CN115122503A - 一种膨胀岩试件加工装置及方法 - Google Patents

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宋海军
曾秉华
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Abstract

本发明提供了一种膨胀岩试件加工装置及方法。所述加工装置包括大件切割装置、精加工装置和吸尘装置；所述精加工装置包括工作平台、置于工作平台上的试件固定机构和位于试件固定机构上方的试件精加工机构；所述试件固定机构包括第二驱动电机、主驱动转盘、夹紧转盘和夹紧机构，所述试件精加工机构包括支撑架、横向驱动机构、横向调节架、纵向驱动机构、纵向调节架、安装在纵向调节架上的切削旋转电机和安装在切削旋转电机输出端的切削钻头。本发明将人工打磨的方式改变成机械打磨，通过控制打磨切削头和待打磨膨胀岩试件的同时转动，实现对膨胀岩试件的均匀打磨，提高了膨胀岩试样加工精度和效率，大幅度节省了人工劳动力，可节省90％的工作时间。

Description

一种膨胀岩试件加工装置及方法
技术领域
本发明涉及膨胀岩加工技术领域，具体涉及一种膨胀岩试件加工装置及方法。
背景技术
膨胀岩是一种特殊的软岩。它的物理性质介于岩石与土之间，其物理力学特性与水密切相关，亲水性非常强烈。膨胀岩遇水膨胀软化，力学性能迅速下降，岩体中形成微裂隙结构性发生显著劣化，危及工程建筑的安全性和稳定性，易引起各种地质灾害，如膨胀岩吸水膨胀、失水收缩后引起路基开裂、边坡失稳、建筑物地基不均匀沉降，隧道底鼓、开裂、矿柱失效等工程问题。
目前《工程岩体试验方法标准》(GB/T20266-2013)中针对膨胀岩的试验主要为岩石自由膨胀率试验、岩石侧向约束膨胀率试验和岩石体积不变条件下的膨胀压力试验，依据试验项目不同，按照标准进行试件加工后，测定其膨胀性的相关参数。
膨胀岩一般为泥岩或泥质砂岩，岩质较软，现最普遍的加工方法采用的是土工的方法，即用开土刀具或裁纸刀，配合微型磨具人工一点点的打磨成型，若岩质略微坚硬一点，加工非常耗时，一个成型的试样加工出来耗时1～2天，且试样的精度和试验触面的平整度不高，给后期的试验结果带来影响。岩质较软或不均，含有硬块，则加工中会对岩体本身的结果产生松动或直接导致岩体崩解，无法加工成型。
因此，开发一种膨胀岩加工的装置，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。
发明内容
为了解决膨胀岩试件的加工困难的问题，本发明提供了一种膨胀岩试件加工装置及方法，该装置可以提高膨胀岩试件的加工效率及精度，节省人工劳动力，降低膨胀岩试件的加工难度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种膨胀岩试件加工装置，所述加工装置包括大件切割装置、精加工装置和吸尘装置；
所述大件切割装置包括支撑台、钢性锯片和第一驱动电机，所述第一驱动电机和钢性锯片均置于支撑台上，并由第一驱动电机驱动钢性锯片工作；
所述精加工装置包括工作平台、置于工作平台上的试件固定机构和位于试件固定机构上方的试件精加工机构；所述试件固定机构包括第二驱动电机、主驱动转盘、夹紧转盘和夹紧机构，所述第二驱动电机架设在工作平台上，主驱动转盘安装在第二驱动电机的输出轴，所述夹紧机构设置在与第二驱动电机同一直线上，夹紧转盘安装在夹紧机构的夹持端，且主驱动转盘与夹紧转盘相对设置，两转盘之间形成试件夹持空间；所述试件精加工机构包括支撑架、横向驱动机构、横向调节架、纵向驱动机构、纵向调节架、安装在纵向调节架上的切削旋转电机和安装在切削旋转电机输出端的切削钻头，在支撑架上设有水平轨道，所述横向调节架滑动安装在水平轨道上，所述横向驱动机构安装在支撑架上，并横向驱动机构控制横向调节架沿着支撑架上的水平轨道左右移动；所述横向调节架上设有纵向轨道，所述竖向调节架滑动安装在横向调节架的纵向轨道上，所述纵向驱动机构安装在横向调节架上，并由纵向驱动机构控制纵向调节架沿着横向调节架上的纵向轨道上下移动；在横向调节架和纵向调节架移动过程中，所述切削钻头始终正对试件夹持空间；
