六面顶超硬材料合成设备 (1)

第七章 六面顶超硬材料合成设备第一节 概述自从美国和瑞典分别于1953年和1954年在超高压高温条件下成功地用石墨合成人造金刚石以来，应用静态超高压高温技术工业化合成超硬材料也已经有了四十多年的历史。

应用这种原理合成超硬材料的设备按照其超高压模具（又称超高压合成容器）的结构形式不同有两面顶式、四面顶式和六面顶式三种，而每一种又有几种不同的形式，具体见表7-1。

目前，国外的超硬材料合成设备主要是两面顶年轮式压机。

这是由于年轮式压机具有腔体大、产量高、合成产品性价比高等优点，在压机缸体和顶锤能承受的压力范围内压机吨位和合成腔体可不受限制的扩大。

但其缺点是控制技术要求高、超高压模具制造困难、合成时辅助时间长、生产节拍慢。

截止1998年底我国生产金刚石的压机有4000台左右，包括两面顶和六面顶两种。

其中以铰链式六面顶压机最多，约占总数的98%左右。

这是由于铰链式六面顶压机具有超高压模具结构简单、价廉、生产操作简单、压机工艺参数容易控制、生产节拍快等优点，比较适合我国国情，因此得以广泛应用。

单压源和多压源四面顶压机和六面顶压机的区别在于压机工作时加压油缸的数量。

多于一个加压油缸的称为多压源压机，否则为单压源压机。

紧装式、滑块式、铰链式、立体式、皮囊式、切球式、拉杆式是指压机超高压模具的安装框架结构的不同形式。

单压源紧装式六面顶压机根据结构不同又可分为：45º倾斜紧装式、55º44’倾斜紧装式、紧装铰链式六面顶压机等。

本章介绍六面顶超硬材料合成设备。

六面顶压机的超高压合成模具由三维轴线互相垂直的六个顶锤组成的，工作时顶锤向正六面体合成块的六个面加压，通过合成块的材料流动形成的十二个密封边和顶锤的六个面形成超高压合成腔体，如图7-1所示。

国内普遍应用的是多压源铰链式六面顶压机。

也有部分单压源紧装式六面顶压机。

多压源铰链式压机对顶锤的驱动是通过六个油缸的活塞实现的，而单压源紧装式压机对顶锤的驱动则是通过具有斜面机构的滑座进行的，因此后者又称为单压源滑座式六面顶压机。

图7-2所式为单压源滑座式六面顶压机超高压模具结构图。

由上下两部分组成，上下两部分是对称的，各由基体1、顶锤2（三个）、垫块3、副滑动板导向柱6、主滑座7、顶锤座8、返表7-1超高压模具不同的压机种类 两面顶式 四面顶式 六面顶式 双面凹式 年轮式 活塞缸式 单压源紧装式 单压源滑块式 多压源铰链式 多压源拉杆式 单压源紧装式 单压源铰链式单压源滑块式 单压源立体式 单压源皮囊式 多压源铰链式多压源切球式 图7-1 六面顶超高压模具回柱塞9、底板10组成。

环形基体1固定在底板10上，上底板安装在上工作台上，下底板安装在工作缸的滑台上。

每个基体1上有三个互为120º并与基体底面倾斜的滑槽，分别在滑槽内装主滑座7，在滑座7上安装有顶锤座8、垫块3、顶锺2等。

顶锤轴心线在垂直于压机轴线的平面内，其投影相差60º。

当工作缸通过底板10向上加压时，压机的压力由下基体滑槽斜面施加于顶锤上，为了保证各顶锤的同步精度，六个滑座的尾部均有辅助斜面，与副滑座斜面相配合，推动主滑座从六个方面同步对叶腊石加压。

