超硬材料六面顶压机设备主要控制技术创新分析

超硬材料六面顶压机设备主要控制技术创新分析

蒋小平

身份证号： 45232319780105**** 桂林市同力自动化系统有限责任公司 54100 4

摘 要：随着国内超硬材料行业对高温高压合成环境的要求不断提高，六面顶压机在工作过程中腔体的均一性、稳定性及安全性越来越多的受到技术人员的重视。特别国内装备技术人员通过多年研究已经清晰的认识到超硬材料合成产品品质的高低，主要体现在设备控制环节稳定性，需要技术提升的主要技术指标两个：压力、温度的重要性。对高温高压稳定性具有非常重要的意义，本文从设备的控制角度及自身设计技术出发，通过对上述过程研究进行分析，提出对两个主要技术在控制过程中创新与提升，更好地为合成金刚石，复合材料，钻石产品服务进行提升控制水平。

关键词：六面顶压机，超硬材料合成，自动控制，压力，温度， 比例阀

六面顶压机是依靠六个工作缸同步加压来完成充液动作，并通过活塞的相互位置关系来建立超高压密封系统，达到到超高压保压状态，及压力释放卸压的过程，并在高压中进行加热产生高温，在高温高压下发生复杂变化的合成过程，这些每个环节的误差累积量导致超硬材料六面顶压机建立的超高压环境存在更多的不确定性。这些不确定性映射到制品生产环节就直接导致了工艺重复性差，产品质量不稳定性。因此，提升压机超压 ，温度等基础精度控制技术，对提高超硬材料六面顶压机制品质量与设备的安全稳定性具有非常重要的意义。

一：压力控制技术创新及精度提升研究

压力的形成过程，从无到有，从六缸空程到位—暂停-充液-超高等逐步形成并建立高压系统的过程。主要通过PLC+上位机自动化控制来实现，在这过程中需要液压电控的紧密配合控制。市场上目前主要有两种压力控制系统：增压系统，高压泵/往复式系统。

1.增压器系统：

工作在0～100MPa，采用超高压液控阀件，通过PLC程序控制电机进行增压器超补压。控制流量是工作流量的7.7倍（增压比），升降压平缓、压力控制稳定，使得超压时对缸内压力冲击减少，平稳。由于增压比，稳定性好，高料及复合片厂家使用多。做特殊产品在48小时以内比较适合。也可通过加装特殊升压件，满足长时间保压。前期投资稍高，后期维护费用少。

2.高压泵/往复式系统：

高压泵/往复简单结构图

采用PLC自动化控制偏心轮推动柱塞增压，循环增压，.循环工作的柱塞结构存在周期性压力脉动，直接作用在超高压油路，对升压、降压精度控制困难，精度低，稳定性差。由于没有增压器的缓冲，使得超压时对缸内压力冲击大，影响高端产品的合成。前期投资稍少，后期维护费用高，但可以长时间保压的好处。

