CC BY
199
---------------------------------------------- © П.Е. Канюка, 2006
УДК 622:647.2 П.Е. Канюка
ТВЕРДОЕ ТОЧЕНИЕ И НАКАТНОЕ ПОЛИРОВАНИЕ КАК СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ХВОСТОВИКОВ
Семинар № 20
Гяжёлые условия эксплуатации буровых установок в горнодобывающей и угольной промышленности обуславливают повышенные требования к изготовлению узлов и деталей буровых установок. Для ускорения развития горнодобывающей промышленности необходимы новые производительные установки и машины. Добиться этого, можно изготавливая, экономичные высокопроизводительные установки.
Технический уровень, качество и надёжность деталей буровых установок, применяемых в угольных и других шахтах, в значительной мере определяют технико-экономические показатели работы установки, работающей в весьма тяжёлых условиях, связанных с ограниченностью габаритов; высокой динамичностью, действующих нагрузок, агрессивностью
шахтных вод. Поэтому вопрос о техническом уровне качества и надежности может быть решен только при использовании новых технологий изготовления деталей буровой установки. В настоящее время наименее надежными деталями буровой установки, имеющими недостаточную долговечность, являются хвостовики, которые осуществляют основное ударно-вращательное движение.
Условия работы бурильных машин в шахте определяют характер повреждений и вид износа деталей. На эффективность работы бурильных машин влияют организация работы, конструкция машин и точность изготовления узлов, износостойкость и усталостная прочность деталей, характер сопряжения и состояние поверх-
ностных слоёв и т.д. Один из наиболее важных факторов, влияющих на работу, -износ деталей и усталость. Большинство деталей изготовляется по второму классу точности, поэтому износостойкость и характер сопряжения наиболее ответственных деталей как в начале работы, так и в процессе эксплуатации во многом определяют надёжность и долговечность машины в целом.
Повреждение или отказ хвостовиков происходит по следующим причинам:
1. Сухое трение между деталями, совершающими возвратно-поступатель-ное или колебательное движение, при которых осуществить постоянную смазку не представляется возможным;
2. Высокая частота ударов поршня о хвостовик бура, вызывающая вибрацию всей машины;
3. Отсутствие смазки в зоне трения, наличие воды и абразивных частиц высокой твёрдости создают благоприятные условия к металлическим связям, т.е. к заеданию трущихся поверхностей.
4. Машины, находясь в шахте, по различным причинам не эксплуатируются, в результате трущиеся поверхности подвергаются усиленной коррозии, прочность поверхностных слоёв при этом уменьшается и создаются благоприятные условия для износа.
Основные виды повреждаемости хвостовиков: износ шлица, выкрашивание резьбы, выкрашивание и смятие торцевой поверхности хвостовика, ударяющей по торцу бура.
Износ трущихся поверхностей вызывает увеличение зазоров, а получающийся внецентренный удар увеличивает потери на трение.
При термообработке хвостовика из цементированных сталей закаливается и резьба. После полной химико-термической обработки твёрдость резьбы достигает ИЯС 54 и более. В настоящее время основной операцией ХТО является цементация, производимая как в агрегатах, так и печах периодического действия. Учитывая недостатки данного вида обработки, длительное время обработки и неоднород-
ность слоя, был предложен процесс ионной цементации.
Использование только ионной цементации недостаточно для существенного увеличения ресурса детали.
Поэтому встал вопрос о повышении качества механической обработки.
Горное машиностроение достаточно трудоемкое, которое включает в себя большой объем металлообрабатывающего инструмента. Применение в производстве отечественного и импортного инструмента дает положительный эффект. Импортный инструмент во много раз дороже, то не все предприятия способны обеспечить свой завод лишь этим инструментом. Импортный инструмент, который окупает себя во много раз быстрее чем, такой же отечественный инструмент, создает серьезную конкуренцию и большое поле деятельности для отечественных производителей.
Достаточно острые режущие кромки и соответствующие твердые сплавы со специальным покрытием, обеспечивают мягкое резание и хорошее качество обработанных поверхностей.
