【doc】大吨位六面顶压机主机结构的研究

【doc】大吨位六面顶压机主机结构的研究 大吨位六面顶压机主机结构的研究 第26卷第3期 2006年o6月 矿冶工程 MININGANDMETALLURGICALENGINEERING V0I.26?3 June2006 大吨位六面顶压机主机结构的研究? 李杰,谭鑫 (湖南飞碟新材料有限责任公司,湖南长沙410007) 摘要:对现有铰链式六面顶金刚石压机主机结构进行分析,在此基础上设计出 HCY一22型压机.应用情况表明,大吨位六面顶 金刚石压机铰链梁和工作缸采用兜底结构,将工作缸设计成活底式,尽量减薄工作 缸筒体的壁厚,缩短工作缸和铰链梁的长度,合 理设计铰链梁耳片形状,活塞上安装青铜耐磨带,铰链梁之间采用弹性无间隙销轴 联接,可以提高设备的对中性,同步性和保压性 能,主要零部件强度高,可靠性好,设备运行可靠,装拆方便. 关键词:人造金刚石;六面顶压机;设计;对中性 中图分类号:TG315文献标识码:A文章编号:0253—6099(2006)03—0061—04 StudyonStructureofMainBodyofLarge-scaleCubicPress LIJie,TANXin (HunanFlydiscNewMaterialsCoLtd,Changsha410007,Hunan,China) Abstract:Basedontheanalysisofthestructureofthemainbodyofexistingpresses,animprove dpress,HCY一22 SyntheticDiamondHydraulicPress,wasdesignedwith''wrappingbottom"structure,whichi smoreeffectiveinapplica- tions.Byadopting''unfixedbottom"structureinthecylinders,thinneingthechamberwall,sh orteningthelengthofthe cylinderandhingedbeam,designingreasonableshapefortheearl-shapedpartsofthehingedb eam,fixingwearresistant bronzestriponthepistol,andusinggaplesselastictoshapeforthepinsjointthehingedbeams.T hepropertiessuch centring,sychronismandpressurekeepinghavebeengreatlyimproved.Theequipmentfeatu resreliablerunning,easy disassemblyandmainpartswithhigh-strengthandgood-reliability. Keywords:syntheticdiamond;cubicpress;design;centering 我国超硬材料行业经过40多年的发展,人造金刚 石年产量已达33亿克拉,成为世界第一….应用铰 链式六面顶压机研制超硬材料在我国迄今约有41年 的历史,该类型压机已成为研究和生产超硬材料最为 成熟和应用最广的专用设备.由于国内生产,使用的 六面顶压机几乎全部为铰链式六面顶压机,拉杆式六 面顶压机极少,因此本文以下将铰链式六面顶压机简 称为六面顶压机.相对于两面顶压机而言,六面顶压 机具有以下优点:?设备结构简单,合成操作容易;? 设备价格低廉,投资少,硬质合金模具(顶锤)与设备 构成整体,模具尺寸小,重量轻,寿命长,生产金刚石成 本低;?施压时六面顶在3个方向同步加压,不会像 两面顶技术在反应腔体造成压力梯度,因此静压性能 好,反应腔体中压力分布比两面顶均匀.六面顶压机 仍将是我国今后金刚石行业的主要设备. 