摘要　通過對(duì)大型金剛石油壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式的比較及影響壓機(jī)性能的主要參數(shù)的研究 ，指出合理選擇壓機(jī)的主參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式，對(duì)提高金剛石設(shè)備及模具使用壽命、降低金剛石 生產(chǎn)成本具有重要意義。
　　關(guān)鍵詞　金剛石壓機(jī)　結(jié)構(gòu)　參數(shù)　選擇
　　Selection and data study on structure of large press for producing diamond
　　Guo Songqing
　　Abstract：By comparing structures of large oil presses for producing diamond and researc hing on main data that effect to presses,point out rational selection of main da ta and structure of presses possess significance for improving service life of press and dies, and reducing production costs.
　　Key Words：press for producing diamond,structure,da ta,selection
　　我國(guó)人造金剛石生產(chǎn)已有30余年歷史，合成人造金剛石的工藝逐漸走向成熟。改革開放以來，金剛石市場(chǎng)需求量逐年提高，特別是高檔、優(yōu)質(zhì)、高強(qiáng)度、粗顆粒的人造金剛石需求量每年以10%速度增長(zhǎng)。而我國(guó)目前只能生產(chǎn)低檔次的金剛石，每年還花大量外匯從國(guó)外進(jìn)口。其原因之一是我國(guó)還沒有與先進(jìn)工藝相適應(yīng)的大型金剛石設(shè)備，嚴(yán)重影響了金剛石的生產(chǎn)和發(fā)展。因此，盡快為金剛石工業(yè)提供與工藝相適應(yīng)的大型金剛石設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。
　　本文重點(diǎn)探討大型金剛石油壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇及對(duì)影響壓機(jī)性能的主要參數(shù)的研究。
　　1　金剛石油壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇
　　金剛石油壓機(jī)的機(jī)型選擇直接影響人造金剛石的質(zhì)量、產(chǎn)量及其成本。目前，我國(guó)大部分生產(chǎn)廠家仍然是以六面頂式壓機(jī)為主進(jìn)行金剛石生產(chǎn)。這種壓機(jī)噸位低、高壓腔容積小、控制精度差及工藝水平落后，使產(chǎn)品品種少。其原因是六面頂式壓機(jī)不能適應(yīng)先進(jìn)的金剛石合成工藝要求。目前，如美國(guó)、德國(guó)、日本、瑞典等先進(jìn)國(guó)家早就不用這種六面頂式壓機(jī)，而改用兩面頂式油壓機(jī)并采用新工藝來生產(chǎn)人造金剛石。
　　從結(jié)構(gòu)上看，兩面頂式金剛石油壓機(jī)主要有預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞式、預(yù)應(yīng)力三柱式、疊板框架式，這三種型式各有其特點(diǎn)。因?yàn)榻饎偸铣缮a(chǎn)中，為了提高模具使用壽命，降低金剛石生產(chǎn)成本，對(duì)所用壓機(jī)的剛度指標(biāo)有嚴(yán)格的要求。壓機(jī)的結(jié)構(gòu)型式不同，所表現(xiàn)的剛性也不同。因此，壓機(jī)選型時(shí)應(yīng)該按照所需壓機(jī)的噸位大小來確定。另一方面，還要考慮壓機(jī)制造中的難度。同噸位的壓機(jī)，有的型式比較難于制造，設(shè)備成本也大。同時(shí)，還要考慮壓機(jī)在合成金剛石過程中，壓機(jī)工作臺(tái)面在集中載荷作用下的變形狀態(tài)對(duì)模具的影響程度。為此，我們對(duì)三種結(jié)構(gòu)型式的壓機(jī)(圖1)作一比較，以便選出適合金剛石生產(chǎn)的機(jī)型。
　　(1)鋼絲纏繞式結(jié)構(gòu)
