預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在合成金剛石中的研究進(jìn)展*

張順利

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

一般的天然金剛石是石墨在地球內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下轉(zhuǎn)變形成的[1]，具有極其優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)、以及化學(xué)性能[2],因此在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，起到不可或缺的作用。天然金剛石因其稀缺性，已不能滿足人們的需求，大批科研人員便致力于研究人工合成金剛石。

高溫高壓法是合成金剛石的主要方法，包括靜壓法和動(dòng)壓法。靜壓法主要是使用超高壓裝置產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，生產(chǎn)高品質(zhì)的工業(yè)金剛石[3]。動(dòng)壓法利用烈性炸藥炸裂時(shí)的沖擊波，瞬間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，生產(chǎn)納米級(jí)金剛石[4]。目前企業(yè)生產(chǎn)高品級(jí)金剛石和寶石級(jí)金剛石仍采用靜壓法。對(duì)于靜壓法超高壓裝置，適配模具制造水平的高低是關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。在模具材料性能領(lǐng)域，硬質(zhì)合金以其優(yōu)秀的材料性能被廣泛應(yīng)用于模具的制造。因此提高模具的強(qiáng)度是研究的重點(diǎn)[5]。拉美公式表明，在材料性能不變的前提下，無(wú)限增加模具壁厚的效果微乎其微，并且是危險(xiǎn)的。設(shè)計(jì)合理的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)才是穩(wěn)定而有效的方法。

人工合成金剛石的設(shè)備主要有兩面頂、四面頂和六面頂超高壓裝置。作為金剛石生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)主要使用六面頂裝置，其腔體大型化的硬質(zhì)合金頂錘是研究的重點(diǎn)，四面頂高壓裝置主要用于實(shí)驗(yàn)室中，其整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及墊圈材料等問(wèn)題是研究的重點(diǎn)。合成寶石級(jí)金剛石的主要設(shè)備是兩面頂高壓裝置，具有腔體空間大，控制精度高，生產(chǎn)金剛石的品質(zhì)好等特點(diǎn)。因此，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究主要集中在兩面頂超高壓裝置的模具方面。筆者重點(diǎn)分析兩面頂模具的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，對(duì)兩面頂模具的發(fā)展提出展望，為進(jìn)一步的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 多層預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)

1.1 雙層預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)

雙層預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)是最早采用的結(jié)構(gòu)，隨著人們的不斷研究，雙層預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)得到了很大的發(fā)展。通過(guò)外層與內(nèi)層之間的過(guò)盈配合產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力，即預(yù)緊力。如圖1所示。

圖1 雙層預(yù)應(yīng)力環(huán)模具剖分圖

張于賢等[6-7]推導(dǎo)了雙層筒體最佳配合界面的壓力公式及徑比條件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外筒徑比等于內(nèi)筒徑比時(shí)即為最佳化設(shè)計(jì)，采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明了方案的可靠性。對(duì)于過(guò)盈配合的縮套結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的裝配過(guò)盈量是關(guān)鍵問(wèn)題。大過(guò)盈量能使內(nèi)筒受到更多的周向壓應(yīng)力，但也加大了外筒的周向拉應(yīng)力。梁亞平等[8]采用雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，研究不同材料組合筒之間的最優(yōu)過(guò)盈量，考慮組合筒為平面應(yīng)變問(wèn)題，推導(dǎo)出不同材料組合筒間最優(yōu)過(guò)盈量的計(jì)算公式。

1.2 剖分式預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力式圓筒模具為整體筒，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的拉伸和剪切應(yīng)力，同時(shí)材料存在包申格效應(yīng)。Poulter提出剖分式超高壓容器，使高壓容器的承壓能力得到提高[9]。隨著高壓技術(shù)的不斷發(fā)展，剖分塊與自增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)了模具承壓能力，如圖2所示。

