CC BY
6Машины, оборудование и обустройство промыслов
УДК 621.91.01
КОНЦЕПЦИЯ ПРОХОЖДЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ
ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ СТМ
CONCEPT OF PASSING OF CONTACT PROCESSES WHEN TURNING HEAT-RESISTANT ALLOYS WITH TOOLS FROM STM
В. А. Белозёров
V. A. Belozerov
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: точение; станки с ЧПУ; контактные напряжения;
концепция прохождения контактных процессов Key words: turning operation; CNC-machining technique; contact stresses; concept ofpassing of contact processes
Концепция прохождения контактных процессов тонкого точения жаропрочных сплавов инструментами из СТМ, разработанная нами, основывается на том, что существует единая контактная область взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов, объединенная контактной характеристикой — коэффициентом укорочения стружки (усадкой стружки), который управляет контактными процессами одновременно на передней и задней поверхностях инструмента из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов и сталей на станках с ЧПУ, гибких производственных модулях (ГПМ) и обрабатывающих центрах.
Прежде чем рассматривать вопросы, связанные с созданием концепции прохождения контактных процессов при взаимодействии обрабатываемого и инструментального материалов и реализацией оптимизационной модели процесса тонкого точения жаропрочных сплавов инструментами из СТМ, необходимо остановиться на проблемах моделирования процессов и создания физических моделей процессов [1].
Понятие «моделирование» определяется как замещение одного объекта (оригинала) другим (моделью) с целью упрощения, удешевления, ускорения изучения свойств оригинала.
Таким образом, моделирование процессов предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должен удовлетворяться ряд требований к моделям: адекватность, достаточная точность, целесообразность, экономичность.
Необходимость в методах моделирования возникает в различных ситуациях для экспериментального исследования, всестороннего анализа и прогнозирования прохождения процессов. Важной сферой моделирования является принятие управленческих и проектных решений при исследовании процессов.
Предпосылки создания оптимизационной модели и физической оптимизации контактных характеристик (на стадии разработки) таковы.
• Нами проведено исследование сил Nl, Fl, средних контактных напряжений qNl, qFi, коэффициентов трения ^ на задних поверхностях резцов из СТМ от изменений коэффициента укорочения стружки KL при тонком точении жаропрочных сплавов.
• М. Ф. Полетика своими исследованиями указывает на то, что наиболее яркое влияние оказывает коэффициент укорочения стружки KL на силы на задней грани Nh Fl и коэффициент трения fil при h3 = 0,03-0,04 мм («острый» резец), то
122
Нефть и газ № 3, 2017
есть сразу после периода приработки резца [2]. Эксперименты показали, что с ростом KL силы N], F] увеличиваются.
• Нами использован метод физической оптимизации А. Д. Макарова [3] и оп-
опт _
ределены скорости резания и^ , соответствующие минимальным относительным износам hon3 резцов из СТМ.
• Ю. И. Некрасов пришел к выводу, что при обработке труднообрабатываемых материалов в диапазоне режимов резания «за наростом» сочетания режимов резания, при которых оптимальный коэффициент укорочения стружки КЮ"т не изменяется, обеспечивают постоянство силового и температурного нагружения режущих кромок и режим поддержания постоянства коэффициента запаса прочности режущей части инструмента (попт = const) [4]. Было доказано, что критериями физической оптимальности на передней поверхности инструмента в зоне контакта являются одновременно постоянные оптимальные коэффициент укорочения стружки К°пт, температура резания б0пт и средние нормальные контактные напряжения По постоянному оптимальному коэффициенту укорочения стружки К£пт определяем оптимальную скорость резания и™т. При этом оптимальная скорость резания и™т оказывается равной скорости резания, соответствующей относительному износу резца по задней поверхности (по А. Д. Макарову) — и£пт, то есть и™т = и™т (так обеспечивается постоянство К°пт = const, 8°опт = const и ^пт = const).
При положении, когда
К£пт = const, в°опт = const, q^ = const,
происходит физическая оптимизация процесса резания на передней поверхности режущего инструмента для сочетания «обрабатываемый материал — инструментальный материал», то есть данное положение фактически является физическим законом при взаимодействии конкретных обрабатываемого и инструментального материалов. При этом при постоянной глубине резания для различных значений подач получаем соответствующие оптимальные скорости резания
.опт dKL
Постоянный оптимальный коэффициент укорочения стружки КЮпт и постоянная оптимальная температура резания $0пт являются критериями физического взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов, то есть определяют напряженно-тепловое состояние режущей части инструмента у вершины. ^°пт — это физический критерий деформационных процессов в зоне резания при стружкообразовании, а $0пт — критерий теплофизического взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.
Проведенные нами исследования показали, что при постоянных оптимальных значениях коэффициента укорочения стружки К°пт, температуры резания $0пт, средних нормальных контактных напряжениях на передней поверхности инструмента из СТМ при разных сочетаниях параметров режимов резания и™т (и™т — скорость резания, соответствующая минимальному относительному износу hon3 резца из СТМ по задней поверхности в результате физической оптимизации
Ni
процесса по методу А. Д. Макарова) отношения сил на задней поверхности — по-
F1
стоянны, то есть постоянны соотношения
Кроме того, как указывалось ранее, скорости резания равны ( и™т = и™т).
№ 3, 2017
Нефть и газ
123
В результате выявления предпосылок создания оптимизационной модели процесса тонкого точения жаропрочных сплавов инструментами из СТМ определены области (зоны) физической оптимизации контактных характеристик (и контактных процессов) одновременно на передних и задних поверхностях резцов из эльбора-Р, композита 05ИТ, гексанита-Р при точении сплава ХН62МВКЮ-ВД, HRC38. Обеспечиваются постоянные оптимальные величины К"°пт, бОпт, на передних поверхностях резцов из СТМ и постоянные оптимальные коэффициенты трения ii на задних поверхностях резцов из СТМ. Обеспечиваются также постоянные оптимальные скорости резания и™т = и™т для резцов из СТМ (при постоянных величинах глубины резания t и подачи S).
