Технология изготовления буровых резцов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 622.24.051

Б.И. Коган

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОВЫХ РЕЗЦОВ

Основным изготовителем буровых резцов, породных и угольных (рис.1), является ОАО «Куз-нецкгормаш». Их выпуск достигал 1,5 млн. штук в год. Область применения указана в работе [1]. Заготовками корпусов резцов являются отливки из стали 55 л и 60 (РУ6) и штамповки из стали 60 и 30 ХГСА. Корпуса резцов армируются твердосплавными пластинками пайкой, технология которой в основном определяет надежность резцов. В табл. 1 приведен маршрут изготовления резцов, а на рис. 2-6 - операционные эскизы механической обработки.

На основании известных исследований можно предположить об эффективности замены традиционной технологии пайки диффузионной сваркой в вакууме [2]. Однако конструкция буровых резцов для этого процесса недостаточно технологична. Практический интерес представляет перспективная технология пайки буровых резцов на установках роторного типа с применением таблетирован-ного припоя, взамен ручной пайки, на установках

ТВЧ типа ВЧГ 1-60/0,06644 по ТУ 16.529.839-73 с использованием припоя на основе меди Пр МНМц 68-4-2 по ТУ48.21.674-80, а в качестве флюса -буры технической по ГОСТ 8429-77. Корпуса резцов армируются твердосплавными пластинками ВК8 ГОСТ 3882-74. Прочность паяного шва на сдвиг статической нагрузкой должна быть > 130 -150 МПа, а гарантированная наработка на 1 резец

- не менее 88-95 п. м. шпура. По технологическим условиям допускается суммарный непропай по периметру паяного шва не более 10%.

Этапы технологического процесса таблетированной пайки бурового инструмента Подготовка пазов корпусов резцов По геометрическим параметрам и шероховатости поверхности пазы изготавливаются в соответствии с чертежом с соблюдением требуемого зазора между стенками паза и твердосплавной вставкой. по поверхности снижается, так как более шероховатая поверхность имеет своеобразные капилляры, повышающие растекаемость припоя.

Таблица 1

Схема маршрутного технологического процесса изготовления буровых резцов ___________________ в условиях ОАО « Кузнецкгормаш»______________________________________

№ Наименование операции, модель оборудования Содержание операции, приспособления, инструменты

00 Заготовительная: кузнечно-прессовая Литейная Горячая штамповка заготовок корпусов резцов БИ741, РП7, РП30, РУ43 Литье по выплавляемым моделям корпусов резцов РУ6

15 Токарная полуавтоматная, модель 1Б240П6 Выполняется подрезка торца юбки, обработка отверстия (резцы БИ741, РП30), (рис. 2, а)

20 Заточная, модель 3Б634 Зачистка по радиусу кончиков хвостовиков корпусов резцов РП7, РУ6, РУ43 по шаблону (рис. 2, б)

25 Сверлильная, модель ТСМ-212 Зенковка 2-х фасок 1x45° (с переустановкой) в отверстиях хвостовиков резцов РП7, РУ43 (рис. 2, в)

30 Горизонтально-фрезерная, модель ФАС 189 и 6Н182 Фрезерование паза и зачистка заусенцев у корпусов резцов РП7, БИ 741 в многоместном приспособлении с пневмозажимом (рис.3)

35 Горизонтально-фрезерная, модель ФАС 189 и 6Н182 Фрезерование опорных (под твердосплавные пластины) плоскостей у резцов корпусов резцов РП7, БИ741, РУ43 в приспособлении с пневмозажимом специальными дисковыми фрезами (рис. 4, 5)

40 Паечная Специальный технологический процесс (см. ниже)

45 Заточная, модель 3С-2 Удаление наплывов латуни после пайки по шаблону (РУ6, БИ741, РУ43) (рис. 6)

50 Заточная, модель 3С-2 Заточить поверхности корпусов до твердосплавных пластин по шаблонам по мере необходимости (РП7, БИ741, РУ43, РУ6)

55 Доводочная, модель 3С-2 Довести режущие кромки твердосплавных вставных пластин (РП7, БИ741, РУ6)

Б=Б

■ЙЕ

012,

ДіА

Ш

ДіА

да

М14х2

„Ь£.