Экономические преимущества дает и сокращение технологических операций за счет уменьшения времени обработки, например многосторонняя обработка за один установ. Так и высокоскоростная обработка приводит к росту произ-водительности за счет существенного увеличения скорости резания. Кроме того, при уменьшении силы резания улучшается качество поверхности.
Ввиду ужесточения требований к экологической безопасности все больше ставится под вопрос использование охлаждающе-смазочных материалов, которые в обработке резанием выполняют задачи отвода тепла. Первым шагом в решении этой проблемы является сухая обработка и смазка минимальным количеством СОЖ, которые применяются уже по многих областях обработки резанием. Рост использования материалов со специальными свойствами и внедрения новых технологий обработки оказали решающее воздей-
ствие на дальнейшее развитие твердых сплавов и покрытий для изготовления режущего инструмента.
В настоящее время на отечественных предприятиях все больше и больше применяются передовые разработки мировых фирм в области металлообработки. Новые сплавы, инструменты и новые покрытия инструментов в программах таких фирм как КЕШАМЕТЛЬ, 8АМЭУ1К, 1БСАЕ. и т.д., приводят к их широкому применению в данной области.
Повышение требований к режущему инструменту заставляет разработчиков и производителей постоянно работать над совершенствованием инструментальных материалов.
В настоящее время после ХТО осуществляется операция шлифования и последующая накатка. Для более эффективного применения современных станков, можно осуществить операции твердого точения и накатного полирования на одном станке. Жесткость станка позволяет осуществлять данные операции, не прекращая цикл изготовления хвостовика.
На качество обработки при твердом точении влияют следующие факторы: вид связки, размер зерна, способ изготовления инструментального материала; механическая прочность, теплостойкость, 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:
• Определённую геометрию режущей кромки;
• Обрабатываемые материалы имеют твердость ИЯС > 47 (.. .70)
• Общее получение формы (черновая обработка).
• Получение заданной шероховатости (чистовая обработка).
припуск 0,15.0,30 мм
1Т 6 ^ < 1Т 5
= 3.. ,6дш ^ < 2цш.
60 % всех обрабатываемых деталей находятся в этом диапазоне.
Хвостовики находятся в этом диапазоне.
Функционально принцип твердого точения заключается в нагреве материала заготовки в зоне контакта с режущей кромкой. Специально подобранная геометрия инструмента и режимы обработки нагревают материал, что приводит к его отпуску. После отделения стружки происходит быстрое охлаждение материала. В результате твердость детали уменьшается не более чем на 2 единицы, а полученная стружка имеет твердость около 45 единиц. Наиболее целесообразным для твердого точения являются материалы, закаливающиеся на воздухе, к числу которых относится и материал хвостовиков.
Целью замены шлифования твердой обработкой является улучшение экономических показателей. 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 (иначе замена не имеет смысла) и ниже, чем при шлифовании.
Немаловажную роль играет тот факт, что твердое точение имеет намного более высокую гибкость - возможна обработка сложнопрофильных 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.
При твердом точении в поверхностном слое возникают остаточные напряжения и зоны с измененной твердостью и структурой - «белый слой».
Он представляет аморфное или нанок-ристаллическое строение поверхностного слоя и обладает максимально высокой твердостью, но неблагоприятными остаточными растягивающими усилиями.
Решением для создания на поверхности остаточных напряжений является упрочняющее накатывание. Этот метод обработки позволяет создать сжимающие напряжения в поверхностном слое, повысить твердость граничного слоя и улучшить шероховатость.
Постоянное стремление к сокращению затрат на обработку, а также уве-личение доли станков с ЧПУ привело в недавнем прошлом к дальнейшему развитию этих способов обработки и к повышению их эффективности. Сегодня, благодаря постоянному развитию инструментов, они эффективно применяются на обычных станках даже в условиях мелко- и среднесерийного производства. Это единственные процессы финишной обработки, при которых происходит деформация граничного слоя материала без снятия стружки.
В зависимости от условий обработки накатное полирование может приводить к
различным результатам. Если обработка производится с небольшим деформирующим усилием, имеет место остаточная шероховатость. В зависимости от назначения поверхности она может составлять от до И^Ш.
