CC BY
31
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.232.8.004.12
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОУПРОЧНЕНИЯ БУРОВЫХ КОРОНОК
И. Г. Боярских
Рассмотрена методика определения влияиич вибрационной обработки буровых коронок.
Определены критерии оценки допустимых условий -^работки. Установлено, что срсднсвероягнос
initui'iiiir дтичт-чногто rranu Ч4» УГГА к pejyni.Y5m« «HnpuvTipouuflinin.i'ft iitipiifvmni nntrm и Ч ря»а numr
спеднсвсроетной доитговсчности неупрочиенной стили.
Таким обраадм, чкеиериментальные исследования н г|ромытлснные испытания иочволхгот сделать следующие выводы об и «Mcuemni -чЩкхта унрочт синя но пубиис уцр<»чн^нно1ослоя корпуса и и процессе его »пноса. И шпе ягого слоя в процессе бурения требует последующего повюрення виброупро^ення в условиях жеплуапщин, кратного числу переточек.
Лая получения максимально возможною тффекта виброунрочнсиия твердосплавных буровых соронок удориоп) действия процесс первичного упрочнения нужно осуществлять внброупрочненнем на финише изготовления коропок. а последующее внброупргчисние при их ткенчуатацни па ropjnux предприятиях. при каждой их переточке.
Кчмчеяые сюви корпус, буровая кпронка, твердый сплав. вибрационная обработка, вибромашина, нафужепне, прочность, ударная усталость, износостойкость. доиоасчмостъ,
A technique of determination of influence of vibration treatment of chisel bits is considered. Crtietta ol assessment of allowable treatment conditions иге determined It is established that the average possible value of durability of 35 KHGSA (ХГСЛ Russian abbreviation) steel as a result of vihro-reinforcing treatment is 3 itnves higher of the average-probable durability of ordinary steel.
Thus, experimental investigations and industrial testing allow to make conclusions about changes oi rejnforcm.v: ciTect tin the depth of the reinforced layer of ihebody suid in the process of us deterioration. The deterioration of this layer in the process of drilling requires ihe subsequent repetition of vihro-rcinforcing in conditions of operation, equal to a number of re-sh: rpening.
To receive maximum possible effect of vibro-reinforcing of hard-alloy chisel bits of percussion type ihc process of pnmary reintorcing musl be earned out by reinforcing at Ihe final stage of bits manufacturing and Ihe further vibro-reinforeing must be made during their operation at mining enterprises during their each resharpemng.
Key м onls body, chisel bit. hard alloy, vibration neat menu vibro-machinc. loading, strength, i hardness), percussion fatigue, wear resistance, durability.
В настоящее время в решении задач обеспечения ударно-шгошческон прочности материалов корпуса бурового инструмента су-шествует ряд противоречии. главным образом происходящих из-за различия в методах опро-де 1сния усталостных хараетериегнк Действительно. в довольно обширной информации о результатах определения прелелов усталости материалов корпуса фактические значения I(редела усталости кплебшотся от 200доХ00 Ml Ь.
Столь значительный диапазон определяет« исключительно тем. ЧТО в нельм иниях исследователями применяются машины, различные по методам и схемам нагруженмя образцов. Чаше всего образны иснытывактя в статическом режиме нагруженмя. В последние голы в известных работах доказано, что материал, разрушаемый ы лабораторных усло-вняч. необходимо нафужгггь в гаком состоянии. в котором он воспроизводит работу рсаль-
иого инструмента. Объясняется это тем, »гто нагружение материала при ударной натрузкс происходит1 через иолпу деформации. » связп с чем изменение его структуры в динамических условиях сушсст венно отличится от ста-тичсскнх. В данной работе для оненкн усталостных свонстн материала корпуса использовалось удар ночитклическое нагружение.
Одним из видов отделочно-упрочнякяцей обработки деталей, формирующей и етабилтн знруюшеи их циклическую прочность, является вибрационная обработка, при которой детали вместе с обрабатывающей средой тагружа-ю 1 ся » вибрирующий контейнер. При этом могут обрабатываться детали сложной формы, и количество обрабатываемых деталей назначается п соответствии с необходимой производительностью вибромашины.
В зависимости от вида обрабатывающей среды вибрационная обработка может выполнять функции абразивной или упрочняющей обработки. Для упрочнения, например, твердосплавных изделий наиболее эффективным вариантом является виброабразивная обработка с последующим упрочнением в средг твердосплавных шаров диаметром 8-10 мм.
Технологические условия ил отопления н эксплуатации твердосплавного инструмента характеризуются тем. что ра «породные мате-риы>1ы инструмента испытывают одновременное воздействие на их ресурс, поэтому при нмборе критериев опенки допустимых условий оирдбошт необходимо ориентироваться на критический элемент инструмента. Таким элемент ом является твердосплавная иоролора;-руиптющая вставка, так как долговечность инструмента определяется сё ресурсом.
