摘要　通過對兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)的研究和使用，對兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)在高溫高壓合成中的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。兩面頂壓機(jī)具有腔體內(nèi)部壓力高、溫度均勻及產(chǎn)品變形小的特點(diǎn)，六面頂壓機(jī)具有生產(chǎn)成本低和生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。探討了兩種設(shè)備在高溫高壓合成的適合領(lǐng)域，并對兩種設(shè)備在高溫高壓條件下合成超硬材料或制品時(shí)需要解決的問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞　兩面頂壓機(jī)；六面頂壓機(jī)；高溫高壓

　　兩面頂壓機(jī)和六面壓機(jī)是超高壓合成中的兩種主要裝備，在超高壓產(chǎn)品生產(chǎn)中具有不可替代的作用。世界上最早的金剛石、CBN、寶石級金剛石及PCD復(fù)合片等產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)都是在兩面頂壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，并在超高壓產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)中長期處于主導(dǎo)地位。1963年我國也是在兩面頂壓力中實(shí)現(xiàn)了第一顆人造金剛石的合成[1]，然而國內(nèi)實(shí)現(xiàn)金剛石、CBN和PCD的大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)是在六面頂壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。具有中國特色的鉸鏈梁六面頂壓機(jī)和高溫高壓合成工藝是我國成為超硬材料產(chǎn)業(yè)大國的基礎(chǔ)。我國的超高壓高溫產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域基本全部采用六面頂壓機(jī)，而國外發(fā)達(dá)國家則以用兩面頂壓機(jī)為主。
　　兩面頂壓機(jī)和六機(jī)頂壓機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不同的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各有特色，其優(yōu)缺點(diǎn)始終是行業(yè)內(nèi)爭論的焦點(diǎn)。在國產(chǎn)六面頂壓機(jī)及國產(chǎn)兩面頂壓機(jī)研發(fā)和高溫高壓的實(shí)際生產(chǎn)中對兩種壓機(jī)的特性和使用特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。
1 兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)特點(diǎn)
1.1 兩面頂壓機(jī)特點(diǎn)
　　（1） 兩面頂壓機(jī)為單沒源壓機(jī)，油缸設(shè)置在機(jī)架內(nèi)的下部，這種結(jié)構(gòu)便于使用加大直徑的油缸，從而降低油起缸的工作壓力，延長油缸的維修周期。
　　（2） 整體主機(jī)結(jié)構(gòu)也簡單的多，主機(jī)系統(tǒng)維修率低。
　　（3） 兩面頂壓機(jī)的模具系統(tǒng)是整個(gè)裝置的關(guān)鍵部分，要求極高，必須采用多層鋼環(huán)或多層鋼環(huán)加扁鋼絲纏繞對模具中的硬質(zhì)合金壓缸進(jìn)行保護(hù)，模具部分既要保證對壓缸有足夠的剛性支撐，又要保證壓缸高壓時(shí)的彎曲變形盡量小，否則壓缸壽命極短，其模具設(shè)計(jì)計(jì)算和制造非常嚴(yán)格，對各配件硬度和尺寸要求極高。
　　（4） 硬質(zhì)合金壓缸質(zhì)量大而且必須要有高的硬度和有一定韌性，因此生產(chǎn)難度極大，生產(chǎn)成本高；合成過程中硬質(zhì)合金壓缸尺寸在不斷變化，必須對壓缸尺寸進(jìn)行定期檢測。
　　（5） 兩面頂壓機(jī)的硬質(zhì)合金壓缸受拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力影響整體壽命短，硬質(zhì)合金消耗大。
　　（6） 兩面頂壓機(jī)的頂錘和壓缸之間有卡具和密封碗的導(dǎo)向，對中精度高，裝卸料簡單，自動(dòng)化容易實(shí)現(xiàn)。
　　（7） 在合成過程中兩面頂壓機(jī)的頂錘需要更大的沖程，密封邊長，升壓和卸壓速度很慢，單位合成次數(shù)浪費(fèi)時(shí)間多。
　　國產(chǎn)纏繞兩面頂壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1　國產(chǎn)纏繞式兩面頂壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 六面頂壓機(jī)特點(diǎn)
　　（1） 六面頂壓機(jī)的液壓系統(tǒng)采用六缸同步加壓，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修率高。
　　（2） 主機(jī)的六個(gè)鉸鏈梁的設(shè)計(jì)和加工是主機(jī)部分的關(guān)鍵，主機(jī)部分容易出現(xiàn)的問題是：鉸鏈梁斷裂、油缸拉傷、兜底斷裂現(xiàn)象。
　　（3） 高壓腔體的形成主要靠六個(gè)頂錘擠壓生產(chǎn)，頂錘系統(tǒng)主要由一個(gè)鋼環(huán)和大小兩個(gè)墊塊組裝而成，結(jié)構(gòu)簡單，便于組裝和維修；合成過程中頂錘主要承受壓應(yīng)力，單位成本硬質(zhì)合金消耗比兩面頂壓機(jī)少的多，合成成本低。
　　（4） 頂錘的對中性完全依賴手工調(diào)整，操作復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。
　　（5） 各種配件的材質(zhì)和硬度要求較低，便于加工和維修。
　　（6） 合成中頂錘前進(jìn)沖程小，升壓和卸壓速度快，生產(chǎn)效率高。
　　絞鏈梁六面頂壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2　鉸鏈梁六面頂壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 兩種壓機(jī)在高溫高壓合成中的使用特點(diǎn)
　　兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)都是采用液壓系統(tǒng)加壓從而在合成腔內(nèi)產(chǎn)生超高壓強(qiáng)，通過頂錘和內(nèi)部加熱系統(tǒng)的連接進(jìn)行導(dǎo)電加熱，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高溫高壓合成。但由于兩種壓機(jī)結(jié)構(gòu)和超高壓建立的方式不同，決定了它們的使用要求不一樣。
2.1 兩面頂壓機(jī)在高溫高壓合成中的特點(diǎn)
　　兩面頂壓機(jī)合成時(shí)，在硬質(zhì)合金壓缸的支撐下，隨著頂錘的前進(jìn)，密封傳壓碗逐漸變薄，芯棒逐漸被墩粗，相比六面頂壓機(jī)的組裝和高壓形成特點(diǎn)，組裝腔體內(nèi)部溢流量很少，因此芯棒變形小。
　　兩面頂壓機(jī)組裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3　兩面頂壓機(jī)組裝結(jié)構(gòu)示意力