所述吸尘装置包括吸尘器和吸尘管，在吸尘管的进风口设有吸尘罩，并在大件切割装置切割试件或精加工装置加工试件时，将吸尘罩固定在支撑台或工作平台上，其罩口正对大件切割装置的试件切割区或精加工装置的试件夹持空间。
本发明进一步的技术方案：所述精加工装置还包括控制柜和控制屏，所述控制柜安装在工作平台上，在水平轨道和纵向轨道上均设有起始端限位开关和终端限位开关，所述水平轨道和纵向轨道上的起始端限位开关和终端限位开关的信号输出端均与控制柜的信号输入端连接，所述控制柜的信号输出端分别与吸尘器、第二驱动电机、横向驱动机构和纵向驱动机构的控制端连接；通过控制柜控制横向驱动机构和纵向驱动机构的给进速度，及第二驱动电机的转速。
本发明较优的技术方案：所述切削钻头包括底座、散热套和金刚石刀头，所述散热套固定连接在底座上，在散热套上开设有散热孔，所述金刚石刀头为圆柱形或正多边形或圆柱形外壁设有多条竖向内凹区域的中空筒体结构，金刚石刀头固定连接在散热套内，其中空区域与散热套的中空区域连通。
发明较优的技术方案：所述夹紧机构包括夹紧支架、安装在夹紧支架上的第一螺母套和与第一螺母套相匹配的第一螺杆，所述第一螺杆穿过第一螺母套，其临近主驱动转盘的一端与夹紧转盘连接，另一端设有旋转手轮。
本发明较优的技术方案：所述横向驱动机构和纵向驱动机构均为驱动电机，在横向驱动机构的输出轴设有横向螺杆，在横向调节架的背面设有横向螺母套，所述横向螺杆与横向螺母套螺纹连接；在纵向驱动机构的输出轴设有纵向螺杆，在纵向调节架的背面设有纵向螺母套，所述纵向螺杆与纵向螺母套螺纹连接。
本发明较优的技术方案：在工作平台上设有调节轨道，所述锁紧机构通过锁紧螺栓安装在调节轨道上，并在锁紧螺栓松开状态下可沿着调节轨道移动；所述主驱动转盘和夹紧转盘与试件接触面均设有防滑凸起的橡胶垫。
本发明较优的技术方案：所述第二驱动电机外设有电机防护罩，第二驱动电机的输出轴伸出电机防护罩，并与主驱动转盘连接；所述钢性锯片为圆盘状锯片，转动安装在第一驱动电机的输出轴，在钢性锯片的上部设有刀盘防护罩，刀盘防护罩固定在第二驱动电机支架上。
为了达到上述技术目的，本发明还提供了一种膨胀岩试件加工方法，所述加工方法使用上述膨胀岩试件加工装置进行加工，其具体加工过程如下：
(1)首先将不规则膨胀岩采用刚性锯片切割成长度满足膨胀岩试验的标准膨胀岩试件长度相匹配的圆柱体或方形柱体试样；
(2)将步骤(1)中粗切形成的圆柱体或方形柱体试样置于主驱动转盘与夹紧转盘之间的试件夹持空间中，并通过夹紧机构将试样夹紧；
(3)将吸尘装置的吸尘罩固定在工作平台侧面，其罩口正对圆柱体或方形柱体试样；
(4)调节横向驱动机构带动横向调节架回到支撑架上水平轨道的起始端，此时切削钻头正对圆柱体或方形柱体试样的起始端，然后调节纵向驱动机构带动纵向调节架沿着纵向轨道向下移动至切削头切削面距主驱动转盘圆心的距离与圆柱体或方形柱体试样最大半径r2相等，调节横向驱动机构的移动速度为0.5～5mm/s，根据加工成型后标准试样的半径r1设定纵向驱动机构下降距离总和L＝r2-r1，并设定单次下降距离为0.5～1.5mm；
(5)开启精加工装置对圆柱体或方形柱体试样进行加工，加工过程中：通过第二驱动电机带动主驱动转盘、夹紧转盘及两转盘夹持的圆柱体或方形柱体试样转动，切削旋转电机带动切削钻头转动对于试样表面进行打磨切削；并在切削钻头工作的过程中，横向驱动机构按照设定的移动速度带动切削旋转电机和切削钻头沿着横向调节架从圆柱体或方形柱体试样的起始端移动至末端，对圆柱体或方形柱体试样进行第一轮正向打磨切削；在切削钻头移动至圆柱体或方形柱体试样的末端时，横向驱动机构停止移动，纵向驱动机构带动切削钻头按照设计的单次下降距离下降，之后横向驱动机构带动切削钻头从圆柱体或方形柱体试样末端朝向起始端反方向继续移动，对圆柱体或方形柱体试样表面进行第一轮反向打磨切削；在切削钻头反方向移动至圆柱体或方形柱体试样的起始端时，横向驱动机构停止移动，纵向驱动机构带动切削钻头按照设计的单次下降距离继续下降，之后重复上述过程对圆柱体或方形柱体试样进行第二轮打磨切斜；
(6)重复步骤(5)至纵向驱动机构下降距离达到L，并对圆柱体或方形柱体试样的起始端打磨至终端时，完成整个试样的加工过程；并在加工个过程中同时开启吸尘器吸走削切过程中的灰尘。
