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我國(guó)于1965年研制成功鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)(簡(jiǎn)稱六面頂)，該機(jī)主要用于合成人造金剛石、立方氮化硼等超硬材料。目前，全行業(yè)的裝機(jī)總數(shù)約5300臺(tái)。隨著對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量要求的不斷提高，合成腔體不斷擴(kuò)大，合成噸位持續(xù)腌升，由初期的6x6MN，到20世紀(jì)80年代的6x8MN，再到上世紀(jì)90年代的6xZlMN，到目前已達(dá)6x39MN。為此，頂錘尺寸也在不斷增加。
六面頂?shù)墓ぷ髟砣鐖D1所示。在工作狀態(tài)下，頂錘承受著6GPa-8GPa的超高壓，表面溫度高達(dá)數(shù)破壞。由于預(yù)緊環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無(wú)法建立預(yù)緊力的解析公式，長(zhǎng)期以來(lái)，在預(yù)緊環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料處理、過(guò)盈量確定、裝配等環(huán)節(jié)上，缺少必要的研究，基頂錘的縱向斷裂本是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)預(yù)緊環(huán)進(jìn)行深入研究，對(duì)于降低頂錘應(yīng)力，提高使用壽命，順應(yīng)大型化的進(jìn)程具有重要意義。頂錘的破壞表現(xiàn)為脆性斷裂，主要形式為縱向斷裂(圖2)。早期的光、電測(cè)應(yīng)力分析，以及本文作者近期完成的三維有限元分析表明，產(chǎn)生縱向斷裂的主要原因頂錘、預(yù)緊環(huán)的結(jié)構(gòu)與材料頂錘(圖3a)圓柱面D上加工有四個(gè)460大斜面和四個(gè)41。小斜面。工作狀態(tài)下，在邊長(zhǎng)為a的正方形頂面上作用著合成壓力。在小斜面處葉臘石受擠壓產(chǎn)生飛邊，錐角是為了方便頂錘與預(yù)緊環(huán)壓配而設(shè)計(jì)的。選擇6x12MN級(jí)大規(guī)格通電頂錘及預(yù)緊環(huán)為分析對(duì)象，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表所示。
在于460斜面中心對(duì)稱線下方存在著較大的切向拉應(yīng)力。預(yù)緊環(huán)的作用是為頂錘提供足夠大的徑向預(yù)緊力，建立起有效的側(cè)向支承，增加頂錘的強(qiáng)度。實(shí)踐證明，無(wú)預(yù)緊環(huán)保護(hù)或預(yù)緊力較小時(shí)，頂錘極易產(chǎn)生圖3六面頂頂錘、預(yù)緊環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
頂錘與預(yù)緊環(huán)之間的壓裝高度范圍一般為4mm-5mm，壓裝高度與過(guò)盈量之間的關(guān)系見(jiàn)表3。配合要求緊密，接觸面積不得低于80%。分析中，取壓裝高度smm，即單邊過(guò)盈量。
利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)頂錘和預(yù)緊環(huán)的過(guò)盈配合進(jìn)行分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)及載荷等方面的對(duì)稱性，分析模型取對(duì)象的L/4。使用oshd92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果見(jiàn)圖4。假設(shè)頂錘底面沿縱向，非工作狀態(tài)下頂錘圓柱面上的預(yù)緊力可以看出，因過(guò)盈配合所產(chǎn)生的預(yù)緊力在頂錘表面上的分布是不均勻的。從底面到頂面，預(yù)緊力逐漸減小，最終在圓柱面與錐面相交的棱邊處減小到0。預(yù)緊力最大值為0.758GPa，在頂錘圓柱面底部MX標(biāo)記處取得。沿圓周方向，同一高度上的預(yù)緊力也不相同。預(yù)緊力的平均值較小，只有0379GPa。產(chǎn)生預(yù)緊力非均勻分布的原因，主要在于頂錘與預(yù)緊環(huán)的形狀，由于圓柱上部材料被去除了一部老分，使得其預(yù)緊作用被嚴(yán)重削弱，因此，所產(chǎn)生的預(yù)緊力也隨之減小，同時(shí)還削減了自身的強(qiáng)度。與BELT裝置頂錘相比，六面頂頂錘的預(yù)緊力分布顯然不利于增強(qiáng)頂錘的強(qiáng)度。
由于過(guò)盈配合，預(yù)緊環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的等效應(yīng)力場(chǎng)如圖所示，其最大值為1.24GPa，出現(xiàn)在預(yù)緊環(huán)460，預(yù)緊環(huán)的等效應(yīng)力分布圖斜面中心線的最上端。由圖中可以看出，等效應(yīng)力最大值小于材料的屈服強(qiáng)度(132GPa)，且區(qū)域較小，因此，非工作狀態(tài)下，壓裝后的預(yù)緊環(huán)不會(huì)發(fā)生塑性變形。軸)的位移為零，取頂錘的圓柱面為目標(biāo)面、預(yù)緊環(huán)的內(nèi)圓柱面為接觸面，分別附以接觸單元，進(jìn)行常溫下的接觸問(wèn)題分析。當(dāng)兩個(gè)物體相互壓緊時(shí)，在接觸區(qū)附近產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，被稱為接觸應(yīng)力和接觸應(yīng)變。
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