从20世纪80年代中期开始,我国超硬材料行业 开始了六面顶金刚石压机的大型化进程.从6×8MN 压机起步,经过6×10,6×12,6×14,6×16MN压机到 现在6×20,6×22MN压机成为主力机型,随着金刚石 合成理论的发展,大量新技术在压机设计中得到应用, 新型压机不断出现,极大地推动了我国超硬材料行业 的发展. 六面顶压机由主机,增压器,液压传动系统,电气 控制系统和电加热系统等主要部分组成,其中主机是 超高压合成技术的核心部分.本文对六面顶压机主机 的结构进行了分析,并以此为基础设计了HCY一22型 六面顶压机的主机. l铰链梁与工作缸的结构形式 铰链梁是支承工作缸和承受工作缸轴向推力的刚 性架体,按照支承工作缸的方式不同,有多种结构形 式.工作缸的结构形式是根据铰链梁的结构和支承方 ?收稿日期:2005一l2一l9 作者简介:李杰(1963一),男,湖南长沙人,高级工程师,主要从事超高压合成设备.超 硬材料制品等产品的研究开发和技术质量管理工作. 矿冶工程第26卷 式而确定的.以下是应用较广的几种形式". 1.1法兰支承结构 此结构铰链梁中心部位是一个通孔,结构单一,原 材料利用率高,制造(铸造,机械加工,热处理等)工艺 性好,维修方便.工作缸为法兰式整体结构,法兰支承 在铰链梁简体的前端,承受轴向压力,铰链梁通孔与工 作缸外径为间隙配合(见图1).早期的工作缸为平底 形,由于底部应力分布不均,常出现掉底断缸现象,后 来改为球底结构,使工作缸底部应力分布得到改善,使 用寿命延长.工作缸简体由于同时承受径向力和轴向 力,对材料的强度要求较高,故须采用34CrNiMoVA 作为工作缸材料,十分昂贵;而且只能先锻成钢锭然后 经机械加工而成,材料用量巨大,加工费用高,造成工 作缸成本过高.故这种在(2j360缸径以下压机普遍采 用的结构,随着压机的大型化而被淘汰. 图1法兰支承结构 1.2兜底结构 此结构铰链梁简体后端带有一个与简体连为一体 的支承底,工作缸的轴向压力全部由铰链梁底部承担. 而工作缸简体只承受径向力,对材料强度的要求可适 当降低,一般采用35CrMoVA.但对铰链梁底部的要 求较高,设计上处理不好易产生铰链梁"掉底"现象, 同时,铰链梁采用兜底结构增加了铸造钢材的用量和 制造上的难度.工作缸主要有2种形式. 1)一种形式是工作缸的圆筒形缸体与圆形平底 连为一体,称为整体式工作缸(见图2).它和铰链梁 装配后,外部缸底支承在铰链梁内部底平面上,前端有 压板同铰链梁简体前端固紧,此种结构的工作缸与铰 链梁一般采用间隙配合,方便工作缸与铰链梁的拆卸 与更换.但也有厂家生产的压机工作缸与铰链梁有少 图2整体缸兜底结构 量过盈,其作用是保护工作缸,并增大了工作缸与铰链 梁之间的摩擦力,从而减轻对铰链梁底部的压力,并有 利于提高对中度J.但组装时需要将铰链梁加热,拆 卸时也比较麻烦. 2)另一种形式是工作缸由圆筒形缸体和带凸缘 的平形缸底组合而成,称为活底式工作缸(见图3). 该结构缸体和缸底分体制造,提高了材料的利用率,降 低了原材料的用量,大大改善了锻造,机械加工,热处 理等工艺性能. 图3活底缸兜底结构 1.3双支承结构 此结构的工作缸前端带有法兰,支承在铰链梁简 体的前端,缸底落在铰链梁简体的底平面上,工作缸的 轴向压力一部分通过法兰由铰链梁简体前端承担,另 一 部分通过缸底传给铰链梁的底部承担,工作缸的受 力条件得到了较大的改善,其材料一般采用 35CrMoVA.此结构的工作缸又有2种形式. 1)一种工作缸为整体式(见图4),其法兰与铰链 梁简体的前端之间装有调整垫,调节装配时工作缸外 底部与铰链梁底部之间的间隙,以分配压机工作时铰 链梁前端和底部承担的轴向力,一般间隙控制在0.05 , 0.08mm.由于底部没有通孔,耗费材料较多,成本 较高. 图4整体缸双支承结构 2)另一种工作缸为活底式(见图5),其缸底做成 局部通孔,局部通孔的面积占工作缸内孔的截面面积 的比例由设计者根据铰链梁和工作缸的强度确定,一 般为60%,即40%的轴向力由工作缸的法兰传递给铰 链梁简体前端,60%的轴向力由缸底传递给铰链梁的 第3期李杰等:大吨位六面顶压机主机结构的研究63 底部.