Показанные ранее результаты аоздейст-вяя вибрационной обработки на физнко-меха-нические свойства твердого сплава {некоторог повышение твердости, возникновение сжимающих напряжений и изменение микроструи-туры) создают реальные предпосылки для повышения износостойкости твердых сплаве® (1), Следовательно, при выборе режимов упрочнения необходимо принять режимы упрочнения твердосплавных вставок инструмента.
Известно, что износостойкость твердого сплава прямо пропорциональна его твердости [7| и его износ вызван эрозиен кобальтовой связки и растрескиванием вольфрамо-карбш-
ного скелета в поверхностном слое [2, й), Поэтому наблюдаемые в резулъгите аиброоб-paóoiKH повышение твердости сплава и переход в поверхностном слое Со-фа 1Ы из кубической в более хрупкую и твердую гсксагопаяь-иую модификацию можно считать предпосылками к повышении! износостойкости твердой сплава
Из данных работы [2| следует, что буквой твердосплавный инструмент изнашивается обычно в результате абразивного износа и мелких выкрашиваний рабочих поверхностей твердосплавной вставки, вследствие приложения ударной нагрузки. Поэтому а процессе бурения происходит ухудшеште микрорельефа поверхности твердосплавных армирующих элементов, что сиоеобствусгт снижению их долговечности.
Эти обстоятельства имеют практическое значение при опенке возможностей вибрационной обработки в повышении износостойкости твердого сплава. В силу некоторых методических трудностей моделирования ударко-збразпвного износа твердосплавных элементов опенку их износостойкости после виброуи-рочнения целесообразно осуществить при бурении.
Применение режимов виброуирочняюшен обработки коронок, эффективных для пороло-раэрушающей части, оказывает также благоприятное влияние на некоторые физико-механические свойства стали корпуса В работе [О) усыновлено, что ниброупрочнение стали 58ХНЗМФЛ в коронках БКПМ40 вызывает повышение твердости поверхности и приводит к изменениям микроструктуры поверхностного слон. При этом глубина упрочненного слоя достигает 0,081 мм Отмечено также изменение шероховатости с 4-«о до 7-8-го классов
Влияние внброупрочнлюшей обработки стали 35ХГ.СА, применяющейся в наиболее массовых видах серийного буровою инструмента, не исследовалось. В связи с этим о;ишм из вопросов исследований должен был.: какое влияние оказывает вибраниониая обработка при оптимальных режимах, принятых ранее для т вердого сплава |4|, на ирочносг:» и долговечность стали 35ХГСД.
Установленные в рассмотренных исследовании-* [4. 5] возможности вибрационной
обработки были реализованы ее акторами и производстве перфораторных коронок типа БКПМ-40 (6) при обработке твердого сплава перел пайкой и упрочнении кщюиок на финишной операции изютовлсиия.
Согласно известным результатам исследований [4.5), применение вибрационной обработки в производстве перфораторных коронок БКПМ-40 позволило повысить их стойкость на 25-48 %.
Данные исследования проведены на образцах размерами 5x5x35 мм. При изготовлении образцов моделировались условия изготовления корпусов перфораторных коронок ПС : вердости и чистоте обработки. Одна пари» образцов была подвергнута вибрационной упрочняющей обработке в промышленной вибромашине при амплитуде колебаний 2*3 мм. частоте колебаний 25 Гц и продолжительное ги обработки 60 мин, друп»я партия-кон !рольной виброупрочпяющей обработке не подвергалась. Обе партии образцов были подвергнуты испытаниям на ударную усталость Испытания образцов выполнены на ударно-> сталостном копре гипа ДСВО-150 по метолн •:о ЦНИИ МПС Уральского филиала.
После статистической обработки результатов установлено, что средний логарифм лап ове'шости образцов, подвергнутых вибрационному упрочни шю, составляет А' ^5,112 с дисперсией Д - 0,0713, а у кон^юльных -
= и Д-= 0.0142.
Распределения долговечности испытанных образцов представлены на вероятностно? бумаге (рис. I). На лом рисунке по ост отложены вероятности в процентах, а по ос» абсцисс логарифмы долговеЧНостей. Оценке-верояшости разрушения выполнена по формуле
/>-(» 0.5)/«. где / - порядковый номер образца в возрастающем ряду значений долговечности; л - число испытанных образцов.
На рис. I вилно. что распределение долго-аечнистен при ударно-усталостных нсныгапи ах удовлетворительно подчиняется логарифмически нормальному закону. Средневероят нос (при Г 0.5) значение долговечности образцов, подвергнутых внор;шнонному упрочнению. почти я 3 рц*а нише срсдмевероя-тион
1 .
