六面顶压机——三心合一

2021/11/12

所谓超高压技术是指在同一空间领域同时获得所需要的高温高压,并持续所需要持续的时间的技术或手段。20世纪高温高压技术发展最辉煌的成果,就是世界上硬度最高且极其稀有的物质——金刚石可以用人工的方法合成了。

超高压高温装置的研制成功实现了人工合成金刚石的美好愿望,这需要提及的是美国著名的高压研究者Bridgman在超高压技术方面做出的杰出贡献。以美国通用电气公司的Hall为首的试验小组,根据Bridgman提出的大质量支撑原理所设计的Belt两面顶装置,解决了用金属催化剂来实现石墨转变为金刚石的关键技术,为后来人造金刚石的发展做出了开创性的贡献。

上世纪九十年代,国际金刚石行业经过四十年的发展,以超高压技术为背景形成三足鼎立的局面,即美国GE公司、英国DeBeers、日本东名、住友、德国Winter等公司使用的年轮式两面顶超高压技术与装置,前苏联使用的凹模两面顶超高压技术与装置,以及我国自行研制的具有中国特色的六面顶超高压技术与设备。

在我国自主研发的六面顶压机发展初期,一度受到“只要能合成出金刚石的压机就是好压机”思想的影响,对压机质量在金刚石合成中重要性认知严重不足,导致在行业发展初期,各种结构、各种缸径、各种材质的六面顶压机品种繁多,质量参差不齐,看似蓬勃发展,实际导致给行业发展带来了很大的不利影响,例如压机在使用过程中的断梁、掉底等严重事故。

工欲善其事必先利其器,伴随着超硬材料行业发展,人们对六面顶压机的运行稳定性要求越来越高,尤其是在高温高压合成培育钻石领域,对合成腔体内的温度、压力必须保持长时间的精准控制,对整机控制精度提出了非常高的要求,但更深层次是铰链梁材质、内在质量、加工精度得到保证——在高温高压作用下,六面顶压机各个铰链梁的弹性变形必须保持一致,从而保证高低压状态下对中性不发生变化,否则所谓的控制精度就是空中楼阁、镜花水月。

为了保证六面顶压机使用过程中良好的对中性,“三心合一”的概念逐步为行业认可、接受。六面顶压机的“三心”是指六个铰链梁装配后的结构中心,硬质合金顶锤的汇力中心及合成腔体的质量对称中心,这三个中心在理论上是可以重合为一点,此时设备的对中性是完美的。

三心合一概念的提出,为压机制造厂家提出了具体的加工精度要求、铰链梁内在质量要求,也为实际合成中压机对中、同步的调整指明了方向。

1、不论是铸造压机还是锻造压机,六面顶压机铰链梁的结构中心,都可以认为是六个活塞沿其移动方向的中心线的汇聚点,六条中心线汇聚为一点,这就要求单个铰链梁的加工精度、多个铰链梁的加工精度一致性必须得到保证。更重要的是对铰链梁本身的内在质量提出了非常高的要求。六面顶压机在实际使用过程中,铰链梁受到循环张力和循环热应力的双重作用,不仅要求保证铰链梁在常温常压调试状态下的精度,更要保证在承受高温高压双重作用时,各个铰链梁的变形保持一致。

 

硬质合金顶锤的汇力中心是指六条相对于硬质合金顶锤锤面中心的垂直线相交形成的点。

硬质合金顶锤汇力中心的位置,与铰链梁结构中心的相对位置没有任何直接联系,需要我们通过调整钢环相对于大垫块的相对位置来保证六只硬质合金顶锤的汇力中心在一个点上,并且使这个点与铰链梁结构中心的点尽可能重合。

 

3、合成腔体的质量对称中心是指合成块的重心。合成块的结构采用加热方向对称组装,即四个非加热锤方向完全对称,两个加热锤方向对称,合成块的重心在其体积中心点。

如果六面顶压机的铰链梁在高温高压下的变形不同步,那么在高压状态下,六面顶压机的结构中心发生变化,由于硬质合金顶锤是与铰链梁连接在一起的,随之而来的是硬质合金顶锤的汇力中心发生变化,使合成块的受力状态发生变化,势必影响相应密封边的密封效果,在达到某一临界值以后,就会出现裂锤或者卸压放炮的情况。而铰链梁调机时正常,高温高压下变形不同步导致的裂锤、放炮,是属于铰链梁铸造(锻造)时材料性能不均匀导致的,无法通过调整设备来解决的。

高温高压法合成人造金刚石过程中,裂锤、放炮是人们一直想彻底解决的难点,抛开硬质合金顶锤本身质量与合成块的结构设计可能存在的缺陷,如果我们在六面顶压机的设计、制造,以及整机的调整环节满足了三心合一的要求,那么整机各个部位的变形、受力是均衡的,就不可能出现放炮问题。

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