兩面頂壓機(jī)在高溫高壓合成中具有以下特點(diǎn)：
　　（1） 密封傳壓和保溫分離，實(shí)現(xiàn)了壓力密封和傳遞及腔體保溫功能的分別調(diào)整。
　　（2） 保溫各處百度變化均勻，加熱器變形一致，溫度場變化幅度小，溫度場容易調(diào)節(jié)。
　　（3） 內(nèi)部壓力波動(dòng)小，壓力傳遞效率高（壓力有交效利用率超過70%，最高內(nèi)部壓力可以超過7.5Gpa以上），內(nèi)部壓力傳遞具有很好的線性特征，壓力測算容易，通過簡單組裝調(diào)整，壓力利用率具有很強(qiáng)的可調(diào)性。
　　（4） 高溫高壓下芯棒只是簡單均勻的墩粗，對大直徑PCD/PCBN復(fù)合片等平整性要求高的產(chǎn)品，合成后平整性容易實(shí)現(xiàn)。
　　（5） 密封傳壓邊的設(shè)計(jì)和內(nèi)部組裝件的配合非常關(guān)鍵，設(shè)計(jì)不合理時(shí)容易出現(xiàn)各種形式的放炮、壓缸變形加大、頂錘壽命過短、壓力利用率偏低等問題。
　　（6） 組裝配件尺寸要求嚴(yán)格，部分配件必須根據(jù)壓缸尺寸變化進(jìn)行調(diào)整。
　　（7） 壓力、溫度測量時(shí)引線必須從密封邊引出，測量過程中容易出現(xiàn)斷線的問題，溫度和壓力測量困難。
2.2 六面頂壓機(jī)在高溫高壓合成中的特點(diǎn)
　　六面頂壓機(jī)在高溫高壓合成時(shí)，六個(gè)頂錘同時(shí)向中心移動(dòng)，逐漸擠壓葉臘石塊而建立密封腔體，若頂錘同步稍有誤差，高壓腔體變形就不一致，而且圓柱形芯棒被六面擠壓向方形轉(zhuǎn)變，變形不規(guī)則[2]，這必然導(dǎo)致合成芯棒的溫度場由于每次合成之間的不同變形造成變化。
　　六面頂壓機(jī)組裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.