增压器系统与高压泵/往复系统两种升压压力系统催生出控制方式主要有以下几种压力控制：

普通泵+单向超压阀启停超补压：常规控制方式控制精度低，过冲大，流量不可调，静态单向被动控制。

变频泵+单向超压阀变频超补压：流量基本可控，控制精度有所提高，过冲减少，但存在干扰源静态单向被动控制。

高压泵直接超补压: 直接作用在超高压油路，控制精度低，过冲大，流量不可调，稳定性差，由于背压大，产生电流大，容易烧坏电机,静态单向控制。

往复式超补压: 如打气筒工作方式，多缸联动配合，有所提升，还是控制精度低，过冲大，流量不可调，稳定性差，维修率高,静态单向控制。

.以上几种控制都是被动控制，等实际压力产生压差时才进行超补压，不是同步控制，存在滞后的锯齿形压力，对高压控制比较粗略，压力波动也比较大，高收益时代还可以满足需求，现在需要品质的，才能有竞争优势，压力平稳对高压腔体产品冲击就更少，就需要对自动化控制系统与液压系统进行升级突破创新，才能更高好地提升产品竞争力。针对市场需要，我们在原有基础上进行研究开发出更适合高压控制的动态平衡超压控制。鉴于动态压力控制计算法工业PLC发出提前响应，主动控制，压力同步控制精确。进行升压降速度及精度等进行全过程精准控压，取消增压器系统中的变频器控压，避开了电磁干扰源，提高了整个控制系统的稳定性和控制精度。比例阀实现压力曲线的升压、稳压、补压、降压 全程精确跟踪控制，当合成腔内由于材料相变或热应或热应变出现体积收缩或膨胀引起腔体内压力波动时，该系统可以迅速自动调整保持腔体内的压力趋于恒定, 实现真正意义上的压力动态平滑恒定，减少冲击，非常适合新工艺、 新产品和高端产品的研发及生产控制。对压力的追踪更加接近实际情况，对于提高晶体生长质量，消除应力、裂纹有非常好的效果，波动可控性与精度达到目前领先水平。最近两年在复合片高端产品、宝石、特殊材料复合生产中得到广泛的使用，全程无级可调。如图

升级前后对比效果图如下，压力精度大大提高，更好地服务与新型材料的高压合成，为整个行业突破提升了一大步，也产生良好的社会经济效益。

在安全控制范围内可以实现客户各种速度设置，保证长时间超压保压卸压各段速度的精确动态平衡控制，保证压力控制在+/-0.02-0.05的波动范围。实现真正意义上的曲线可控，设定与实际重合。实验如图：

二：温度控制技术创新及重复性提升研究

六面顶压机大规模采用旁热式加热以来，加热电阻重复性差导致同一产品在同一时间内加热相同功率产生温度的不一致性，导致产品温度控制的时好时坏，一直困扰国内六面顶压机用户的老问题。

国内客户为了追求经济效益，大压机尽可能增大腔体容积，并提高加热电阻减少能源消耗，行业内普遍将加热碳管设计的非常薄，如此带来的后果是碳管变得非常脆弱。而在充液与升压过程中，脆弱的碳管极有可能随着叶腊石的收缩随机出现不同程度的开裂或折断现象。进入高压加热工步以后，碳管的破坏与内部挤压重组的变化就会产生不同的接触电阻。在相同电流经过不同电阻上产生实际功率(W=I²XR)就出现细微差别与波动，这就出现在加热过程中出现某个时间点（通过研究发现一般都在加热100-400秒之间）的电阻变化导致温度漂移变化，出现产品不稳定性。出现这种情况一是充液的不同步性提前破坏电阻结构，二是升压后的挤压产生内部材料重组电阻接触变化而出现的温度变化，这些都是导致产品加热后不一致性。在无法完全解决液压同步性的情况下，可以通过外部干预加热自动补偿来弥补电阻变化导致温度不一致，采集不同产品的材料对电阻，电流，电压敏感性数据，通过PLC及上位机电脑程序来判断功率的增减实现自动补偿。需要采集数据进行特殊运算进行编程控制，我们开发自动加热补偿控制程序已经在不同厂家实际生产中得到很好运用，得到客户一致好评，保证了相对的重复性，大大提高产品的品质一致性，提升社会经济效益。

自动补偿设计如图：

三：结论

对目前大压机的控制，主要体现在压力与温度控制，通过位移检测手段的配合，依靠工业PLC及电脑上位机的监控控制，更多数据采取，进行特殊运算处理，更好地保证设备可靠可控实现自动化精准控制，大大提高六面顶压机设备的控制精度与稳定性。经过多年的运用，实浅证明对超硬材料行业发展，有着积极意义，提升产品质量，创造了更多社会经济价值！

参考文献：

[1] 可编程序控制器编程手册 日本 OMRON PLC，1999年

[2] 方啸虎 温简杰 我国六面顶压机大型化的优势及压机继续大型化的难点和对策 超硬工程2012