CC BY
58
© П.Е. Канюка, С.Д. Релин, 2004
УДК 621.78
П.Е. Канюка, С.А. Релин
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ТЕРМООБРАБОТКИ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ БУРИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Семинар №17
■ ■ ри разработке руд черных и цвет-л л ных металлов наибольшее распространение получил взрывной способ разрушения с бурением шпуров. Шпуровое бурение проводят при проходке горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработок. Статистика показывает, что при осуществлении проходческих и других работ на шахте при помощи бурового, добычного и другого оборудования, приводит к травмам рабочих из-за различных неполадок оборудования.
Травмирование рабочих происходит в основном в результате вылета или смятия штанги на буровой установке, выходе из строя как муфты так и хвостовика Замена хвостовика в рабочих условиях, при минимальном освещении, недостаточной механизации для обслуживания оборудования в результате непредвиденных поломок также ведет к травмам. Замена вышедших из строя деталей вызывает простой оборудования и последующие экономические убытки при добыче. Соответственно происходят непредвиденные затраты на обеспечение рабочих больничными, выплат по инвалидности и т.д.
В поисках снижения травматизма в шахтах при использовании буровых установок и
соответственно повышения экономических факторов, было рассмотрено несколько путей решения этой проблемы. В результате поиск был остановлен на наиболее оптимальной точке зрения на эту проблему. Было решено изменить свойства изготавливаемых штанг и хвостовиков для увеличения износостойкости и долговечности детали, работающей при больших нагрузка в активной среде.
Инструментом для ударно-вращатель-ного бурения применяют буровые штанги и коронки, армированные твердым сплавом. Чаще применяются составные буры, в которых отдельные штанги соединяются резьбовой муфтой, хвостовик закрепляется в буровой машине, а на противоположном конце штанги крепится коронка рис. 1.
На рис. 2 по данным работы (1) приведены данные по трудозатратам при проходке горных выработок на ГМК “ Норильский никель”.
Как видно из приведенных данных доля применения ручных буровых перфораторов будет практически сведена к нулю, но в то же время увеличивается доля самоходных буровых установок.
Мировая практика показывает, что снизить трудозатраты на проходку можно и увеличением долговечности деталей бурово-
Рис. 1
■ > ■ □ * □ * ■’ ■ •
го оборудования, обеспечивающих работоспособность буровых установок. Следует отметить, что эффект от применения мероприятий для повышения долговечности будет выше, если производство, эксплуатацию и техническое обслуживание с заменой бы-строизнашивающихся деталей будет вести одна и та же фирма.
В настоящее время является первостепенно задачей, повышение износостойкости и долговечности рабочего бурового оборудования. Возможность продлить работоспособность ударных и активных частей бурильных машин, дает поводы для реализации идей в этой области. Чаще всего проблемы работоспособности оборудования связаны с перфораторами и основным инструментом бурения. Для замены деталей пришедших в негодность необходима равноценная замена, т.е. заменяющая деталь должна по своим свойствам и уровню стойкости быть выше, чем предшествующая. Обычно ситуация выглядит противоположно желаемому, для этого и необходимо провести опыты и соответствующие исследования в этой области, чтобы в дальнейшем по возможности внедрить необходимую технологию по повышению свойств работоспособности бурильного оборудования.
Отработка конструкции составных изделий или бурильной машины в целом с учетом технологичности позволяет не только снизить затраты на производство, обслуживание и эксплуатацию, но и дает возможность выявить эффективные способы изготовления и упрочнения хвостовика и штанги для определения их соответствия заданной долговечности и надежности.
Кроме того, на эксплуатационные показатели и долговечность создаваемых машин большое влияние оказывают такие техноло-
Рис. 2. Планируемое снижение трудозатрат на проходке горных выработок (чед.-ч): 1 - ручные перфораторы, отгрузка ПНБ-3Д; 2 - погрузочные машины на гусеничном ходу с навесным буровым оборудованием; 3 - ручные перфораторы, отгрузка на ПДМ; 4 - самоходные буровые установки, отгрузка на ПДМ; 5 - проходческий комбайн АНМ-105; 6 -суммарные трудозатраты
гические факторы, как точность и соответствие размеров и сопряжений деталей, заданных чертежом, выбор и расчет линейных размерных цепей, соосность поверхностей сопряженных тел вращения и др. Для повышения механических свойств изделий необходимо как качество используемого материала, так и качество последующих технологических обработок.
