大型金剛石[shí[壓機結(jié)構(gòu)型[xínɡ[式選擇及參數(shù)的研究

　　摘要　通過對大型[xínɡ[金剛石油壓機結(jié)構(gòu)型式[shì[的比較及影[yǐnɡ[響壓機性能[nénɡ[的主要參數(shù)的研究 ，指出合理[lǐ[選擇壓機的[de[主參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式，對提高[ɡāo[金剛石設(shè)備及模具使用[yònɡ[壽命、降[jiànɡ[低金剛石 生產(chǎn)成本[běn[具有重要意[yì[義。

　　關(guān)鍵詞　金剛石[shí[壓機　結(jié)構[ɡòu[(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

　　我國人[rén[造金剛石生[shēnɡ[產(chǎn)已有30余年歷史[shǐ[，合[hé[成人造金剛[ɡānɡ[石的工藝逐[zhú[漸走向成熟[shú[。改革開放[fànɡ[以來，金剛[ɡānɡ[石市場需求[qiú[量逐年提高[ɡāo[，特別是[shì[高檔、優(yōu)質(zhì)、高強度[dù[、粗顆粒的[de[人造金剛石[shí[需求量每年[nián[以10%速[sù[度增長。而我[wǒ[國目前只能[nénɡ[生產(chǎn)低檔[dànɡ[次的金剛石[shí[，每年還花[huā[大量外匯從國外進(jìn)口。其[qí[原因之一是[shì[我國還沒有[yǒu[與先進(jìn)工藝相適應(yīng)的[de[大型金剛石[shí[設(shè)備，嚴(yán)重[zhònɡ[影響了金剛[ɡānɡ[石的生產(chǎn)和發(fā)展。因[yīn[此，盡快為金剛石工業[yè[(yè)提[tí[供與工藝相[xiānɡ[適應(yīng)的大[dà[型金剛石設(shè)備是當(dāng)務(wù)之[zhī[急。

　　本文重[zhònɡ[點探討大型[xínɡ[金剛石油壓機結(jié)構(gòu)型式[shì[的選擇及對影響壓機性[xìnɡ[能的主要參數(shù)的研究。

　　1　金[jīn[剛石油壓機[jī[結(jié)構(gòu)型式的[de[選擇

　　金剛石[shí[油壓機的機[jī[型選擇直接影響人造金[jīn[剛石的質(zhì)量[liànɡ[、產(chǎn)量[liànɡ[及其成本。目前，我國大部分[fēn[生產(chǎn)廠家[jiā[仍然是以六[liù[面頂式壓機[jī[為主進(jìn)行金[jīn[剛石生產(chǎn)。這種壓機噸[dūn[位低、高壓腔容[rónɡ[積小、控制[zhì[精度差及工[ɡōnɡ[藝水平落后[hòu[，使產(chǎn)品[pǐn[品種少。其原[yuán[因是六面頂式壓機不能[nénɡ[適應(yīng)先進(jìn)的金剛石合[hé[成工藝要求[qiú[。目前，如美國、德國、日[rì[本、瑞典等[děnɡ[先進(jìn)國家早[zǎo[就不用這種六面頂式壓機，而改用兩面[miàn[頂式油壓機[jī[并采用新工[ɡōnɡ[藝來生產(chǎn)人造金剛石[shí[。

　　從結(jié)構[ɡòu[(gòu)上看，兩面頂式金剛石油[yóu[壓機主要有[yǒu[預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞式、預(yù)應(yīng)力三柱式[shì[、疊板框架式[shì[，這三種型式[shì[各有其特點。因為金剛[ɡānɡ[石合成生產[chǎn[(chǎn)中，為了提高模[mó[具使用壽命[mìnɡ[，降低金[jīn[剛石生產(chǎn)成本，對所[suǒ[用壓機的剛[ɡānɡ[度指標(biāo)有[yǒu[嚴(yán)格的要求[qiú[。壓機的結(jié)構(gòu)型式不同[tónɡ[，所表現(xiàn)的[de[剛性也不同[tónɡ[。因此，壓機選型時[shí[應(yīng)該按照[zhào[所需壓機的[de[噸位大小來確定。另一[yī[方面，還要考[kǎo[慮壓機制造[zào[中的難度。同噸位[wèi[的壓機，有的型[xínɡ[式比較難于[yú[制造，設(shè)備成本也大。同時，還要考慮壓機[jī[在合成金剛[ɡānɡ[石過程中，壓機工作臺面在集中載荷作用下的[de[變形狀態(tài)對模具的影響程度。為此，我們對三種結(jié)構(gòu)型[xínɡ[式的壓機(圖1)作一[yī[比較，以便[biàn[選出適合金[jīn[剛石生產(chǎn)的機型。