本发明进一步技术方案：在进行切削之前，根据加工成型后满足试验要求的标准膨胀岩试件的规格和点荷载强度，计算出第二驱动电机的最大转速n，并调整第二驱动电机的转速小于n；所述第二驱动电机的最大转速计算过程如下：
Figure BDA0003734004100000061
其中：
IS(50)—轴向试验、方块体试验、不规则块体试验的基准试件点荷载强度指数；
m-待精加工的圆柱体或方形柱体试样质量(kg)；
g-重力加速度(9.8m/s)；
r1-满足试验要求的标准膨胀岩试件的半径(mm)
r2-初切后圆柱体或方形柱体试样的半径(m)。
本发明较优的技术方案：在步骤(1)中采用刚性锯片切割不规则膨胀岩时，将吸尘装置移动至支撑台附近，并将吸尘罩固定在支撑台侧面，其罩口正对切割区，并开启吸尘装置在切割过程中进行吸尘。
本发明的有益效果：
(1)本发明将人工打磨的方式改变成机械打磨，并通过控制打磨切削头和待打磨膨胀岩试件的同时转动，实现对膨胀岩试件的均匀打磨，提高了膨胀岩试样加工精度和效率，大幅度节省了人工劳动力，可节省90％的工作时间。
(2)本发明中的打磨装置包括粗切割机构和精细打磨装置，可以先将试样通过粗切割机构进行切割，使试样的长度满足夹具空间内的长度，然后再通过精细打磨装置进行外圈精细打磨，使试样表面更平整，加工精度更高；本发明可以对最大直径为170mm不规则的试样进行加工，试样规格更具有实际土体结构的代表性。
(3)本发明中的精细打磨装置包括打磨机构和试件支撑机构，其打磨机构可以实现横向和竖向调整，加工过程中切削钻头一直处于旋转状态，可以实现对试样进行纵、横向切削；所述试件支撑机构在加工过程中一直带动试样旋转，并可根据试样加工规格和不同膨胀岩的软硬度计算出试件最适合的转速范围，通过调整电机转速使其与切削钻头的旋转速度相匹配，避免了在加工过程中对试样造成破坏，提高了试样的成型率。
(4)本发明还设有吸尘装置，所述吸尘装置包括吸尘罩及吸尘器，可以在试样加工过程中，将吸尘罩对着试样加工区域，将打磨过程中的灰尘迅速吸走，避免环境的污染，而且该装置使用灵活。
(5)本发明设有控制柜，可以通过控制柜控制加工过程中打磨机机构的横向移动速度，竖向移动距离，切削打磨头的转速以及试样的转速，从而实现打磨进度以及切削尺寸的控制。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的侧视图；
图4是图1中AA剖视图；
图5是本发明中切削钻头的结构示意图；
图6是本发明的控制原理图。
图中：1—工作平台，2—主驱动转盘，3—夹紧转盘，4—切削旋转电机， 5—切削钻头，500—底座，501—散热套，502—金刚石刀头，503—散热孔， 6—纵向轨道，7—夹紧机构，700—夹紧支架，701—第一螺母套，702—第一螺杆，703—旋转手轮，8—第二驱动电机，9—支撑架，10—横向驱动机构，11—横向调节架，12—纵向驱动机构，13—纵向调节架，15—水平轨道，16—吸尘器，17—吸尘管，18—吸尘罩，19—控制柜，20—控制屏， 21—横向螺杆，22—横向螺母套，23—纵向螺杆，24—纵向螺母套，25—调节轨道，26—电机防护罩，27—支撑台，28—刚性锯片，29—第一驱动电机，30—刀盘防护罩，31—待加工膨胀岩试件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”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，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例提供了一种膨胀岩试件加工装置，如图1至图4所示，所述加工装置包括大件切割装置、精加工装置和吸尘装置；所述大件切割装置包括支撑台27、钢性锯片28和第一驱动电机29，所述第一驱动电机29和钢性锯片28均置于支撑台27上，所述钢性锯片28为圆盘状锯片，外缘设有锯齿，转动安装在第一驱动电机29的输出轴，钢性锯片28和第一驱动电机29通过安装架架设起来，并由第一驱动电机29驱动钢性锯片28工作，钢性锯片28下方形成切割区，在钢性锯片28的上部设有刀盘防护罩30，刀盘防护罩固定在第二驱动电机8支架上，钢性锯片28转动过程中，刀盘防护罩30不动，且刀盘防护罩30的内腔宽度大于钢性锯片28的厚度，不会影响钢性锯片28的转动。