預應力結(jié)構(gòu)在合成金剛石中的研究進展*

張順利

(安徽理工大學 機械工程學院，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、熱學、以及化學性能[2],因此在工業(yè)、醫(yī)學等領(lǐng)域被廣泛應用，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]。動壓法利用烈性炸藥炸裂時的沖擊波，瞬間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，生產(chǎn)納米級金剛石[4]。目前企業(yè)生產(chǎn)高品級金剛石和寶石級金剛石仍采用靜壓法。對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用于模具的制造。因此提高模具的強度是研究的重點[5]。拉美公式表明，在材料性能不變的前提下，無限增加模具壁厚的效果微乎其微，并且是危險的。設(shè)計合理的預應力結(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，我國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，四面頂高壓裝置主要用于實驗室中，其整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及墊圈材料等問題是研究的重點。合成寶石級金剛石的主要設(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。因此，預應力結(jié)構(gòu)的研究主要集中在兩面頂超高壓裝置的模具方面。筆者重點分析兩面頂模具的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，對兩面頂模具的發(fā)展提出展望，為進一步的改進提供依據(jù)。

1 多層預應力環(huán)結(jié)構(gòu)

1.1 雙層預應力環(huán)結(jié)構(gòu)

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

圖1 雙層預應力環(huán)模具剖分圖

張于賢等[6-7]推導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)當外筒徑比等于內(nèi)筒徑比時即為最佳化設(shè)計，采用理論計算和實驗證明了方案的可靠性。對于過盈配合的縮套結(jié)構(gòu)，設(shè)計合理的裝配過盈量是關(guān)鍵問題。大過盈量能使內(nèi)筒受到更多的周向壓應力，但也加大了外筒的周向拉應力。梁亞平等[8]采用雙剪統(tǒng)一強度理論，研究不同材料組合筒之間的最優(yōu)過盈量，考慮組合筒為平面應變問題，推導出不同材料組合筒間最優(yōu)過盈量的計算公式。

1.2 剖分式預應力環(huán)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的預應力式圓筒模具為整體筒，在工作時會產(chǎn)生很大的拉伸和剪切應力，同時材料存在包申格效應。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，剖分塊與自增強技術(shù)結(jié)合，進一步增強了模具承壓能力，如圖2所示。

圖2 單層自增強筒 圖3 多層自增強筒

剖分塊材料通常為硬質(zhì)合金，各層間過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)出多層自增強筒，如圖3所示。內(nèi)層自增強筒不僅使內(nèi)筒在未受內(nèi)力時就處于壓縮狀態(tài)，同時能夠限制剖分塊的徑向位移，提高容器的精度。

1.3 多層交錯剖分式結(jié)構(gòu)

寶石級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)計多層交錯剖分式超高壓模具，如圖4所示。

圖4 多層交錯剖分式超高壓模具[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，不僅對內(nèi)部壓缸和中間的預緊環(huán)進行剖分，同時使層與層之間的剖分面錯位布置，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力過大。對此，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)生的周向拉應力，在壓缸內(nèi)壁產(chǎn)生周向壓應力，壓缸受到軸向、周向和徑向三向壓應力，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)計了雙斜邊多層交錯剖分式超高壓模具。如圖6所示。通過有限元分析和實驗驗證了雙斜邊壓缸的可行性，研究發(fā)現(xiàn)雙斜邊最大切應力在壓缸中間離內(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)

多層預應力環(huán)結(jié)構(gòu)的模具發(fā)展雖然已經(jīng)成熟，但缺點也很明顯：加工成本高、工序繁雜、模具結(jié)構(gòu)尺寸大、過盈配合產(chǎn)生的預緊力固定有限，因此更適合用于負載低的模具。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和丹弗斯公司提出的[13]。結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7 纏繞式模具結(jié)構(gòu)

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

熊文松等[15-16]首次采用鋼絲預應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)計模型，提高最大預緊環(huán)的承載能力，采用實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、加工成本更低等特點，被廣泛應用在冷鍛、金剛石合成等高壓環(huán)境中。纏繞結(jié)構(gòu)研究主要分為兩個方面：理論公式的推導和纏繞裝置的設(shè)計，目前纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算是以顏永年[14]推導的公式為基礎(chǔ)研究發(fā)展的。

2.1 預應力鋼帶纏繞結(jié)構(gòu)

鋼帶纏繞模具的制造過程簡單，便于控制，但纏繞結(jié)構(gòu)的纏繞裝置是控制纏繞預緊力的關(guān)鍵。王強等[18-19]設(shè)計了控制鋼帶纏繞張力的纏繞裝置，提出了鋼帶纏繞時的張力檢測和控制方法，以計算張力、纏繞階段、結(jié)束纏繞三個階段建立控制曲線實現(xiàn)閉環(huán)控制。纏繞層數(shù)的確定是計算纏繞張力的重要條件。來小麗等[20]以簡化后的厚壁圓筒，結(jié)合拉美公式計算，建立鋼帶纏繞層數(shù)的計算公式，采用編程語言設(shè)計計算程序，通過實際算例分析得出：模具承載能力固定時，脆性材料模具需要更大的預應力來保護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，塑性材料模具許用強度提高，所需的纏繞層數(shù)減少。

2.2 預應力鋼絲纏繞結(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緊力，同時由于各層鋼絲交錯分布，當內(nèi)壓過大導致鋼絲破壞時，不會同時斷裂，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，建立預應力鋼絲逐層纏繞的計算模型，并考慮鋼絲纏繞過程中的摩擦因素，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算效率，將鋼絲層簡化為多層圓筒，對比預應力鋼絲纏繞厚壁缸筒的三維模型和平面應力模型，分析結(jié)果顯示,平面應力模型的計算效率更高，結(jié)果更容易收斂。

在對模具進行纏繞時，傳統(tǒng)鋼絲材料的屈服強度較高，失效形式多為剪切失效，因此多采用等剪應力纏繞。李慧麗等[23]提出等剪應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)備的理論計算為例對比實際纏繞過程中的測量數(shù)據(jù)，驗證了公式的正確性。同時設(shè)計了此結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計模型[24]。采用多個分析軟件進行驗證，結(jié)果表明該方案合理可行，為進一步的研究創(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)與預應力環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合成為研究的重點。吳任東等[25]提出剖分式外筒代替整體式外筒的預應力鋼絲纏繞的設(shè)計方法，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。劉長勇等[26]對預應力鋼絲纏繞剖分式筒體進行熱應力分析，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)溫度場下，纏繞筒的切向正壓應力是可控的，纏繞筒的預緊系數(shù)和表面溫度起決定作用。

3 結(jié) 語

兩面頂超高壓裝置合成金剛石的關(guān)鍵問題是提高模具的承壓能力，設(shè)計合理的預應力結(jié)構(gòu)是重要的技術(shù)手段。預應力結(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等優(yōu)勢。多層預應力環(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)合是將來的研究方向。