由于工作缸有一个局部通孔,在锻造毛坯时可 锻成通孔,从而降低钢材的消耗,节约加工费用,但 还是比兜底式活底工作缸耗费材料为多. 图5活底缸双支承结构 1.4无缸结构 近几年出现的新结构,铰链梁和工作缸合为一体. 其主要技术参数为:铰链梁内径650mm,系统超高压 压力60MPa,单缸公称推力20MN.其优点是系统压 力低,改善了液压系统的工作条件,设备制造成本降低 10%,压机的对中性提高了50%J.但由于铰链梁承 担工作缸的功能,不能承受较高的系统压力,铰链梁内 直径为650mm的压机仅相当于有直径为500mm工 作缸的压机的合成能力,造成了庞大的设备只能合成 较小腔体的场面,金刚石行业一时难以认同. 2铰链梁之间的联接销轴 2.1刚性圆柱销轴 六面顶压机铰链梁之间传统的联接是采用刚 性圆柱销轴进行联接,目前仍有很多压机生产厂家采 用.其优点是结构简单,联接可靠,制造成本低.其缺 点是为了装拆方便,一般留有0.1,0.2mm或更大的 间隙,因而在压机工作时会产生微小的晃动,还会影响 压机的对中性.随着压机的大型化,其另外一个缺点 尤为突出,就是由于销轴受力过大,会产生塑性变形, 销轴拆卸十分困难,强行重锤撞击不仅耗时费力,还会 造成铰链梁耳孔和销轴拉伤,严重时只能扩大耳孔和 重新配做销轴,费用很高. 2.2弹性无间隙销轴 由于刚性圆柱销轴的上述不足,一种新型的弹性 无间隙销轴应运而生.弹性无间隙销轴(见图6)由锥 销1,弹性套2,压盖3和螺钉4组成,锥销和弹性套在 自由状态时外径尺寸比铰链梁耳孔尺寸小0.5mm,安 装到位后拉紧螺钉,使弹性套膨胀,可使销轴与耳孔之 间形成过盈配合,达到无间隙联接;拆卸时,只需将螺 钉松开,将锥销后退,弹性套即可恢复到原始尺寸,轻 轻即可拉出.由于弹性套上铣有多道槽缝,螺钉拧紧 后,铰链梁耳孔受力面积增大,压应力减小,减少了耳 孔的变形.弹性无间隙销轴消除了铰链梁之间的间 隙,提高了设备本身变形的协调性,便于维护,解决了 长期困扰用户的设备拆装困难和拉伤铰链梁耳孔及销 杆的问题. _一l 图6弹性无间隙销轴结构 1——锥销;2——弹性套;3——压盖;4——螺钉;5——铰链梁 3HCY一22型压机主机结构的设计 根据金刚石行业对新型大吨位六面顶金刚石压机 的需求,我们在走访客户,调研市场,并对六面顶金刚 石压机主机各种结构形式进行分析后,确定了HCY一 22型压机主机的设计. 3.1压机主机的设计方案 3.1.1压机大型化的关键问题大吨位压机设计是 否成功,仅仅看设备是否能提供超高压压力,设备使用 寿命是否长是远远不够的,更要看它能否合成出高品 级的金刚石,能否保持较低的顶锤消耗. 3.1.2设计思路在主机结构设计时从以下3个方 面着手提高压机的性能. 1)提高设备的对中性. 在六面顶合成技术中,3对活塞在空间的交点称 为设备的结构中心,装在活塞端部的6个顶锤的轴线 在空间的交点称为汇力中心,六面顶工作时的受压物 存在质量中心,对于超硬材料合成工艺来说,一个理想 的工作状态要求设备的结构中心,顶锤的汇力中心,受 压物的质量中心三心合一_8J.如果三心不合一,偏离 活塞中心的压力会产生一个力矩使活塞偏转或产生偏 转趋势,迫使活塞偏压在工作缸壁上,造成活塞运动阻 力不一,影响压机的同步性甚至"拉缸";同时,还会造 成顶锤偏载,大大降低顶锤的使用寿命;随着压机的大 型化,这个问题越来越敏感.为了尽量做到三心合一, 必须提高压机的对中精度.要通过合理设计铰链梁和 工作缸的结构,减小工作缸和铰链梁,活塞和工作缸, 活塞杆和导向套之间的间隙,提高铰链梁耳孔的加工 精度来提高设备的对中精度. 矿冶工程第26卷 2)减少4个水平锤头前行下垂量. 压机合成时,4个水平锤头前进到行程最长位置 时,锤头下垂会恶化顶锤的受力状态,缩短顶锤寿命. 