Б^Б

"Ж

Ж ^

а)

б)

Резцы породные

в)

г)

д)

Резцы угольные

Рис. 1. Резцы буровые: а) РП7; б) БИ-741;-25; в) РП-30; г) РУ-6; д) РУ-43

ским способом, а от масла или эмульсии - промывкой в 5 - 10% - ном растворе каустической соды в течение 10-20 мин при температуре 80 -90°С, затем в горячей воде с последующей просушкой в потоке горячего воздуха.

Подготовка твердосплавных вставок.

Пластины и штыри отсортировываются по основным параметрам согласно ГОСТ 380-75. Вставки для пайки используются чистыми и сухими.

При использовании таблетированного припоя с активными флюсами (например, Ф100 или его 6.3/ смеси с бурой и другими флюсами) снятия пленки

окислов с поверхности твердосплавных вставок не требуется. В случае применения в качестве флюсовой добавки в таблетках буры твердосплавные вставки обрабатывается по следующему циклу:

д-д

Рис. 2. Операционные эскизы: а) операция 15;б) операция 20; в) операция 25

В пазах недопустимы следа масла, эмульсии, ржавчины или других загрязнений. Очистка от окалины или ржавчины производится механиче-

Рис. 4. Операционные эскизы к операции 35: а) РП7; б) БИ 741

Рис. 5. Операционные эскизы к операции 35: РУ43

а) б) в)

Рис. 6. Операционные эскизы к операции 45: а) РУ6 РП7; б) БИ741; в) РУ43.

- нагрев в печи до 300оС на воздухе;

- выдержка 10 - 15 мин при этой температуре;

- охлаждение на воздухе;

- очистка от окислов в галтовочном барабане в течение 1 - 2 часов в смеси речного песка (25%), древесных опилок (15%), воды (20%) остальной объем - твердосплавные вставки;

- промывка в горячей воде и сушка в потоке горячего воздуха.

Подготовка таблеток припоя к пайке [6].

Для пайки твердосплавного бурового инстру-

мента применяются таблетки, содержащие припой и флюс, поэтому не требуется дополнительного применения ни припоя, ни флюса отдельно. Хранятся таблетки в сухом помещении в условиях, исключающих их загрязнение, запыление и увлажнение, механическое повреждение.

В случае некоторого увлажнения таблеток (в помещении с повышенной влажностью) таблетки перед пайкой просушиваются при 200°С в течение 1,5 -2 часов в камерной печи или сушильном шкафу.

Технологический цикл пайки.

Технологический процесс пайки угольных резцов включает сборку под пайку - укладку таблеток и вставок в паз, фиксацию правильного положения вставки и таблетки в пазах, ввод собранного изделия в зону нагрева, непосредственно пайку, выдержку для полного выравнивания температур корпуса и поджим припаиваемой вставки в момент полного распая таблетки, вывод изделия из зоны нагрева, выдержку на воздухе для полной кристаллизации припоя, перемещение (или сброс) изделия в емкость для охлаждения. Режимы пайки резцов при нагреве ТВЧ на установках типа ВЧГ1 - 60/0,06644:

- скорость нагрева:

первоначальная до 600-700оС 100 - 200°С/с; до температуры пайки 1000-1050оС 45 - 55°С/с;

- скорость охлаждения 10 -20°С/с;

- температура пайки 1000 -1050°С;

- время выдержки при пайке 15 - 20с.

В зависимости от варианта технологического осуществления выбирается тот или иной цикл пайки с соблюдением основных параметров. Один из вариантов пайки резцов таблетированным припоем - пайка на роторном столе с тремя основными позициями: загрузка и фиксация, нагрев и

фиксация, сброс (рис. 7) [3, 4].