圖2 單層自增強(qiáng)筒 圖3 多層自增強(qiáng)筒

剖分塊材料通常為硬質(zhì)合金，各層間過(guò)盈配合使剖分塊之間相互擠壓，從而提高承壓能力。后續(xù)又研發(fā)出多層自增強(qiáng)筒，如圖3所示。內(nèi)層自增強(qiáng)筒不僅使內(nèi)筒在未受內(nèi)力時(shí)就處于壓縮狀態(tài)，同時(shí)能夠限制剖分塊的徑向位移，提高容器的精度。

1.3 多層交錯(cuò)剖分式結(jié)構(gòu)

寶石級(jí)金剛石需求日益增加，從兩面頂裝置繼續(xù)研究提高模具承壓能力和增大樣品腔。劉志衛(wèi)等[10]基于未裂先分原理設(shè)計(jì)多層交錯(cuò)剖分式超高壓模具，如圖4所示。

圖4 多層交錯(cuò)剖分式超高壓模具[10] 圖5 切向剖分式模具[12]

此結(jié)構(gòu)在上述基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)，不僅對(duì)內(nèi)部壓缸和中間的預(yù)緊環(huán)進(jìn)行剖分，同時(shí)使層與層之間的剖分面錯(cuò)位布置，充分利用各部分材料的性能。剖分式容器沿徑向剖分，主要防止壓缸的周向拉應(yīng)力過(guò)大。對(duì)此，楊云飛[11]提出了切向剖分式超高壓模具，如圖5所示。

這種結(jié)構(gòu)的剖分面垂直于壓缸的半徑方向，解決工作狀態(tài)下壓缸產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力，在壓缸內(nèi)壁產(chǎn)生周向壓應(yīng)力，壓缸受到軸向、周向和徑向三向壓應(yīng)力，顯著提高壓缸的承壓能力。王伯龍等[12]基于側(cè)向支撐原理設(shè)計(jì)了雙斜邊多層交錯(cuò)剖分式超高壓模具。如圖6所示。通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙斜邊壓缸的可行性，研究發(fā)現(xiàn)雙斜邊最大切應(yīng)力在壓缸中間離內(nèi)壁2 mm處，適合大型超高壓模具的制造。

圖6 雙斜邊壓缸[13]

2 纏繞結(jié)構(gòu)

多層預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)的模具發(fā)展雖然已經(jīng)成熟，但缺點(diǎn)也很明顯：加工成本高、工序繁雜、模具結(jié)構(gòu)尺寸大、過(guò)盈配合產(chǎn)生的預(yù)緊力固定有限，因此更適合用于負(fù)載低的模具。于是人們繼續(xù)研發(fā)纏繞結(jié)構(gòu)，纏繞式超高壓結(jié)構(gòu)最早是由丹麥科技大學(xué)和丹弗斯公司提出的[13]。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 纏繞式模具結(jié)構(gòu)

纏繞層為鋼帶或鋼絲，纏繞時(shí)通過(guò)控制鋼帶或鋼絲的纏繞張力，對(duì)壓缸產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，施加預(yù)緊力。纏繞方式分為三種[14]:等切應(yīng)力纏繞、等剪應(yīng)力纏繞和等張力纏繞。

熊文松等[15-16]首次采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞模具成功合成金剛石。周思柱等[17]基于纏繞結(jié)構(gòu)合成金剛石的原理，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，提高最大預(yù)緊環(huán)的承載能力，采用實(shí)例分析了該模型的可行性。纏繞結(jié)構(gòu)的模具具有承載能力更高、使用壽命更長(zhǎng)、加工成本更低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在冷鍛、金剛石合成等高壓環(huán)境中。纏繞結(jié)構(gòu)研究主要分為兩個(gè)方面：理論公式的推導(dǎo)和纏繞裝置的設(shè)計(jì)，目前纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算是以顏永年[14]推導(dǎo)的公式為基礎(chǔ)研究發(fā)展的。

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼帶纏繞結(jié)構(gòu)

