1963年12月6日，我國在兩面砧裝置上合成了第一顆人造金剛石，并在重復試驗中多次得到，從而基本上完成了在實驗室內得到人造金剛石的第一階段試驗工作。為了繼續擴大成果，找出更合理的合成工藝方案，過渡到工業生產上去，第一機械工業部一方面組織有關單位，編制了“人造金剛石中間試驗計劃任務書”，以（64）機密技字2168號文，報請國家科委審批。一方面立即作出明確安排：中間試驗基地設在三磨所內，中間試驗由三磨所總負責，北京通用機械研究所、濟南鑄造鍛壓機械研究所和上海材料研究所等單位參加。

　　1964年春，一機部召開的計劃工作會議上已經作了協調安排，然后以（64）二局鑄字第906號文件，給濟南鑄造鍛壓機械研究所發出“關于下達六面加壓專用液壓機試驗研究品試制計劃的通知”，通知說：三磨所為了承擔國家人造金剛石的重點科研項目，急需六面加壓專用液壓機（又稱六面頂）一臺，現決定將該產品的設計、試制計劃正式下達你所，列為試驗研究品項目。要求在1965年上半年完成試制，并爭取提前。希接通知后即將各項工作安排落實。

　　時任濟南鑄造鍛壓機械研究所副總工程師的范宏才從北京香山回所后，立即向第四研究室布置了任務，由研究室主任閔學熊負責組織液壓機組的王留德、于秀勤、楊大春和我成立了“121課題小組”。1964年4月，三磨所就派出于鴻昌、余征民二人來到濟南，向課題組介紹人造金剛石的國內外發展情況，提出了人造金剛石工藝試驗對設備的要求。余征民同志就留在濟南，參加課題小組，自始至終，全程合作。

　　范總工程師結合工業化生產人造金剛石的目標，對第一臺六面頂試驗樣機提出了下列技術要求：

　　1、滿足人造金剛石工業性生產工藝的試驗研究；

　　2、具有半自動循環工作規范，適合工業性生產人造金剛石；

　　3、單次循環時間30——45分鐘；

　　4、壓力腔內的最高壓力達到7萬——10萬大氣壓；

　　5、壓力腔內的最高溫度達到1600——2000度；

　　6、保壓時間30分鐘；

　　7、頂錘的同步性必須保證壓力腔的可靠密封；

　　8、頂錘壽命達到300次以上。

　　以上技術指標，意味著人造金剛石的工業性生產設備必須采用特殊的結構、材料和超高壓液壓傳動。然而，我國當時的液壓技術才起步不久，液壓機行業的技術水平很低，還處于測繪和仿制階段。行業標準中也只有最高壓力為200kg／cm2的部分簡單的液壓機和液壓元件標準。能夠獨立設計制造的，主要是一些簡單的、中小型液壓機。即便如此，還普遍存在漏油的問題。濟南鑄造鍛壓機械研究所當時還剛剛從“設計處”轉型成立，試驗與加工條件十分簡陋。研究制造六面頂超高壓液壓機，面臨一系列技術難題。而且，六十年代初的國際環境，我國正處于帝、修、反的技術經濟封瑣之中，沒有任何技術資料可以借鑒，只能自力更生，通過設計分析、實驗研究去解決。這樣一個包含許多探索性難題的任務，要求在一年內完成，時間十分緊迫。