故设计大吨位压机时,除铰链梁应保持高的加工精度, 工作缸,活塞,导向套高的定位和导向精度外,还要使 活塞重心后移,消除水平方向的活塞由于重量引起的 下垂现象. 3)提高设备的结构刚性. 结构刚性就是作为一种结构保持原有形状不变形 的能力.实物检测表明,采用法兰支承的铰链梁和工 作缸结构的压机结构刚性较差,而兜底结构的刚性较 好.同时,在设计计算时不能仅考虑零部件的强度,还 必须充分重视关键件的刚性,如铰链梁,销轴等.在提 高设备结构刚性的同时要考虑变形的可协调性,减少 系统中的约束,尽量将静不定问题变成静定问题J. 3.1.3主要技术参数单缸公称推力22MN;工作缸 直径520mm;系统最高超高压压力104MPa;活塞最 大行程80mm;主机外形尺寸2600mmX2600mmX 2950mm. 主机结构铰链梁和工作缸采用兜底结构,铰 3.1.4 链梁之间采用弹性无间隙销轴联接,主机结构见图7. 在设计中,使用有限元分析软件ansys,cosmos设计分 析铰链梁,工作缸和活塞3个关键零部件. |//\\ll|奎,?一 l匪 /;/ \\?\/L——?,.一/ !/ 图7HCY一22型压机的主机结构 工作缸简体;3——青铜耐磨带;4——活塞; 1——铰链梁;2—— 5——内导向键;6——厚,薄螺母;7——导向套;8——法兰I; 9——法兰II;1O——弹性无间隙销轴组件;11——缸底 3.2铰链梁的设计 铰链梁是六面顶金刚石压机的核心部件,它不仅 受力最大,而且高压合成所需要的对中性,同步性及稳 定性都与铰链梁的加工精度和刚性密切相关.兜底式 铰链梁耳片和底部的强度最为关键,传统的铰链梁的 耳片一般没有到达简体的最后端(见图1,5),不能保 护底部的危险截面.将耳片一直延伸到简体底面,并 适当高出筒体外圆,同时相邻耳片的延伸面保持平行, 有效地提高了底部危险截面的强度,同时也增加了设 备的刚性. 3.3工作缸的设计 工作缸为活底式,由简体,缸底和密封部件组成. 在设计工作缸简体时,在满足机械加工要求的前提下, 尽量减薄筒体的壁厚,并减小筒体外圆与铰链梁内孔的 配合间隙,这样不仅提高了压机的对中性,而且使工作 缸简体受到超高压油的压力后,经过少量弹性变形即贴 合在铰链梁的内壁上,这时筒体主要承受压应力,受力 条件较好,筒体使用寿命较长.缸底设计成向缸内凸起 的形状,与之相对的活塞底部则设计成向内凹进,在保 证零件强度的同时,缩短了铰链梁,工作缸和活塞的长 度,减少了钢材的用量,降低了设备的制造成本. 3.4活塞的设计 随着工作缸直径的加大,活塞的直径也越来越大, 重量越来越重,从而带来2个问题:?压机工作时上, 下缸的推力存在一个大小为2倍活塞重量的差值;? 热处理调质难度大.考虑到如果采用中空组合式活塞 虽然可以减轻重量,但在100MPa的油液压力下,活塞 可能会产生变形,影响压机的同步性,这对合成来说是 致命的.因此,仍采用整体式活塞,在设计液压系统时 采取措施解决上,下缸的推力差值问题,通过改变热处 理工艺来解决活塞调质问题. 在设计活塞底部的凹面时,除中心部位留有(2j260 mmX6mm的空间供活塞回位到底时液压油推动活塞 起步外,其余部位和缸底相对应的部位完全贴合,以减 少压机拆装时油液中的含气量. 在压机使用过程中,"拉缸"是一个令人头痛的问 题,一旦发生"拉缸"现象,轻则影响压机的同步性,必 须停机修理,重则造成工作缸和活塞报废.在工作缸 和活塞的配合间隙较小的情况下,无论采用何种机械 行业解决拉伤的措施,如:增加工作缸和活塞的硬度 差,提高工作缸的表面光洁度等,均无理想的效果.而 加大工作缸和活塞之间的间隙,则会影响压机的对中 性,甚至加大主机的压降.在设计HCY一22压机时, 在活塞上安装青铜耐磨带,不仅使活塞和工作缸的间 隙缩小到0.02mm,提高了压机的对中性,还彻底地解 "问题. 