本发明涉及金属及金属基材料加工装置技术领域，尤其涉及一种高强度脆性材料加工装置。
背景技术：
高强度脆性材料广泛应用于机械、冶金、电子、航空航天等领域，如碳化钨、碳化钽、立方氮化硼、氮化碳、金刚石等。例如超硬材料适于用来制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性。由于这些材料的硬度极大，塑形非常低，超硬度材料的加工就变得极为困难，即使是对于薄壁件仍然经常导致工件断裂破碎。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够对高强度脆性材料进行加工且不会造成其断裂破碎的装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高强度脆性材料加工装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体的下部设置有加热器，所述炉体内加热器的下侧和外周分别设置有下部保温层和侧壁保温层，所述加热器的上侧固定有落料挡板，所述侧壁保温层上侧的炉体内设置有工件机械臂，所述工件机械臂用于夹持待加工工件并移动待加工工件，所述待加工工件使用高强度脆性材料制作，所述工件机械臂之间的炉体内设置有助熔坩埚机构，所述助熔坩埚机构包括助熔坩埚，所述助熔坩埚的上下两端开口设置，所述助熔坩埚包括上坩埚筒段和下坩埚筒段，所述助熔坩埚通过坩埚机械臂与所述炉体外的运行控制系统连接，所述坩埚机械臂用于驱动所述助熔坩埚运动，所述上坩埚筒段的外侧设置有磁感性线圈，所述磁感性线圈用于对助熔坩埚内的助熔金属丝进行加热，所述下坩埚筒段的外侧设置有电磁感应器，所述电磁感应器用于对熔化后的助熔金属丝进行电磁搅拌，待加工工件位于所述下坩埚筒段的下端开口与所述落料挡板之间，所述下坩埚筒段的下端设置有助熔坩埚密封圈，在对待加工工件进行加工时所述助熔坩埚密封圈与待加工工件直接接触；所述炉体外设置有送丝机构，所述送丝机构的送丝筒的一端延伸到所述炉体内，所述助熔金属丝经过所述送丝筒进入到所述助熔坩埚内；熔池测距尺的一端位于炉体外，另一端延伸至所述助熔坩埚内，用于测量所述坩埚内熔池的深度。
进一步的技术方案在于：所述落料板上侧的侧壁保温层上设置有一个以上的工件温度测量热电偶。
进一步的技术方案在于：所述下坩埚筒段上设置有一个以上的助熔金属温度测量热电偶。
进一步的技术方案在于：所述送丝机构包括夹持法兰、球形转轴、送丝筒、送丝轮箱、送丝轮、密封圈以及密封圈夹持件，所述夹持法兰固定在炉体的侧壁上，所述球形转轴与所述夹持法兰可转动的连接，且所述球形转轴内嵌在所述炉体上并与所述炉体可实现转动密封，所述送丝筒的一端与所述送丝轮箱的出丝口固定连接，所述送丝筒的另一端穿过所述球形转轴后进入到所述炉体内，所述送丝轮箱内设置有两个送丝轮，所述送丝轮在电机的带动下实现正转或反转，所述助熔金属丝的一端进入所述送丝轮箱并依次经过两个送丝轮之间的间隙、出丝口以及送丝筒后进入到所述助熔坩埚内，所述送丝口与所述助熔金属丝之间的空间通过所述密封圈进行密封，所述送丝口内侧和外侧的送丝轮箱上设置有密封圈夹持件，用于对所述密封圈的位置进行定位。
进一步的技术方案在于：所述加工装置还包括送丝转向机构，所述转向机构包括三个转向轮，所述第二转向轮的轴心高于第一转向轮的轴心，所述第三转向轮的轴心高于第二转向轮的轴心，所述第三转向轮与第一转向轮之间的空间为所述助熔金属丝的进入空间，所述送丝筒的出口朝向所述第三转向轮与第一转向轮之间的空间，所述第二转向轮与所述送丝筒的出口相对设置。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置利用助熔金属与高强度脆性材料制作的待加工工件反应来实现对这些材料的加工，加工过程中，材料不受外部作用力的影响，对高强度脆性材料的冲击小，对薄壁高强度脆性材料可以实现精密加工，且不会造成其断裂破碎。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述装置中所述送丝机构的结构示意图；