　　面對這項十分艱巨的任務，范總工程師組織了第四研究室“121”課題組，第五研究室電氣、金屬材料、理化檢驗等專業人員和試制車間、供應科等有關部門，通力合作。在保證工作質量的前提下，搶時間、趕進度。要求“121”課題組在六面頂液壓機的方案設計、技術設計初步確定以后，提前提出鉸鏈樑、工作缸等大件毛坯的協作圖紙，由供應科落實協作。與此同時，提前進行超高壓密封試驗裝置的設計與制造和超高壓密封性能與壽命試驗。通過單項試驗，選取最佳方案，確定主機的結構，進一步完善施工設計。另一方面，提前進行大件加工工藝裝置的設計、制造，以便保證大件加工的進度不拖后腿。這樣，把多項工作有序結合，交叉進行，爭取贏得時間，盡快完成樣機試制。其中，必須解決與可能解決的技術難題，盡量在設計、試驗、制造過程中，逐個解決；必須在樣機制造出來之后，才能進行的頂錘與多缸活塞同步性試驗，盡早做好充分準備。耐人尋味的是，為了保重點、搶進度，連鉸鏈床身打膩子、噴漆這種修飾性工序也省略了，所以6×600噸鉸鏈六面頂樣機有個愛稱“大老黑”。

　　當時，在試驗樣機的設計與試驗中必須解決的關鍵技術問題有：

　　1六面頂主機的獨特結構與材料問題；
　　2 超高壓液壓密封的問題；
　　3超高壓單向閥和超高壓管接頭的問題；
　　4多缸活塞同步的問題；
　　5壓力穩定與長時間保壓的問題；
　　6頂錘的結構強度與壽命問題。擇要回顧如下：

　　一、鉸鏈六面頂主機的結構分析

　　六面頂超高壓液壓機，要求在其主機中心的葉蠟石壓力腔內，穩定地建立7萬～10萬大氣壓的壓力。當初設定腔體為φ10mm，葉蠟石方塊為32×32×32ｍｍ，頂錘頂面22×22ｍｍ。在頂面面積上產生10萬大氣壓需要的力是500噸左右，葉蠟石飛邊上的壓力損耗大約30％，由此，液壓缸的噸位定為600噸。參考有關單位的經驗，液壓缸的材料準備采用炮鋼，與炮鋼強度對應的工作液體最佳壓力應該是1250 kg／cm2。為了在超高壓設備方面摸索一些經驗，故意提高一級，選擇液體工作壓力為1500 ｋg／cm2 。

　　在缸樑結構的分析上，如果采用整體鍛造，雖然結構更為緊湊，但加工未必方便。更主要的是超高壓容器的設計缺乏經驗，鉸鏈梁的特殊結構，設計得正確與否，有待試驗樣機出來以后，進行應力測試。如果，缸、梁合為一體，使得零件受力的繁雜程度增大，一旦局部損壞，導致整體報廢。再者，超高壓工作缸的應力很高，而鉸鏈梁的應力很低，相差十分懸殊，不宜采用同一種材料，因此，采用缸、梁分體結構。

　　鉸鏈體的設計是主機結構設計中難度較大的部件，鉸鏈床身的結構特殊，六面投影相同，等于只有一個投影。各部位的尺寸位置和操作空間，圖面上無法測量。只能在強度計算和平面結構尺寸分配的基礎上，做出幾種軸測投影來判斷空間位置的尺寸。第一稿鉸鏈梁的兩個端面是平行的，通過計算分析，組裝成鉸鏈床身后，操作空間很小，受力狀況也不太好。經過反復多次的設計調整，最后確定，兩個鉸鏈孔中心距的尺寸為830 mm，相對內平面上翹70 mm.的結構方案最佳。這個問題，對鉸鏈六面頂液壓機的順利發展有著直接的影響。一旦設計不當，頂錘不能從鉸鏈連接的空間中安裝進去，樣機就不便使用或無法使用，必將造成大件返工，可能大大延誤研制進程。

　　六組超高壓工作缸安裝在上、下、左、右、前、后六個鉸鏈梁中。在主缸活塞的端面上，通過絕緣材料、大墊塊和小墊塊，安裝六個頂錘，六個頂錘的頂面在壓機中心構成一個立方形空間，用于放置葉蠟石塊。主機的這種結構，既能適應頂錘尺寸的變換，又增加了幾何對中的調節環節。一雙扁螺母坐落在活塞上，作為可調節的定位機構。結構簡單，調整方便，定位準確可靠。這些結構的制定，使主機滿足了工業生產的要求，十幾年的用戶訪問和四次改進設計，均得到繼承和保留。

