剖分式超高压模具的设计与研究

发布时间：2020-07-31 08:37

【摘要】：随着高压物理、地球科学和高压化学的发展,以及对超硬材料需求的不断增长,人们对超高压设备的要求也在不断提高。超高压模具在生产实践中是产生超高压力的核心部件,除了需要有承受超高压力的能力外,还需要有足够大的合成空间以满足使用要求。超高压模具大型化是现代高压设备发展的重要趋势,大型化的高压模具不但能够提高单次的合成产量,最重要的是可以提升合成产品的品质。然而,在目前的技术条件下,高压模具大型化过程中面临的最主要的问题是较大尺寸硬质合金的生产加工难度较高,成本较大,而且质量不能得到保证,这些因素限制了模具大型化的发展进程。为了降低高压模具硬质合金压缸的制造难度、提高模具承压能力,同时降低模具大型化难度,设计了剖分式超高压模具。该模具在充分考虑大质量支承和侧向支承原理的基础上结合了传统的厚壁圆筒容器的结构特点,是一种新型的超高压模具。该模具主要包含三个部分:内部离散的硬质合金压缸、中间的高强钢离散块和外部的高强钢支撑环。该结构可以有效的消除压缸周向应力,降低压缸应力水平,使模具的极限承压能力得到较大程度提高。最重要的是降低了零件尺寸,易于扩大腔体容积,降低模具使用成本。本文通过有限元分析方法对剖分式高压模具进行一系列的研究和优化,对比内壁为弧面和平面两种类型腔体的应力状态,对不同离散程度的压缸进行了应力分析,比较支撑环离散条件下的应力特点,对具有离散化压缸和离散化支撑环的高压模具优化,为剖分式超高压模具的设计、加工和应用提供理论依据和参考。本文主要研究内容和结论如下:1.剖分式超高压模具设计和结构分析剖分式高压模具是应用大质量和侧向支承原理同时结合厚壁圆筒的结构特点设计而成,是一种实现超高压模具大型化的新思路。压缸内壁有两种形式,一种是弧面内壁,与年轮式压缸相比,降低了压缸应力水平;另外一种是平面内壁,与前两种相比能够进一步消除压缸应力。剖分式超高压模具是一种全新的超高压模具结构,对其进行了相关的力学分析,推导出工作载荷传递特点,对相关参数的计算和相关设计原则进行介绍,为超高压模具的设计提供理论指导。2.剖分式超高压模具有限元模型建立根据所涉及高压模具的结构特点,应用有限元分析软件Ansys/Workbench对其进行有限元的模型建立。对建立模型中的单元格类型、边界条件、材料参数模型和接触以及摩擦条件等进行探讨。应用静态隐式算法对年轮式模具和弧面剖分式高压模具在预紧状态和施加载荷状态下的应力分布情况进行分析,年轮式模具压缸内壁都会产生很高的应力,周向应力是导致年轮式压缸破坏的主要因素,而弧面型剖分式模具应力水平较低。为进一步降低离散化压缸的应力水平,将弧面压缸优化为平面式压缸。通过比较分析表明,剖分式压缸对支撑环的应力影响很小。3.剖分式结构压缸的应力分析对比年轮式压缸和剖分式压缸在施加载荷条件下的应力分布情况。数值模拟结果表明,弧面型剖分式离散化压缸应力远远小于年轮式压缸,弧面剖分式的压缸能够有效地降低压缸所受等效应力、最大切应力和周向应力。将弧面压缸优化为平面式压缸后进一步降低了压缸应力水平,使压缸在支撑环预紧作用和内部工作载荷的作用下处于类似静水压力环境,降低了压缸所受切应力。硬质合金剖分块在支撑环的预紧作用下相互挤压,并且产生摩擦作用,增强了侧向支撑效果,使剖分式压缸的承压能力得到增强。模拟结果表明,三种模具的极限承压能力分别为5.1GPa、5.9GPa和7.6GPa。模具极限承压能力测试结果表明,年轮式压缸、弧面型剖分式压缸和平面型剖分式压缸在破坏时所对应液压油的压力分别为7.5MPa、9.4MPa和12.4MPa。4.压缸离散化对模具应力的影响在模具大型化中可以根据模具的具体尺寸来决定压缸的剖分块数,对于平面型剖分式模具随着离散程度的增加压缸应力逐渐升高,同时讨论预紧力对压缸应力的影响。对不同离散程度的压缸的极限承压能力进行预测,最后模拟结果通过实验进行验证。在选取剖分块数时,应该结合具体的模具尺寸和生产应用情况,当模具尺寸较小时剖分块数不易过多,而当压缸的尺寸较大时,为降低硬质合金的加工制造难度宜选用离散程度大的压缸。选取合适的离散化程度的压缸对高压模具的设计和生产应用具有重大意义。5.支撑环离散对模具的影响将高强钢支撑环同样进行离散化,可以使模具大型化难度更低。数值模拟结果表明,在支撑环离散程度较低时,应力变化很小,通过比较分析后可以发现,支撑环的离散程度不易过大。讨论了不同摩擦系数时,支撑环的应力变化,在制作支撑环零件时,应该综合考虑加工制造成本使零件表面粗糙度降低。为限制内部离散部分的径向位移,提出了将模具端面由平面变为斜面的方法。将支撑环离散化易于实现模具大腔体。6.剖分式超高压模具的优化为使剖分式高压模具的应力分布更加合理,应用目标参数优化设计的方法对模具进行最优尺寸计算。分析了压缸高径比、高度比、压缸外径以及压缸锥角和端面角度对结构受力的影响,得到在一定条件下的各个参数最佳值,为剖分式超高压模具的设计提供参考。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG76
【图文】：

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吉林大学博士学位论文预紧以增强压缸和顶锤的侧向支撑力；中间的部分为合成腔体。目前研究主要集中在两个方面，一是尽可能提高其承压能力，即产生更高的大合成腔体积，增加单次产量。该装置在工作中会产生极高的压力，生极高的拉应力和剪切应力，压缸往往会因为这些高应力的存在过早时，在径向上，应力的分布极为不均匀，硬质合金材料的性能没有得

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第二章剖分式超高压模具的设计加合成腔体容积，降低模具制造成本。设计基本原承原理外还有：理：这个原理是样品作用在压缸内壁的压力传递到应力、压强和面积的关系可知，压强与面积成反比面积不变的情况下，应力越大压强越大。当样品在生很大的压强，我们假设这种压强不变且为定值，传递到支撑环内壁时，这时由于支撑环内壁的面积就会变小，减小的幅度与压缸内壁面积和支撑环内

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图3.1年轮式模具1/2模型

【参考文献】