终确定金相试样自动切割机的整体结构布局[5]。金相试样自动切割机主要由箱体、上下料机械臂、工作台、切割系统以及冷却系统等组成，结构如图1 所示。

图1 金相试样自动切割机总体布局结构

在总体结构布局中，进行上下料时采用的是6 自由度的机械臂结构。先把需要金相制备的金属材料放置在物料架上，通过机械臂进行抓取，然后将其放置在工作台上。切割完成后，机械臂自动抓取，将其放置于下一道工序的工作台。工作台作为金相试样切割时的基准，工作面的稳定程度对工件的加工精度有着直接影响，因此要具有足够的刚度。通常工作台安装在机体上，在工作台上安装两组夹具。在气缸的作用下，夹具依靠导轨滑块实现前后移动，使其夹紧试样。切割系统主要由电动机带动无齿锯片进行旋转切割试样。电动机固定在安装板上，安装板与滑块连接，步进电机通过带传动将其动力传给丝杠，实现电动机前后的移动。在切割的过程中，冷却系统不断喷射冷却液，及时带走切割中产生的热量，避免形成较深的切割影响区。

3 金相试样自动切割机关键零部件设计

3.1 上下料机械臂的结构设计

上下料机械臂是金相试样自动切割机的重要组成部分。分析目前金相试样切割机的结构发现，多数情况下采用人工方式完成试样的上下料。这种方式大大增加了工人的劳动强度，生产效率低。为了降低操作者的工作劳动强度，提高生产效率，在金相试样切割机上创新设计一个6 自由度上下料机械臂，用机械臂代替人手抓取金相试样，实现自动上下料。

利用机械手迅速准确定位，从物料台取出金相试样送至工作台，经过切割后从工作台取走放置到镶嵌机的模具中，从而完成金相试样的上下料。因此，机械臂的结构设计要满足一定的基本要求：一是机械手的负载能力应不小于10 N；二是金相试样能够被精确放到工作台的夹具中，且在切割后能准确放置到镶嵌机的模具中；三是机械臂结构设计应安全可靠，运行平稳；四是机械臂的结构要有一定的拓展性，运动行程易控制，简单改装后能够满足金相制备生产线的上下料需求。

分析机械臂的应用环境和基本要求后，确定机械臂的自由度。根据机械手的工作需求，机械手在一个周期内需要到达3 个位置，分别是物料台、金相切割工作台及镶嵌机模具。在动作层次方面，机械手涉及抓取、上升、转移、下降以及放料等动作。要想完成机械手的上升和下降至少需要1 个自由度，完成3 个位置的转移至少需要1 个自由度。为了实现机械手更自由的工作，设计的上下料机械臂为6 自由度。上下料机械臂结构主要包括基座、腰部回转关节、大臂、小臂、手腕以及夹手，结构如图2 所示。

图2 上下料机械臂结构

机械臂常用的驱动方式有气压驱动、液压驱动和电机驱动。电机驱动结构简单、使用方便、成本低廉，因此上下料机械臂采用混合式步进电机进行驱动。机械臂的腰部回转关节与基座相连，可以实现旋转运动。机械手装在手腕结构上，与其小臂连接。小臂与大臂相连接，实现上下移动。在金相试样制备过程中，机械手可以从物料台上抓取要制备的试样，将其准确无误地放置在工作台中，利用装在工作台上的夹具夹紧试样。当切割完成后，夹具松开试样，机械手抓取试样将其放置在下一道工序的工作台上。整个上下料过程实现了自动化，可以加快试样制备的速度，提升试样的表面质量。

3.2 夹具及切割系统结构设计

夹具是金相试样能够进行稳定切割的重要装置。目前，大多数金相试样切割机的夹具结构为虎口钳，对于金相试样需要人工手动夹紧，增加了操作人员的工作强度。切割系统的移动一般采用丝杠和光杠相结合的方式。这种方式虽然结构简单、制造成本较低，但是精度不高。设计的夹具及切割系统的引导机构采用直线导轨。

直线导轨作为一种引导机构，主要用于高精度直线往复运动场合。它既能够承受一定的扭矩，又能在高负载情况下实现高精度的直线运动。通过安装在导轨与滑块之间的钢珠循环滚动减小摩擦力，循环滚动的钢珠使得安装在滑块上的机构可以很容易地沿着导轨方向做直线运动。直线导轨机构能够承受来自不同方向的载荷，且定位精度高、装配简单、维修便捷，广泛应用于机床设备。

设计的夹具组件主要包括气缸、夹紧板以及固定挡板等。切割系统组件主要由电动机、丝杠、电动机安装板、带轮、皮带以及导轨滑块等组成。夹具及切割系统结构如图3 所示。

图3 夹具及切割系统结构

夹具整个结构安装在工作台上，工作台固定在机体上。夹紧板的底部与滑块连接，夹紧元件的固定挡板通过螺栓固定在工作台上，夹紧板的另一端与气缸相连。在工作过程中，当机械手把金相试样放置到工作台上后，通过气缸的作用推动夹紧板沿着直线导轨进行移动，夹紧金相试样。切割系统结构中的电动机固定在电机安装板上，电机安装板与滑块、螺母连接，丝杠穿过螺母与带轮连接，电机通过带传动将动力传输到丝杠上。当夹具夹紧试样后，电动机带动无齿锯片进行旋转运动。步进电机带动丝杠使其能够沿着直线导轨进行前后移动，实现对试样的切割。切割过程中，冷却系统将喷射冷却液产生的热量带走。

4 结语

金相试样的制备是研究各种材料内部微观组织结构的重要载体。金相试样切割是试样制备过程中非常关键的环节。针对当前金相试样切割设备中存在的问题，设计了一台金相试样自动切割机。通过分析金相试样制备过程，明确了金相试样切割机的加工路线，确定了整体结构布局，运用三维绘图软件完成了对整个设备的结构设计。实践应用表明，设计的设备能够实现对金相试样的全自动切割，提高了生产效率。