　　二、超高壓密封的設計與試驗

　　超高壓密封是六面頂超高壓液壓機設計研究中最關鍵的一個問題，一旦密封漏油，采用等量供液原理的同步方案就沒有基礎，保壓也不可能，更談不上穩壓的問題。嚴重的情況下，超高壓都建立不起來。此外，即使密封性能尚可，而壽命不高，也不能用于生產。因為鉸鏈式六面頂液壓機結構封閉，更換密封時必須拆開鉸鏈梁，不僅操作不便，而且影響設備精度。因此，超高壓密封是研究制造六面頂超高壓液壓機的首要問題。

　　然而，在六十年代初，我國液壓機行業只有200 kg／cm2～320 kg／cm2 的密封標準。即使是 200 kg／cm2 的密封產品，漏油是習以為常的。國際合作，四面楚歌。因此，要解決超高壓密封問題，只有一條路——自力更生，尋求方案，自行設計，研究試驗。而且，時間上必須趕在主機設計審定之前。就這樣，在主機設計方案確定之后，首先進行超高壓密封的設計研究和超高壓密封試驗臺的設計與制造。要求在兩個月之內完成階段工作，進入超高壓密封裝置實體的密封性能與壽命試驗。

　　超高壓密封裝置的設計，是從米赫耶夫的“高壓密封裝置的新結構”一書中推薦的V型橡膠密封圈入手的。

　　第一個方案是按書中介紹，對1000 kｇ／cm2 的超高壓具有良好的密封性能的密封圈。作了兩點修改，用到 1500kｇ／cm2，一是，增加V翼的厚度，提高耐磨性，增加高度，加強底部強度。二是，為提高材料的強度和耐磨性，改用聚乙烯塑料制造。

　　第二個方案是在進一步分析、比較了十多種密封結構的資料，發現Ο型密封圈具有形狀簡單，沒有尖角，不致破壞油膜，可以雙向密封的優點，決定自行設計Ο型密封圈加聚乙烯保護環的組合密封。Ο型密封圈的設計是參考前蘇聯“機械制造通報”雜志上，斯金斯基“關于園斷面橡膠密封圈的強度計算”一文，對橡膠Ο型密封圈在第一種工作狀況下，即Ο型圈斷面變形到還未擠入密封間隙時的工作狀況，應用它剪切層面的應力平衡方程式，計算出密封間隙、溝槽結構要素，預壓量以及Ο型圈的截面尺寸。同時考慮以下措施，①采用耐磨性較高的聚乙烯塑料保護環來減小活塞與工作缸之間的間隙，保護Ο型密封圈；② 活塞上密封圈溝槽邊緣的銳邊只倒園R0.5，③ 選用強度極限與彈性模量比值較高的丁晴橡膠材料制造。

　　第三個方案是把第二方案中的整體聚乙烯保護環，改為膨脹環，利用膨脹環的彈性，進一步減小活塞與工作缸之間的間隙，保護 O型圈。

　　以上三個方案，經過超高壓密封試驗臺的實體試驗，取得下列試驗結論：

　　1、采用兩道Ο型密封圈加保護環的結構和Ο型圈加膨脹環的結構，都達到良好的密封性能和較高的試驗壽命：

　　在1450 kｇ／cm2 的壓力下，行程50 mm ，活塞與工作缸的間隙為0.05mm，的條件下，往復運動4 萬次，最大泄漏量不超過 0.1 cc／min 。而且，磨損很少，還能繼續使用。

　　2、V型密封圈的壽命在同樣壽命4 萬次的情況下，泄漏量達到0.25cc／min.