鋼帶纏繞模具的制造過(guò)程簡(jiǎn)單，便于控制，但纏繞結(jié)構(gòu)的纏繞裝置是控制纏繞預(yù)緊力的關(guān)鍵。王強(qiáng)等[18-19]設(shè)計(jì)了控制鋼帶纏繞張力的纏繞裝置，提出了鋼帶纏繞時(shí)的張力檢測(cè)和控制方法，以計(jì)算張力、纏繞階段、結(jié)束纏繞三個(gè)階段建立控制曲線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。纏繞層數(shù)的確定是計(jì)算纏繞張力的重要條件。來(lái)小麗等[20]以簡(jiǎn)化后的厚壁圓筒，結(jié)合拉美公式計(jì)算，建立鋼帶纏繞層數(shù)的計(jì)算公式，采用編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)計(jì)算程序，通過(guò)實(shí)際算例分析得出：模具承載能力固定時(shí)，脆性材料模具需要更大的預(yù)應(yīng)力來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，塑性材料模具許用強(qiáng)度提高，所需的纏繞層數(shù)減少。

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)

與鋼帶纏繞相比，鋼絲纏繞能夠更精確地控制纏繞層之間的預(yù)緊力，同時(shí)由于各層鋼絲交錯(cuò)分布，當(dāng)內(nèi)壓過(guò)大導(dǎo)致鋼絲破壞時(shí)，不會(huì)同時(shí)斷裂，阻止破壞處外沿，更安全可靠。戴劍等[21]采用ANSYS中的載荷步疊加原理，建立預(yù)應(yīng)力鋼絲逐層纏繞的計(jì)算模型，并考慮鋼絲纏繞過(guò)程中的摩擦因素，研究結(jié)果表明，有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合，證明了這種求解方法的可靠性。夏衛(wèi)明等[22]采用疊加載荷步的求解方法提高計(jì)算效率，將鋼絲層簡(jiǎn)化為多層圓筒，對(duì)比預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞厚壁缸筒的三維模型和平面應(yīng)力模型，分析結(jié)果顯示,平面應(yīng)力模型的計(jì)算效率更高，結(jié)果更容易收斂。

在對(duì)模具進(jìn)行纏繞時(shí)，傳統(tǒng)鋼絲材料的屈服強(qiáng)度較高，失效形式多為剪切失效，因此多采用等剪應(yīng)力纏繞。李慧麗等[23]提出等剪應(yīng)力鋼絲纏繞大型筒的失穩(wěn)校核公式，以545MN大型等靜壓設(shè)備的理論計(jì)算為例對(duì)比實(shí)際纏繞過(guò)程中的測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了公式的正確性。同時(shí)設(shè)計(jì)了此結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)模型[24]。采用多個(gè)分析軟件進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方案合理可行，為進(jìn)一步的研究創(chuàng)造了條件。

隨著超高壓技術(shù)的不斷發(fā)展，纏繞結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合成為研究的重點(diǎn)。吳任東等[25]提出剖分式外筒代替整體式外筒的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的設(shè)計(jì)方法，用鑄鋼代替鍛鋼，降低了制造難度和成本，分析結(jié)果顯示，剖分式比整體式有更好的承載能力和疲勞壽命。劉長(zhǎng)勇等[26]對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞剖分式筒體進(jìn)行熱應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)下，纏繞筒的切向正壓應(yīng)力是可控的，纏繞筒的預(yù)緊系數(shù)和表面溫度起決定作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

兩面頂超高壓裝置合成金剛石的關(guān)鍵問(wèn)題是提高模具的承壓能力，設(shè)計(jì)合理的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是重要的技術(shù)手段。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模具具有承壓能力高、結(jié)構(gòu)尺寸小、制造成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。多層預(yù)應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨近成熟，纏繞結(jié)構(gòu)的理論研究還有待完善，兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合是將來(lái)的研究方向。