　　這種壓機(jī)的機(jī)架是用多層鋼絲把兩個(gè)半圓梁和兩個(gè)立柱在一定的預(yù)緊力下纏繞成一個(gè)整體。其特點(diǎn)是在工作載荷下立柱仍承受壓應(yīng)力，半圓梁則處于近似二向應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)鋼絲層的應(yīng)力波動(dòng)量與平均應(yīng)力相比是很小的。所以，該結(jié)構(gòu)重量輕，體積小，承受能力大，抗疲勞壽命高。但需要專用的纏繞設(shè)備，加工工藝性差，設(shè)備的綜合成本較高。在工作載荷下半圓梁和機(jī)架要產(chǎn)生變形，使上下臺(tái)面的平行度和導(dǎo)向精度很難保證，整體剛性較差。這種變形對(duì)超高壓模具的壽命有直接影響。當(dāng)壓機(jī)噸位超過25MN后，上述的缺點(diǎn)表現(xiàn)得更突出。
　　(2)疊板框架式結(jié)構(gòu)
　　這種壓機(jī)機(jī)架是用多層鋼板校平加工后疊合而成，板與板之間用銷柱聯(lián)接或焊接成一體。機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易，但整體尺寸較大，也不容易形成整體預(yù)應(yīng)力機(jī)架，因而工作時(shí)變形大、剛性差。
　　(3)三柱式結(jié)構(gòu)
　　這種壓機(jī)機(jī)架的三根立柱是以等分圓周彼此成120°布置，立柱由兩部分組成，外邊為支柱中間為拉柱。支柱位于上下梁之間，拉柱穿過上下梁與支柱，用預(yù)緊螺母將上下梁及支柱緊緊地固定在一起，構(gòu)成一預(yù)應(yīng)力機(jī)架。在工作載荷下，支柱始終為壓應(yīng)力狀態(tài)，承受彎矩及軸向壓力，而拉柱為拉應(yīng)力狀態(tài)，只承受純拉力。這種預(yù)應(yīng)力機(jī)架，在循環(huán)載荷作用下，應(yīng)力波動(dòng)幅度很小，抗疲勞能力大。特別是壓機(jī)的三根柱子軸對(duì)稱分布在以載荷為中心的圓周上，受載后上下梁和工作臺(tái)的變形與超高壓模具的變形相吻合。這種變形特點(diǎn)，利于提高模具壽命。該結(jié)構(gòu)加工工藝較簡(jiǎn)單，容易制造。缺點(diǎn)是機(jī)架重量大，加工及熱預(yù)緊的技術(shù)要求比較嚴(yán)格。
　　通過對(duì)以上三種壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式的比較及人造金剛石合成生產(chǎn)工藝對(duì)壓機(jī)的要求，不難看出，以預(yù)應(yīng)力三柱式結(jié)構(gòu)作大型兩面頂金剛石油壓機(jī)的機(jī)型為最佳。其次是預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從工作性能、整體剛度、運(yùn)動(dòng)精度、抗疲勞性、加工工藝性、綜合造價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面比較，都優(yōu)于疊板框架式結(jié)構(gòu)。而預(yù)應(yīng)力三柱式結(jié)構(gòu)除了比鋼絲纏繞式結(jié)構(gòu)重些外，其他都勝過纏繞式。特別是其上下橫梁在負(fù)荷下的變形為空間軸對(duì)稱狀態(tài)，與它貼合的模具變形相吻合，有利于提高模具的使用壽命。
　　再?gòu)膲簷C(jī)噸位利用率來看，根據(jù)有關(guān)資料和國(guó)內(nèi)外使用壓機(jī)情況表明，鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)壓機(jī)的噸位利用率僅50%，疊板式結(jié)構(gòu)壓機(jī)還要低，而三柱式結(jié)構(gòu)壓機(jī)能達(dá)到70%～85％。壓機(jī)的整體剛度對(duì)模具壽命有很大影響，為了提高硬質(zhì)合金模具的使用壽命、降低金剛石生產(chǎn)成本，選用壓機(jī)整體剛度高的機(jī)型具有重要意義。預(yù)應(yīng)力三柱式壓機(jī)在整體剛度上，以相同壓機(jī)噸位來比較都優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)型式的整體剛度。
　　由以上分析得知，預(yù)應(yīng)力三柱式結(jié)構(gòu)是大型兩面頂金剛石油壓機(jī)機(jī)型的最佳選擇。
　　2　影響壓機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及減振性能的主要參數(shù)研究
　　眾所周知，金剛石油壓機(jī)是在高度集中載荷下工作的，要求壓機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、減振性能好，以利提高設(shè)備整體剛度及模具的使用壽命。
　　2.1　工作液體壓力對(duì)金剛石油壓機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的影響
　　主機(jī)結(jié)構(gòu)型式選定后，壓機(jī)工作缸液體壓力對(duì)壓機(jī)的整體結(jié)構(gòu)尺寸是有直接影響的。當(dāng)壓機(jī)的噸位PH確定后，工作缸的內(nèi)外徑d、D與所選的工作液體單位壓力p有關(guān)。一般情況下，當(dāng)p選擇得越低，則d、D值越大，致使壓機(jī)結(jié)構(gòu)、重量增大。反之，提高p可減小d、D值，達(dá)到使壓機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、重量減輕的目的，但有時(shí)不能如愿。工作缸的外徑D、內(nèi)徑d與工作液壓p有如下關(guān)系：