主滑座的滑动面及副滑座的滑动面上均垫有0.1mm厚的聚四氟乙烯薄膜，作为润滑材料。

当工作缸活塞返回时，上下两部分分开，六只主滑座由六个小柱塞9图7-2 单压源滑座式六面顶压机超高压模具项出，使超高压腔敞开，装卸叶腊石块。

此超高压装置的同步精度是由副滑动面安装的准确程度来保证的。

正因为有主滑动面和副滑动面的作用，所以六只顶锤是强制性同步运动，同步精度比较高。

压机的加热电源由导电环4经过导线而通至顶锤、基体和底板之间，顶锤和滑座之间均应绝缘。

第二节铰链式多压源六面顶压机铰链式多压源六顶顶液压机具有六个工作缸，能从六个方面向主机中心加压，形成一个正方体的超高压腔，腔内的压力均匀，有利于金刚石的成长。

它是专门用于合成人造金刚石和立方氮化硼等超硬材料的专用压机。

铰链式六面顶液压机的规格有6×6MN、6×10MN、6×12MN、6×13MN、6×15MN、6×18MN、6×20MN、6×25MN、6×50MN等。

这种压机的传动采用电气控制的液压传动，可进行调整、分段、自动或半自动循环。

其优点是结构简单、操作使用方便、生产效率较高，压力使用合理、超高压腔体相对较大（为边长相等的四面顶超高压腔体的8.3 倍），适用于工业性生产的需要。

本章以6×18MN规格的铰链式多压源压机为例，对其结构、原理、性能及使用维护进行介绍。

一、压机总体结构、工作油缸和增压器整台设备由主机、增压器、液压系统、电气控制系统和电加热装置等几部分组成。

压机的总体布局和主机结构如图7-3、7-4所示。

它由六个铰链、十二根销子、六个工作油缸和机座以及防护装置等组成。

六个工作缸分别装在六个铰链梁上，六个铰链梁用十二根销子铰接而成六面体的刚性机架，整个机架装在机座上。

机座通过地脚螺钉与混凝土地基刚性联接。

主机和增压器安装在以混凝土为基础的机坑里。

液压系统及电气控制系统的主要管路也安置在机坑内，它们的手动控制部分（液压站和电控柜）置于机坑上方，机坑表面必须铺盖木板封闭坑下以便行走。

当工作缸通入110MPa的超高压油时，每个油缸都产生18MN的工作压力，通过活塞传到硬质合金顶锤上。

因此从上、下、左、右、前、后六个方向向叶蜡石加压。

其中上、右、前三个工作缸的活塞具有空程行程，借此敞开工作腔，以便装卸工件。

下、左、后三个工作缸的活塞不作空行程而停止在工作位置上，因而下、左、后三个工作缸所对应的硬质合金顶锤的端面便是叶腊石块的定位基准。

该压机六只工作缸的结构如图7-5所示，超高压工作腔和高压回程腔是用双向保护环的密封圈3隔开。

高压回程腔是用V形密封圈4密封，其通过导向套6支承在法兰盘上。

导向套6保持活塞2的运动精度。

为了防止活塞在缸体中转动，法兰盘上镶有导向键8，导向键装在活塞键槽之中，能限制活塞转动。

活塞端部的螺母9用以调整活塞的回程位置。

对下、左、后三个工作缸，在螺母9的后面还装一个对开的限位环，保证下、左、后三图7-3 铰链式多压源六面顶压机总体结构个缸的活塞只能返回到工作位置。

作为叶腊石的定位基准，拆去对开的限位环后，此三缸的活塞也能退到底，空出较大的空间以便更换顶锤。

缸体装在铰链梁上，活塞2装有绝缘垫11、垫块13，垫块前端安装顶锤。

因而活塞最大18MN 的压力可以通过顶锤作用在叶腊石上。

活塞运动的距离可以通过杆、撞块、行程开关控制。

液压系统按其外观来分，可以分为外部管路、内部管路、动力装置和液压站部分。

它通过对油路的控制，使机器各零部件完成预定动作。

液压站由56个液压元件和电机组成，具体简液压原理图7-8。

增压器将油泵输出的高压油，变成110MPa 的超高压油。

工作缸对叶腊石的超压施力，就是通过增压器实现的，增压器的结构如图7-6、7-7所示。

缸体1和梁9用18根螺栓7紧固成一个整体。

在梁9上均匀分布六个超高压油缸8，柱塞5装在超高压油缸8内。

柱塞5的下端通过球面垫作用在活塞2的上端面，活塞2的中间装有导向杆6，导向杆在导向套图7-4 铰链式多压源六面顶压机主机结构 图7-5 铰链式多压源六面顶压机油缸结构中运动，因而可以保护活塞2的运动精度。

