随着现代科技的飞速发展,广泛应用于工业生产和科学研究中的超高压设备在高压技术方面发挥着越来越重要的作用。作为超高压设备的核心部件,超高压模具一直存在着两个方面的发展需求,一方面是尽可能获得更高的压力,另一方面是提供尽可能大的腔体容积。模具大型化是现代超高压设备发展的必然要求,因其不仅仅表现为可以提高合成产品的产量,更重要的是可以提高产品的质量。然而,在现有的技术下,设备大型化时其零件的尺寸也成倍增大,这将导致大尺寸的硬质合金零件的成本极高、制造难度大、质量难以得到保证,并且模具的极限承载能力也有所降低。基于此,研究了具有剖分式压缸的超高压模具,此结构不仅能降低压缸结构的受力,而且可以显著减小零件的尺寸。在保证模具承载能力的前提下,扩大腔体容积,使结构易于大型化应用。剖分式结构具有两种剖分形式:径向剖分和切向剖分。在极限承载能力方面,切向剖分式压缸具有显著的优势。本文通过数值模拟对压缸切向剖分式超高压模具进行一系列的研究和优化设计,为剖分式超高压模具的设计制造和实际应用提供一定的理论依据和科学参考。本文研究的主要内容和结论如下:1.探讨具有剖分式压缸的超高压模具的设计原理对超高压模具中的硬质合金压缸进行剖分,能够消除传统年轮式模具的周向拉应力过大的缺点,并且可以减小压缸零件的尺寸。有两种形式:径向剖分是剖分面沿着压缸的半径方向进行剖分;切向剖分是一种全新的剖分形式,其剖分面垂直于压缸的半径方向,是沿着内腔的切线方向进行剖分。对剖分式模具进行相关的理论分析,推导出相关参数的计算方法和设计原则,为模具的初步设计提供理论依据。2.超高压模具的有限元建模采用数值模拟软件对超高压模具进行有限元建模。对年轮式超高压模具进行数值模拟,比较模具在预紧状态和工作状态两种情况下的应力分布情况,分析压缸和支撑环的应力分布特点,结果表明压缸内壁上的周向拉应力是导致模具失效的主要原因。3.剖分式结构与年轮式结构的比较和分析分析和比较年轮式压缸、径向剖分式压缸和切向剖分式压缸的受力情况。结果表明:在相同的载荷下,三种结构的受力依次减小;径向剖分式结构能够显著减小周向拉应力;切向剖分式结构可以完全消除拉应力,并产生周向压应力;由于相邻切向剖分块之间存在相互挤压和摩擦作用,这种相互作用可以自协调和均匀化压缸的应力分布,进而使材料性能得到充分利用,并提高压缸的承载能力。此外,工作状态下,切向剖分式压缸为三向受压的应力状态,这对硬质合金材料非常有利。极限压力测试实验表明,模具破裂时三种结构的腔内名义压力分别为5.75GPa、7.27GPa、8.39GPa。4.剖分块数对剖分式模具的影响数值模拟的结果显示,对于径向剖分式结构,随着剖分块数增多,压缸的受力并不会发生显著变化;对于切向剖分式结构,剖分块数增多,压缸的受力相应地减小,应力分布趋于均匀,极限承载能力提高。从多个角度讨论压缸剖分块数的选取原则,可概括为:压缸的尺寸较小时宜选用较少的剖分块数,压缸的尺寸较大时宜选用较多的剖分块数,并且当剖分块的外轮廓接近规则形状时,其受力更合理,应力分布更加均匀,承受载荷、抵抗冲击、防止脆断的能力更强。5.切向剖分式压缸的结构优化设计对切向剖分式压缸的关键几何参数进行优化设计。分析和比较压缸的高径比、厚度比、高度比和半锥角对结构受力的影响,并得到在一定条件下的各参数的最佳优化值。讨论剖分面上的摩擦系数对压缸工作的影响,结果表明相邻剖分块之间的相互作用存在一个合理的区间,这种作用过小或者过大都会对压缸受力产生不利的影响。6.采用剖分式结构设计大腔体超高压模具基于超高压设备大型化的发展趋势,在模具能够承受较高极限压力的条件下,尝试设计具有大样品腔容积的超高压模具。采用剖分式压缸结构来减小硬质合金零件的尺寸,降低制造难度和成本,提高其材料质量,并改善压缸结构的受力。样品腔直径为?80mm,硬质合金压缸采用两层剖分式结构,内层为切向剖分式结构,外层为径向剖分式结构,此方案不仅能显著减小单件硬质合金零件的尺寸,而且能够提高模具的极限承载能力,进而使这种大尺寸压缸可以承受7GPa以上的工作载荷。对于压缸外的预应力保护,可采用多层组合支撑环式预紧或钢丝缠绕式预紧,其中缠绕式预紧结构更加合理,可以显著减小模具的总尺寸,并降低模具的制造成本和装配难度。