/ / r * 1
л à
Il ■! ——4
/ /
- / S*
• / /
t L.
irC' fff» l'fit
Рис !. Долтиечность образ&ов из стали 35ХГСА.
/ веч «;ii~>iH>o6puбитки ;
2 - после MuCpintópiiñomnu
долговечности мил рольных (нсупрочненных) образцов.
Однако (см. рис. I) рассеяние лолговеч-иостей упрочненных образное больше, чем неугфочиенных; при »том максимальные долговечности нсупрочненных образцов перекрываются минимальными долгонечиостямп упрочненных.
Большее расссяш<с до. и «вечности упрочненных образцов по сравнению с неупрочиен-ными связано, по-вилнмому. с неравномерностью упрочнения поверхности всех образцов
Изтабл I видно, что в условиях бурения, где наблюдалось наибольшее число коронок с разрушением твердого сплава, достигался от многократной вибрационной обработки максимальный чффект Так. стойкость коронок КДП-40-25. имеющих без упрочнения 25 % разрушений твердого сатана, после многократного виброупрочнсиия повышалась на 27 Стойкость коронок БКПМ-40Ф после мнопо-кратного упрочнения повысилась на 57 % но сравнению с неупрочненнымн коронками, из числа которых 50.5 % выходили из строя по причине разрушения твердою сплава
Для определения глубины иаклеианного слоя производился замер микротверлости на косом срезе (лыске), выполненном на коронке UM0-2S.
Замер мнкротвердости осущесгилялея за приборе ПМТ-З при нагрузке 100 г и с увеличением Х480. На каждом косом срезе делались '»амери через 0.025 мм.
- 55-=.
Основные причины вмш из строя буровых коронок серийной теиюлопш и с применением вяброобьемной обработки
Тип коронок и технологические отличия Причины выхода »о строк %
место и условия испытаний амортизация разрушение твердого сплава выпадение твердого сплава поломка корпуса
КДП-10-25 с виброобработкой пластин перед папкой Дегтярское РУ крепость пород = 5- 6 94 6 - -
БК105с внброобработкой пластин перед пайкой Тоже 38 31 - 31
КД11 -40-25 с виорооораоот-кой пластин перед пайкой и корпусов после пайки н 81 13 - 6
КДП -40-25 без внброупрочнення Березовское РУ. /= 8-10 55 20 — 20
КДП-40-25 с многократным в>(броупрочней нем То же 60 25 - 15
КДГЫОФ с многократным виброу и роч ней нем _ II _ 27.7 62.5 5,5 4,2
Обшая глубина наклепа определялась как -¿стояние от вершины |-ребешков до слоя ма-ерхала, где мнкротвердость равна исходной.
Микрот»Срдость в поверхностном слое т>сх коронок на 50-60 ед. выше, чем в глубин-Ок.\ слоях Обшая (дубина наклепа не превыше! 0.1 мм. Степень наклепа - 1.3. Глубина -склепа не одинакова но длине коровки, »-иедствне различной твердости корпуса, кающейся от 35 до 40 ед. НЯС.
В работе использован также рснпеновс-ь^.'т метод определения Шубины наклепанного -ля. позволяющий оцени п. достоверность штучеппьгх результатов вышеуказанными методам п.
В основу метода положены известные теоретические представления о влиянии кон-эяпраШш дефектов па форму дифрагирован-«го рефлекса [3]. Согласно этим иредставле-пед.ч, введение в кристаллическую решетку чесовершенств приволш к размытию рефлек-^ к увеличению доли отраженной интенсивности. приходящейся на собственно рефлекс ? дальнейшем на часть отраженной ниген--"эности условно именуется «шпегролыюй «•гтенсмниостью» Jllln). Степень размытия «¿растеризуется (к случае ионизационной гьемкн) полушириной кривой отражения Яп.
Известно, что большеутловыс рефлексы I »а.шие линии) наиболее чувствительны к тиснению концситрашш неорнентированных несовершенств-пша дислокационных скопле-«яй, тогда как мадоуглсшые (передние 1рции) -• изменению мозаичной структуры. Разделе-=2>:с микронскяженнй н мозаичностн с указа-нем их абсолютных значений возможно лишь ; случае значительного (более, чем двукратного) »вменения Я,.
При оценке влияния виброобработки на -губи ну упрочнения исходим из того, что съемка наклепанных внброобработкой образцов при последовательном удалении части па-»трепанного слоя ласт закономерное изменение ч иеньшенне) ^ и П(1 и что после полного %лвлеиии наклепанного слоя ли характеристики достигнут минимальных значений и больше изменяться не будут.