导向杆6上部的杆10、11是控制行程开关，用以控制增压器活塞的行程距离。

当高压油从A 孔进入增压器，则活塞2在高压油的作用下向上运动；通过球面垫推动柱塞5上升，超高压缸的上腔便产生超高压油，从B 孔通到相应的六个工作缸，对叶腊石合成块超压施力。

假设活塞的直径为D ，小柱塞的直径为d ，数量为n 。

从A 口进入的高压油压力为P i ，从B 口流出的超高压油压力为P o ，则增压器的增压比i 为：io P P i = (8-2-1) 由于增压过程活塞速度很慢且变化很小，可以认为是近似匀速运动，活塞运动处于平衡状态，其受力平衡方程为：224141d P n D p O i ππ⨯⨯=⨯ 所以 22nd D i = (8-2-2) 该增压器的大活塞直径为460mm ，小柱塞直径为60mm ，数量为6。

因此其增压比为：8.96064602222=⨯==nd D i 若高压油P i =16MPa,则进入到油缸的超高压油为：P o =9.8×16=156.8Mpa考虑到油路压力的损失和泄漏，实际进入到工作的压力约为150MPa 。

有的增压器采用单柱塞缸增压，如图7-7所示。

这增压器的增压比为：22dD i = (8-2-3) 电器控制系统由外部线路和电控柜组成。

通过电器控制，可以实现整台机器的工作循环。

目前的控制方式由三种。

第一种是常规继电器控制，图7-6 多柱塞缸增压器结构 图7-7 单柱塞缸增压器结构第二种是采用单板机、单片机或工业PC机的微机控制系统，第三种PLC电器控制系统。

本章在后面对PLC电器控制系统给以说明。

加热系统由变压器、电流互感器、铜编织带、加热板等元件组成，通过低压大电流对合成块直接加热，为合成金刚石提供必不可少的高温。

二、液压元件及其作用各液压元件的编号表示在图7-8液压原理图上。

动力装置包括主动力装置和小泵补压装置，它们分别为“大泵补压”和“动态补压”提供液压油。

油泵43是主动力装置，由电机、弹性联轴节、压力补偿变量柱塞泵等元件组成。

轴向变量柱塞油泵是液压系统的主动力机构，型号为63YCY14-1B。

电动机型号为Y180L —4，22KW。

小泵动力装置也由电动机、联轴节、定量轴向柱塞泵、节流阀及底板等成，其作用是为增压器持续不断地提供压力油，使整个系统处于压力恒定状态，即“不掉压”状态。

其电动机型号为Y90L—4，1.5千瓦，油泵型号为2.5MCY14—1B型。

电接触压力表由压力表和行程开关组成。

只要调整触点的位置，就能保证当压力达到一定的数值时，行程开关便能发讯号，使液压系统得到相应的动作，其作用相当于压力控制开关的作用。

电接触压力表5装在工作缸的工作腔高压油路中，六只工作缸充液（即六只顶锤对叶腊石预加压）过程中，预加压的压力达到表5所调整的压力时，压力表发讯号，使六只工作缸充液停止，电磁铁2CT、13CT、15CT通电，通过互通阀7，使六个工作缸的工作腔互通，压机转为互通超压，使六个工作腔互相接通，压力一致，从而使得叶腊石块六个面的压力趋于均匀一致。

发讯号的压力不得超过溢流阀41的压力，否则，系统无法产生动作。

电接触超高压压力表6装在工作缸的超高压油路中。

当压机在超压过程中的压力达到压力表所调定的数值时，则电接触超高压压力表发讯号接通加热电源，使叶腊石的超高压腔产生高温。