CN109060487A - 一种超声可控的金属晶界分离催裂结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声可控的金属晶界分离催裂结构及方法，涉及切割加工技术领域。该超声可控的金属晶界分离催裂结构包括固定基座、纵振换能器以及固定组件。纵振换能器固定设置于固定基座，且形成用于夹持岩芯样品的夹持腔，固定组件固定设置于纵振换能器的夹持部，且固定组件位于靠近夹持腔的一端，用于固定岩芯样品。该超声可控的金属晶界分离催裂结构采用超声辅助裂纹的切割，是引导裂纹自动扩展完成切割，有效保存了样品的原有性质，利用超声波辅助裂纹扩展切割，产生良好的断面效果，控制方便，实用性强，适用范围广。

Description

一种超声可控的金属晶界分离催裂结构及方法

技术领域

本发明涉及切割加工技术领域，具体而言，涉及一种超声可控的金属晶界分离催裂结构及方法。

背景技术

传统的切割方法，或者在切割过程中，会产生大量的切削力和切削热，从而容易导致样件破损和外界污染。

然而，对于某些切削工件，需要在保持其原始物理状态下进行相关的实验测试，例如：岩芯样品测试其原始力学性质及内部微生物成分等。

由于在传统制样过程中，切割对工件的破坏较大，导致切割过程改变了样品的内在性质，亟待提出新的切割方法，以最大程度地减小切割过程对样品的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声可控的金属晶界分离催裂结构，采用超声波辅助裂纹的切割，引导裂纹自动扩展完成切割，不会产生大量的切削热和切削力，不会因为添加切削液导致污染岩芯样品，有效保证了岩芯样品的原有性质。

本发明的实施例是这样实现的：

基于上述目的，本发明的实施例提供了一种超声可控的金属晶界分离催裂结构，包括固定基座、纵振换能器以及固定组件；

所述纵振换能器固定设置于所述固定基座，且形成用于夹持岩芯样品的夹持腔，所述固定组件固定设置于所述纵振换能器的夹持部，且所述固定组件位于靠近所述夹持腔的一端，用于固定岩芯样品。

另外，根据本发明的实施例提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的可选实施例中，所述固定基座包括平行设置的两个固定支架，所述固定支架设置有固定部；

所述纵振换能器数量为两个，两个所述纵振换能器与两个所述固定支架的所述固定部一一对应设置。

在本发明的可选实施例中，所述纵振换能器包括固定本体，所述固定本体固定设置于所述固定部，使两个所述纵振换能器的夹持部相对设置。

在本发明的可选实施例中，所述固定组件包括至少三个卡爪，所述夹持部包括柱状的连接端，所述卡爪沿所述连接端的径向滑动设置于所述夹持部，至少三个所述卡爪之间形成用于夹持岩芯样品的夹持区。

在本发明的可选实施例中，所述固定组件还包括定位件，所述定位件沿所述连接端的径向滑动设置于所述夹持部，所述定位件设置有与所述岩芯样品对应的定位销。

在本发明的可选实施例中，所述定位件包括定位台、定位块以及滑动块，所述定位块与所述定位台为U型结构，且所述定位台位于所述夹持区内，所述定位块之间形成滑槽，所述滑动块可滑动的设置于所述滑槽内，所述定位销设置于所述滑动块。

在本发明的可选实施例中，所述定位销的轴线与所述连接端的中心轴线平行，所述定位销的端面与所述夹持部之间的距离小于所述定位台与所述夹持部之间的距离。

在本发明的可选实施例中，所述连接端设置有与所述卡爪相对应的T型槽，所述T型槽沿所述连接端的径向设置，所述卡爪包括T型块，所述T型块与所述T型槽滑动配合。

本发明还提供了一种催裂方法，采用所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构对岩芯样品进行切割，切割方法包括：

固定步骤：将岩芯样品通过固定组件固定于纵振换能器的夹持腔；

切割、调节步骤：对所述纵振换能器施加预紧力，调节所述纵振换能器的参数，使岩芯样品产生一定的拉应力，在岩芯样品的二分之一波长处产生应力集中。

在本发明的可选实施例中，所述催裂方法还包括准备步骤，所述准备步骤位于所述固定步骤之前；

准备步骤：在岩芯样品的二分之一波长处设置切割槽。

本发明实施例的有益效果是：

超声可控的金属晶界分离催裂结构设计合理、结构简单，采用超声波辅助裂纹的切割，引导裂纹自动扩展完成切割，不会产生大量切削热和切削力，保证岩芯样品的原有性质；利用超声波辅助裂纹扩展切割，能提供裂纹扩展应力集中点，使裂纹沿预设路线扩展，从而产生良好的断面效果；只通过施加不同的电压激励，便可产生不同且非常明显的应力集中效应，岩芯样品的裂纹扩展不影响超声波换能器的共振频率，使得纵振换能器控制简单；通过纵振换能器电阻抗的变化可以清楚的判断出岩芯样品是否产生裂纹或者产生的裂纹程度如何，且通过变换激励电压的幅值、波形、预紧力等可以获得不同的断面效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构中固定组件的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供裂纹切割测试系统的示意图；