大件切割装置位于精加工装置附近，方便将不规则膨胀岩切割成长度与标准试件尺寸相匹配的圆形或方形试样后，能够转移到精加工装置进行精加工。所述吸尘装置包括吸尘器16和吸尘管17，在吸尘管17的进风口设有吸尘罩18，并在大件切割装置切割试件或精加工装置加工试件时，将吸尘罩18通过支架和螺栓固定在支撑台27或工作平台1上，其罩口正对大件切割装置的试件切割区或精加工装置的试件夹持空间，可以在粗切和精加工过程中均起到吸尘的作用。
实施例中的一种膨胀岩试件加工装置，如图1至图4所示，所述精加工装置包括工作平台1、置于工作平台上的试件固定机构和位于试件固定机构上方的试件精加工机构；所述试件固定机构包括第二驱动电机8、主驱动转盘2、夹紧转盘3和夹紧机构7，所述第二驱动电机8架设在工作平台1 上，主驱动转盘2安装在第二驱动电机8的输出轴在第二驱动电机8外设有电机防护罩26，第二驱动电机8的输出轴伸出电机防护罩26，并与主驱动转盘2连接。所述夹紧机构7包括夹紧支架700、安装在夹紧支架700上的第一螺母套701和与第一螺母套701相匹配的第一螺杆702，所述第一螺杆702穿过第一螺母套701，其临近主驱动转盘2的一端设有夹紧转盘3，另一端设有旋转手轮703，所述夹紧机构7设置在与第二驱动电机8同一直线上，夹紧转盘3与主驱动转盘2相对设置，两转盘之间形成试件夹持空间；通过旋转手轮703转动第一螺杆702，从而使第一螺杆702沿着第一螺母套701移动，并将安装在试件夹持空间的试样夹紧，然后在第二驱动电机8的作用下同时带动两个转盘及试样转动。在工作平台1上设有调节轨道25，所述锁紧机构7的夹紧支架700通过锁紧螺栓安装在调节轨道25上，并在锁紧螺栓松开状态下可沿着调节轨道25移动；所述主驱动转盘2和夹紧转盘3与试件接触面均设有防滑凸起的橡胶垫，可以起到更好的夹持效果，避免在转动过程中试样与转盘脱落。
实施例中的试件精加工机构，如图1至图4所示，包括支撑架9、横向驱动机构10、横向调节架11、纵向驱动机构12、纵向调节架13、安装在纵向调节架13上的切削旋转电机4和安装在切削旋转电机4输出端的切削钻头5，在支撑架9上设有水平轨道15，所述横向调节架11滑动安装在水平轨道15上，所述横向驱动机构10安装在支撑架9上，并横向驱动机构 10控制横向调节架11沿着支撑架9上的水平轨道15左右移动；所述横向调节架11上设有纵向轨道6，所述竖向调节架11滑动安装在横向调节架11 的纵向轨道6上，所述纵向驱动机构12安装在横向调节架11上，并由纵向驱动机构12控制纵向调节架13沿着横向调节架11上的纵向轨道6上下移动；所述横向驱动机构10和纵向驱动机构12均为驱动电机，在横向驱动机构10的输出轴设有横向螺杆21，在横向调节架11的背面设有横向螺母套22，所述横向螺杆21与横向螺母套22螺纹连接；在纵向驱动机构12 的输出轴设有纵向螺杆23，在纵向调节架13的背面设有纵向螺母套24，所述纵向螺杆23与纵向螺母套24螺纹连接；在横向调节架11和纵向调节架13移动过程中，所述切削钻头5始终正对试件夹持空间。
实施例中的精加工装置，如图1至图4所示，还包括控制柜19和控制屏20，所述控制柜19安装在工作平台1上，在水平轨道15和纵向轨道6 上均设有起始端限位开关和终端限位开关，如图5所示，所述水平轨道15 和纵向轨道6上的起始端限位开关和终端限位开关的信号输出端均与控制柜19的信号输入端连接，所述控制柜19的信号输出端分别与吸尘器16、第二驱动电机8、横向驱动机构10和纵向驱动机构12的控制端连接；通过控制柜19控制横向驱动机构10和纵向驱动机构12的给进速度，及第二驱动电机8的转速；实施例中的精加工装置可以通过参数的设定实现自动切割的过程。
实施例中的切削钻头5，如图5所示，包括底座500、散热套501和金刚石刀头502，所述散热套501固定连接在底座500上，在散热套501上开设有散热孔503，所述金刚石刀头502为圆柱形或正多边形或圆柱形外壁设有多条竖向内凹区域的中空筒体结构，金刚石刀头502固定连接在散热套 501内，其中空区域与散热套501的中空区域连通。
