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大型金剛石壓機結構型式選擇及參數的研究

2019-07-19 17:28

  摘要 通過對大型金剛石油壓機結構型式的比較及影響壓機性能的主要參數的研究 ,指出合理選擇壓機的主參數及結構型式,對提高金剛石設備及模具使用壽命、降低金剛石 生產成本具有重要意義。

  關鍵詞 金剛石壓機 結構 參數 選擇

  Selection and data study on structure of large press for producing diamond

  Guo Songqing

  Abstract:By comparing structures of large oil presses for producing diamond and researc hing on main data that effect to presses,point out rational selection of main da ta and structure of presses possess significance for improving service life of press and dies, and reducing production costs.

  Key Words:press for producing diamond,structure,da ta,selection

  我國人造金剛石生產已有30余年歷史,合成人造金剛石的工藝逐漸走向成熟。改革開放以來,金剛石市場需求量逐年提高,特別是高檔、優質、高強度、粗顆粒的人造金剛石需求量每年以10%速度增長。而我國目前只能生產低檔次的金剛石,每年還花大量外匯從國外進口。其原因之一是我國還沒有與先進工藝相適應的大型金剛石設備,嚴重影響了金剛石的生產和發展。因此,盡快為金剛石工業提供與工藝相適應的大型金剛石設備是當務之急。

  本文重點探討大型金剛石油壓機結構型式的選擇及對影響壓機性能的主要參數的研究。

  1 金剛石油壓機結構型式的選擇

  金剛石油壓機的機型選擇直接影響人造金剛石的質量、產量及其成本。目前,我國大部分生產廠家仍然是以六面頂式壓機為主進行金剛石生產。這種壓機噸位低、高壓腔容積小、控制精度差及工藝水平落后,使產品品種少。其原因是六面頂式壓機不能適應先進的金剛石合成工藝要求。目前,如美國、德國、日本、瑞典等先進國家早就不用這種六面頂式壓機,而改用兩面頂式油壓機并采用新工藝來生產人造金剛石。

  從結構上看,兩面頂式金剛石油壓機主要有預應力鋼絲纏繞式、預應力三柱式、疊板框架式,這三種型式各有其特點。因為金剛石合成生產中,為了提高模具使用壽命,降低金剛石生產成本,對所用壓機的剛度指標有嚴格的要求。壓機的結構型式不同,所表現的剛性也不同。因此,壓機選型時應該按照所需壓機的噸位大小來確定。另一方面,還要考慮壓機制造中的難度。同噸位的壓機,有的型式比較難于制造,設備成本也大。同時,還要考慮壓機在合成金剛石過程中,壓機工作臺面在集中載荷作用下的變形狀態對模具的影響程度。為此,我們對三種結構型式的壓機(圖1)作一比較,以便選出適合金剛石生產的機型。

  (1)鋼絲纏繞式結構

  這種壓機的機架是用多層鋼絲把兩個半圓梁和兩個立柱在一定的預緊力下纏繞成一個整體。其特點是在工作載荷下立柱仍承受壓應力,半圓梁則處于近似二向應力狀態。此時鋼絲層的應力波動量與平均應力相比是很小的。所以,該結構重量輕,體積小,承受能力大,抗疲勞壽命高。但需要專用的纏繞設備,加工工藝性差,設備的綜合成本較高。在工作載荷下半圓梁和機架要產生變形,使上下臺面的平行度和導向精度很難保證,整體剛性較差。這種變形對超高壓模具的壽命有直接影響。當壓機噸位超過25MN后,上述的缺點表現得更突出。

  (2)疊板框架式結構

  這種壓機機架是用多層鋼板校平加工后疊合而成,板與板之間用銷柱聯接或焊接成一體。機架結構簡單、加工容易,但整體尺寸較大,也不容易形成整體預應力機架,因而工作時變形大、剛性差。

  (3)三柱式結構

  這種壓機機架的三根立柱是以等分圓周彼此成120°布置,立柱由兩部分組成,外邊為支柱中間為拉柱。支柱位于上下梁之間,拉柱穿過上下梁與支柱,用預緊螺母將上下梁及支柱緊緊地固定在一起,構成一預應力機架。在工作載荷下,支柱始終為壓應力狀態,承受彎矩及軸向壓力,而拉柱為拉應力狀態,只承受純拉力。這種預應力機架,在循環載荷作用下,應力波動幅度很小,抗疲勞能力大。特別是壓機的三根柱子軸對稱分布在以載荷為中心的圓周上,受載后上下梁和工作臺的變形與超高壓模具的變形相吻合。這種變形特點,利于提高模具壽命。該結構加工工藝較簡單,容易制造。缺點是機架重量大,加工及熱預緊的技術要求比較嚴格。