Снятие тонких слоев с поверхности образцов осуществлялось на алмазном диске. За один раз снимался ¿400 ТОЛЩИНОЙ 20...40 МКМ Предельная толщина снимаемого за один
прием слоя обусловлена необходимостью получить хотя бы несколько точек в пределах наклепанного слоя. Минимальная толщина обусловлена чувствительностью метода
Кривые отражения сняты на аппарате УРС-50 ИМ в кобальтовом излучении.
Образцы для исследовании вырезались из трех коронок, гак. чтобы пучок падал на плоскую поверхность (рис. 2).
Рис. 2 Схема вырезки образцов иг коронок КДП-Ю-25 дня определения глубины наклеил корпуса рентгенографическим методом.
/ твЗрдоспьгшшм пластина; 2 - образен .? - корпус коронки
Характер изменения^ и £„для исследуемого образца приведен на рис. 3.
Рис. 3. Изменение [I) пИЛ (2) по глубине поверхностного слоя виброунрочненногс» корпуса коронки КДП-Ю-25
/9 «О *В ие ¿О « « » Ц)
Таллина уЗзлтнонз с/яв. ккн
Из «рафиков следуег, иго первые -1 00 мкм от поверхности внброобработаииого образца содержат повышенное количество несовер-шеиств. которые привели к дроблению внутри-зеренной мозаики. График (рис, 3) ./пп- }' (л) показывает, что концентрация дефектов несколько выше исходной и в интервале ло 180 мкм. по полуширина здесь практически постоянна, т. е. размеры блоков нпутрнзерел-ной мозаики здесь не изменились.
Выводы
Средневсроятнос значение долго всчтюст стали 35ХГСА в результате виброупрочпяющей обработки почти в 3 раза выше срсд-иевсроятной долговечности неуирочпеннай стали. Глубина наклепа стали 35ХГСЛ составляла ло 180 МКМ до этого и изменялась в зависимости от твердости после закалки и изменения режимов вибрационной обработки.
1. Таким образом, экспериментальное исследования и промышленные испытания позволяют сделать следующие выводы об изменении эффекта упрочнения по птубине упрочнённого слоя корпуса и в процессе его износа. По мере износа упрочненного слоя на шубику более 100 мкм, благоприятная пластическая деформация поверхностного слоя корпуса после указанной глубины практически не наблюдается. что подтверждено рсииенографн-ческими исследованиями (см. рис. 3). Износ этого слоя в процессе бурения требует последующего повторения анброуирочнення в условиях зкеплуатппни. кратной числу переточек.
2. Режимы виброупрочнеиия стального корпуса обеспечивают максимально возможную глубш!у упрочнённою слоя. Режимы не снижают эффекта упрочнения твердосплаз-ного вооружения.
3 Для получения максимально возможного эффекта внброупрочиення твердосплавных буровых коронок ударного действия процесс первичного упрочнения нужно осуществлять внброупрочиенисм на финише изготовления коронок, а последующее виброупроч-ненне - при их эксплуатации на горных предприятиях. при их каждой переточке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
I Боярских И Г. Вшштс исходной тсхнилоси-чсскойнаелсастценноститвердосплавных вешво» на эффективность упрочнения бурового ннструмза-тз // Материалы Уральской горнопромышленной декады, г Екатеринбург. 21.07. 27.04.203i) LtarrcpiiBfjypr: Идою УШГ. 2009.
2. Влияние состат и структуры avian/» -карбил-аольфрэм-кобальт на и шоСостоВкОсгь при ударио-абразивпом истирании / В. И. Туманов [ и др.] // Твердые a главы: труды ВНИИ 1С. М.: Мепиь лургия. 1%9..№».
3 /орсыи С С, Растор.лчяЛ // Рентгенографический и тлеетроннографмчеекмй анализ металлов. М. 1975.
а Исследование ктмпия «uój>ai(uounoú обработки на фнзиксъмсханнчсскнс свойства тердых сплавов/В. А. Повцавйто, В. П. Кярмилкж, И. А. Кудри, А. М. Чувилин // Совершенствование техники буровзрывных работ на рудниках цветной металлур-пш. М.: Цвстмстинформаинл,! 96^. С. 61.
5. Кармаяюк В. И. Исследование процесса вибрационной объемной обработки и его влияние на физико-механические свойства твердых сплавов: ятпрл|| i;ио . кяип. níxn.nayK. Львов. 1%9.
6. Повышение стойкости бурового инструмента способом инбрашюнной объемной обработки H.A. Кудря [ и др.] Ч1 Inen ш чстдллур> кя. 1971. S\ 20.
7. Чувшин Л. М Технология и cboMci вл спеченных твердых сплавов и изделии ю inrx, М., 2001
8. Robinson Р Wear of iools duriny rock drllling Metalls Austral 1973.4. Xí II. 403 (aun.).