本发明中第二驱动电机的最大转速的设定，可以根据试样的软硬程度以及粗加工后的规格质量计算出来，其计算公式的推导过程如下：
(1)对试样切削下来的余样进行点荷载试验，确定试样的软硬程度，并带入公式换算后
Figure BDA0003734004100000111
得到直径为50mm、高径比为2.0 的岩石试件单轴抗压强度的。
(2)主驱动转盘和夹紧转盘的夹持面均采用橡胶材质，试样最终加工成型的直径应为r1，可得出，X轴夹具破坏最大力：
Figure BDA0003734004100000121
r1—满足试验要求的标准膨胀岩试样半径(mm)。
(3)岩体在单轴受压破坏过程中共四个阶段：分别是①孔隙裂隙压密阶段；②弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段；③非稳定破裂发展阶段(累进性破裂阶段)；④破裂后阶段。一般来说，岩样在孔隙裂隙压密阶段受力过程中不会对岩体产生较大的破坏，同时对加工后的试样的膨胀性指标测定没有影响。
(4)经大量试验测定，一般泥岩或泥质砂岩的②阶段弹性变形约在岩体破坏强度值的0.24～0.61之间，为确保加工过程中岩体试件结构不产生变形，取0.20作为变形临界点的安全系数，即F临变＝F破×0.2。
(5)岩体在加工过程中做旋转运动，控制岩石试件加紧，按照最大静摩擦力＝滑动摩擦力计算施力大小，即2f＝mg，f＝0.45F(橡胶与石材之间的摩擦因素)，
Figure BDA0003734004100000122
另，膨胀岩在加工过程中除试样两端受静摩擦力压力之外还受到了离心力，依据离心力公式
Figure BDA0003734004100000123
计算岩石试件在旋转过程中的离心力；所以岩体加工过程中，F摩+F离< F临变。
(6)试样加工规格、点荷载强度确定后，即试样的F摩、F临变可确定，化简后可求得X轴夹具最大转速：
Figure BDA0003734004100000131
其中：
IS(50)—轴向试验、方块体试验、不规则块体试验的基准试件点荷载强度指数；
m—待精加工的岩试件质量(g)；
g—重力加速度(9.8m/s)；
r1—满足试验要求标准尺寸试样的半径(mm)
r2—试件边缘距离圆心的最大半径(m)。
下面结合实施例对本发明的施工方法进一步说明书，实施例提供了一种泥岩试件加工方法，所述加工方法使用上述膨胀岩试件加工装置进行加工，其具体加工过程如下：
(1)首先将不规则泥岩采用刚性锯片切割成长度与标准泥岩试件长度相匹配的圆柱体或方形柱体试样；在采用刚性锯片切割不规则膨胀岩时，将吸尘装置移动至支撑台附近，并将吸尘罩固定在支撑台侧面，其罩口正对切割区，并开启吸尘装置在切割过程中进行吸尘；在切割过程中，可以往前推动不规则膨胀岩，往前推的速度不能太快，慢慢往前推，前进速度根据岩石硬度而定，以不碎和切割效率高为原则。
(2)计算岩体的抗压强度：选取步骤(1)中切割下来的试样进行点荷载试验(试样应该具有代表性，岩性尽量接近需精加工的样品)，依据公式
Figure BDA0003734004100000132
计算直径为50mm、高径比为2.0的岩石试件单轴抗压强度。泥岩假设点荷载抗压强度为0.01MPa，可得到抗压强度为0.72MPa 的抗压强度值。
(2)将步骤(1)中粗切形成的圆柱体或方形柱体试样置于主驱动转盘与夹紧转盘之间的试件夹持空间中，并通过夹紧机构将试样夹紧；先调整夹紧机构的夹紧支架700，用拧紧固定的螺丝将夹紧支架700锁紧在工作平台1的调节轨道25上，并用旋转手轮703加力前顶试样，直至感觉试样与夹紧转盘3上的橡胶垫接触，依据最大静摩擦力＝滑动摩擦力计算夹具施力大小。正方体岩泥试样为例，正方体岩泥试样的边长为15cm，样长为25cm，密度为2.60g/cm3，其数据输入至控制柜，依据公式
Figure BDA0003734004100000141