圖4　六面頂壓機(jī)組裝結(jié)構(gòu)示意圖 

　　六面頂壓機(jī)在高溫高壓合成中具有以下特點(diǎn)：
　　（1） 六面頂壓力組裝結(jié)構(gòu)的配件制作簡單，正常合成過程中各配件不需要進(jìn)行尺寸調(diào)整。
　　（2） 壓力傳遞和保溫介質(zhì)不分離，保溫和傳壓密封很難兼顧，另外隨著高壓高溫合成時(shí)間的延長，葉臘石相變層越來越厚，使腔體內(nèi)的壓力傳遞和保溫性能變差，不利于壓力和溫度場的穩(wěn)定。
　　（3） 外方內(nèi)圓的組裝結(jié)構(gòu)決定了腔體各處的保溫層厚度差異大，而加熱器在高壓下由于擠壓和變形，各處厚度變化不均勻，導(dǎo)致內(nèi)部溫度場變化不一致，不利于溫度場的均勻調(diào)節(jié)。
　　（4） 六面頂壓機(jī)的12條密封邊靠擠壓產(chǎn)生，消耗的壓力大，壓力傳遞有效率低（60%左右），壓機(jī)的噸位利用率低。
　　（5） 高溫高壓合成中，內(nèi)部芯棒由圓柱體逐漸向長方體轉(zhuǎn)變，合成內(nèi)腔變形大，對于形變要求嚴(yán)格的產(chǎn)品，形變很難控制。
　　（6） 升壓和卸壓速度快，特別適合中短工藝要求的產(chǎn)品生產(chǎn)。
　　（7） 壓力、溫度測量簡單，成功率高，可操作性強(qiáng)。
2.3 兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)適合生產(chǎn)的產(chǎn)品領(lǐng)域
　　根據(jù)六面頂壓機(jī)和兩面頂壓機(jī)在高壓合成中的特點(diǎn)，總結(jié)其適合的產(chǎn)品領(lǐng)域，如表1。