图4为本发明实施例3提供的催裂方法中岩芯样品的示意图。

图标：100-超声可控的金属晶界分离催裂结构；10-固定基座；11-固定支架；12-岩芯样品；125-切割槽；15-纵振换能器；152-固定本体；156-夹持部；18-夹持腔；20-固定组件；21-卡爪；22-连接端；225-T型槽；23-夹持区；24-定位台；25-定位块；26-滑动块；30-控制器；31-光照控制单元；32-成像设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

图1为本实施例提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100的结构示意图，请参照图1所示。

该超声可控的金属晶界分离催裂结构100包括固定基座10、纵振换能器15以及固定组件20，纵振换能器15固定设置于固定基座10，纵振换能器15的数量为两个且相对设置于固定基座10，使得两个纵振换能器15之间形成用于夹持岩芯样品12的夹持腔18，固定组件20固定设置于纵振换能器15的夹持部156，且固定组件20位于靠近夹持腔18的一侧，用于对岩芯样品12进行固定。

由于，传统的切割方法在切割过程中会产生大量切削力、切削热等，从而导致样件破损和外界污染，对于某些切削工件，需要根据其原始物理状态进行相关实验测试，例如：对岩芯样品12测试其原始力学性质及内部微生物成分。

如果采用传统制样方法，在切割过程中切削力、切削热过大，同时需要添加切削液，导致污染样品，且切割断面的表面粗糙度和平面度等无法满足使用需求，即切割对岩芯样品12破坏较大，导致切割过程改变了样品的内在性质。

针对其局限性，本实施例提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100，通过施加控制力引导裂纹扩展完成切割过程，降低切削力、切削热以及相应损耗。超声可控的金属晶界分离催裂结构100控制超声能量集中于裂纹部位，利用超声波的波峰重叠产生应力集中，从而顺利引导裂纹沿预设线路发展，最终达到理想的断裂截面和较好的断面平整度。

下面对该超声可控的金属晶界分离催裂结构100的各个部件的具体结构和相互之间的对应关系进行详细说明。

固定基座10包括水平面的工作台，在工作台的上方竖向设置有两个固定支架11，两个固定支架11相互平行，纵振换能器15与固定支架11一一对应，通过固定支架11来固定纵振换能器15。

可选的，固定支架11设置有固定部，固定部开设有固定通孔，纵振换能器15包括固定本体152和夹持部156，纵振换能器15的固定本体152与固定支架11的固定部固定连接，夹持部156相对设置，且使两个纵振换能器15的中心轴线重合，从而将岩芯样品12固定设置在两个纵振换能器15之间。

可选的，纵振换能器15包括与固定组件20配合的连接端22，两个纵振换能器15的连接端22相对设置，连接端22位于夹持部156的远离固定本体152的一端，固定组件20与连接端22相配合，具体的，固定组件20为卡盘机构。

图2为本实施例提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100中固定组件20的结构示意图，请参照图2所示。

固定组件20包括至少三个卡爪21和定位件，至少三个卡爪21和定位件可滑动的设置于纵振换能器15的夹持部156，具体的，卡爪21沿纵振换能器15的连接端22的径向滑动设置，使得至少三个卡爪21之间形成夹持区23，该夹持区23用于夹持岩芯样品12。

岩芯样品12为杆状结构，其包括相对的两端部，固定组件20和纵振换能器15的数量均为两个，岩芯样品12的一端通过固定组件20与纵振换能器15固定连接，岩芯样品12的另一端也通过固定组件20与纵振换能器15固定连接，从而将岩芯样品12夹持固定在超声可控的金属晶界分离催裂结构100的夹持部156。

可选的，卡爪21可滑动的设置于连接端22，与现有的三爪卡盘类似，由于岩芯样品12在加工过程中，纵振换能器15的连接端22可能会受到岩芯样品12轴向的作用力，在长期加工过程中，如果没有定位件作为岩芯样品12与连接端22之间的缓冲部件，岩芯样品12在加工过程中，便会对连接端22的表面造成冲压，使连接端22的表面出现磨损，长期使用会影响岩芯样品12的切割质量。

故，固定组件20还包括定位件，定位件包括定位台24、定位块25以及滑动块26，定位台24与定位块25一体成型且为U型结构，定位台24位于至少三个卡爪21形成的夹持区23内，定位台24主要用于安装岩芯样品12，使定位台24作为缓冲，避免岩芯样品12与连接端22的直接接触。