计算可得最大静摩擦力为159.25N，由控制柜对夹紧转盘3进行自动施压，通过夹紧转盘3和主驱动转盘2夹紧试样。然后开启第二驱动电机8，观察试样旋转是否有正常旋转或旋转时严重偏心严重(适当偏心属于正常不用过分要求居中)；不正常时停止，调整一下试样夹紧的位置再次按夹紧正转按钮，直至观察正常为止；在进行试样夹紧过程，需要确认纵向驱动机构12 是否在原点位置，在原点位置才可按X轴夹紧测试，如不在原点位置，请先回原点再操作X轴。
(3)观察纵向驱动机构12和横向驱动机构10是否在原点位置，如不在原点位置需先控制其回到原点，回原点后纵向驱动机构12和横向驱动机构 10的驱动电机自动停止，观察显示屏横纵位置是否位0mm；回原点先回纵向驱动机构12，再回横向驱动机构10，以免损伤切削钻头；然后将吸尘装置的吸尘罩固定在工作平台侧面，其罩口正对圆柱体或方形柱体试样；
(4)在进行切削之前，根据加工成型后满足试验要求的标准泥岩试件的规格和点荷载强度，计算出第二驱动电机的最大转速n，并调整第二驱动电机的转速小于n；在泥岩的加工规格、点荷载强度确定后，即试样的F摩、F临变可确定，化简后可求得第二驱动电机的最大转速n，计算过程如下：
Figure BDA0003734004100000151
其中：
IS(50)—轴向试验、方块体试验、不规则块体试验的基准试件点荷载强度指数；
m—初切后的圆柱体或方形柱体试样质量(kg)；
g-重力加速度(9.8m/s)；
r1—满足试验要求标准泥岩试件的半径(mm)；
r2—试件边缘距离圆心的最大半径(m)；
将IS(50)＝0.01MPa，m＝14.63kg，g＝9.8m/s，r1＝25mm(如试验所需的成型试样半径为25mm)，r2＝0.1061m输入控制柜计算可得n＝170.86转/min，由系统设定，依据计算结果舍去个位数为X轴夹具加工时的旋转速度，即取值170(转/min)。
(5)控制横向驱动机构带动横向调节架回到支撑架上水平轨道的起始端，此时切削钻头正对圆柱体或方形柱体试样的起始端，然后调节纵向驱动机构带动纵向调节架沿着纵向轨道向下移动至切削头切削面距主驱动转盘圆心的距离与圆柱体或方形柱体试样最大半径r2相等，依据点荷载强度可判定泥岩的岩质较软，可设定电机的横向移动速度为1mm/秒，如试验所需的成型试样半径r1为25mm，则需要切削的最大进尺L＝106.1-25＝81.1mm，设定单次下降距离为1mm，最后一次单次下降距离由纵向驱动机构依据定位自动调整为0.1mm，确保加工成型后标准试样的半径满足设定要求。
(5)开启精加工装置对圆柱体或方形柱体试样进行加工，在控制触摸屏上按下“横夹紧”、“除尘”、“纵切削”后电机开始运转；按下“纵前进”按钮，直到切削钻头可以接触到原材料为止；后面设备会自动运行设置好的加工参数；加工过程中：通过第二驱动电机8带动主驱动转盘2、夹紧转盘3及两转盘夹持的圆柱体或方形柱体试样转动，切削旋转电机4带动切削钻头5 转动对于试样表面进行打磨切削；并在切削钻头工作的过程中，横向驱动机构按照设定的移动速度带动切削旋转电机和切削钻头沿着横向调节架从圆柱体或方形柱体试样的起始端移动至末端，对圆柱体或方形柱体试样进行第一轮正向打磨切削；在切削钻头移动至圆柱体或方形柱体试样的末端时，横向驱动机构停止移动，纵向驱动机构带动切削钻头按照设计的单次下降距离下降，之后横向驱动机构带动切削钻头从圆柱体或方形柱体试样末端朝向起始端反方向继续移动，对圆柱体或方形柱体试样表面进行第一轮反向打磨切削；在切削钻头反方向移动至圆柱体或方形柱体试样的起始端时，横向驱动机构停止移动，纵向驱动机构带动切削钻头按照设计的单次下降距离继续下降，之后重复上述过程对圆柱体或方形柱体试样进行第二轮打磨切斜；
(6)重复步骤(5)至纵向驱动机构下降距离达到L，并对圆柱体或方形柱体试样的起始端打磨至终端时，完成整个试样的加工过程；并在加工个过程中同时开启吸尘器吸走削切过程中的灰尘。
(7)试样加工完成后，按照规范的要求，针对不同的试验项目，使用微型切割机和打磨机，确定高度。
以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：所述加工装置包括大件切割装置、精加工装置和吸尘装置；
所述大件切割装置包括支撑台(27)、钢性锯片(28)和第一驱动电机(29)，所述第一驱动电机(29)和钢性锯片(28)均置于支撑台(27)上，并由第一驱动电机(29)驱动钢性锯片(28)工作；
