一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备及其压制调控方法

本发明涉及机械自动化，具体而言，涉及一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备及其压制调控方法。

背景技术：

1、在现代工业中，聚晶金刚石复合片(pcd)因其优异的硬度、耐磨性和热稳定性而被广泛应用于切削、钻探和磨削等领域。然而，传统的单层pcd复合片在某些应用场合下存在局限性，例如在高温高压条件下容易发生层间剥离。为了解决这一问题，多层聚晶金刚石复合片应运而生。多层结构可以有效提高复合片的整体性能，增强其在极端条件下的稳定性和使用寿命。

2、然而，现有的多层pcd复合片生产技术存在诸多不足。例如，压制过程中难以实现对各层材料的均匀分布和紧密结合，导致最终产品的性能不稳定。此外，传统的压制设备在调控方面也存在局限，无法精确控制压制参数，如压力、温度和时间等，从而影响了产品的质量和一致性。

3、因此，发明一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备及其压制调控方法，能够有效解决现有技术中的问题，提高多层pcd复合片的生产质量和一致性。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备及其压制调控方法，旨在克服现有技术中的不足，提高多层聚晶金刚石复合片的生产质量和一致性。

2、本发明提出了一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，包括加热部、压力部、冷却部和控制系统；

3、其中，所述加热部被配置为对生产多层聚晶金刚石复合片提供温度场；

4、所述压力部被配置为在加热过程中施加压力；

5、所述冷却部被配置为在合成过程结束后对合成产物进行冷却；

6、所述控制系统与加热部、压力部和冷却部连接；所述控制系统中配置有压制调控程序，所述压制调控程序被配置为根据原料的原始性质数据和产物目标参数设定所述加热部、压力部和冷却部的初始工作参数；所述压制调控程序还被配置为根据环境参数对所述冷却部的初始工作参数进行调整。

7、优选的，所述压制调控程序被配置为：

8、a1)根据原料的熔点获得初始加热温度；

9、a2)根据初始加热温度、加热功率、原料的比热容、原料的初始温度、原料的总重量以及目标加热时间获得初始加热速率；

10、a3)根据原料的初始压实密度、颗粒尺寸、原料纯度以及目标压实密度，结合加热过程中原料的热膨胀系数，获得初始施加压力；

11、a4)根据初始加热温度、原料的热膨胀系数、原料的体积模量、初始施加压力以及目标施加压力，获得初始压力施加速率；

12、a5)根据初始加热温度、目标冷却温度、原料的热导率、原料的密度、原料的比热容以及目标冷却时间，获得初始冷却速率。

13、优选的，利用以下计算式，根据原料的熔点获得初始加热温度：

14、t0＝max(tm,d，tm,s)+δtm；

15、其中，t0表示初始加热温度；tm,d表示金刚石粉末的熔点；tm,s表示硬质合金衬底的熔点；δtm表示安全温度余量；max(tm,d，tm,s)表示取tm,d和tm,s中的较大值。

16、优选的，利用以下计算式，根据初始加热温度、加热功率、原料的比热容、原料的初始温度、原料的总重量以及目标加热时间获得初始加热速率：

17、

18、

19、其中，rh0表示初始加热速率；rh1表示加热速率i；rh2表示加热速率i i；t0表示初始加热温度；t i表示原料的初始温度；th表示目标加热时间；q表示加热功率；m表示原料的总重量；cp表示金刚石粉末和硬质合金衬底的加权平均比热容。

20、优选的，金刚石粉末和硬质合金衬底的加权平均比热容的计算式为：

21、

22、其中，cp表示金刚石粉末和硬质合金衬底的加权平均比热容；mi为第i种原料的质量；cp,i表示第i种原料的比热容。

23、优选的，利用以下计算式，根据原料的初始压实密度、颗粒尺寸、原料纯度以及目标压实密度，结合加热过程中原料的热膨胀系数，获得初始施加压力：

24、

25、其中，pi表示初始施加压力；di表示原料的初始压实密度；dt表示目标压实密度；cf表示基于颗粒尺寸和纯度确定的压实因子；ev表示热膨胀后的有效体积；

26、基于颗粒尺寸和纯度确定的压实因子cf的计算式为：

27、

28、其中，ja表示金刚石粉末的平均粒径；jmax表示金刚石粉末的最大粒径；pp表示金刚石粉末的纯度；

29、热膨胀后的有效体积ev的计算式为：

30、

31、δt＝t0-ti；

32、其中，v0,i表示第i种材料的初始体积；βi表示第i种材料的体积热膨胀系数；t0表示初始加热温度；ti表示原料的初始温度；δt表示温度变化量。

33、优选的，利用以下计算式，根据初始加热温度、原料的热膨胀系数、原料的体积模量、初始施加压力以及目标施加压力，获得初始压力施加速率：

34、δvd＝vd·βd·δt；

35、δva＝va·βa·δt；

36、

37、vt＝va+vd；

38、

39、其中，rp表示初始压力施加速率；kd表示金刚石粉末的体积模量；βd表示金刚石粉末的体积热膨胀系数；vd表示金刚石粉末的初始体积；ka表示硬质合金衬底的体积模量；βa表示硬质合金衬底的体积热膨胀系数；va表示硬质合金衬底的初始体积；pd表示金刚石粉末的额外压力需求；pa表示硬质合金衬底的额外压力需求；δpd表示金刚石粉末由于温度变化引起的压力增量；δpa表示硬质合金衬底由于温度变化引起的压力增量；vt表示金刚石粉末和硬质合金衬底的总的初始体积；vd表示金刚石粉末的初始体积；va表示硬质合金衬底的初始体积；δt表示施压时间；δva表示硬质合金衬底的体积膨胀量；δvd表示金刚石粉末的体积膨胀量；pf表示目标施加压力。