表1　兩面頂壓機(jī)和六面頂壓機(jī)適合生產(chǎn)的超硬材料產(chǎn)品領(lǐng)域

3 分析及結(jié)論
3.1 兩面頂壓機(jī)分析
　　兩面頂壓機(jī)的模具系統(tǒng)是整個(gè)兩面頂壓機(jī)的核心部分，其壽命取決于模具和硬質(zhì)合金及輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造和使用，要求極為嚴(yán)格。在使用過程中，硬質(zhì)合金壓缸承受軸向的拉應(yīng)力，容易引起壓缸的疲勞破損。另外如果模具預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，容易引起壓缸的軸向彎曲應(yīng)力，使壓缸出現(xiàn)環(huán)裂破損。
　　另外兩面頂壓機(jī)模具應(yīng)力環(huán)的材質(zhì)、硬度均勻性、尺寸要求極高，只有極少數(shù)廠家能夠加工，而且應(yīng)力環(huán)在高壓過程中容易斷裂，因此模具系統(tǒng)的制作和維護(hù)成本非常高。
　　兩面頂壓機(jī)的硬質(zhì)合金消耗強(qiáng)烈依賴于模具設(shè)計(jì)、模具加工、硬質(zhì)合金的質(zhì)量和合成的組裝配件，各方面要求嚴(yán)格。硬質(zhì)合金消耗相比六面頂壓機(jī)牌明顯劣勢。
　　兩面頂壓機(jī)的主機(jī)和液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修率很低，大型化容易；其組裝特性決定了其溫度場均勻容易調(diào)節(jié)，壓力利用率高且調(diào)整；合成后的芯棒變形量少，特別適合寶石級金剛石、高檔PCD復(fù)合片和PCBN等高附加值的產(chǎn)品生產(chǎn)。兩面頂壓機(jī)現(xiàn)階段需要解決的關(guān)鍵問題是：
　　（1） 大尺寸硬質(zhì)合金（120~300kg）壓缸的研制[3]；
　　（2） 硬質(zhì)合金壓缸高壓合成次數(shù)低，硬質(zhì)合金消耗過大，硬質(zhì)合金成本高；
　　（3） 高質(zhì)量要求應(yīng)力環(huán)的制作；
　　（4） 模具優(yōu)化設(shè)計(jì)制造。
3.2 六面頂壓機(jī)分析
　　六面頂壓機(jī)具有硬件要求低，硬質(zhì)合金消耗少，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，在金剛石、CBN及礦用、地質(zhì)用PCD和中低檔PCD和PCBN生產(chǎn)中具有明顯成本優(yōu)勢。其在高檔PCD、大直徑PCD和PCBN及寶石級金剛石的生產(chǎn)的方面需要解決的關(guān)鍵問題是：
　　（1） 芯棒達(dá)到5.5Gpa以上壓力時(shí)，密封部分壓力消耗嚴(yán)重，內(nèi)部壓力傳遞效率低；
　　（2） 溫度場的精細(xì)設(shè)計(jì)和調(diào)控；
　　（3） 長時(shí)間高壓高溫合成過程中保溫性和壓力傳遞性下降的問題；
　　（4） 大尺寸PCD和PCBN合成中的變形量過大問題；
　　（5） 設(shè)備噸位加大后，對中性下降、高壓下鉸鏈梁變形加大和硬質(zhì)合金消耗過大的問題。
4 結(jié)論
　　兩面頂壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、容易大型化和操作的自動(dòng)化，另外合成腔體具有更合理的溫度場分布，壓力利用率高，產(chǎn)品變形量小；適合寶石級金剛石、高檔大直徑PCD和PCBN、高檔石油PCD和6Gpa以上壓力要求的產(chǎn)品生產(chǎn)，其缺點(diǎn)是硬質(zhì)合金消耗大，模具系統(tǒng)復(fù)雜。
　　六面頂壓機(jī)具有硬質(zhì)合金消耗低，各種配件的加工和維修成本低，升壓和卸壓速度快，生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)；適合磨料級金剛石/CBN、細(xì)顆粒金剛石、礦用/地質(zhì)用PCD和低檔石油PCD及5.8Gpa以下壓力要求的產(chǎn)品生產(chǎn)。
　　六面頂壓機(jī)的大型化是發(fā)展趨勢[4]，現(xiàn)在Φ700缸徑的六面頂壓機(jī)和相關(guān)合成工藝已經(jīng)成熟，并在逐步推廣的過程中。隨著壓機(jī)主機(jī)設(shè)計(jì)、加工和大頂錘制作及合成工藝的成熟，更大缸徑的適合高溫高壓產(chǎn)品生產(chǎn)的六面頂壓機(jī)很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

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作者簡介
劉建設(shè)（1966－），男，河南黃河旋風(fēng)股份有限公司總經(jīng)理，長期從事超硬材料應(yīng)用研究。

王飛山（1977－），男，河南黃河旋風(fēng)股份有限公司工程師，從事超硬材料的研發(fā)和生產(chǎn)。