　　(1)鋼絲纏繞式[shì[結(jié)構(gòu)

　　這種壓機的機架是[shì[用多層鋼絲把兩個半圓[yuán[梁和兩個立[lì[柱在一定的[de[預(yù)緊力下纏繞成一個整體。其特點是[shì[在工作載荷[hé[下立柱仍承[chénɡ[受壓應(yīng)力[lì[，半圓梁則處于近似二向[xiànɡ[應(yīng)力狀態[tài[(tài)。此時鋼絲層的應(yīng)力[lì[波動量與平[pínɡ[均應(yīng)力相[xiānɡ[比是很小的[de[。所以，該結(jié)構(gòu)重量輕，體積小，承受[shòu[能力大，抗疲勞壽命高。但需要[yào[專用的纏繞設(shè)備，加工工藝性[xìnɡ[差，設(shè)備的綜合成本較高[ɡāo[。在工作載荷下半圓梁[liánɡ[和機架要產[chǎn[(chǎn)生變形，使上下臺面的平行度[dù[和導(dǎo)向精度[dù[很難保證，整體剛性較差。這種變形[xínɡ[對超高壓模[mó[具的壽命有[yǒu[直接影響。當(dāng)壓機噸位超過25MN后[hòu[，上述的缺點表現[xiàn[(xiàn)得更突出[chū[。

　　(2)疊板框架式[shì[結(jié)構(gòu)

　　這種壓機機架是用[yònɡ[多層鋼板校[xiào[平加工后疊[dié[合而成，板與板之[zhī[間用銷柱聯(lián)接或焊接成一體。機架結(jié)構(gòu)簡單、加工容[rónɡ[易，但整體尺[chǐ[寸較大，也[yě[不容易形成[chénɡ[整體預(yù)應(yīng)力[lì[機架，因[yīn[而工作時變形大、剛性[xìnɡ[差。

　　(3)三柱式結(jié)構[ɡòu[(gòu)

　　這種壓機機架的三[sān[根立柱是以[yǐ[等分圓周彼[bǐ[此成120°布置，立柱由[yóu[兩部分組成[chénɡ[，外[wài[邊為支柱中[zhōnɡ[間為拉柱。支柱位[wèi[于上下梁之[zhī[間，拉柱穿過上下梁與支[zhī[柱，用預(yù)緊螺[luó[母將上下梁[liánɡ[及支柱緊緊地固定在一[yī[起，構(gòu)成一預(yù)應(yīng)力機架。在[zài[工作載荷下[xià[，支柱始終為壓應(yīng)力[lì[狀態(tài)，承受彎矩[jǔ[及軸向壓力[lì[，而拉[lā[柱為拉應(yīng)力狀態(tài)，只承受純拉[lā[力。這種預(yù)應(yīng)力機架，在循環(huán)載荷作用下，應(yīng)力波動幅度很小，抗疲勞能[nénɡ[力大。特別[bié[是壓機的三[sān[根柱子軸對稱分布在以[yǐ[載荷為中心[xīn[的圓周上，受載后上下梁和[hé[工作臺的變形與超高壓模具的變形[xínɡ[相吻合。這種變形特點，利于提高模[mó[具壽命。該結(jié)構(gòu)加工工藝較簡單，容[rónɡ[易制造。缺[quē[點是機架重[zhònɡ[量大，加[jiā[工及熱預(yù)緊的[de[技術(shù)要求比[bǐ[較嚴(yán)格。

　　通過對以上三種壓機結(jié)構(gòu)型式[shì[的比較及人[rén[造金剛石合[hé[成生產(chǎn)工[ɡōnɡ[藝對壓機的[de[要求，不難看出，以預(yù)應(yīng)力三[sān[柱式結(jié)構(gòu)作[zuò[大型兩面頂金剛石油壓機的機型為最佳。其次[cì[是預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構[ɡòu[(gòu)的特點，從工作性[xìnɡ[能、整體剛度[dù[、運動精度、抗[kànɡ[疲勞性、加[jiā[工工藝性、綜合造價等[děnɡ[技術(shù)經(jīng)濟(jì)指[zhǐ[標(biāo)方面比[bǐ[較，都優[yōu[(yōu)于疊板框架[jià[式結(jié)構(gòu)。而預(yù)應(yīng)力[lì[三柱式結(jié)構[ɡòu[(gòu)除了比鋼絲纏繞式結(jié)構[ɡòu[(gòu)重些外，其[qí[他都勝過纏繞式。特別是[shì[其上下橫梁[liánɡ[在負(fù)荷下的變形為空間軸對稱狀態(tài)，與它貼合的模[mó[具變形相吻[wěn[合，有利于[yú[提高模具的[de[使用壽命。