图3是本发明实施例所述装置中助熔坩埚机构的结构示意图；
图4是本发明实施例所述装置中送丝转向机构的结构示意图；
其中：1、炉体2、加热器3、下部保温层4、侧壁保温层5、落料挡板6、工件机械臂7、待加工工件8、助熔坩埚机构81、助熔坩埚811、上坩埚筒段812、下坩埚筒段82、磁感性线圈83、电磁感应器84、助熔坩埚密封圈9、坩埚机械臂10、助熔金属丝11、送丝机构111、送丝筒112、夹持法兰113、球形转轴114、送丝轮箱115、送丝轮116、密封圈117、密封圈夹持件12、熔池测距尺13、熔池14、工件温度测量热电偶15、助熔金属温度测量热电偶16、送丝转向机构161、第一转向轮162、第二转向轮163、第三转向轮17、密封粉末。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图4所示，本发明实施例公开了一种高强度脆性材料加工装置，包括炉体1，所述炉体1的下部设置有加热器2，所述加热器用于对待加工工件进行加热。所述炉体内加热器2的下侧和外周分别设置有下部保温层3和侧壁保温层4，所述加热器2的上侧固定有落料挡板5，所述侧壁保温层4上侧的炉体1内设置有工件机械臂6，所述工件机械臂6用于夹持待加工工件7并移动待加工工件7，所述待加工工件7使用高强度脆性材料制作，优选的，所述工件机械臂6使用两个。所述工件机械臂6之间的炉体内设置有助熔坩埚机构8，如图3所示，所述助熔坩埚机构8包括助熔坩埚81，所述助熔坩埚81的上下两端开口设置。所述助熔坩埚81包括上坩埚筒段811和下坩埚筒段812，所述助熔坩埚81通过坩埚机械臂9与所述炉体1外的驱动系统连接，所述坩埚机械臂9用于驱动所述助熔坩埚82运动。
所述上坩埚筒段811的外侧设置有磁感性线圈82，所述磁感性线圈82用于对助熔坩埚81内的助熔金属丝10进行加热，使其熔化；所述下坩埚筒段812的外侧设置有电磁感应器83，所述电磁感应器83用于对熔化后的助熔金属进行电磁搅拌；待加工工件7位于所述下坩埚筒段812的下端开口与所述落料挡板5之间，所述下坩埚筒段812的下端设置有助熔坩埚密封圈84，在对待加工工件7进行加工时所述助熔坩埚密封圈84与待加工工件7直接接触；所述炉体1外设置有送丝机构11，所述送丝机构11的送丝筒111的一端延伸到所述炉体1内；所述助熔金属丝10经过所述送丝筒111进入到所述助熔坩埚81内；熔池测距尺12的一端位于炉体1外，另一端延伸至所述助熔坩埚81内，用于测量所述坩埚内熔池13的深度。
进一步的，如图1所示，所述落料挡板5上侧的侧壁保温层4上设置有一个以上的工件温度测量热电偶14，通过所述工件温度测量热电偶14可以方便的获得工件的温度信息。所述下坩埚筒段811上设置有一个以上的助熔金属温度测量热电偶15，通过所述助熔金属温度测量热电偶15可以方便的获得熔化后的助熔金属的温度。
如图2所示，所述送丝机构11包括夹持法兰112、球形转轴113、送丝筒111、送丝轮箱114、送丝轮115、密封圈116以及密封圈夹持件117。所述夹持法兰112固定在炉体1的侧壁上，所述球形转轴113与所述夹持法兰112可实现转动连接，且所述球形转轴113内嵌在所述炉体1上并与所述炉体1可实现转动密封。所述送丝筒111的一端与所述送丝轮箱114的出丝口固定连接，所述送丝筒111的另一端穿过所述球形转轴112后进入到所述炉体1内。所述送丝轮箱114内设置有两个送丝轮115，所述送丝轮115在电机的带动下实现正转或反转。所述助熔金属丝10的一端进入所述送丝轮箱114并依次经过两个送丝轮115之间的间隙、出丝口以及送丝筒111后进入到所述助熔坩埚81内。所述送丝口与所述助熔金属丝10之间的空间通过所述密封圈116进行密封，所述送丝口内侧和外侧的送丝轮箱114上设置有密封圈夹持件117，用于对所述密封圈116的位置进行定位。