所述精加工装置包括工作平台(1)、置于工作平台上的试件固定机构和位于试件固定机构上方的试件精加工机构；所述试件固定机构包括第二驱动电机(8)、主驱动转盘(2)、夹紧转盘(3)和夹紧机构(7)，所述第二驱动电机(8)架设在工作平台(1)上，主驱动转盘(2)安装在第二驱动电机(8)的输出轴，所述夹紧机构(7)设置在与第二驱动电机(8)同一直线上，夹紧转盘(3)安装在夹紧机构(7)的夹持端，且主驱动转盘(2)与夹紧转盘(3)相对设置，两转盘之间形成试件夹持空间；所述试件精加工机构包括支撑架(9)、横向驱动机构(10)、横向调节架(11)、纵向驱动机构(12)、纵向调节架(13)、安装在纵向调节架(13)上的切削旋转电机(4)和安装在切削旋转电机(4)输出端的切削钻头(5)，在支撑架(9)上设有水平轨道(15)，所述横向调节架(11)滑动安装在水平轨道(15)上，所述横向驱动机构(10)安装在支撑架(9)上，并横向驱动机构(10)控制横向调节架(11)沿着支撑架(9)上的水平轨道(15)左右移动；所述横向调节架(11)上设有纵向轨道(6)，所述竖向调节架(11)滑动安装在横向调节架(11)的纵向轨道(6)上，所述纵向驱动机构(12)安装在横向调节架(11)上，并由纵向驱动机构(12)控制纵向调节架(13)沿着横向调节架(11)上的纵向轨道(6)上下移动；在横向调节架(11)和纵向调节架(13)移动过程中，所述切削钻头(5)始终正对试件夹持空间；
所述吸尘装置包括吸尘器(16)和吸尘管(17)，在吸尘管(17)的进风口设有吸尘罩(18)，并在大件切割装置切割试件或精加工装置加工试件时，将吸尘罩(18)固定在支撑台(27)或工作平台(1)上，其罩口正对大件切割装置的试件切割区或精加工装置的试件夹持空间。
2.根据权利要求1所述的一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：所述精加工装置还包括控制柜(19)和控制屏(20)，所述控制柜(19)安装在工作平台(1)上，在水平轨道(15)和纵向轨道(6)上均设有起始端限位开关和终端限位开关，所述水平轨道(15)和纵向轨道(6)上的起始端限位开关和终端限位开关的信号输出端均与控制柜(19)的信号输入端连接，所述控制柜(19)的信号输出端分别与吸尘器(16)、第二驱动电机(8)、横向驱动机构(10)和纵向驱动机构(12)的控制端连接；通过控制柜(19)控制横向驱动机构(10)和纵向驱动机构(12)的给进速度，及第二驱动电机(8)的转速。
3.根据权利要求1或2所述的一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：所述切削钻头(5)包括底座(500)、散热套(501)和金刚石刀头(502)，所述散热套(501)固定连接在底座(500)上，在散热套(501)上开设有散热孔(503)，所述金刚石刀头(502)为圆柱形或正多边形或圆柱形外壁设有多条竖向内凹区域的中空筒体结构，金刚石刀头(502)固定连接在散热套(501)内，其中空区域与散热套(501)的中空区域连通。
4.根据权利要求1或2所述的一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：所述夹紧机构(7)包括夹紧支架(700)、安装在夹紧支架(700)上的第一螺母套(701)和与第一螺母套(701)相匹配的第一螺杆(702)，所述第一螺杆(702)穿过第一螺母套(701)，其临近主驱动转盘(2)的一端与夹紧转盘(3)连接，另一端设有旋转手轮(703)。
5.根据权利要求1或2所述的一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：所述横向驱动机构(10)和纵向驱动机构(12)均为驱动电机，在横向驱动机构(10)的输出轴设有横向螺杆(21)，在横向调节架(11)的背面设有横向螺母套(22)，所述横向螺杆(21)与横向螺母套(22)螺纹连接；在纵向驱动机构(12)的输出轴设有纵向螺杆(23)，在纵向调节架(13)的背面设有纵向螺母套(24)，所述纵向螺杆(23)与纵向螺母套(24)螺纹连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：在工作平台(1)上设有调节轨道(25)，所述锁紧机构(7)通过锁紧螺栓安装在调节轨道(25)上，并在锁紧螺栓松开状态下可沿着调节轨道(25)移动；所述主驱动转盘(2)和夹紧转盘(3)与试件接触面均设有防滑凸起的橡胶垫。
