CN108801683B - 一种微型金属试样取样切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微型金属试样取样切削刀具，该切削刀具包括经过特殊设计的碗状刀具以及一体化设置在刀具底端的刀柄，所述碗状刀具的底端与刀柄固定连接，碗状刀具的顶端开设圆形开口，并向内部开设球形凹槽，所述碗状刀具的顶端(刃口)作硬化处理并使金刚砂覆盖在刀具顶端以及内表面和外表面。与现有技术相比，本发明的刀具具有独特的碗状外形结构并且刃口顶部和内外表面覆盖金刚砂，该种结构是首次应用在切磨削中，具有首创性。经实践，可以在各种表面切下一块完整的球冠形样品，样品的直径在20‑50mm，厚度在2‑7mm，为各种包括但不限于如小冲杆试验或液压鼓胀试验提供的试验材料。

Description

一种微型金属试样取样切削刀具
技术领域
本发明涉及特种设备及压力管道检测技术领域，具体涉及一种微型金属试样取样切削刀具。
背景技术
目前我国石化、电力等行业存在许多在恶劣环境下服役的特种设备，特别是压力容器和压力管道等。这些设备长期在高温、高压、临氢腐蚀等条件下运行，服役环境非常恶劣。经过长期服役后，这些设备的力学性能会逐渐下降，很容易发生失效而引发事故，造成严重的后果和重大的经济损失。为保证服役期限内的安全，特种设备在设计时，往往采用较高的安全系数和留取较大的安全余量，以提高安全性。但是这样做也造成了一个问题:由于安全余量较大，这些设备在到达服役年限之后，还具有继续服役的价值。如果一到服役年限就进行更换，无疑会浪费，不符合经济性原则。但若不更换，则又因不清楚这些设备的实际力学性能而存在安全隐患，不符合安全性的要求。综合考虑经济性和安全性两个方面的要求，人们希望在不影响设备服役的前提下，及时、准确地获知其力学性能，以便及时评估其性能劣化状况。
要实现及时评估设备的力学性能而不影响其继续服役，需要一种能实现对设备力学性能进行在线精确检测的新技术。一些科学家于20世纪80年代初提出的小冲杆试验(Small Punch Tests,SPT)和液压鼓胀试验，是一类新型的检测技术，具有广阔的应用前景。小冲杆试验技术结合了传统取样检测和无损检测的优势，同时克服了二者的劣势，可以满足设备在线精确检测的需求。而且这些测试方法仅需要在服役设备本体上取下一块微小材料即可进行。
虽然在过去人们提出的取样机刀具设计方案在一定程度上满足了小冲杆实验和液压鼓胀试验对取样的需求，但这些取样机所取试样的厚度过大，对设备造成的损伤较大，在工程上不可行。机械式取样机还面临着加工的难题。机械式取样机的碗型刀具对材料和加工制造工艺提出了极高的要求，现有的材料和加工工艺难以加工出符合要求的刀具。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种体积小、取样微量的微型金属试样取样切削刀具。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种微型金属试样取样切削刀具，该切削刀具包括经过特殊设计的碗状刀具以及一体化设置在刀具底端的刀柄，所述碗状刀具的底端与刀柄固定连接，碗状刀具的顶端开设圆形开口，并向内部开设球形凹槽，所述碗状刀具的顶端(刃口)作硬化处理并使金刚砂覆盖在刀具顶端以及内表面和外表面。
在取样时，将本发明切削刀具的刀柄安装在旋转电机上，该旋转电机具有三个自由度，一方面带动碗状刀具高速旋转，另一方面小幅度的伸长，将碗状刀具切入设备内部；第三，该旋转电机做周期性的摆钟运动，驱使碗状刀具也做周期性摆钟运动。如此，在三个自由度的运动下，可切取一块完整的球冠形材料，材料直径在20-50mm，厚度在2-7mm，为后续的微型杯突试验打下良好的工艺基础。
一种优选方案，所述的金刚砂覆盖在刀具刃口的顶端以及两侧边缘，金刚砂的覆盖区域为自刃口向刀具底部延伸，所述金刚砂覆盖的延寿长度为3～40mm。所述的金刚砂的粒度为50目～250目之间的任何数值。
当待取样材料硬度很大时，在刀具的刃口种植粒度为0.2～2mm的金刚石；所述的种植金刚石的方法包括但不限于电镀、焊接、包覆等方法。
所述的球形凹槽的半径为在15～60mm之间的任何数值。
所述碗状刀具的外壁呈半球形或半椭球形，所述碗状刀具的高度为40～200mm之间的任何数值。
所述切削刀具的材质包括但不限于高速钢或硬质合金材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)本发明切削刀具具有体积小，易于携带、安装等优点，能够切除一块完整的半椭球型试样，试样直径在20-50mm，厚度在2-7mm；
(2)切取试样时，不会造成试样的浪费，从而使得切口较小，不会对设备的正常运作产生影响。
附图说明
图1为实施例1中切削刀具的剖面结构示意图；
图2为实施例2中切削刀具的刃部局部放大结构示意图；
图3为实施例2中切削刀具的底部结构示意图。
其中，1为刀具，2为刀柄，3为凹槽，4为金刚石颗粒，5为金刚砂涂层。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种微型金属试样取样切削刀具，其结构如图1所示，该切削刀具包括刀具1以及一体化设置在刀具1底端的刀柄2，碗状刀具1的底端与刀柄2固定连接，刀具1的顶端向内开设球形凹槽3，碗状刀具1的内外壁均呈半球形，刀具1的刃口涂覆金刚砂。
在实际取样操作时(如压力容器外表面取样时)，将刀柄2旋入已经固定好的取样机电机主轴上，由电机主轴提供进给切割动力，同时由伺服电机给电主轴提供一个偏转动力(即摆钟运动动力)，使得切削刀具既有进给旋转，又具有偏转(偏转角度约为两端30～50度，具体度数视不同工况而定)，逐步切下一块完整的半椭球材料，且由于所取试样尺寸较小，对材料的影响性能较小。
实施例2
采用与实施例1类似的切削刀具，不同之处在与：本实施例碗状刀具1的外壁呈半椭球形，且碗状刀具1的底端镶嵌金刚石4，并且在关键切削部位覆盖了金刚砂涂层5，如图2、图3所示，金刚石颗粒直径在0.2mm至2mm，底端每隔5mm至25mm镶嵌有一颗金刚石4。金刚砂的覆盖区域为自刃口向刀具底部延伸，金刚砂覆盖的延伸长度为3～40mm。所述的金刚砂的粒度为50目～250目之间的任何数值。