　　以上實物試驗證明，Ο型密封圈加保護環的結構能夠達到可靠的密封和8 萬次以上的單向升壓循環的工作壽命。實際上，鉸鏈六面頂液壓機的活塞最大行程為50 mm ，超高壓工作行程只有幾毫米，實際使用壽命將大大超過8 萬次。

　　三、六面頂頂錘的設計與試驗

　　六面頂頂錘的設計是參照兩面頂頂錘的經驗，采用Brigman 大支承原理和鋼環箍緊的結構，最初設計成直徑φ5×046mm ；頂面 22×22 mm ；側面斜度為46 度；材料為硬質合金G6.等待鉸鏈六面頂液壓機試車后，進行試驗。六面頂頂錘試驗首先要解決的問題是：

　　(一)檢驗大支承的比例關系；確定頂面面積與圓錐體部分最大支承面積的比例，使頂錘達到最大承壓的要求；

　　(二)通過試驗，確定能夠密封住葉蠟石高壓密封腔的頂錘側面斜度，保證葉蠟石腔體內建立7—10萬大氣壓。

　　第一階段的試驗，

　　1、主要是試驗不同頂面尺寸和改變頂錘壓入鋼環的過盈量，確定了使頂錘達到最大承壓的要求，參照兩面頂頂錘的大支承原理，頂面面積與圓錐體部分最大支承面積的比例為1比10 ；六面頂頂錘φ50×46頂面的面積加工成15×15；頂錘壓入鋼環的過盈量為5‰ ；通過這一輪試驗，把頂錘頂面定為22×22mm，頂錘直徑定為φ70×46mm.

　　2、能否保證葉蠟石腔體內建立7萬——10萬大氣壓，主要取決于三個因素：a.頂錘同步性比較好；b.葉蠟石組裝塊中的試料尺寸適當；c.葉蠟石在頂錘斜面之間的飛邊具有足夠的摩擦力。這三個因素是相互關聯的，本階段的試驗就在于摸索、調整三者的關系，達到葉蠟石密封可靠，試料尺寸最大。通過本這一階段的試驗，取得了如下頂錘頂面幾何尺寸的設計數據：

　　如果進一步減小頂錘斜面的角度，壓力損失也將進一步相應增大。所以，從頂錘斜面的因素達到葉蠟石密封基本可靠以后，進一步減少、消除爆炸機率，應該從提高頂錘同步與優化葉蠟石腔體設計來解決。

　　四、多工作缸液系統同步性試驗

　　（一）同步要求的由來：

　　1、使葉蠟石各密封邊有足夠的密封能力，避免試料在高溫高壓下爆炸；

　　2、使頂錘受力盡量均衡，提高使用壽命；

　　3、使葉蠟石腔體內壓力盡量均勻，提高石墨向金剛石的轉化率。

　　（二）同步偏差的概念：葉蠟石塊壓縮到額定壓力后，六個頂錘行程的差別定義為同步偏差。

　　試驗方案一、“等量供液加壓”：

　　就是用六個等截面的工作缸，充于等量的高壓油，推動六個等截面的柱塞等速前進，保證六個頂錘運動同步。試驗表明，這個方案在理論上能夠達到同步，實際上效果并不理想。表現在兩個方面：

　　1、六只工作缸的油壓不均勻，差別很大。當壓力升高到200kｇ／cm2時，六缸壓力分別為：200、160、130、60、180、和150kｇ／cm2，差別太大;

　　2、同步精度也不理想，當壓力升到380kg／cm2時，上、下、左、右、前、后六頂錘的行程分別為3.14、1.24、3.14、1.27、--？、3.66mm.當壓力升到400kg／cm2時，為3.92、1,48、2.76、1.42、--、？3.98mm 。最大同步偏差達到2.42mm和2.56mm 。造成同步偏差這么大的因素有漏油、制造偏差、管道長度、六個封閉容腔中的油量不同等等。

