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超硬材料兩面頂合成裝置，簡(jiǎn)稱兩面頂裝置，在國際上稱為BELT型超高壓合成裝置，廣泛用于合成人造金剛石、立方氮化硼等超硬材料。如圖所示，兩面頂裝置由一個(gè)硬質(zhì)合金壓缸、兩個(gè)硬質(zhì)合金頂錘，以及各自的組合預(yù)應(yīng)力圈組成。
硬材料合成過程中，合成腔體內(nèi)部的壓力高達(dá)6GPa，溫度高達(dá)150℃。根據(jù)不同的合成工藝，該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間可從幾分鐘到數(shù)十分鐘。由于工作條件惡劣，兩面頂裝置關(guān)鍵部件-壓缸、頂錘的表面極易出現(xiàn)裂紋，因此，影響了使用壽命。對(duì)兩面頂裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對(duì)于降低應(yīng)力水平，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本，都具有重要意義。
從結(jié)構(gòu)上看，壓缸不是一個(gè)簡(jiǎn)單的厚壁空心筒，作用于內(nèi)錐面的壓力呈現(xiàn)非均勻分布。因此，在研究壓缸內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，不能采用傳統(tǒng)的解析方法，如Lame應(yīng)用公式等，必須進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算。由于壓缸、頂錘的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)均為軸對(duì)稱，所以取其子午面做為分析對(duì)象，建立相應(yīng)的有限元分析模型。采用四節(jié)點(diǎn)等參軸對(duì)稱單元，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
根據(jù)該分析模型計(jì)算出的理論合成力為970k3N，而生產(chǎn)中實(shí)際的合成力為950kN，二者的相對(duì)誤差僅為2.1%。由此可見，本文建立的有限元分析模型具有較高的精度。
在超硬材料合成過程的初期，受頂錘的擠壓作用，葉臘石在錐面處形成密封墊。葉臘石密封墊與壓缸、頂錘之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，在壓缸內(nèi)錐面及頂錘錐面處，不可避免地存在著摩擦力。正是由于摩擦力的存在，才保證了合成腔體內(nèi)穩(wěn)定壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的形成和存在。因此，摩擦力對(duì)于壓缸、頂錘的強(qiáng)度有著重要影響。
對(duì)比以往的研究工作，在分析模型中考慮了摩擦力的影響，這是本項(xiàng)研究的重要進(jìn)展之一。
壓缸、頂錘均受到多層組合預(yù)應(yīng)力圈的徑向預(yù)緊作用，其目的在于，抵消由于內(nèi)壓力而形成的切向拉應(yīng)力。假設(shè)徑向預(yù)緊力P、P沿軸向均勻分布。由圖可知，合成壓力集中在壓缸的內(nèi)孔表面上，而徑向預(yù)緊力均勻作用于壓缸外圓周的全表面上。因此，在壓缸子午面內(nèi)，必然存在著縱向彈性彎曲，并由此引發(fā)軸向拉應(yīng)力。
從降低彎曲變形的觀點(diǎn)出發(fā)，本文作者提出了下述優(yōu)化方法：將作用于壓缸外圓周表面的徑向預(yù)緊力適當(dāng)向中間集中。換言之，新方法是要減小組合預(yù)應(yīng)力圈的軸向高度。保持預(yù)緊力P=2.0625GPa不變，減小組合預(yù)應(yīng)力圈的軸向高度，單邊減小量為4.45mm，進(jìn)行有限元分析，得出的軸向應(yīng)力分布見圖。
1.建立了兩面頂裝置關(guān)鍵部件的有限元分析模型。模型中包括了合成壓力、徑向預(yù)緊力、摩擦力和熱應(yīng)力。通過對(duì)比理論合成力和實(shí)際合成力，證明本模型具有較高的精度。
2.徑向預(yù)緊力對(duì)壓缸強(qiáng)度所起的作用具有兩面性。增加徑向預(yù)緊力，能顯著降低切向拉應(yīng)力，但同時(shí)也緩慢增加了軸向拉應(yīng)力。當(dāng)徑向預(yù)緊力較小時(shí)，最大拉應(yīng)力為壓缸內(nèi)孔的最大切向應(yīng)力;當(dāng)徑向預(yù)緊力較大時(shí)，最大拉應(yīng)力為壓缸外圓柱表面的最大軸向應(yīng)力。最大拉應(yīng)力是造成壓缸脆性破壞的主要原因。徑向預(yù)緊力對(duì)增加頂錘強(qiáng)度所起的作用較小。熱應(yīng)力對(duì)壓缸、頂錘強(qiáng)度的影響程度也極為有限。
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