定位块25平行设置且之间形成滑槽，滑动块26可滑动的设置于滑槽内，该定位件与卡爪21相同，均沿连接端22的径向滑动设置于夹持部156，定位件上设置有与岩芯样品12对应的定位销，在本实施例中，定位销设置于滑动块26，能够根据岩芯样品12的形状进行定位。

具体的，定位台24设置在至少三个卡爪21形成的夹持区23内，且定位台24位于该夹持区23的中间位置，定位台24的形状不做限制，当卡爪21数量为三个时，三个卡爪21能更好地固定截面呈圆形的岩芯样品12，因此，定位台24可以为圆形或者半圆形，由于使用一段时间后，定位台24的表面可能也会磨损，需要更换，以连接端22为工作端，定位件可拆卸地设置在连接端22，可以通过螺栓连接方式。

可选的，定位台24和定位块25也可以嵌设于连接端22的工作端，即在连接端22的工作端开设有与定位台24和定位块25相匹配的凹槽，将定位台24和定位块25嵌设于该凹槽内，由于该凹槽的形状大小与定位台24和定位块25的形状大小一致，使得定位台24和定位块25刚好与凹槽吻合，从而限制了定位台24和定位块25相对于连接端22移动。

可选的，滑动块26可滑动的设置于滑槽内，滑动块26的上表面与连接端22上表面的相对距离小于定位台24的上表面与连接端22上表面的相对距离，定位销垂直于滑动块26的端面设置，定位销的轴线与连接端22的中心轴线平行，这样，当岩芯样品12放置于定位台24上且由多个卡爪21夹持时，岩芯样品12始终位于定位台24的夹持面。

在本实施例中，连接端22设置有T型槽225，该T型槽225沿连接端22的径向设置，而卡爪21的数量与T型槽225的数量相同，相应地，卡爪21包括T型块，T型块与T型槽225的形状和大小相对应，T型块设置在T型槽225内并与T型槽225滑动配合，其中，卡爪21和T型槽225的数量都为三个，三个T型槽225以连接端22的中心轴线旋转对称，通过将卡爪21上的T型块部分嵌设于T型槽225内，经连接端22内部的大锥齿轮转动，则可实现三个卡爪21沿连接端22的径向移动，远离或者靠近连接端22的中心。

可选的，纵振换能器15为一阶纵振换能器15，通过一阶纵振换能器15夹持岩芯样品12进行切割试验。可以理解的是，一阶纵振换能器15还可以通过粘接剂将岩芯样品12固定，该超声可控的金属晶界分离催裂结构100不局限于对岩芯样品12进行试验，还可以对其他材质的工件进行切割试验。

本实施例1提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100的工作原理：

通过将两个纵振换能器15固定在固定基座10上，再将岩芯样品12利用固定组件20固定在纵振换能器15的夹持部156，然后在两个纵振换能器15之间加入预紧力，使得岩芯样品12产生一定的拉应力。定义岩芯样品12的长度为一个波长，通过调整纵振换能器15的波长和频率，使得纵振换能器15的波长与岩芯样品12的长度相同，在岩芯样品12的中间位置设置切割槽125，即在二分之一波长处切割凹槽。

在这种情况下，随着纵振换能器15的振动，切割槽125处产生应力集中效果，在高频振动下将辅助裂纹扩展最终断裂。

由于纵振换能器15在正弦波、方波、锯齿波以及脉冲波等不同的激励信号下，将会影响岩芯样品12的裂纹扩展，最终产生不同的断面效果。

本实施例1提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100具有的有益效果是：

一、与传统切割不同，采用超声波辅助裂纹的切割，是引导裂纹自动扩展完成切割，未使用传统刀具与岩芯样品12进行剧烈摩擦，因此不会产生大量切削热和切削力，有效保存了岩芯样品12的原有性质。

二、利用超声波辅助裂纹扩展切割，能提供裂纹扩展应力集中点，使裂纹沿预设路线扩展，从而产生良好的断面效果。

三、只通过施加不同的电压激励，便可产生不同且非常明显的应力集中效应，岩芯样品12的裂纹扩展不影响超声波换能器的共振频率，使得纵振换能器15控制简单。

四、通过纵振换能器15电阻抗的变化可以清楚的判断出岩芯样品12是否产生裂纹或者产生的裂纹程度如何，且通过变换激励电压的幅值、波形、预紧力等可以获得不同的断面效果。

实施例2

本发明实施例2提供了一种裂纹切割测量系统，图3为本实施例提供的裂纹切割测量系统的示意图，请参照图3所示。

裂纹切割测量系统包括控制器30、光照控制单元31、成像设备32以及实施例1提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100，区别具体说明如下：