Длительность пребывания резца на каждой позиции ограничивается основным технологическим временем - выдержкой при нагреве во время непосредственной пайки (20 с). Загрузочные операции и сброс укладываются по времени в эту

рованным припоем

твердосплавная

вставка

№

Сій

таблетка

припоя

твёрдосплавная

вставка

таблетка

припоя

Рис. 8. Общий вид элементов пайки и узла в сборе

расчетную длительность. Общий цикл и последовательность операции могут быть в этом случае такими:

- укладывают в гнездо резец (2 - 3 с);

- затем в паз укладывают таблетку, а сверху - твердосплавную вставку (5 - 10 с) (рис. 8);

- фиксируют детали собранного узла специальным ограничителем - фиксатором (1 - 3 с);

- подают деталь в зону нагрева (в индуктор) со скоростью межпозиционного вращения роторного стола;

- производят первичный подогрев паяемого узла (1 - 2 с);

- производят нагрев детали до температуры пайки (14 - 18 с);

- осуществляют прижим твердосплавной вставки к основанию паза (1 - 3 с);

- выводят резец из индуктора со скоростью межпозиционного вращения роторного стола;

- выдерживают резец на воздухе в течение нескольких секунд до полной кристаллизации припоя;

- производит сброс резца в лоток (2 - 3 с).

После этого резец направляется на закалку и

последующую механическую обработку (очистку, заточку).

ОАО «ВНИПТИМ» (г. Кемерово) разработана, изготовлена и внедрена в ОАО «Кузнецкгор-маш» механизированная установка для пайки буровых коронок, состоящая из загрузочного роторного стола 1 со штырями 2 под коронки, щелевого индуктора 3 с высокочастотным блоком 4, дозаторов 5, 6, фиксатора 7, автосъемника 3, конвейера 9, ванны 10 для изотермической закалки, шагового привода 11 и шкафа управления 12 (рис. 7) [3, 4].

Такая установка может быть приспособлена для пайки буровых резцов таблетированным припоем.

Равномерный и качественный прогрев корпуса и вставок обеспечивается правильно выбранной скоростью вращения роторного стола и длительностью нахождения деталей в индукторе. Наилучший вариант технического решения в этом случае - обеспечение вращения самой детали в зоне действия индуктора в процессе прогрева корпуса и твердосплавной вставки.

Кроме того, равномерный прогрев возможен при правильном выборе зазоров между индуктором и деталью, а также при использовании низкочастотных установок. Время нагрева при пайке выбирается примерно в пределах расчетного:

Тн = 1,5 О-, н Ж

где О - температура плавления припоя, °С;

Ж - допускаемая скорость нагрева, °С/с.

Таблица 2

Тип оборудования Мощность, кВт Рабочая частота, кГц

Высокочастотные установки

ИЗ2а - 100/8 100 8

ИЗ1 - 100/2,4 100 2,4

Тиристорный преобразователь частоты ТПСР 250-400-2400-2УЗ ТУ 24.11.01.082-84 с блоком БВН-1 (ЦНИИМ, г. Екатеринбург) 100 2,4

Во избежание выгорания компонентов припоя, приводящего к пористости и хрупкости паяного соединения, время выдержки припоя в расплавленном состоянии не должно быть большим и может составлять примерно 5 - 15 с.

Усилие поджатия твердосплавной вставки устанавливается из расчета 1-2 кг на 1 см2 поверхности основания. Во время процесса кристаллизации и охлаждения какого-либо сдвига или перемещения вставок по пазу не должно быть.

Для обеспечения качественной пайки и последующей термообработки скорость охлаждения коронки должна быть малой с последующим выравниванием температуры на уровне закалочной. Это обеспечивает резкое снижение внутренних остаточных напряжений в соединении «сталь -припой - твердый сплав». Растягивающие напряжения на наружной поверхности твердого сплава минимальны. Это увеличивает эксплуатационную стойкость бурового инструмента.

Оборудование для пайки выбирается таким образом, чтобы при сочетании высокой производительности пайки с оптимальной скоростью нагрева обеспечить высокое качество паяного шва и заданную прочность соединения. По сложившейся практике этим требованиям соответствуют установки индукционного нагрева ТВЧ. Основные характеристики некоторых из них в табл. 2.

