六面顶超硬材料合成设备6x18

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

表7-1超高压模具不同的压机种类 单压源压机。紧装式、滑块式、铰链式、立两面顶式 四面顶式 六面顶式 体式、皮囊式、切球式、拉杆式是指压机超

双面凹式 单压源紧装式 单压源紧装式 高压模具的安装框架结构的不同形式。单压年轮式 单压源滑块式 单压源铰链式 活塞缸式 多压源铰链式 单压源滑块式 源紧装式六面顶压机根据结构不同又可分

oo多压源拉杆式 单压源立体式 为：45倾斜紧装式、5544’倾斜紧装式、紧

单压源皮囊式 装铰链式六面顶压机等。 多压源铰链式 多压源切球式 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

图7-1 六面顶超高压模具

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

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

o

板安装在工作缸的滑台上。每个基体1上有三个互为120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

o

内，其投影相差60。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

图7-3 铰链式多压源六面顶压机总体结构

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

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

图7-4 铰链式多压源六面顶压机主机结构

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装在超图7-5 铰链式多压源六面顶压机油缸结构 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

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Pi，从B口流出的超高压油压力为Po ，则增压器的增压比i为：

i?Po (8-2-1) Pi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：

11pi??D2?n?PO??d2

44D2所以 i? (8-2-2)

nd2图7-6 多柱塞缸增压器结构

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：

D24602i???9.8 22nd6?60若高压油Pi=16MPa,则进入到油缸的超高压

油为：

Po=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：

D2 i?2 (8-2-3)

d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7-7 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。

电接触超高压压力表4也装在工作缸的工作腔超高压油路中。当压机在超压过程中的压力达到表4所调定的压力时，此表发讯号，说明超压的压力达到工艺要求的压力，于是就停止超压而转为保压状态。同时，表4发讯号启动时间继电器计时，以控制保压的时间。当油液压力因泄漏低于保压压力时，此表还发信号，使系统进入补压状态。

超高压压力表1、2、3分别装在上、前、右三工作缸的工作腔超高压油路中，反映此三缸超压时的压力大小，可以反映超压时压力是否均匀。

如果系统用压力传感器15控制压力，则可有压力测控仪发信号，产生相应动作。 整台压机一共使用9个24D-B10H-T两位四通电磁换向阀和一个球式两位两通电磁阀，其作用分别如下：

阀40使油泵43卸荷，节省电能；阀19～24使压机六个工作缸单独动作。例如当高压油到节流阀25～30时，各阀所对应的电磁铁6CT～11CT，哪个电磁铁通电，对应的工作油缸便得到前进的动作。因此，这台压机调整比较方便；阀16控制互通阀7动作，当电磁铁13CT通电时，则六个工作缸的工作腔通过阀26互通，保证六个工作缸压力一致均匀超压，有利于金刚石的生长；阀17使六个工作油缸的活塞快速回程，即当增压器回

图7－8 液压系统原理图

程到底，即完成卸压之后，碰行程开关发讯，使12CT通电，控制油将六个超高压可控单向阀打开，六个工作缸的工作腔的油便可经阀8～13，阀19～24、阀31回油池，六个工作缸的活塞快速回程；阀36是球式电磁阀，其作用是使增压器卸压，即保压时间到时，由时间继电器发讯号，使1CT、14CT通电，压力油将液控单向阀34打开，增压器下腔保压的高压油便可经阀35、阀34、阀37回油池，这时增压器卸压；

该压机使用了四个直通单向阀31、44、50、53、。阀44、53的作用是防止系统的压

力油向油泵倒灌，以免损坏油泵。阀50为超高压单向阀，其作用是是在充液时对增压器超高压腔及管路补油。阀31的型号为DZF-L10H，起背压阀的作用，增加阻力，克服惯性，

使工作缸的活塞运动更平稳些。

该压机使用了两个DFY-B20H2液控单向阀34、48。当增压器卸压后，控制油把阀48打开，增压器下腔的油直接经该阀回油池，使活塞快速返回。阀 34使增压器保压和卸压，卸压的速度由阀35的节流阀控制，如果没有阀34，增压器将由于阀37的间隙而不能保压。