40、优选的，利用以下计算式，根据初始加热温度、目标冷却温度、原料的热导率、原料的密度、原料的比热容以及目标冷却时间，获得初始冷却速率：

41、

42、ht＝(md·cp,d+ma·cp,a)·tx；

43、其中，rc表示初始冷却速率；ht表示金刚石粉末和硬质合金衬底的总热量；hf表示最终目标温度对应的热量；δtx表示目标冷却时间；md表示金刚石粉末的质量；ma表示硬质合金衬底的质量；cp,d表示金刚石粉末的比热容；cp,a表示硬质合金衬底的比热容；tx表示冷却开始时的温度。

44、优选的，利用以下计算式，根据环境参数对所述冷却部的初始工作参数进行调整：

45、

46、其中，ra表示调整后的冷却速率；rc表示初始冷却速率；ty表示目标冷却温度；k表示冷却速率经验调整系数；tamb表示冷却过程中的环境温度。

47、本发明还提供一种生产多层聚晶金刚石复合片的压制调控方法，包括：

48、根据原料的熔点获得初始加热温度；

49、根据初始加热温度、加热功率、原料的比热容、原料的初始温度、原料的总重量以及目标加热时间获得初始加热速率；

50、根据原料的初始压实密度、颗粒尺寸、原料纯度以及目标压实密度，结合加热过程中原料的热膨胀系数，获得初始施加压力；

51、根据初始加热温度、原料的热膨胀系数、原料的体积模量、初始施加压力以及目标施加压力，获得初始压力施加速率；

52、根据初始加热温度、目标冷却温度、原料的热导率、原料的密度、原料的比热容以及目标冷却时间，获得初始冷却速率；

53、根据所述初始加热温度、初始加热速率、初始施加压力、初始压力施加速率和初始冷却速率进行多层聚晶金刚石复合片的压制生产。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

55、1.提高了压制过程的精确度，通过综合考虑原料的物理特性(如粒径、纯度、热膨胀系数等)，能够更准确地设定初始施加压力和压力施加速率，从而确保原料在加热过程中达到预期的压实密度。

56、2.优化了冷却过程，通过计算初始冷却速率和调整后的冷却速率，可以更有效地控制冷却速度，避免因温度变化过快导致的材料内部应力和裂纹，从而提高多层聚晶金刚石复合片的质量。

57、3.通过环境参数的调整，本发明能够适应不同的生产环境，确保在不同温度条件下，压制过程的稳定性和重复性，从而提高生产效率和产品的一致性。

58、4.本发明的压制调控方法不仅适用于多层聚晶金刚石复合片的生产，还可以扩展到其他复合材料的压制生产中，具有广泛的应用前景。

59、5.通过精确控制加热和冷却过程，本发明能够减少能源消耗，降低生产成本，同时减少对环境的影响。

60、综上所述，本发明提供了一种高效、精确且环保的多层聚晶金刚石复合片压制调控方法，能够显著提高产品的质量和生产效率，具有重要的工业应用价值。

技术特征：

1.一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，包括加热部、压力部、冷却部和控制系统；

2.根据权利要求1所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，所述压制调控程序被配置为：

3.根据权利要求2所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，利用以下计算式，根据原料的熔点获得初始加热温度：

4.根据权利要求3所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，利用以下计算式，根据初始加热温度、加热功率、原料的比热容、原料的初始温度、原料的总重量以及目标加热时间获得初始加热速率：

5.根据权利要求4所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，金刚石粉末和硬质合金衬底的加权平均比热容的计算式为：

6.根据权利要求2所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，利用以下计算式，根据原料的初始压实密度、颗粒尺寸、原料纯度以及目标压实密度，结合加热过程中原料的热膨胀系数，获得初始施加压力：

7.根据权利要求6所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，利用以下计算式，根据初始加热温度、原料的热膨胀系数、原料的体积模量、初始施加压力以及目标施加压力，获得初始压力施加速率：

8.根据权利要求2所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，利用以下计算式，根据初始加热温度、目标冷却温度、原料的热导率、原料的密度、原料的比热容以及目标冷却时间，获得初始冷却速率：

9.根据权利要求2所述的用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备，其特征在于，利用以下计算式，根据环境参数对所述冷却部的初始工作参数进行调整：

10.一种生产多层聚晶金刚石复合片的压制调控方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及机械自动化技术领域，公开了一种用于生产多层聚晶金刚石复合片的设备及其压制调控方法，其中设备包含加热部、压力部、冷却部和控制系统。加热部负责提供温度场以生产多层聚晶金刚石复合片；压力部在加热过程中施加压力；冷却部用于合成后对产物进行冷却；控制系统连接各部分，并包含压制调控程序，该程序根据原料数据和目标参数设定工作参数，并根据环境调整冷却部分参数。本发明通过优化压制调控程序，实现了对生产过程的精确控制，从而提高了多层聚晶金刚石复合片的质量和生产效率。

技术研发人员：孟德忠,侯东旭,岳文,佘丁顺
受保护的技术使用者：中国地质大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5