В комплекс оборудования для индукционной пайки буровых инструментов входит щелевой индуктор, обеспечивающий оптимальное сочетание равномерности прогрева и режимов работы источника ТВЧ. Конструктивные особенности индуктора (ширина и рельеф внутренней поверхности, высота, длина активной части, зазор между деталью и индуктором) должны обеспечивать равномерный прогрев твердого сплава и корпуса инструмента со скоростью, близкой к скорости передачи тепла внутрь материала этих элементов. Эти скорости выбирают в пределах 5 - 15°С/с. Более ускоренный и интенсивный нагрев может вызвать большие внутренние напряжения и способствовать образованию микротрещин как в твердом сплаве, так и в стали. Так, для пайки буровых резцов используется проходной индуктор (рис. 9), изготовленный из медной трубки (ГОСТ 617-90) диаметром 8 -10 мм. В индукторе предусмотрен подвод и отвод охлаждающей воды.

При использовании ламповых генераторов для пайки угольных или породных резцов используются индукторы кольцевого и щелевого типа.

Необходимая концентрация магнитного поля достигается за счет конструкции индуктора: он выполняется с двусторонними выточками в П-образных пластинах магнитопровода.

Качество паяного соединения

В процессе пайки контролируются электриче-

Рис. 9. Индуктор для пайки

ские параметры и временной режим цикла нагрева, кристаллизации припоя, подстуживания детали перед термообработкой для исключения перегревов или недогревов деталей.

Внешний осмотр паяных соединений - наиболее простой и распространенный способ контроля качества пайки, Признаками качественной пайки бурового инструмента являются правильное положение твердосплавной вставки, непрерывный валик-галтель вдоль всего паяного шва, отсутствие непропаев, наплывов, трещин.

После окончательной подготовки бурового резца определяются два параметра качества пайки: наличие или отсутствие непропаев;

прочность паяного шва.

Метод цветной дефектоскопии - основан на способности специальных красителей проникать в мелкие поры и трещины и изменять цвет других красок.

Контролируемая деталь очищается от излишков флюса и припоя, твердосплавная пластинка отшлифовывается, производится обезжиривание паяного шва. Затем на подготовленные поверхности кистью наносится красный краситель и просушивается в течение одной минуты. После этого слой краски удаляется тампоном, смоченным в

растворе керосина и трансформаторного масла (3:7), и наносится тонкий слой белой краски. Трещины при этом проявляются в виде красных линий.

Люминесцентный метод контроля качества паяного соединения основан на способности люминофоров светиться при ультрафиолетовом обучении. В качестве люминофора используются следующие составы, %:

Состав 1.

триэтаноламин 5-6

олеиновая кислота 9-10

керосин 23-24

трансформаторное масло 61-63

Состав 2.

керосин 75

трансформаторное масло 25

Деталь погружается на 3-5 минут в состав, затем промывается в проточной воде и сушится в струе воздуха. После этого деталь облучается ультрафиолетом в затемненной кабине. Имеющиеся в паяном шве трещины ярко светятся.

Прочность паяного шва на буровом инструменте определяется на образцах, вырезанных из детали при испытании на статический срез [7].

Заключение

Изменение формы собственности, перепрофилирование производства приводит к утрате прогрессивных технологий. Такое положение имеет место в ОАО «Кузнецкгормаш». Поэтому данная публикация позволит сохранить для пользователей специфическую технологию изготовления буровых резцов и опыт освоения прогрессивных технологий пайки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.:Недра, 1987. - 272 с.

2. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. - М.: Машиностроение, 1975. - 312 с.

3. Коган Б.И., Хобатков А.М. Полуавтоматическая установка для пайки штыревых буровых коронок. / Механизация и автоматизация производства, 1986, № 11. С. 6.

4. Хобатков А.М., Корецкий Ф.А. Устройство для пайки и термообработки перфораторных коронок. А.с. № 1148739, В23К 3/00, Бюл. № 3, 1985.

5. Махоткин М. В. и др. Повышение качества паяных резцов для шнекового бурения. / Сварочное

производство, 1987, № 1. С. 8.

6. Базильский С. В. и др. Таблетированный припой для пайки инструмента. / Автоматическая сварка,

1987, № 4. С. 87.

7. Базильский С.В., Фрумин Е.И. Образцы для статических и ударных испытаний паяных соединений и выбор критериев оценки качества медных припоев. / Сварочное производство, 1988, № 5. С. 29.

□ Автор статьи:

Коган Борис Исаевич,

- докт. техн. наук, проф. каф. технологии машиностроения