卸压阀49是装在增压器下腔的油路中，其作用是用于人工卸压，当突然停电时，可以实现压机卸压。

单向节流阀35的型号为LDF-B20C，装在增压器下腔的油路中。当增压器卸压时，由节流阀控制卸压的速度，以防止卸压速度过快引起液压系统的振动。

超高压二位六通阀7装在六个工作缸的工作超高压油路中，其结构如图7-9所示，在阀体的周围有六孔分别与六个工作缸的工作腔相通。当控制油

图7－9 超高压二位六通阀

从B孔进入该阀时，阀芯被控制油推动上行，因而

六孔互通，使六个工作缸接通超压；当控制油从A孔通过时，阀芯下行，六个工作缸的工作腔便不能互通。六个工作缸连通的目的，是使六个工作腔的压力一致，从而保证叶腊石块六个面所受的压力是一致的，有利于金刚石的生长，并能保护硬质合金顶锤不致“放炮”（即顶锤损坏）

超高压可控制单向阀8～13的结构如图7-10所示，共有六个。D口通相应的工作缸的工作腔，A口通两位两通电磁阀19～24，B口和C口接控制油。当空程前进或充液时，控制油从B孔进入将活塞推到下端，高压油从A孔进入，推开单向阀，经D口进入工作缸的工作腔，推动工作缸活塞空程前进或充液。当压机处于超压时，工作腔的超高压油将单向阀封死，此阀可以将高压油路和超高压油路隔开，保证保压性能。当增压器卸压完成后，控制油从C

图7－10 超高压可控制单向阀 口进入，将活塞推动上行，使单向阀打开，工

作腔的油便经单向阀的间隙，A口及两位器通电磁阀回油池，实现工作缸活塞快速返回的动作。此阀还带一个放气塞，可排出工作腔的气体。

节流阀25～30装在六个工作缸工作腔的高压油路中。当压机在充液行程时，高压油

经此节流阀进入工作腔，推动六个工作缸充液前进，因此，阀25～30的作用是控制充液行程时，活塞的同步精度（同步速度）。

平衡阀51是为了在工作缸回程腔产生一定油压，有利于六缸前进时平衡，并防止上缸活塞因重量过大而下滑。

三、液压系统工作原理

该压机的液压系统与电气控制系统配合能完成自动、调整二种工作循环。其液压系统如图7-8所示，动作程序如表7-2所示。其工作原理分别如下:

表7-2 铰链式多压源六面顶压液压系统动作程序表

循环 工作程序 电机启动 空程前进 暂 停 充 液 超 压Ⅰ 保 压Ⅰ 超 压Ⅱ 保 压Ⅱ 补 压 增压器卸压 增压器回程 快速回程 活塞运动停止 右缸前进 前缸前进 上缸前进 左缸前进 后缸前进 下缸前进 快速回程 增压器上升 增压器下降 发信 元件 9/10LA 11/12LA (1-3)XK1 SJ 1XK,2YX 3YX 1SJ 4YX 3YX,1LA 3SJ,16LA 1YX 5XK (1-3)XK2 2LA 3LA 4LA 5LA 6LA 7LA 8LA 17LA 18LA 1 + + + + + + + + + + + + + 2 + + + + 3 + + + 4 5 6 + + + + + + + + + + + + + + 电磁铁（CT） 7 8 9 10 11 12 13 14 15 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 电机 D1 D2 + + + + + 加热 自 动 调 整 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1、自动循环工作原理

按按钮9/10LA，油泵电机启动，由于电磁铁15CT断电，因此油泵打来的油经阀14回油池。油泵经溢流阀14卸荷。

当按11/12LA工作按钮时，电磁铁1、4、6、7、8、15CT通电，压力油经柱塞泵43、单向阀44、三位四通O型电磁阀37、三位四通Y型电磁阀33、节流阀32、27、26、25、二位四通电磁阀22、23、24和液控阀11、12、13，分别进入上缸、前缸、右缸的工作腔，使压机右、前、上三缸的活塞开始空程前进。此三缸回程腔的油经平衡阀51、电磁阀33回油池。

