六面頂壓裝置

六面頂壓裝置是我國合成金剛石普遍采用的設(shè)備，其中絕大多數(shù)是鉸鏈 式六面頂。六面頂液壓機(jī)由主機(jī)、增壓器、液壓控制系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)和加熱 系統(tǒng)五部分組成。本文在PDC的高壓合成研究中采用的設(shè)備就是這種鉸鏈?zhǔn)搅?頂液壓機(jī)(見圖2-la) 。 壓機(jī)的高壓腔由六個(gè)硬質(zhì)合金頂錘組成(圖2-1b),
中間白色立方塊為合成塊，合成塊中的壓力由頂錘的擠壓產(chǎn)生，高溫由上下頂錘
引入的電流通過合成塊中的碳管發(fā)熱產(chǎn)生。






(a) 合成PDC 的設(shè)備-六面頂壓機(jī) (b) 壓機(jī)的高壓腔

圖2-1 鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)

六面頂壓機(jī)超壓時(shí)，六個(gè)頂錘在六個(gè)液壓缸油壓的推動(dòng)下從六個(gè)方向同時(shí)向 正立方體的葉蠟石塊施壓，使之發(fā)生塑性形變，在頂錘小斜邊處形成密封邊，在 葉蠟石腔體內(nèi)產(chǎn)生合成金剛石所需的壓條件。這種設(shè)備操作簡便，壓力傳遞 快，，不需要昂貴的硬質(zhì)合金壓缸，但高壓反應(yīng)腔的體積較年輪模具兩面 頂裝置小，因而單次合成的金剛石產(chǎn)量較低。目前中國大陸擁有4000余臺(tái)六面頂
壓機(jī)，每年的金剛石產(chǎn)量約52億克拉，占總產(chǎn)量的85%以上[99。
本實(shí)驗(yàn)采用的六面頂壓機(jī)六個(gè)頂錘位置如圖2-2所示。
六面頂裝置的設(shè)計(jì)與制造要求兩個(gè)相對的活塞的軸線重合為一直線，三對頂 錘形成的三根直線在空間應(yīng)交于一點(diǎn)，這點(diǎn)稱為設(shè)備的結(jié)構(gòu)中心。對設(shè)備制造來 說，要達(dá)到這種理想狀態(tài)是很困難的， 一般六個(gè)活塞的六根軸線在空間交織成一 個(gè)小球，小球的直徑愈小則設(shè)計(jì)與制造愈成功。裝在活塞端部的六個(gè)頂錘的軸線 在空間的交點(diǎn)稱匯力中心，同理這個(gè)交點(diǎn)也不是一個(gè)幾何點(diǎn)，它的大小取決于對 中性的調(diào)整。對中性的調(diào)整只是頂錘在合成起始狀態(tài)的定位，過程中的變化與設(shè) 備的同步性有關(guān)，這就是說結(jié)構(gòu)中心完全是設(shè)備的屬性，與過程無關(guān)，而匯力中心 是與操作過程有關(guān)，設(shè)備工作時(shí)要努力實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中心重合。此外，對于受壓物來說 還存在一個(gè)質(zhì)量中心。陳啟武教授認(rèn)為160],一個(gè)理想的工作狀態(tài)要求設(shè)備的結(jié)構(gòu)
中心、模具的匯力中心與受壓物的質(zhì)量中心做到三心合一。




圖2-2 六面頂裝置的六個(gè)頂錘位置示意
2.2 高壓腔設(shè)計(jì)與臨界體積的計(jì)算

2.2.1 高壓腔的設(shè)計(jì)

圖2-3是六面頂壓機(jī)用頂錘結(jié)構(gòu)的示意圖，這里根據(jù)壓技術(shù)的基本原理
來討論本研究中采用的合成PDC的高壓腔體的結(jié)構(gòu)尺寸。