Поэтому мы исследуем мероприятия, которые могут повысить долговечность деталей бурового оборудования, имеющих недостаточную долговечность. Мы рассматриваем мероприятия, которые направлены на решение вопросов повышающих экономическую эффективность производства деталей бурового оборудования.
Повышение долговечности штанги 832 и хвостовиков с использованием упрочнения методом ТВЧ
При обработке штанг и хвостовиков необходимо обеспечить как свойства сердцевины так и поверхности детали. Свойства сердцевины определяются легированием стали. Легирующие элементы определяют размер зерна аустенита, его устойчивость при переохлаждении, структуру мартенсита. Но основное назначение легирующих элементов обеспечить требуемый уровень свойств после термической обработки. Предлагается использовать сталь 30ХГСН2МА
Все легирующие элементы входящие в сталь повышают ее прокаливаемость и устойчивость переохлажденного аустенита. Кроме того, хромомолибденовые стали мало склонны к отпускной хрупкости, и, следовательно делают сталь более технологичной при термической обработке, когда не требуется быстрого охлаждения после отпуска, присутствие кремния повышает упругие свойства стали.
Механические свойства стали после улучшения приведены в таблице.
Таким образом, механические свойства стали 30ХГСН2М кроме свойств поверхности близки к 12ХН3А, которая используется для изготовления этих деталей. Для создания свойств поверхности необходимо про-
Механические свойства етапи 30ХГСН2М
Режим ТО Механические свойства
1зак | 1отп Ов | О0.2 5 | у кси
0С МПа % МДж/м2
860, м | 530, вз 1000 | 800 10 | 45 0.7
вести упрочнение, повысить поверхностную твердость до 45-54 ИЯС, что может быггь достигнуто поверхностной закалкой.
Наиболее приемлемым видом поверхностной закалки, обладающей высокой производительностью и позволяющей обеспечить свойства поверхности является закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ).
В случае использования стали 30ХГСН2МА необходимо было определить частоту тока, обеспечивающую требуемую глубину закалки и не допустить закалки насквозь. Для упрочнения использовался четырехвитковый кольцевой индуктор, и режимы обеспечивающие глубину упрочненного слоя от 1 до 4мм в зависимости от требований чертежа. После закалки необходим низкий отпуск т.к. конструкция тонкостенная и тепла запасенного сердцевиной не хватает для самоотпуска. Изменение твердости при термообработке с нагревом ТВЧ и последующим отпуском приведено на рис. 3.
При проведении закалки с нагревом ТВЧ помимо повышения поверхностной твердости в поверхности возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых зависит от глубины слоя и вида применяемого охладителя. Возникновение остаточных напряжений повысит величину усталостной прочности, что является важным для штанга Б32, работающих в переменных нагрузках.
Как следует из приведенных данных, нам удалось, для глубоко прокаливающейся стали получить распределения твердости соответствующей нагружению детали. Дальней-
шие исследования должны быть направлены на оптимизацию процесса упрочнения. Детали, упрочненные поверхностной закалкой пройдут промышленные испытания, после этого можно будет вести работы по разработке серийной технологии производства штанг Б32. При упрочнении с нагревом ТВЧ также как и химико-термической обработке, твердость поверхности детали от 40 до 62 НЯС, поэтому возникает вопрос выбора инструмента и способов последующей механической обработки.
