專利名稱：研磨材料樣品的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及研磨材料樣品的設備，例如對組裝在顯微鏡載片上的巖石樣品進行顯微結構研磨的設備。
在從地下構造(巖石)中抽取石油和氣體以前，取得該構造的特性的知識是十分重要的。取得構造特性知識主要是依靠在顯微鏡下仔細觀察該巖石的顯微結構，弄清巖石的孔隙度和構造情況。研磨前首先要切割好一塊巖石并加以浸漬。然后把浸漬過的石塊進行表面研磨，然后組裝到顯微鏡載片上進行最后研磨。
最常見的研磨方法是以所謂的“打補丁”(patching)為基礎的，就是把水性懸浮液中的金剛砂磨粒加到旋轉的鑄鐵園盤上，再把材料樣品(顯微鏡載片上裝的樣品)組裝到一個或幾個能旋轉的夾具上，并使之壓到旋轉的鑄鐵園盤上。利用這種類型的設備和方法時，金剛砂磨粒本身作為磨劑發揮作用，逐漸把(樣品的)厚度磨成約30μm。
但是，這一方法和設備礙于若干缺點。首先，在“打補丁”過程中，磨粒會壓入材料樣品上的環氧塑膠物內，在研磨好的材料樣品的微孔中呈現為黑色顆粒。這在最不利情況下會使該樣品不適于作進一步的分析。其次，旋轉的鑄鐵園盤在研磨操作過程中有可能表面傾斜，須經常調整。這會使工作量增大很多。園盤傾斜還可使材料樣品顯著地不平整，因而也不能用作進一步的試驗。
已有設備再一個缺點是它需要一名操作員的監督，因而使用的費用較高。
本發明提供一種研磨材料樣品的設備，它可消除上述缺點，亦即—它在本質上使用方便，—它在研磨操作中能在本質上提供更大的精密度，—它能避免磨粒滲入材料樣品中，—它需要的操作人員的參預最少，—它可研磨出本質上更精細而平整表面的材料樣品成品，—它在與材料樣品的下一步表面拋光作業的銜接上可以節省時間，—它的研磨生產能力比較大。
本發明的設備的特征在于，它包括一個旋轉臺，在旋轉臺上可穩妥地放置材料樣品，從而用安裝在旋轉臺上方的至少一個可上下移動的研磨軸以至少一個步驟進行研磨，見權利要求1所定義的。
獨立權利要求2-10定義了本發明的優選特征。下面將用實旋例并參考下列附圖來進一步描述本發明
圖1示出本發明的研磨設備的a)正視圖，b)側視圖和c)上視圖。
圖2示出本設備中的研磨軸支承結構的大比例尺圖。
圖3示出本發明的旋轉臺的上視圖和放大圖。
圖4示出兩塊材料樣品的實例，a)是用本發明的研磨設備研磨的，b)是用已有設備“打補丁”研磨的。
如圖1所示，本發明的設備包括四個主要部件，即骨架和支架結構1、研磨軸裝置2、旋轉臺3和控制單元4。
骨架和支架結構1設計成能在用該設備進行研磨操作時吸收巨大的能量，因此是用強力的鋼梁和加勁桿5，6，7制作的，以保證足夠的穩定性，并防止研磨的樣品出現不平整。關于骨架和支架結構的進一步詳情取決于制造技術人員的能力，在此不加贅述。
如圖1所示，研磨軸裝置2包括兩個研磨軸，安裝在旋轉臺3的上方，一個是粗磨軸，一個是精磨軸，每個都由一臺電動機8驅動。每套研磨軸和電動機單元2，8，都用托板或托架9支承，托架9可沿著支架結構上的導軌10在垂直方向移動。