　　
　　式中：PH——壓機(jī)總壓力；
　　　　　p——工作液體壓力；
　　　　　D——缸外徑；
　　　　　d——缸內(nèi)徑(或活塞外徑)；
　　　　?。?sigma;］——材料許用應(yīng)力。
　　為了直觀，可將式(1)及(2)作成如圖2所示的曲線。
　　
　　式(2)的適應(yīng)條件：工作缸結(jié)構(gòu)是以缸底為支承的結(jié)構(gòu)，缸材料為塑性材料，采用第三強(qiáng)度理論而得出的公式。故它不適用于缸體以法蘭支承結(jié)構(gòu)的缸徑計(jì)算。
　　從圖2中可知，要想得到重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，在選擇工作液壓時(shí)必須選擇圖中的優(yōu)化點(diǎn)Dz、dz、pz所對(duì)應(yīng)的值來作壓機(jī)主要參數(shù)值。
　　
　　pz=0.25［σ］　　　(5)
　　式中：dz——最佳的工作缸內(nèi)徑；
　　　　　Dz——最佳的工作缸外徑；
　　　　　pz——最佳的工作液體壓力。
　　2.2　壓機(jī)的工作行程及工作液體壓力對(duì)壓機(jī)減振性能的影響
　　提高金剛石油壓機(jī)的減振性能，至關(guān)重要。從金剛石合成生產(chǎn)中得知，由于某種原因有時(shí)會(huì)產(chǎn)生模具內(nèi)部爆炸，此時(shí)壓機(jī)會(huì)突然失荷。壓機(jī)工作缸中的液壓能量迅速釋放出來，使金剛石壓機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，還導(dǎo)致合成模具的上下頂錘與壓缸之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，加重了模具的損壞。這種損壞的程度與壓機(jī)在失荷下釋放的能量大小有關(guān)。釋放能量越多，破壞程度就越嚴(yán)重。
　　理論研究表明，工作缸液體所釋放的能量與液體單位壓力p的平方成正比，與壓機(jī)行程(工作缸液柱高)H成正比。
　　
　　式中：E——工作液體釋放的能量；
　　　　　F0——缸內(nèi)截面積；
　　　　　K——液體彈性系數(shù)；
　　　　　H——缸液柱高度(壓機(jī)工作行程)。
　　由此可知，在設(shè)計(jì)中選用壓機(jī)行程H和工作液體壓力p時(shí)，要盡量選取壓機(jī)工作行程小、工作液壓低的參數(shù)值，以提高壓機(jī)的減振性能。
　　3　結(jié)束語(yǔ)
　　本文通過對(duì)大型金剛石油壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式的比較及對(duì)影響壓機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和減振性能的主要參數(shù)的研究，指出了：①在選擇和設(shè)計(jì)金剛石設(shè)備時(shí)，應(yīng)按照壓機(jī)總噸位的要求，合理選擇壓機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)用兩面頂方式合成金剛石新工藝的要求。②合理選擇工作液體壓力和減小壓機(jī)工作行程(工作缸液柱高度)，對(duì)提高壓機(jī)的減振性能及壓機(jī)整體剛性具有重要意義。
　　金剛石油壓機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在很多方面不同于一般的油壓機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意其特點(diǎn)。我們按照本文所提到的設(shè)計(jì)思想和方法，于1993年成功地研制出了我國(guó)第一臺(tái)大型兩面頂60MN金剛石油壓機(jī)。經(jīng)過有關(guān)單位的全面檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，設(shè)備的力值精度為0.4%。而代表金剛石生產(chǎn)先進(jìn)水平的日本、德國(guó)及瑞典等國(guó)家，目前的人造金剛石設(shè)備力值精度保持在±0.5%～1%的水平上。同時(shí)，在該設(shè)備上用65腔體模具成功地合成出了優(yōu)質(zhì)粗顆粒、高檔次的人造金剛石。實(shí)踐證明，設(shè)備工作平穩(wěn)，壓機(jī)減振性能好，整體剛性大，結(jié)構(gòu)緊湊，選型合理，參數(shù)先進(jìn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突出了金剛石專用設(shè)備的特點(diǎn)。單產(chǎn)比同噸位的六面頂式壓機(jī)高4倍。