当右、前、上工作缸三个活塞空程前进分别碰到1XK、2XK、3XK行程开关时，便使

电磁铁6CT、7CT、8CT断电，从而切断高压油与三缸工作腔的通道，使三活塞停止运动，并接通时间继电器，延时2～3秒钟。待活塞停止下来后，时间继电器发讯号使电磁铁1CT、4CT、6CT、7CT、8CT、9CT、10CT、11CT、15CT通电，油泵输出的高压油柱塞泵43、单向阀44、三位四通O型电磁阀37、三位四通Y型电磁阀33、节流阀32、25～30、二位四通电磁阀24～19、超高压可控单向阀8～13进入六个工作缸的工作腔，使六个工作缸的活塞同时向叶腊石前进。六个工作缸的回程腔经阀51、阀33回油池，这种状态称为充液行程。充液目的是向工作缸的工作腔和增压器的超高压缸充满压力油，以便增压时用。在充液行程时，六缸活塞的同步精度由节流阀25～30调整。

六个工作缸在充液行程时，当硬质合金顶锤碰到叶腊石后，液压系统产生负载，系统的压力增高。当系统的压力增加到电接触压力表5（2YX）调整的压力时（不得超过溢流阀41调整的压力），表5便发讯号，使电磁铁1CT、4 CT、6 CT、7 CT、8 CT、9 CT、10 CT、11 CT断电，同时使电磁铁2CT、13CT通电。油泵来的高压油经柱塞泵43、单向阀44、三位四通O型电磁阀37、液控单向阀34、单向节流阀35到增压器38下腔，推动活塞上行；在柱塞的推动下，超高压腔输出的超高压油经二位七通阀7（13CT通电使得该阀换向，六缸连通），分别进入到六个工作缸的工作腔，推动六个活塞继续前进加压，对叶腊石进行超高压压缩，这种状态称为超压。

在超压过程中，表1、2、3、4、5、6分别反映六个工作缸的工作腔压力。当压力升到电接触压力表6（4YX）所调整的压力时，该表发讯号，接通加热电源并接通时间继电器3SJ（控制加热的时间）；在时间终了时，3SJ发讯号自动切断加热电源。

当超压的压力上升至电接触压力表4（3YX）所调整的压力时，表4发讯号，使所有的电磁铁断电，并启动时间继电器，油泵的油经阀41卸荷，此时超高压可控制单向阀8～13将六个工作缸的工作腔的超高压油封死，阀34、53、36将增压器下腔的高压油封死，因此压机处于保压状态，保压的时间由时间继电器控制。在保压过程中，如果由于泄漏而发生压力降，则电接触压力表达式（3YX）的触头将脱开。当触头一脱开，该表便发讯号，使时间继电器计时。到达预定的时间后，其发讯号使电磁铁2 CT、13CT、15CT通电。15CT通电使油泵处于工作状态；2CT通电使高压油进入增压器下腔，继续增压；13CT通电保证六工作缸的六工作腔连通，增压时同时补压。依次反复进行补压，直到由时间继电器5SJ控制的保压时间到了后，时间继电器发讯号，使压机转为卸压状态。这种保压-补压方式称为“大泵补压”。

如果预先设置的保压-补压状态是“小泵动态补压”，表4的3YX发信号使得柱塞泵54通电，其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。

当保压时间到后，时间继电器发讯号后，电磁铁1CT、13CT、14CT通电，增压器下腔的高压油经增压器下腔、单向节流阀35、液控单向阀34、三位四通O型电磁阀37到油箱。于是增压器开始卸压，超高压腔部分的油液压力使增压器活塞开始下行。增压器的卸压速度由阀35的节流口控制。

当压力卸到电接触压力表14（1YX）调整值时，触头闭合发讯号使增压器回程。这时电磁铁1CT、3CT、13CT、14CT、15CT通电，油泵的高压油经柱塞泵43、单向阀44、三位四通O型电磁阀37、三位四通Y型电磁阀33、平衡阀51的单向阀进入六个油缸的后腔，

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