7.根据权利要求1或2所述的一种膨胀岩试件加工装置，其特征在于：所述第二驱动电机(8)外设有电机防护罩(26)，第二驱动电机(8)的输出轴伸出电机防护罩(26)，并与主驱动转盘(2)连接；所述钢性锯片(28)为圆盘状锯片，转动安装在第一驱动电机(29)的输出轴，在钢性锯片(28)的上部设有刀盘防护罩(30)，刀盘防护罩固定在第二驱动电机(8)支架上。
8.一种膨胀岩试件加工方法，其特征在于：所述加工方法使用权利要求1至5中所述的膨胀岩试件加工装置进行加工，其具体加工过程如下：
(1)首先将不规则膨胀岩采用刚性锯片切割成长度满足膨胀岩试验的标准膨胀岩试件长度相匹配的圆柱体或方形柱体试样；
(2)将步骤(1)中粗切形成的圆柱体或方形柱体试样置于主驱动转盘与夹紧转盘之间的试件夹持空间中，并通过夹紧机构将试样夹紧；
(3)将吸尘装置的吸尘罩固定在工作平台侧面，其罩口正对圆柱体或方形柱体试样；
(4)调节横向驱动机构带动横向调节架回到支撑架上水平轨道的起始端，此时切削钻头正对圆柱体或方形柱体试样的起始端，然后调节纵向驱动机构带动纵向调节架沿着纵向轨道向下移动至切削头切削面距主驱动转盘圆心的距离与圆柱体或方形柱体试样最大半径r2相等，调节横向驱动机构的移动速度为0.5～5mm/s，根据加工成型后标准试样的半径r1设定纵向驱动机构下降距离总和L＝r2-r1，并设定单次下降距离为0.5～1.5mm；
(5)开启精加工装置对圆柱体或方形柱体试样进行加工，加工过程中：通过第二驱动电机带动主驱动转盘、夹紧转盘及两转盘夹持的圆柱体或方形柱体试样转动，切削旋转电机带动切削钻头转动对于试样表面进行打磨切削；并在切削钻头工作的过程中，横向驱动机构按照设定的移动速度带动切削旋转电机和切削钻头沿着横向调节架从圆柱体或方形柱体试样的起始端移动至末端，对圆柱体或方形柱体试样进行第一轮正向打磨切削；在切削钻头移动至圆柱体或方形柱体试样的末端时，横向驱动机构停止移动，纵向驱动机构带动切削钻头按照设计的单次下降距离下降，之后横向驱动机构带动切削钻头从圆柱体或方形柱体试样末端朝向起始端反方向继续移动，对圆柱体或方形柱体试样表面进行第一轮反向打磨切削；在切削钻头反方向移动至圆柱体或方形柱体试样的起始端时，横向驱动机构停止移动，纵向驱动机构带动切削钻头按照设计的单次下降距离继续下降，之后重复上述过程对圆柱体或方形柱体试样进行第二轮打磨切斜；
(6)重复步骤(5)至纵向驱动机构下降距离达到L，并对圆柱体或方形柱体试样的起始端打磨至终端时，完成整个试样的加工过程；并在加工个过程中同时开启吸尘器吸走削切过程中的灰尘。
9.根据权利要求7所示的一种膨胀岩试件加工方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在进行切削之前，根据加工成型后满足试验要求的标准膨胀岩试件的规格和点荷载强度，计算出第二驱动电机的最大转速n，并调整第二驱动电机的转速小于n；所述第二驱动电机的最大转速计算过程如下：
Figure FDA0003734004090000051
其中：
IS(50)—轴向试验、方块体试验、不规则块体试验的基准试件点荷载强度指数；
m-待精加工的圆柱体或方形柱体试样质量(kg)；
g-重力加速度(9.8m/s)；
r1—满足试验要求的标准膨胀岩试件的半径(mm)
r2-初切后圆柱体或方形柱体试样的半径(m)。
10.根据权利要求7所示的一种膨胀岩试件加工方法，其特征在于：在步骤(1)中采用刚性锯片切割不规则膨胀岩时，将吸尘装置移动至支撑台附近，并将吸尘罩固定在支撑台侧面，其罩口正对切割区，并开启吸尘装置在切割过程中进行吸尘。
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