圖2-3 六面頂壓機(jī)用頂錘結(jié)構(gòu)示意圖

六面頂壓機(jī)的六個(gè)頂錘端面構(gòu)成的空間稱高壓腔，a 為頂錘端面正方形邊
長，b 為小斜面寬度， a 為小斜面傾角。由圖2-3可知，只要確定a 、b 、α三個(gè)參 數(shù)，則高壓腔的尺寸就確定了，六個(gè)頂錘完全接觸形成的高壓腔占有的體積稱封


閉體積。
本實(shí)驗(yàn)采用的是直徑500mm缸徑的六面頂壓機(jī)，其單缸設(shè)計(jì)噸位為2000噸。 根據(jù)文獻(xiàn)6報(bào)道，合成金剛石單晶時(shí)，如頂錘小斜面傾角a 取41.5°,頂錘正方形
端面邊長a與壓機(jī)設(shè)計(jì)噸位之間存在如下關(guān)系：
a×a×9.042 (GPa)= 設(shè)計(jì)壓力(ton)×95% (2-1)
由于合成PDC的壓力一般比合成金剛石單晶的要高10%左右，因此有：

a×a×9.042×1.1(GPa)= 設(shè)計(jì)壓力(ton)×95% (2-2)

對直徑500mm缸徑壓機(jī)，可求得合成PDC時(shí)的頂錘正方形端面邊長
a≈44mm 。 由a值的大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取頂錘小斜面寬b=13.5mm。
通過確定的硬質(zhì)合金頂錘的端面尺寸，由圖2-3可知：

C=a+2bcosa=44+2×13.5×cos41.5?=64.22mm

圖2-4 高壓腔結(jié)構(gòu)示意圖
頂錘封閉時(shí)相對二面的距離Ec (見圖2-4)為：







正棱臺(tái)的體積為：
其中h 是棱臺(tái)高， 高壓區(qū)的體積Vb 為：


bsina
-2×13.5×sin41.5°
mm

(2-5)
S? 、S? 表示棱臺(tái)上、下底面的面積。則圖2-3所示頂錘

(2-6)



=26.50cm3

封閉體積Vc 等于由邊長為C 的立方體體積減去6Vb, 即：
Vc=C3-6Vb
=64.223-6×26495
=105887 mm3
=105.89 cm3

2.2.2 臨界體積的計(jì)算

不裝反應(yīng)物的葉蠟石實(shí)心塊經(jīng)高壓作用后可以很容易去掉密封部分而得到
一個(gè)多棱柱體。圖2-5示出了其斷面形狀。


圖2-5 高壓形成的多棱柱體斷面
頂錘封閉時(shí)相應(yīng)多棱柱體的體積Ve為：
Ve=a2Ec+2a2(Ec-a)=a2(3 Ec-2a) (2-8)
此多棱柱體積稱實(shí)心體積。根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)中選用的合成PDC的頂錘端面尺
寸可以由上式計(jì)算出其葉臘石的實(shí)心體積：
Ve=a2(3 Ec -2a)
=442(3×46.33-2×44)
=98.72cm3

設(shè)想如果取一系列不同尺寸的葉蠟石實(shí)心塊做壓縮試驗(yàn)，取合成金剛石的壓 力作為試驗(yàn)壓力，必然存在一個(gè)葉蠟石塊，邊長為Lk,體積為Vk=Lk3, 密度是po,


經(jīng)過壓縮后其壓縮體積正好等于封閉體積Vc, 我們稱這樣的葉蠟石塊為臨界葉 蠟石塊， Lk 稱臨界尺寸，Vg 稱臨界體積[60。
封閉體積是頂錘的屬性，由a 、b 與a 三個(gè)參數(shù)確定。臨界體積討論的對象 是葉蠟石，但它是相對封閉體積而言，它告訴我們當(dāng)合成塊葉蠟石邊長達(dá)到臨界 尺寸時(shí)，其壓后的體積正好等于臨界體積。如果葉臘石邊長小于臨界尺寸，高壓
腔就建立不起所需要的壓力。所以合成用葉蠟石邊長大于臨界尺寸。
根據(jù)給定的頂錘參數(shù)，下面來計(jì)算葉蠟石塊的臨界體積Vk。
假設(shè)試驗(yàn)中要用到的葉蠟石塊的初始密度為po,壓縮后實(shí)心體積的密度為 pi, 密封邊部分的平均密度為pz, 則由封閉體積 (Vc) 和實(shí)心體積 (Ve) 的定 義，根據(jù)葉蠟石塊在受壓前后重量保持恒定的道理，我們可以得出臨界體積Vk、
封閉體積Vc和實(shí)心體積Ve的關(guān)系：


