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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(zhì)合金壓缸、兩個硬質(zhì)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(nèi)部的壓力高達6GPa，溫度高達150℃。根據(jù)不同的合成工藝，該狀態(tài)持續(xù)時間可從幾分鐘到數(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。對兩面頂裝置關鍵部件進行強度有限元分析，優(yōu)化結構，對于降低應力水平，延長使用壽命，降低生產(chǎn)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(nèi)錐面的壓力呈現(xiàn)非均勻分布。因此，在研究壓缸內(nèi)部的應力場時，不能采用傳統(tǒng)的解析方法，如Lame應用公式等，必須進行有限元數(shù)值計算。由于壓缸、頂錘的結構和受力狀態(tài)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(jié)點等參軸對稱單元，進行網(wǎng)格劃分。
根據(jù)該分析模型計算出的理論合成力為970k3N，而生產(chǎn)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(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(nèi)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(nèi)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(nèi)，必然存在著縱向彈性彎曲，并由此引發(fā)軸向拉應力。
從降低彎曲變形的觀點出發(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(nèi)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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