基于三维有限元的六面顶顶锤应力分析

　　1　前言

　　自从1963年我国成功合成第一颗人造金刚石至今,生产中使用的设备基本上为1965年研制成功的铰式六面顶液压机(简称六面顶)。目前,各种吨位的现役六面顶设备总数约5300台,年产人造金刚石20亿克拉, cBN 1亿克拉[1]。

　　硬质合金顶锤是六面顶建立和承受超高压合成压力(6~8 GPa)的关键零件,长时间工作在高温环境下。顶锤的使用寿命一方面受到硬质合金材料制造工艺(如化学成分、粒度、压制烧结工艺)和使用条件的影响,另一方面与自身几何结构密切相关。对顶锤进行应力分析,目的在于探索破坏机理,寻找几何形状与应力场之间的关系,最终改善顶锤内部应力场分布,降低应力峰值,减轻顶锤重量,提高经济效益。

　　上世纪60至70年代是我国人造金刚石工业奠基和起步阶段,对硬质合金顶锤的研究给予了充分的重视。在结构的力学分析方面,我国学者采用光测和电测应力分析方法,对六面顶硬质合金顶锤的应力分布进行了实验研究,有关研究成果至今仍然被行业内所引用[2-7]。通过对大质量支承原理、密封传压介质进行分析,并依据光弹实验结果,文献[2]给出了顶锤最佳几何参数的确定原则。上述研究成果对于推动顶锤技术进步产生了积极影响。但是,由于受到实验过程中常温环境下模拟加载方式、参数范围、实验数量等因素的影响,实验分析结果存在一定的局限性,缺少对温度场、热应力场分布及变化规律的研究。在数值应力分析方面,由于长期受到软件和建模等方面的影响,基于三维有限元的热力耦合分析尚未见报导。

　　目前,我国人造金刚石工业正处于新一轮发展阶段,其特征之一就是六面顶设备的吨位不断增加,顶锤尺寸日趋大型化。与小顶锤相比,大顶锤的使用环境更加恶劣,使用寿命更低。针对目前行业内普遍存在的顶锤结构设计上的随意性,开展顶锤应力分析与强度研究,对于提高大顶锤使用寿命,降低生产成本有着重要意义。

　　2　分析模型

　　2·1　顶锤结构

　　如图1a所示,在六面顶液压机上共安装了三对六组相同结构的顶锤部件,每组部件均由顶锤1、预紧环2、活塞3和垫块4构成。通过过盈配合,预紧环对顶锤施加一定的径向预紧力。合成过程中,在六个液压缸活塞的同步推动下,顶锤施力于正方形叶蜡石试样,使之产生塑性变形,在顶锤各相邻面之间形成密封垫,从而在试样内部建立起合成金刚石所需的超高压条件。为了产生高温环境,需要对其中一对顶锤部件通电,依靠合成试样内部的电阻加热产生高温。因此,二个通电加热顶锤的温度明显高于其它顶锤,其平均寿命不到其它顶锤的20%。顶锤结构如图1b所示。本文选择72MN级大规格通电顶锤为分析对象,顶锤主要的结构参数为:直径D=Φ104 mm,高度H=74 mm,正方形顶面边长a=36 mm,41°小斜面宽度L=13 mm。