  通過對以上三種壓機結構型式的比較及人造金剛石合成生產工藝對壓機的要求,不難看出,以預應力三柱式結構作大型兩面頂金剛石油壓機的機型為最佳。其次是預應力鋼絲纏繞式結構。這兩種結構的特點,從工作性能、整體剛度、運動精度、抗疲勞性、加工工藝性、綜合造價等技術經濟指標方面比較,都優于疊板框架式結構。而預應力三柱式結構除了比鋼絲纏繞式結構重些外,其他都勝過纏繞式。特別是其上下橫梁在負荷下的變形為空間軸對稱狀態,與它貼合的模具變形相吻合,有利于提高模具的使用壽命。

  再從壓機噸位利用率來看,根據有關資料和國內外使用壓機情況表明,鋼絲纏繞結構壓機的噸位利用率僅50%,疊板式結構壓機還要低,而三柱式結構壓機能達到70%~85%。壓機的整體剛度對模具壽命有很大影響,為了提高硬質合金模具的使用壽命、降低金剛石生產成本,選用壓機整體剛度高的機型具有重要意義。預應力三柱式壓機在整體剛度上,以相同壓機噸位來比較都優于其他兩種結構型式的整體剛度。

  由以上分析得知,預應力三柱式結構是大型兩面頂金剛石油壓機機型的最佳選擇。

  2 影響壓機結構尺寸及減振性能的主要參數研究

  眾所周知,金剛石油壓機是在高度集中載荷下工作的,要求壓機結構尺寸緊湊、減振性能好,以利提高設備整體剛度及模具的使用壽命。

  2.1 工作液體壓力對金剛石油壓機結構尺寸的影響

  主機結構型式選定后,壓機工作缸液體壓力對壓機的整體結構尺寸是有直接影響的。當壓機的噸位PH確定后,工作缸的內外徑d、D與所選的工作液體單位壓力p有關。一般情況下,當p選擇得越低,則d、D值越大,致使壓機結構、重量增大。反之,提高p可減小d、D值,達到使壓機結構尺寸緊湊、重量減輕的目的,但有時不能如愿。工作缸的外徑D、內徑d與工作液壓p有如下關系:

  式中:PH——壓機總壓力;

  p——工作液體壓力;

  D——缸外徑;

  d——缸內徑(或活塞外徑);

  [σ]——材料許用應力。

  為了直觀,可將式(1)及(2)作成如圖2所示的曲線。

  式(2)的適應條件:工作缸結構是以缸底為支承的結構,缸材料為塑性材料,采用第三強度理論而得出的公式。故它不適用于缸體以法蘭支承結構的缸徑計算。

  從圖2中可知,要想得到重量輕、結構緊湊的壓機結構,在選擇工作液壓時必須選擇圖中的優化點Dz、dz、pz所對應的值來作壓機主要參數值。

  pz=0.25[σ]   (5)

  式中:dz——最佳的工作缸內徑;

  Dz——最佳的工作缸外徑;

  pz——最佳的工作液體壓力。

  2.2 壓機的工作行程及工作液體壓力對壓機減振性能的影響

  提高金剛石油壓機的減振性能,至關重要。從金剛石合成生產中得知,由于某種原因有時會產生模具內部爆炸,此時壓機會突然失荷。壓機工作缸中的液壓能量迅速釋放出來,使金剛石壓機產生強烈的振動,還導致合成模具的上下頂錘與壓缸之間產生強烈的沖擊,加重了模具的損壞。這種損壞的程度與壓機在失荷下釋放的能量大小有關。釋放能量越多,破壞程度就越嚴重。

  理論研究表明,工作缸液體所釋放的能量與液體單位壓力p的平方成正比,與壓機行程(工作缸液柱高)H成正比。

  式中:E——工作液體釋放的能量;

  F0——缸內截面積;

  K——液體彈性系數;

  H——缸液柱高度(壓機工作行程)。

  由此可知,在設計中選用壓機行程H和工作液體壓力p時,要盡量選取壓機工作行程小、工作液壓低的參數值,以提高壓機的減振性能。

  3 結束語

  本文通過對大型金剛石油壓機結構型式的比較及對影響壓機結構尺寸和減振性能的主要參數的研究,指出了:①在選擇和設計金剛石設備時,應按照壓機總噸位的要求,合理選擇壓機的機型結構,以適應用兩面頂方式合成金剛石新工藝的要求。②合理選擇工作液體壓力和減小壓機工作行程(工作缸液柱高度),對提高壓機的減振性能及壓機整體剛性具有重要意義。

  金剛石油壓機結構的設計在很多方面不同于一般的油壓機,在設計時應充分注意其特點。我們按照本文所提到的設計思想和方法,于1993年成功地研制出了我國第一臺大型兩面頂60MN金剛石油壓機。經過有關單位的全面檢測,各項指標均達到了設計要求,設備的力值精度為0.4%。而代表金剛石生產先進水平的日本、德國及瑞典等國家,目前的人造金剛石設備力值精度保持在±0.5%~1%的水平上。同時,在該設備上用65腔體模具成功地合成出了優質粗顆粒、高檔次的人造金剛石。實踐證明,設備工作平穩,壓機減振性能好,整體剛性大,結構緊湊,選型合理,參數先進。其結構設計突出了金剛石專用設備的特點。單產比同噸位的六面頂式壓機高4倍。

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