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超硬材料两面顶合成装置的有限元分析

发布于:2021-09-05 12:47
有限元分析

       超硬材料两面顶合成装置,简称两面顶装置,在国际上称为BELT型超高压合成装置,广泛用于合成人造金刚石、立方氮化硼等超硬材料。如图所示,两面顶装置由一个硬质合金压缸、两个硬质合金顶锤,以及各自的组合预应力圈组成。
硬材料合成过程中,合成腔体内部的压力高达6GPa,温度高达150℃。根据不同的合成工艺,该状态持续时间可从几分钟到数十分钟。由于工作条件恶劣,两面顶装置关键部件-压缸、顶锤的表面极易出现裂纹,因此,影响了使用寿命。对两面顶装置关键部件进行强度有限元分析,优化结构,对于降低应力水平,延长使用寿命,降低生产成本,都具有重要意义。
       从结构上看,压缸不是一个简单的厚壁空心筒,作用于内锥面的压力呈现非均匀分布。因此,在研究压缸内部的应力场时,不能采用传统的解析方法,如Lame应用公式等,必须进行有限元数值计算。由于压缸、顶锤的结构和受力状态均为轴对称,所以取其子午面做为分析对象,建立相应的有限元分析模型。采用四节点等参轴对称单元,进行网格划分。
       根据该分析模型计算出的理论合成力为970k3N,而生产中实际的合成力为950kN,二者的相对误差仅为2.1%。由此可见,本文建立的有限元分析模型具有较高的精度。
       在超硬材料合成过程的初期,受顶锤的挤压作用,叶腊石在锥面处形成密封垫。叶腊石密封垫与压缸、顶锤之间存在着相对运动。因此,在压缸内锥面及顶锤锥面处,不可避免地存在着摩擦力。正是由于摩擦力的存在,才保证了合成腔体内稳定压力场和温度场的形成和存在。因此,摩擦力对于压缸、顶锤的强度有着重要影响。
       对比以往的研究工作,在分析模型中考虑了摩擦力的影响,这是本项研究的重要进展之一。
       压缸、顶锤均受到多层组合预应力圈的径向预紧作用,其目的在于,抵消由于内压力而形成的切向拉应力。假设径向预紧力P、P沿轴向均匀分布。由图可知,合成压力集中在压缸的内孔表面上,而径向预紧力均匀作用于压缸外圆周的全表面上。因此,在压缸子午面内,必然存在着纵向弹性弯曲,并由此引发轴向拉应力。
       从降低弯曲变形的观点出发,本文编辑提出了下述优化方法:将作用于压缸外圆周表面的径向预紧力适当向中间集中。换言之,新方法是要减小组合预应力圈的轴向高度。保持预紧力P=2.0625GPa不变,减小组合预应力圈的轴向高度,单边减小量为4.45mm,进行有限元分析,得出的轴向应力分布见图。
       1.建立了两面顶装置关键部件的有限元分析模型。模型中包括了合成压力、径向预紧力、摩擦力和热应力。通过对比理论合成力和实际合成力,证明本模型具有较高的精度。
       2.径向预紧力对压缸强度所起的作用具有两面性。增加径向预紧力,能显著降低切向拉应力,但同时也缓慢增加了轴向拉应力。当径向预紧力较小时,最大拉应力为压缸内孔的最大切向应力;当径向预紧力较大时,最大拉应力为压缸外圆柱表面的最大轴向应力。最大拉应力是造成压缸脆性破坏的主要原因。径向预紧力对增加顶锤强度所起的作用较小。热应力对压缸、顶锤强度的影响程度也极为有限。


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