Благодаря анализу предпосылок физической оптимизации процесса была создана оптимизационная модельуправления в процессе тонкого точения жаропрочных сплавов контактными характеристиками одновременно на передней и задней поверхностях инструмента из СТМ.
Критерий физической оптимальности взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов — постоянный оптимальный коэффициент укорочения стружки К"°пт — управляет не только контактными процессами на передней поверхности инструмента (вместе с $0пт и ^™т), но и на задней поверхности.
К"°пт = const управляет величиной постоянного оптимального коэффициента трения на задней поверхности ^°пт = const, от величины которого зависят величины силы трения F1, силы нормального давления N1 и средних контактных напряжений на задней поверхности qF1, qN1, то есть обеспечивается также управление постоянством соотношений
^пт = ДК"Гт) = = 2E1SSL = const.
опт опт
Разработана блок-схема оптимизационной модели управления в процессе резания контактными характеристиками одновременно на передней и задней поверхностях инструмента из СТМ в условиях физической оптимизации. Оптимизационная модель разрабатывается на стадии проектирования операции технологического процесса и реализуется уже во время обработки поверхности детали. Оптимизационная модель представлена в виде семейства графиков, связанных между собой и образующих номограмму управления процессами нагружения одновременно на передней и задней поверхностях инструмента из СТМ. По этой номограмме определяются постоянные оптимальные контактные характеристики на передней и задней поверхностях инструмента из СТМ, а также оптимизируются параметры режима резания при тонком точении жаропрочного сплава этим инструментом.
В соответствии с классификацией физических моделей процессов, разработанная нами номограмма оптимизационной модели может быть отнесена к схемной (графической) форме физической модели, так как представление модели произведено на графическом языке (в виде семейства графических зависимостей — номограммы).
Разработанная оптимизационная модель опирается на выявленные физико-механические и теплофизические закономерности взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов в процессе резания, а также на проведенные нами экспериментальные и теоретические исследования с целью объединения прохождения контактных процессов одновременно на передней и задней поверхностях режущих частей инструментов из СТМ при тонком точении жаропрочных сплавов и сталей (в том числе на станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах, ГПМ и в условиях ГПС). Это позволило выработать концепцию процесса резания, которая опирается на установленные нами общие физические закономерности взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов в процессе резания.
Таким образом, предлагаемая нами концепция процесса резания как единого процесса взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов по-
124
Нефть и газ
№ 3, 2017
зволяет сделать вывод о том, что процесс формообразования поверхности детали и связанный с ним процесс стружкообразования — это единый физический процесс взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов. В этом широком (философском) смысле у режущего клина инструмента не существует передней и задней поверхностей, так как эти поверхности появляются как результат единого физического взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов в процессе резания, когда режущая часть инструмента воздействует на обрабатываемую заготовку с целью получения поверхности детали необходимого качества. Передняя и задняя поверхности режущей части инструмента — это условные зоны контакта обрабатываемого и инструментального материалов, предназначенные для выделения контактных характеристик в отдельности по данным поверхностям в едином процессе формообразования поверхности детали при резании. Фактически существует единая (общая) область или зона взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов в процессе резания.
Список литературы
1. Белозёров В. А. Оптимизационная модель процесса тонкого точения жаропрочных сплавов инструментами из СТМ // Известия вузов. Нефть и газ. - 2015. - № 5. - С. 90-95.
2. Полетика М. Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. - М.: Машиностроение, 1969. - 150 с.
3. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. - М.: Машиностроение, 1976. - 276 с.
4. Некрасов Ю. И. Исследование технологической эффективности обработки труднообрабатываемых материалов на токарных станках с ЧПУ при управлении процессами нагружения режущей части инструмента: Автореф. дис. канд. тех. наук. - К.: ИСМ АН УССР, 1981. - 24 с.
Сведения об авторе
Белозёров Владимир Анатольевич, к. т. н., доцент кафедры технологии машиностроения, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283673, e-mail: belozerov48@mail.ru
Information about the author
Belozerov V. A., Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Technology of Machine Building, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)283673, e-mail: belozerov48@mail.ru
УДК 621.34:622.276.53
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ
ELECTROMECHANICAL DRIVE OF PRODUCTION WELL SUCKER ROD PUMP
Р. Б. Булатов, Л. Г. Тугашова
R. B. Bulatov, L. G. Tugashova
Альметьевский государственный нефтяной институт, г. Альметьевск
Ключевые слова: электромеханический привод; добывающая скважина; шарико-винтовая передача; штанговый глубинный насос Key words: electromechanical drive; production well; ball screw; sucker rod pumps
Одним из основных устройств, применяемых при разработке нефтяных месторождений, является широко распространенный электромеханический привод (ЭМП) добывающих скважин, называемый станком-качалкой.
Устройство и принцип действия серийных станков-качалок, являющихся электромеханическими приводами спущенных в забой добывающей скважины штанговых глубинных насосов (ШГН), общеизвестны и хорошо описаны в специальных источниках [1].
Общим недостатком всех эксплуатируемых станков-качалок является наличие в их приводах таких громоздких агрегатов и узлов, как многоручейковая клиноре-менная передача, двухступенчатый цилиндрический редуктор со сложным и дорогостоящим по технологии изготовления зацеплением Новикова, кривошипно-шатунный механизм, траверса с опорами, балансир с поворотной головкой и опорой, а также цепная передача.
№ 3, 2017
Нефть и газ
125