控制器30与纵振换能器15电连接，成像设备32和光照控制单元31分别设置于固定基座10，且分别与控制器30电连接，控制器30控制光照控制单元31的光照频率和光照时间，光照控制单元31与岩芯样品12的应力集中区域相对应，使得闪光灯较好的对岩芯样品12进行照明，控制器30控制成像设备32的拍摄，并将拍摄结果储存至控制器30，通过光照控制单元31和成像设备32，使得岩芯样品12的应力集中区域成像清晰。

该裂纹切割测量系统对岩芯样品12的切割过程进行实时监测，在试验过程中，超声可控的金属晶界分离催裂结构100对岩芯样品12的裂纹加工扩展时，控制器30触发延时发生器，控制CCD成像系统拍照，同时将拍摄的裂纹图像存储到控制器30，也相应的记录下切割加工过程中，施加的载荷大小，载荷施加方向等加工参数。从而获得不同的岩芯样品12的断面效果。

实施例3

本发明实施例3提供了一种催裂方法，采用实施例1提供的超声可控的金属晶界分离催裂结构100，或实施例2提供的裂纹切割测量系统，对岩芯样品12进行切割试验，具体说明如下：

准备步骤：测量岩芯样品12的长度L，并调节纵振换能器15的波长等于L，在岩芯样品12二分之一长度处开设切割槽125，图4为岩芯样品12的示意图，请参照图4所示。

固定步骤：将处理后的岩芯样品12固定设置于超声可控的金属晶界分离催裂结构100上，通过固定组件20将岩芯样品12固定夹持在夹持腔18内。

切割、调节步骤，开启纵振换能器15，通过纵振换能器15对岩芯样品12施加预紧力，施加不同的电压激励，调节载荷大小、频率大小以及波长等参数，随着纵振换能器15的振动，切割槽125处产生应力集中效果，在高频振动下将辅助裂纹扩展最终断裂。由于纵振换能器15在正弦波，方波，锯齿波以及脉冲波等不同的激励信号下，将会影响岩芯样品12裂纹的扩展，最终产生不同的断面效果。

通过催裂方法，可以改善现有传统切割中产生的大量切削力、切削热，以及样品破损、污染等情况，采用超声可控的金属晶界分离催裂结构100能够较好控制超声波能量集中于裂纹部位，利用超声波波峰重叠产生应力集中，从而顺利引导裂纹沿预设线路发展，以此达到理想断裂截面和较好的断面平整度。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，包括固定基座、纵振换能器以及固定组件；

所述纵振换能器固定设置于所述固定基座，且形成用于夹持岩芯样品的夹持腔，所述固定组件固定设置于所述纵振换能器的夹持部，且所述固定组件位于靠近所述夹持腔的一端，用于固定岩芯样品。

2.根据权利要求1所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述固定基座包括平行设置的两个固定支架，所述固定支架设置有固定部；

所述纵振换能器数量为两个，两个所述纵振换能器与两个所述固定支架的所述固定部一一对应设置。

3.根据权利要求2所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述纵振换能器包括固定本体，所述固定本体固定设置于所述固定部，使两个所述纵振换能器的夹持部相对设置。

4.根据权利要求1所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述固定组件包括至少三个卡爪，所述夹持部包括柱状的连接端，所述卡爪沿所述连接端的径向滑动设置于所述夹持部，至少三个所述卡爪之间形成用于夹持岩芯样品的夹持区。

5.根据权利要求4所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述固定组件还包括定位件，所述定位件沿所述连接端的径向滑动设置于所述夹持部，所述定位件设置有与所述岩芯样品对应的定位销。

6.根据权利要求5所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述定位件包括定位台、定位块以及滑动块，所述定位块与所述定位台为U型结构，且所述定位台位于所述夹持区内，所述定位块之间形成滑槽，所述滑动块可滑动的设置于所述滑槽内，所述定位销设置于所述滑动块。

7.根据权利要求6所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述定位销的轴线与所述连接端的中心轴线平行，所述定位销的端面与所述夹持部之间的距离小于所述定位台与所述夹持部之间的距离。

8.根据权利要求4-7任意一项所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构，其特征在于，所述连接端设置有与所述卡爪相对应的T型槽，所述T型槽沿所述连接端的径向设置，所述卡爪包括T型块，所述T型块与所述T型槽滑动配合。

9.一种催裂方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的超声可控的金属晶界分离催裂结构对岩芯样品进行切割，切割方法包括：

固定步骤：将岩芯样品通过固定组件固定于纵振换能器的夹持腔；

切割、调节步骤：对所述纵振换能器施加预紧力，调节所述纵振换能器的参数，使岩芯样品产生一定的拉应力，在岩芯样品的二分之一波长处产生应力集中。

10.根据权利要求9所述的催裂方法，其特征在于，所述催裂方法还包括准备步骤，所述准备步骤位于所述固定步骤之前；

准备步骤：在岩芯样品的二分之一波长处设置切割槽。