　　再從壓機噸位利用[yònɡ[率來看，根[ɡēn[據(jù)有關(guān)資料[liào[和國內(nèi)外使[shǐ[用壓機情況[kuànɡ[表明，鋼絲纏繞結(jié)構[ɡòu[(gòu)壓機的噸位[wèi[利用率僅50%，疊板[bǎn[式結(jié)構(gòu)壓機[jī[還要低，而三柱[zhù[式結(jié)構(gòu)壓機[jī[能達(dá)到70%～85%。壓機的整體剛度對模具[jù[壽命有很大[dà[影響，為了提高硬[yìnɡ[質(zhì)合金模具[jù[的使用壽命[mìnɡ[、降低[dī[金剛石生產[chǎn[(chǎn)成本，選用壓機整[zhěnɡ[體剛度高的[de[機型具有重[zhònɡ[要意義。預(yù)應(yīng)力三柱式[shì[壓機在整體剛度上，以[yǐ[相同壓機噸[dūn[位來比較都[dōu[優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)型式[shì[的整體剛度[dù[。

　　由以上[shànɡ[分析得知，預(yù)應(yīng)力三柱[zhù[式結(jié)構(gòu)是大[dà[型兩面頂金[jīn[剛石油壓機[jī[機型的最佳[jiā[選擇。

　　2　影[yǐnɡ[響壓機結(jié)構[ɡòu[(gòu)尺寸及減振[zhèn[性能的主要[yào[參數(shù)研究

　　眾所周[zhōu[知，金剛[ɡānɡ[石油壓機是[shì[在高度集中[zhōnɡ[載荷下工作[zuò[的，要[yào[求壓機結(jié)構[ɡòu[(gòu)尺寸緊湊、減[jiǎn[振性能好，以利提[tí[高設(shè)備整體剛度及模具[jù[的使用壽命[mìnɡ[。

　　2.1　工作液體壓力對金剛[ɡānɡ[石油壓機結(jié)構(gòu)尺寸的影[yǐnɡ[響

　　主機結(jié)構(gòu)型式選定[dìnɡ[后，壓機工作[zuò[缸液體壓力[lì[對壓機的整[zhěnɡ[體結(jié)構(gòu)尺寸[cùn[是有直接影[yǐnɡ[響的。當(dāng)壓機的噸位[wèi[PH確定后[hòu[，工作缸[ɡānɡ[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[yuè[大，致使壓機結(jié)構(gòu)、重量增大[dà[。反之，提[tí[高p可減小[xiǎo[d、D值，達(dá)到使[shǐ[壓機結(jié)構(gòu)尺[chǐ[寸緊湊、重量[liànɡ[減輕的目的[de[，但有[yǒu[時不能如愿[yuàn[。工[ɡōnɡ[作缸的外徑D、內(nèi)徑d與工[ɡōnɡ[作液壓p有[yǒu[如下關(guān)系[xì[：

　　式中：PH——壓機總壓力;

　　p——工作液[yè[體壓力;

　　D——缸外徑;

　　d——缸內(nèi)徑(或活塞外[wài[徑);

　　[σ]——材料許用應(yīng)力。

　　為了直[zhí[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[zuò[缸結(jié)構(gòu)是以[yǐ[缸底為支承[chénɡ[的結(jié)構(gòu)，缸[ɡānɡ[材料為塑性[xìnɡ[材料，采用第三[sān[強度理論而[ér[得出的公式[shì[。故它不適用于缸體以[yǐ[法蘭支承結(jié)構(gòu)的缸徑計算。

　　從圖2中可知，要想得到[dào[重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的[de[壓機結(jié)構(gòu)，在選擇工作[zuò[液壓時必須選擇圖中的[de[優(yōu)化點Dz、dz、pz所對應(yīng)的值來作壓機主要[yào[參數(shù)值。

　　pz=0.25[σ]　　　(5)

　　式中：dz——最佳的工[ɡōnɡ[作缸內(nèi)徑;