Vk=[p?×Ve+p?×(Vc-Ve)]/p? (2-10)

因此，只要知道po、p?和pz, 對于給定參數(shù)的頂錘，可以很容易地求得其使 用的葉臘石塊的臨界體積Vk。
實(shí)際上， po、p?和p?可以通過對正常生產(chǎn)中采用的葉蠟石實(shí)心塊在壓前與壓 后(采用合成金剛石的壓力)的密度進(jìn)行測量得到。
筆者分別對400mm缸徑和320mm缸徑壓機(jī)合成金剛石時(shí)采用的同一公司生
產(chǎn)的葉臘石實(shí)心塊在經(jīng)受合成壓力前后的密度進(jìn)行過測量，結(jié)果見表2-1。

表2-1葉臘石實(shí)心塊在經(jīng)受合成壓力前后的密度

壓機(jī)缸徑 Po(g/cm p? (g/cm) p? (g/cm3
400mm 2.526 2.750 2.623
320mm 2.530 2.752 2.625
平均密度 2.528 2.751 2.624

從表2-1中數(shù)據(jù)可見，對于相同廠家生產(chǎn)的葉臘石塊，由于其所用葉臘石粉 料和生產(chǎn)工藝相同，塊的大小對其受壓前后密度的影響不大，因此，我們?nèi)y得 的po、p?和p?的平均值用于本實(shí)驗(yàn)中葉臘石的臨界體積V,的計(jì)算：

Vk=[p?×Ve+p?×(Vc-Ve)]/po
=[2.751×98.72+2.624×(105.89-98.72)/2.528 =114.86cm3
由此得： Lk=VVk=48.61mm


2.3 合成塊邊長的確定
臨界體積Vk只是葉蠟石立方塊滿足的下限體積，實(shí)際工作中考慮到合 成的安全性和穩(wěn)定性，葉蠟石合成塊的體積V?大于Vk, 那么V?比Vx大多少 合適呢?筆者將在生產(chǎn)中曾經(jīng)使用過的幾種頂錘端面參數(shù)和所選用的葉蠟石合 成塊體積V?的數(shù)據(jù)列于表2-2,根據(jù)前述的公式求出的葉蠟石塊的臨界體積Vk、
臨界尺寸Lk以及具有體積Vo的葉蠟石塊的邊長L?也一并列入表2-2中。
表2-2 頂錘參數(shù)與臨界尺寸、合成塊邊長的關(guān)系

頂錘
參數(shù) a=23.5mm
b=10mm
a=41.5° a=27.5mm
b=11mm
a=41.5° a=32.5mm
b=12mm
a=41.5° a=36mm
b=13mm
α=41.5° a=46mm
b=14mm
a=41.5°
Ec 25.23mm 29.40mm 34.57mm 38.24mm 48.42mm
C 38.48mm 43.98mm 50.47mm 55.47mm 66.97mm
Vc 18.05cm3 28.22cm? 45.17cm3 60.94cm3 120.73 cm2
Ve 15.84cm3 25.11cm3 40.89cm3 55.37 cm3 112.70 cm3
Vc-Ve 2.21cm3 3.11 cm3 4.28cm3 5.57 cm3 8.03 cm3
Vk 19.53cm3 30.55cm3 48.93cm3 66.03 cm3 130.96 cm3
Lk 26.93mm 31.26mm 36.58mm 40.42 50.78mm
Vo 34.33cm3 50.65cm3 76.77cm3 100.54 cm3 195.11 cm
Lo 32.5mm 37mm 42.5mm 46.5 58mm
L?/Lk 1.207 1.184 1.162 1.150 1.142