如图4所示，所述加工装置还包括送丝转向机构16，所述转向机构16包括三个转向轮。所述第二转向轮162的轴心高于第一转向轮161的轴心，所述第三转向轮163的轴心高于第二转向轮162的轴心，所述第三转向轮163与第一转向轮161之间的空间为所述助熔金属丝10的进入空间，所述送丝筒111的出口朝向所述第三转向轮163与第一转向轮161之间的空间，所述第二转向轮162与所述送丝筒111的出口相对设置。
相应的，本发明还公开了一种高强度脆性材料加工方法，包括如下步骤：
首先根据待加工工件7使用的高强度脆性材料的特性选择助熔金属丝，助熔金属丝10中含有助熔金属元素，所述高强度脆性材料所含一种或者多种元素在助熔元素中含有较大的溶解度，使得熔化后助熔金属能够与高强度脆性材料发生反应；将助熔金属丝10装载在送丝机构11上；通过球形转轴113来调节助熔金属丝10送入的角度，将助熔金属丝10送入送丝转向机构16；
常用的助熔金属丝：对于碳化硅薄片，使用含有镍、铁和/或铬元素的助熔金属丝；对于碳化钨、钽化钨等碳化物薄片，使用含有镍、铁和/或铜元素的助熔金属丝；对于蓝宝石使用含有PbO-B2O3、PbF2-PbO和/或铝元素的助熔金属丝。
将待加工工件7装载到工件机械臂6上，并在待加工工件7的上表面铺上助熔加工熔池9密封粉末17，并使得待加工工件7计划加工的部分裸露；将助熔坩埚81装载在坩埚机械臂9上，并调整助熔坩埚的位置，使助熔坩埚的下端开口与工件待加工区域接触，助熔坩埚81下端的开口与待加工区域直接接触；助熔坩埚下端口的直径D取决于待加工尺寸。
将炉体1抽真空，然后充入惰性气体，优选的，将炉体1抽真空至1×10-3Pa,然后充入惰性气体使炉体内的压强为5×10-4Pa。；使炉体底部的加热器2工作，将待加工工件加热至设计温度，同时通过助熔坩埚81外侧的磁感线圈82给助熔坩埚81加热，使助熔金属丝熔化，开启助熔坩埚81外侧的电磁感应搅拌器83加速原子扩散速率；所述设计温度不高于待加工工件的软化点，至少高于助熔金属的熔点50℃。
进一步的，通过加热器2外周上的工件温度测量热电偶14得出待加工工件7内的温度及温度分布，通过助熔金属温度测量热电偶15判断助熔坩埚81的温度。
启动送丝机构11，通过送丝轮11将助熔金属丝10不断送入到助熔坩埚81中并在助熔坩埚81中熔化为熔体，液态金属熔体的原子与固体的待加工工件7反应，固体待加工工件7的原子通过扩散进入到液态金属熔体中；由于工件原子的进入，使得反应的速率减慢，因此新的助熔金属丝10不断送入，并熔化到助熔坩埚81中，将维持反应速度。
根据熔池测距尺12测量熔池到达设计深度后，助熔坩埚81和送丝机构11移动去加工下一个加工点。
对于需要在待加工工件7上加工通孔的材料，工件熔透后，助熔金属熔体落到落料挡板5上，对于不许熔透的工件，达到加工设计尺寸后，通过给助熔坩埚81降温、给加热器2降低功率以及送丝机构11反向运动将助熔金属液体提拉出熔池，当助熔坩埚81内的金属液体大部分被提拉出坩埚后，冷却，将助熔金属丝全部移出炉体1，将助熔坩埚81移动远离工件上方；最后通过工件机械臂6将工件反转烘烤，使得剩余残余助熔金属滴落。
残余助熔金属从工件滴落完毕后，给整个系统缓慢降温至室温，防止工件快速冷却而出现应力或者断裂，最后打开炉体1，取出工件，对于局部残存的助熔金属可以通过酸洗的方式去除，完成工件的加工。
所述装置和方法利用助熔金属与高强度脆性材料制作的待加工工件反应来实现对这些材料的加工，加工过程中，材料不受外部作用力的影响，对高强度脆性材料的冲击小，对薄壁高强度脆性材料可以实现精密加工，且不会造成其断裂破碎。