托架9，并與研磨軸2一起，可借助高精度的螺母/絲桿裝置11上下移動，由伺服電機12來操作。如前所述，本發明的設備系設計成能精細地把材料樣品研磨到厚20-30μm，精度為±1μm。為避免熱膨脹帶來的研磨偏移，研磨軸系用托架9上的特種支承器13支承著，在圖2中用放大的比例尺示出了它的結構。圖中詳細示出了聚四氟乙烯填料14，向心止推滾珠軸承(angular contactball bearing)15和16，盤形彈簧17，徑向止推滾珠軸承(radial contact ball bearing)18，防松螺母19，研磨軸的傳動軸20，以及定心環。
在支承器中使用了上述不同尺寸和滾珠數的軸承，為的是防止軸承座圈在研磨的材料樣品表面上產生出不需要的型樣。盤形彈簧分別給軸承18和下部的支托軸承15、16旋加恒定壓力，這樣就使研磨軸無論怎樣過熱也不會對研磨面產生誤差。換言之，即研磨軸的傳動軸可以自由地向上膨脹。聚四氟乙烯軸封的摩擦力很小，在軸箱中產生的發熱量很少。至于研磨軸本身，它們是由金剛石顆粒構成的，金剛石顆粒固結在做成園盤狀的金屬材料上，最好是形成杯子形，以便在研磨時獲得很好的冷卻。使用金剛石園盤是本發明的一個基本優點，因為村料樣品可以保持徹底干凈，研磨的材料在結構中不會留下不需要的顆粒。
圖4示出兩例材料樣品，其中a)是用本發明的設備研磨的，b)是用已有設備“打補丁”研磨的。從圖4b)中看出，在材料結構中有不需要的顆粒30。圖4a)中示出的材料樣品上沒有這樣的顆粒。
旋轉臺3(見圖2)為本發明中第三個重要部件，它包括一只園形臺盤，它可用電動機23通過皮帶22或類似器械來驅動。臺盤3連同傳動機構22、23安裝在托架類部件24上，托架則可在骨架結構5上的導軌25上移動。可適當地使用螺母/絲桿裝置用伺服電機來驅動托架，類似于使研磨軸2升降的方式。
由于把旋轉臺安排成象上述那樣能夠移動，這就造成了一種擺動和轉動的復合研磨動作，使材料樣品獲得平滑而準確(復蓋全面)的研磨。
將要被研磨的材料樣品是靠真空可松開地保持在旋轉臺3上的固定位置的。圖3用大比例尺示出了本發明的旋轉臺3的頂視圖。旋轉臺是黃銅做的，沒有材料應力，上有若干小孔28與凹槽31相通，凹槽31安排成這樣一種型樣，凹槽相互間保持一定的距離，并與真空源(未畫出)相連接。臺上總共有四十個小孔和凹槽，可容納相同數量的這樣的樣品。
在研磨過程中，通過裝在旋轉臺上方的一個或多個噴嘴，向臺上輸送水以冷卻材料樣品。這些在圖上都沒有畫出。
本發明的第四個重要部分是可編程邏輯控制器(PLC)，它構成了實現控制的控制系統4。PLC單元可以通過稱為“觸摸屏幕顯示”的裝置來適當地操作，其間用不同的菜單和按鍵用來控制研磨設備。整個控制系統是與研磨設備上裝有的控制盤相連結、或者最好是裝在單獨的控制盤上，使操作員易于接觸到。
所用的這種PLC單元是市場上能買到的，它本身不是什么專利性的東西，因此PLC單元的技術方案將不再進一步描述。但是，關于怎樣利用PLC單元來操作研磨機方面，下面將作一簡單說明。
當總開關合上后，所有的“軸”-旋轉臺和各研磨軸-就轉回零點(稱為“origo”)。同時，在操作屏幕上就顯示出“origo search.”字樣。當設備作好使用準備時，顯示屏上就會顯示出主菜單。舉例說，可以在自動研磨巖石樣品、自動研磨玻璃板或者手動研磨之間進行選擇。
如在主菜單中選擇手動研磨，一個子菜單就會出現，供選擇開動旋轉臺，選擇使用哪一臺研磨電動機。如果選擇的是精磨或粗磨，另一個子菜單將出現，指明執行手動研磨工序。在這里還可以輸入并保持(記憶)參考點，后者可在用機器全自動研磨時使用，亦即憑借對樣品的研磨進程和對參考點的記憶，機器能自動執行研磨工序的循環往復。