Повышение долговечности штанги 832 и хвостовиков методом твердого точения
Современные технологии металлообработки в настоящее время позволяют во много раз повысить производительность и уменьшить затраты на производство. Существующие методы конечной металлообработки только начинают уступать новым разработкам. Последние испытания, которые проводились в области твердого точения показали не плохие результаты. Так как основной задачей является, повышение износостойкости и долговечности рабочего оборудования. Возможность продлить работоспособность ударных и активных частей горных машин, дает поводы для реализации идей в этой области. Суть решения задач по повышению качества выпускаемого оборудования заключается в совершенствовании или замене существующих методов металлообработки. Методом металлообработки, который может в настоящее время конкурировать с шлифованием является твердое точение. Данные метод открывает большие возможности для производителя и инженеров, разрабатывающих технологии металлообработки. Возможно, в будущем или уже сейчас твердое точение сможет гарантировать требуемый результат по качеству выпускаемой продукции и корреспондирует с методами повышающими поверхностную твердость. Твердая обработка. Рассмотрим некоторые параметры характеризующие современный метод твердого точения.
На качество обработки при твердом точении влияют следующие факторы: вид связки, размер зерна, способ изготовле-
Изменение микротвердости по глубине слоя
X 7000 -.0- 6000 -
0 5000 -Ч га 4000 -« І 3000 -ё 2000 -* 1000 -
1 0 -......................................
^ ^ ^ ^ ^ Т? Ь
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 3
Критерии влияющие на выбор способа обработки
Экономические Технологические
Время обработки Обрабатываемый материал
Станок Г очность размеров
Инструмент Г очность формы
Средства производства Т очность расположения
Безопасность процесса Лероховатость
Гибкость Граничная зона на детали
мягкое точение
твердое точение
Рис. 4
НЯе
ния инструментального материала; механическая прочность, термическая прочность, усилие зажима детали; точность и механическая прочность станка; режимы обработки, материал детали и инструментальный материал учитываемые технологией. В результате деталь будет характеризоваться точностью размеров и форм, шероховатостью поверхности. Твердое точение подразумевает под собой:
• Определенную геометрию режущей кромки;
• Обрабатываемые материалы имеют твердость ИЯС > 47 (... 65)
• Общее получение формы (черновая обработка).
• Получение заданной шероховатости (чистовая обработка).
припуск 0,15-0,30 мм; 1Т 6 ^ < 1Т 5;
^ = 3-6|хт ^ ^ < 2^ш
60 % всех обрабатываемых деталей находятся в этом диапазоне.
Функционально принцип твердого точения заключается в нагреве материала заготовки в зоне контакта с режущей кромкой . Спе-
циально подобранная геометрия инструмента и режимы обработки нагревают материал, что приводит к его отпуску до твердости около 25 ИЯС. После отделения стружки происходит быстрое охлаждение материала. В результате твердость детали уменьшается не более чем на 2ИЯС, а полученная стружка имеет твердость около 45 ИЯС.
Целью замены шлифования твердой обработкой является улучшение экономичности. Съем материала при твердом точении в три раза меньше, чем при шлифовании. стоимость токарного станка также примерно в три раза ниже, чем шлифовального. точность обработки идентична при твердом точении и шлифовании (иначе замена не имеет смысла) ниже, чем при шлифовании. немаловажную роль играет тот факт, что твердое точение имеет намного более высокую гибкость - возможна обработка сложнопрофиль-
_____________ ных деталей, в то время как на
шлифовальном станке такая обработка требует замены кругов и подналадки станка. Наконец, утилизация стружки проще и дешевле, чем шлифовального шлама. В результате, твердое точение практически всегда на 30-50 % экономичнее шлифования. Инструментальным материалом для твердого точения являются режущая керамика и кубический нитрид бора. Каждый из материалов имеет свои преимущества и недостатки. Керамика существенно дешевле, но плохо воспринимает ударные нагрузки. Кубический нитрид бора менее восприимчив к ударным нагрузкам, но обладает существенно более высокой ценой. Тем не менее, оба инструментальных материала находят применение при твердой обработки.
Данный внедренный процесс твердой обработки может быть рекомендован как не только экономически выгодный процесс, но и как экологически чистый процесс металлообработки. Этот метод обработки частично внедрялся в производство горного оборудования и периодически применяется для некоторых партий деталей.
— Коротко об авторах
Канюка П.Е., Релин С.А. - магистры, Московский государственный горный университет.