根據(jù)表中不同頂錘端面正方形邊長的a值和其相應(yīng)的Lo/Lk值可作出圖2-6。

頂錘正方形端面邊長 a(mm)

圖2-6頂錘正方形端面邊長a 值和相應(yīng)的Lo/Lk值間的關(guān)系曲線


圖中平滑曲線為采用Origin7.0軟件擬合出的頂錘端面正方形邊長a值和相 應(yīng)的Lo/Lk值間的關(guān)系曲線，擬合曲線的表達(dá)式為：

L/Lk=0.985exp(-a/9.05)+1.135 (2-11)

出圖2-6可見，合成腔體越大，頂錘端面正方形邊長越大，實(shí)際使用的葉蠟 石合成塊的邊長與具有臨界體積的葉蠟石塊的邊長就越接近。對于本實(shí)驗(yàn)中選定 的頂錘端面參數(shù)a=44mm, 由式(2-11)可求出Lo/L?=1.142, 所以本實(shí)驗(yàn)中合成PDC 采用的葉臘石立方塊邊長：


L?=Lk×1.142=48.61×1.142=55.5mm


V?=Lo3=170.95cm3

通過臨界體積來計(jì)算葉蠟石合成塊的邊長，不僅考慮了頂錘端面邊長，還 考慮了頂錘的小面寬度和角度以及所用葉蠟石的壓縮率等因素，應(yīng)比通常僅根據(jù)
頂錘端面邊長來推算合成塊邊長的方法更準(zhǔn)確合理、更接近實(shí)際使用的情況。
成立于2000年，總部位于深圳，是一家從事超硬復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)。
海明潤主營產(chǎn)品為石油天然氣鉆探用金剛石復(fù)合片、精密加工用刀具材料、礦山鉆孔及采掘用金剛石工具。是國內(nèi)技術(shù)實(shí)力雄厚、生產(chǎn)規(guī)模較大的超硬復(fù)合材料生產(chǎn)商，石油天然氣鉆探用金剛石復(fù)合片領(lǐng)域更是處于國內(nèi)水平。
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　　金剛石復(fù)合片海明潤創(chuàng)造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，形成了具有自身特點(diǎn)的技術(shù)體系。公司擁有一支實(shí)力較強(qiáng)的研發(fā)隊(duì)伍，研發(fā)硬件和檢測分析手段已達(dá)到國際水平。


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　　海明潤金剛石復(fù)合片始終把產(chǎn)品質(zhì)量看作生命線，在工作中遵循“勤懇做事、踏實(shí)做人，認(rèn)真對待每一個(gè)細(xì)節(jié)”的企業(yè)精神。目前金剛石復(fù)合片公司已通過ISO9001:2008質(zhì)量管理體系、ISO14000:2004環(huán)境管理體系及OHSAS18001:2007職業(yè)健康安全管理體系認(rèn)證。

金剛石復(fù)合片公司注重引進(jìn)技術(shù)人才，研究目標(biāo)始終對準(zhǔn)國際水平，已獲得一批擁有立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，為公司長期可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前已獲得7項(xiàng)發(fā)明專利和11項(xiàng)實(shí)用新型專利1項(xiàng)外觀專利，專利申請數(shù)量一直在快速增長。擁有的研發(fā)硬件實(shí)力，現(xiàn)有掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDX)、X射線物相分(XRD)、定量金相顯微鏡、超聲波無損探傷檢測儀(C掃描)、抗沖擊測定儀、大型磨耗比檢測立式數(shù)控車床(VTL)等的檢測設(shè)備。金剛石復(fù)合片
聯(lián)系電話： 趙經(jīng)理 金剛石復(fù)合片