選擇旋轉臺擺動的最終位置是在另外的菜單上完成的。在這個菜單上還可進行自動研磨速度的編程。
在選擇自動研磨以前，首先要把材料樣品放到旋轉臺上，并打開真空和冷卻水。然后從主菜單中選定玻璃樣品自動研磨或巖石樣品自動研磨。選定后有關子菜單就出現，這才可能開動和停止程序中設定的研磨工序。此時整個研磨工序都可得到執行，包括粗磨和精磨以及旋轉臺的同時擺動，直到研磨作業完畢。然后旋轉臺會回到起點，材料樣品即可進行下一步的處理和分析。
關于研磨作業，應注意最好是象上述那樣用兩只研磨盤，因為這樣可以縮短研磨時間。在此情況下，是先用粗磨園盤把材料樣品粗磨到適當的厚度，例如100μm，然后再用精磨園盤磨到要求的厚度，例如30μm。但是，象在權利要求書中所定義的那樣，本發明并不限定用兩個研磨盤，而是可以只用一個，或者三個以上的研磨盤。
權利要求
1.對材料樣品進行研磨，例如對組裝在顯微鏡載片上的巖石樣品進行顯微結構研磨的設備，其特征在于它包括支架和骨架結構(1)，上有旋轉臺(3)，旋轉臺設計得可松開地保持一定數量的材料樣品；包括至少一個能在垂直方向移動的研磨軸(2)，它處于旋轉臺的上方；還包括一個可編程控制單元(4)，以便控制研磨過程。
2.按權利要求1的設備，其特征在于它包括兩個研磨軸(2)，一個是對材料樣品進行粗磨使用，另一個是進行精磨使用。
3.按權利要求1或2的設備，其特征在于研磨軸上裝配有研磨園盤(21)，它是用金屬固結金剛石顆粒做成的。
4.按權利要求3的設備，其特征在于研磨園盤(21)做成杯子形。
5.按權利要求1-4的設備，其特征在于研磨軸系安裝在托架或托板(9)上，托架則可沿導軌(10)在垂直方向移動，用伺服電機通過螺母/絲桿裝置來操作。
6.按權利要求1的設備，其特征在于旋轉臺(3)設計成能夠相對于旋轉臺和研磨軸進行橫向擺動。
7.按權利要求6的設備，其特征在于旋轉臺系安裝在托架或托板(24)上，托架則裝在導軌(25)上并可沿導軌移動，用伺服電機(27)通過螺母/絲桿裝置(26)來操作。
8.按權利要求6-7的設備，其特征在于旋轉臺設計成能用真空來保持住材料樣品，其特征還在于它開有一定數量的小孔(28)，小孔與真空源相連結，并沿旋轉臺四周安排成一定圖案。
9.按權利要求1-8的設備，其特征在于旋轉臺(3)和研磨軸(2)的傳動軸(20)都分別由彈簧裝置(17)事先調定與支托軸承(15，16)的相對關系，即使得傳動軸在受熱情況下可自由膨脹而不使旋轉臺或研磨軸移位。
10.按權利要求9的設備，其特征在于傳動軸是支撐在兩只相對安裝的支托軸承上，其特征還在于兩只軸承(16，17)是直徑和滾珠數不同的向心止推式滾珠軸承(angular contact ball bearingtype)。
全文摘要
這是一種對材料樣品進行研磨，例如對組裝在顯微鏡載片上的巖石樣品進行研磨的設備，它包括支架和骨架結構(1)，上有旋轉臺(3)，旋轉臺制造成保持一定數量的材料樣品。在旋轉臺的上方至少裝有一個能垂直移動的研磨軸(2)。用一個可編程控制單元(4)，來控制研磨過程。
文檔編號G01N1/32GK1129981SQ95190560
公開日1996年8月28日 申請日期1995年6月14日 優先權日1994年6月15日
發明者B·托里森, G·托吉爾森 申請人:挪威海德羅公司