　　試驗方案二、“自由充液與等量供液加壓”：

　　為了消除制造偏差、彈性變形等偏差的影響，在進行超高壓之前，先進行200kg／cm2以下的“充液”，然后等量供液加壓。這個方案對

　　1、工作缸油壓不均勻的問題解決得比較好；
　　2、對同步精度仍不理想。

　　試驗方案三、“節流充液與等量供液加壓”，通過分析，自由充液與等量供液加壓的試驗表明，自由充液階段，因為六只缸是聯通的，各缸壓力差別不大，但也因為聯通，各缸的供液量因阻力不同而不同，所以同步性不好。如果，在充液階段，各缸的油路中加進各自的節流閥，用于調節各缸油路的阻力，就能平衡各缸的供液量，改善同步性。在這種試驗方案中，又分兩種情況：

　　1、在充液過程中隨時調節阻力（供液量），這種辦法，試驗達到的同步精度很高，最大同步偏差在0.05—0.59之間，但手續不勝其煩，而且，調節時頂錘頻繁錯動，葉蠟石有破碎現象不適合工業生產。

　　2、把節流閥調節好以后，在充液過程中不調節，這種辦法所帶來的同步偏差大于上述0.59mm ，在0.22—1.38mm之間，基本滿足合成工藝的要求。至此，單項試驗暫時告一段落，試驗樣機轉入金剛石合成工藝的移植試驗。設備設計研究人員配合操作機器，深入了解設備性能。

　　1965年8月，三磨所派來了以王光祖為人造金剛石項目負責人的試驗小組，其成員是，邵德厚、余志超、李進保、閆聚武等人，與試驗樣機的頂錘試驗和同步試驗一起，開展測溫、測壓的工作。隨著頂錘試驗的順利進展，葉蠟石高壓腔密封性日趨穩定，爆炸現象基本消除，用鉍、鉈、銫、鋇四種元素，逐級測得了相應的相變點，證明鉸鏈六面 頂液壓機，能夠在相應的葉蠟石試料腔內，穩定地建立起以上四種元素的相變壓力。達到人造金剛石合成壓力的要求。1965年10月，開始標定溫度，進行金剛石合成工藝試驗。1965年11月5日第一次合成出了人造金剛石，正式宣告鉸鏈式六面頂液壓機的研制成功。經過半個多月的重復試驗，合成幾率節節攀升，接近穩定。移交三磨所后，1966年樣機在鄭州的中間試驗的過程中，完成了第六砂輪廠的建廠全套工藝準備的同時， 就生產了五萬多克拉金剛石。為人造金剛石行業的形成和發展打下了良好的基礎。緊接著，就為建設第一座人造金剛石專業生產廠，修改設計圖紙，制造第一批鉸鏈六面頂超高壓液壓機。

　　但是，前面提到，鉸鏈六面頂超高壓液壓機是一個包含許多探索性難題的任務，要求在一年的時間內完成，時間十分緊迫。在這一年中，圓滿完成了必須解決與可能解決的技術難題，建立了合成人造金剛石必須的高溫、高壓的條件，驗證了合成工藝，可以穩定地獲得了人造金剛石。同時也把第二層次的問題呈現得更清楚了。主要是：頂錘問題，雖然達到10個平均545次、最高700次，超過任務指標300次。但試驗表明潛力很大；同步問題，雖然能達到0.22—1.38mm左右，平均0.8mm，也只是基本滿足生產要求。同步方案探討得尚少。當時的試驗方案四，“分段充液，等量供液加壓”由于當時試驗樣機忙于搬遷到鄭州去做中間工藝試驗，也因同步裝置的設計和制造都還存在一定的問題，只試驗不多，沒有得出結果。只是隨著生產的快速發展，依靠廣大用戶操作熟練，不斷提高水平，改善效果。一直到1972年，為研究發展大顆粒單晶體和聚晶金剛石的需要，提出進一步提高六面頂壓機同步保壓性能的研究。（本文作者：濟南鑄鍛機械研究所 陸乃焜；摘自《中國超硬材料工業五十年》）