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        超硬材料兩面頂合成裝置的有限元分析

        發布于:2021-09-05 12:47
        有限元分析

               超硬材料兩面頂合成裝置,簡稱兩面頂裝置,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,兩面頂裝置由一個硬質合金壓缸、兩個硬質合金頂錘,以及各自的組合預應力圈組成。
        硬材料合成過程中,合成腔體內部的壓力高達6GPa,溫度高達150℃。根據不同的合成工藝,該狀態持續時間可從幾分鐘到數十分鐘。由于工作條件惡劣,兩面頂裝置關鍵部件-壓缸、頂錘的表面極易出現裂紋,因此,影響了使用壽命。對兩面頂裝置關鍵部件進行強度有限元分析,優化結構,對于降低應力水平,延長使用壽命,降低生產成本,都具有重要意義。
               從結構上看,壓缸不是一個簡單的厚壁空心筒,作用于內錐面的壓力呈現非均勻分布。因此,在研究壓缸內部的應力場時,不能采用傳統的解析方法,如Lame應用公式等,必須進行有限元數值計算。由于壓缸、頂錘的結構和受力狀態均為軸對稱,所以取其子午面做為分析對象,建立相應的有限元分析模型。采用四節點等參軸對稱單元,進行網格劃分。
               根據該分析模型計算出的理論合成力為970k3N,而生產中實際的合成力為950kN,二者的相對誤差僅為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運動。因此,在壓缸內錐面及頂錘錐面處,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穩定壓力場和溫度場的形成和存在。因此,摩擦力對于壓缸、頂錘的強度有著重要影響。
               對比以往的研究工作,在分析模型中考慮了摩擦力的影響,這是本項研究的重要進展之一。
               壓缸、頂錘均受到多層組合預應力圈的徑向預緊作用,其目的在于,抵消由于內壓力而形成的切向拉應力。假設徑向預緊力P、P沿軸向均勻分布。由圖可知,合成壓力集中在壓缸的內孔表面上,而徑向預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,必然存在著縱向彈性彎曲,并由此引發軸向拉應力。
               從降低彎曲變形的觀點出發,本文作者提出了下述優化方法:將作用于壓缸外圓周表面的徑向預緊力適當向中間集中。換言之,新方法是要減小組合預應力圈的軸向高度。保持預緊力P=2.0625GPa不變,減小組合預應力圈的軸向高度,單邊減小量為4.45mm,進行有限元分析,得出的軸向應力分布見圖。
               1.建立了兩面頂裝置關鍵部件的有限元分析模型。模型中包括了合成壓力、徑向預緊力、摩擦力和熱應力。通過對比理論合成力和實際合成力,證明本模型具有較高的精度。
               2.徑向預緊力對壓缸強度所起的作用具有兩面性。增加徑向預緊力,能顯著降低切向拉應力,但同時也緩慢增加了軸向拉應力。當徑向預緊力較小時,最大拉應力為壓缸內孔的最大切向應力;當徑向預緊力較大時,最大拉應力為壓缸外圓柱表面的最大軸向應力。最大拉應力是造成壓缸脆性破壞的主要原因。徑向預緊力對增加頂錘強度所起的作用較小。熱應力對壓缸、頂錘強度的影響程度也極為有限。


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