Claims (9)

1.一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，该切削刀具包括碗状刀具以及一体化设置在刀具底端的刀柄，所述刀具的底端与刀柄固定连接，刀具的顶端开设圆形开口，并向内部开设球形凹槽，所述刀具的刃口作硬化处理并使金刚砂覆盖在刀具顶端以及内表面和外表面，该取样切削刀具能切除一块完整的半椭球型试样；取样的对象为金属；所述的硬化处理方法包括淬火、渗碳淬火或渗氮处理，硬化后表面硬度为HRC58～65；所述的金刚砂覆盖在刀具刃口的顶端以及两侧边缘，金刚砂的覆盖区域为自刃口向刀具底部延伸；
取样时，将切削刀具的刀柄安装在旋转电机上，该旋转电机具有三个自由度，一方面，带动碗状刀具高速旋转，另一方面，旋转电机伸长，将碗状刀具切入设备内部；第三方面，旋转电机做周期性的摆钟运动，驱使碗状刀具也做周期性摆钟运动；如此，在三个自由度的运动下，可切取一块完整的球冠形材料，切取试样时，不会造成试样的浪费，从而使得切口较小，不会对设备的正常运作产生影响。
2.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述的微型金属试样取样切削刀具呈碗状，在碗口部分设置刀刃，在碗底设置刀柄。
3.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述球形凹槽的半径为在15～60mm之间的任何数值。
4.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述球形凹槽所对的圆心角为80度～260度。
5.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述的金刚砂覆盖的延伸长度为3～40mm，所述的金刚砂的粒度为50目～250目之间的任何数值。
6.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，刀具刃口的宽度为0.2～2mm；在刀具的刃口种植粒度为0.2～2mm的金刚石；所种植金刚石的间距为5～25mm。
7.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述碗状刀具的外壁呈半球形或半椭球形，所述碗状刀具的高度为40～200mm之间的任何数值。
8.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述切削刀具的材质包括高速钢或硬质合金材料。
9.根据权利要求1所述的一种微型金属试样取样切削刀具，其特征在于，所述的刀柄为光杆或者螺栓杆，直径为5.5～18mm。
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