　　Dz——最佳[jiā[的工作缸外[wài[徑;

　　pz——最佳[jiā[的工作液體壓力。

　　2.2　壓機的工[ɡōnɡ[作行程及工[ɡōnɡ[作液體壓力[lì[對壓機減振[zhèn[性能的影響

　　提高金[jīn[剛石油壓機[jī[的減振性能[nénɡ[，至關(guān)重要。從金[jīn[剛石合成生[shēnɡ[產(chǎn)中得知[zhī[，由于[yú[某種原因有[yǒu[時會產(chǎn)生[shēnɡ[模具內(nèi)部爆[bào[炸，此時壓機[jī[會突然失荷[hé[。壓機工作[zuò[缸中的液壓能量迅速釋放出來，使金剛石[shí[壓機產(chǎn)生[shēnɡ[強烈的振動，還導(dǎo)致合[hé[成模具的上[shànɡ[下頂錘與壓缸之間產(chǎn)生強烈的沖[chònɡ[擊，加[jiā[重了模具的[de[損壞。這種損壞的程度與壓機在失荷下[xià[釋放的能量[liànɡ[大小有關(guān)。釋放能量越[yuè[多，破壞程度就越嚴(yán)重。

　　理論研[yán[究表明，工[ɡōnɡ[作缸液體所[suǒ[釋放的能量[liànɡ[與液體單位[wèi[壓力p的平[pínɡ[方成正比，與壓機行[xínɡ[程(工作缸[ɡānɡ[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[dàn[性系數(shù);

　　H——缸液柱[zhù[高度(壓機[jī[工作行程)。

　　由此可[kě[知，在設(shè)計中選用壓機[jī[行程H和工[ɡōnɡ[作液體壓力[lì[p時，要盡量[liànɡ[選取壓機工[ɡōnɡ[作行程小、工作液壓低[dī[的參數(shù)值，以提[tí[高壓機的減[jiǎn[振性能。

　　3　結(jié)束語

　　本文通[tōnɡ[過對大型金[jīn[剛石油壓機[jī[結(jié)構(gòu)型式的[de[比較及對影[yǐnɡ[響壓機結(jié)構[ɡòu[(gòu)尺寸和減振[zhèn[性能的主要[yào[參數(shù)的研究[jiū[，指[zhǐ[出了：①在[zài[選擇和設(shè)計金剛石設(shè)備時，應(yīng)按[àn[照壓機總噸[dūn[位的要求，合理[lǐ[選擇壓機的[de[機型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)用[yònɡ[兩面頂方式[shì[合成金剛石[shí[新工藝的要[yào[求。②合理選擇工作液體壓力和減小[xiǎo[壓機工作行[xínɡ[程(工作缸[ɡānɡ[液柱高度)，對提高壓機[jī[的減振性能[nénɡ[及壓機整體剛性具有重[zhònɡ[要意義。

　　金剛石[shí[油壓機結(jié)構[ɡòu[(gòu)的設(shè)計在很[hěn[多方面不同[tónɡ[于一般的油[yóu[壓機，在設(shè)計時[shí[應(yīng)充分注[zhù[意其特點。我們按[àn[照本文所提[tí[到的設(shè)計思[sī[想和方法，于1993年成功[ɡōnɡ[地研制出了[le[我國第一臺大型兩面頂60MN金[jīn[剛石油壓機[jī[。經(jīng)過有關(guān)單位[wèi[的全面檢測[cè[，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求，設(shè)備的力值精[jīnɡ[度為0.4%。而代表[biǎo[金剛石生產[chǎn[(chǎn)先進(jìn)水平[pínɡ[的日本、德國及[jí[瑞典等國家[jiā[，目前的[de[人造金剛石[shí[設(shè)備力值精[jīnɡ[度保持在±0.5%～1%的[de[水平上。同時[shí[，在該設(shè)備上用65腔[qiānɡ[體模具成功[ɡōnɡ[地合成出了[le[優(yōu)質(zhì)粗顆粒[lì[、高檔[dànɡ[次的人造金[jīn[剛石。實踐證明，設(shè)備工作平穩(wěn)，壓機減振性能[nénɡ[好，整體剛[ɡānɡ[性大，結(jié)構(gòu)緊湊[còu[，選型合理[lǐ[，參數(shù)先進(jìn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計突出了金[jīn[剛石專用設(shè)備的特點。單產(chǎn)比[bǐ[同噸位的六[liù[面頂式壓機[jī[高4倍。