决了"拉缸 4应用情况 HCY一22型压机于2005年初研制成功,主要性 能指标检测结果为:保压性能为105MPa压力下5min (下转第67页) 第3期龚伟平等:钼合金耐火材料液相烧结性能热力学研究67 在计算相图的指导下,进行了实验验证铜镍固溶 体对金属钼烧结性能影响的研究.图6为Mo—Ni?Cu 合金1273K下热处理后电子探针形貌分析照片和扫 描电镜照片,可以看到在添加了铜镍固溶体后的金属 钼中出现了2种不同状态的液相凝固组织.该实验在 相图计算结果的基础上验证了添加一定量的铜镍固溶 体可以使金属钼在1273K温度下液相烧结. 图6Mo?N'.Cu三元体系1273K扩散偶微观结构 (a)金相显微照片;(b)扫描电镜照片 3结论 利用已有的热力学数据,采用国际上通用的计算 材料学软件Thermo.Calc计算了cu.Ni,Cu.Mo,Ni.Mo 3个二元体系相图,并热力学外推了Mo—Ni—Cu三元体 系1273K等温截面图,预测了该体系低温液相烧结 的可能性.以计算相图为指导分别在1073K和1273 K温度下配制cu.Ni二元扩散偶和Mo—Ni.Cu三元扩 散偶.实验结果验证了Mo—Ni?Cu三元体系中液相在 l273K温度下的存在,与计算结果相一致. 该工作以研究Mo.Ni.Cu三元体系液相烧结性能 的实例说明了计算材料学在材料成分和工艺参数设计 方面的应用. 参考文献: .钨合金球制造工艺的研究[J]中南 [1].王伏生,粱容海,周载明,等 工业大学,l996,27(6):699. 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[6]SubramanianPR,Laughlin19E.TheCu-Mo(Copper—Molybde— i?tum)System[J].BullA【lPhaseDiagrams,1990,ll(2):169一 l72 (上接第64页) 压力下降1.8MPa;对中精度为0.18mm;同步精度为 0.2mm;均高于标准1倍以上.首台产品销售出厂即 在湖南宁乡某公司创造了新压机安装后开机即连续运 行4.5个月顶锤消耗为零,连续运行6.5个月只裂一 个顶锤的好成绩(采用42腔体合成金刚石).后来 在湖南省岳阳市某公司又开创了使用工作缸直径为 520mm压机用间接加热工艺在42腔体中合成金刚 石的纪录.经过1年多时间的运行,用户普遍反映该 机运行稳定,性能可靠,特别是对中性,同步性和保压 性能好,装拆方便,合成的金刚石质量好,顶锤消耗低. 5结语 1)大吨位六面顶金刚石压机铰链梁和工作缸采 用兜底结构. 2)铰链梁之间的联接采用弹性无间隙销轴,可以 提高设备的对中性,同步性和保压性能. 3)主要零部件强度高,可靠性好,制造成本较低, 设备运行可靠,装拆方便. 4)设备结构简单,合成操作容易,生产金刚石成 本低. 参考文献: 李志宏.赵博,宜云雷.对超硬材料行业未来发展的思考[C]. 中国超硬材料技术发展论坛论文集.郑州:中国机床工具协会超 硬材料分会,2005. 邓福铭,陈启武,李启泉.试论我国金剐石行业超高压技术的发 展问题[J].超硬材料工程,2005(3):33—36. 李裕民.我国铰式六面顶设备发展概述与展望[c].98郑州国 际超硬材料及制品研讨会论文集.郑州:中国机床工具协会超硬 材料分会,l998. ,铰链式六面砧高压高温装置[J]. 王光祖,翟小青,罗明,等 金刚石与磨料磨具工程,2000(6):34—37. 杨东平.关于铰链式六面顶金刚石压机的改进设计[c].中国超 硬材料新技术研讨会论文集.郑州:中国机床工具协会超硬材料 分会,2004. 方啸虎.超硬材料科学与技术[M],北京:中国建材工业出版社, 1998. 张建华,丁捷,王飞翔,等.无缸压机的研制开发[J].金剐石 与磨料磨具工程,2005(4):59—61. 陈启武,熊湘君,邓福铭.超高压技术研究[J].矿冶工程,2001, 2l(1):65—68. 陈启武.超高压设备大型化的几个问题[c].硬质合金顶锤使用 技术研讨会论文集.长沙:湖南省超硬材料协会,1995. ]]]]]{]?竺J