Характерной особенностью поверхности, обработанной накатным полированием, является большая доля плоских вершин, что в свою очередь определяет высокую долю несущей поверхности (воспринимаемой нагрузки) и плавные переходы между элементами профиля, полу-
ченные в результате перетекания материала. Кроме того, поверхность, полученная методом накатного полирования, по сравнению с поверхностью, полученной обработкой резанием, обладает постоянством шероховатости на большей части несущей поверхности и топографией с лучшей сопротивляемостью износу.
Поскольку диаметр поверхности измеряется по вершинам, при накатном полировании диаметр уменьшается на величину шероховатости Ях Это необходимо учитывать при предварительной обработке, оставляя соответствующий припуск.
Важнейшим критерием является твердость заготовки. При применении обычных инструментов (в которых усилие на роликах создается механическим способом) граница применения находится на уровне 42-45 НЯС. Материал более высокой твердости может быть обработан с применением гидростатического «шари-
кового» инструмента.
Упрочняющее накатывание — процесс механообработки, наиболее пригодный для повышения усталостной прочности деталей, испытывающих знакопеременные нагрузки. Этот процесс полностью снимает или сводит к минимуму напряжения в тех местах, где они возникают в первую очередь. Процесс протекает аналогично процессу накатного полирования (пластически деформируется поверхностный слой), но с другой целью — увеличение долговечности. Для обеспечения одинакового качества деталей во время процесса контролируются все параметры, в особенности усилие накатывания.
Микродеформирование поверхности заготовки осуществляется шариком из твердого материала со специально обработанной поверхностью. Шарик прижимается к поверхности заготовки давлением жидкости, одновременно плавая в ней и имея возможность вращаться в любом направлении. Инструмент, в котором установлен шарик, обеспечивает автоматическое постоянное восполнение жидкости и ее подачу под определенным давлением, в результате чего при любых условиях
обработки поддерживается оптимальный зазор между шариком и гнездом. Ход системы восполнения компенсирует не только допуски заготовки и ошибки позиционирования, но даже и имеющие место в направлении подачи отклонения контура заготовки. При этом благодаря системе восполнения усилие накатывания остается неизменным. Усилие накатывания зависит от давления.
Путем выбора оптимального давления можно простым способом влиять на шероховатость поверхности. В качестве жидкости может быть использована практически любая из имеющихся на производстве СОЖ. Давление жидкости должно находится в диапазоне 100-400 бар. Благодаря четкой зависимости усилия накатывания от давления данный инструмент может быть использован для упрочняющего накатывания. Для хвостовиков давление должно быть 50-250 бар.
Распределение собственных сжимающих напряжений существенно лучше, чем при шлифовании и обработке дробью. В граничной области наблюдалось повышение твердости с 600НУ до 680-730НУ.
Для применения на обычных ручных
станках или обычных станках с ЧПУ, а также на современных станках с ЧПУ без приводных инструментов выпускается инструмент типа Нв6-9 с квадратным хвостовиком. В этом случае подача жидкости осуществляется от внешнего гидравлического агрегата через вращающиеся соединения.
С точки зрения экологии накатное полирование имеет хорошие перспективы, как технология будущего. Это способ обработки, при котором виброустойчивость
детали повышается при минимальном потреблении энергии. Одновременно повышается долговечность, что в свою очередь оказывает благоприятное воздействие на экологию (утилизация детали наступает позже), причем двойное — сокращается потребление материала и энергии на его производство и затраты на утилизацию. Рассмотренные способы механической обработки являются высокоэффективными в различных областях производства.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Канюка П.Е- аспирант кафедры «Технология машиностроения и ремонта горных машин», Московский государственный горный университет.
УДК 622.271:621 Ю.Д. Красников
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС В ГОРНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
© Ю.Д. Красников, 2""'
Семинар № 20
7 Современные горные предпри-
• ятия - это системы «технология-люди-машины-среда». Так как «технология» и «среда» остаются длительное время неизменными, то самыми «сильными» элементами этой системы являются «ма-
шины» и «люди». Не работают машины (и люди) - не работают и предприятия, плохо работают машины (и люди) - плохо работают предприятия.
2. Научно-технический прогресс на производстве, согласно определению на-
