Повышение качества поверхности отверстий в деталях буровых механизмов

УДК 621. 951

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ОТВЕРСТИЙ В ДЕТАЛЯХ БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

_ л п

В.И. Зайцев1, А.В. Карпиков2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приводятся результаты исследования глубины и степени наклепа поверхности стенок отверстий. Дан сравнительный анализ технологий термической и последующей отделочной обработки поверхности стенок отверстий с обработкой поверхностным пластическим деформированием. Показано, что применение сверл односторонней обработки позволяет значительно повысить качество обработки поверхности стенок отверстий. Ил. 3. Библиогр. 1 назв.

Ключевые слова: сверло одностороннего действия; пластическое деформирование.

IMPROVING THE QUALITY OF APERTURE SURFACES IN THE PARTS OF DRILLING MECHANISMS V.I. Zaitsev, A.V. Karpikov

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article presents the investigation results of depth and peening degree of aperture wall surfaces. It gives a comparative analysis of technologies of thermal and subsequent finishing treatment of aperture wall surfaces with the treatment by surface plastic deformation. It is shown that the application of drills of unilateral processing can significantly improve the quality of aperture wall surfaces. 3 figures. Isource.

Key words: drill of unilateral action; plastic deformation.

Долговечность бурового оборудования зависит, прежде всего, от долговечности наиболее ответственных деталей механизмов. К технологическим направлениям повышения долговечности оборудования относится и применение упрочняющих способов обработки рабочих поверхностей деталей.

В процессе работы наибольшие нагрузки воспринимаются поверхностными слоями. Явления изнашивания, влияющие в значительной степени на долговечность, развиваются на поверхностях трения сопряжённых деталей. В верхних слоях рабочих поверхностей деталей нагрузки вызывают внутренние напряжения растяжения, сжатия, изгиба или кручения в чистом виде или в определённых сочетаниях, и поломки деталей оборудования в процессе эксплуатации часто носят усталостный характер.

В результате усталостного разрушения выходят из строя многие детали бурового и эксплуатационного оборудования - шатун бурового насоса (малая шейка), детали газотурбинных и дизельных приводов и др.

Поскольку наибольшая концентрация напряжений наблюдается в верхних слоях металла, усталостная прочность деталей зависит от состояния и механических свойств этих слоев. Физико-механические свойства и микро-геометрия поверхностного слоя определяют её износостойкость, коррозиестойкость и усталостную прочность.

В связи с этим значительное распространение получили различные методы поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов. Благодаря упрочнению

нередко можно применять дешёвые углеродистые стали взамен дорогих, легированных и при этом в несколько раз сократить время изготовления и ремонт деталей [3].

В последние годы для сверления точных отверстий нашли применение твёрдосплавные свёрла одностороннего резания с наружным подводом смазоч-но-охлаждающей жидкости и внутренним отводом стружки. Формирование отверстия при работе этими свёрлами в отличие от свёрл двустороннего резания осуществляется за счёт двух процессов - резания и пластического деформирования направляющими [2, 4].

Процесс деформирования способствует значительному снижению шероховатости поверхности, повышению её твёрдости и износостойкости. Вследствие улучшения механических характеристик материала деталей увеличивается надёжность бурового оборудования и уменьшается интенсивность отказов. Данные обстоятельства имеют большое значение для многих деталей, в частности, для стволов и напорных труб вертлюгов, стальных втулок глубинных нефтяных насосов, опорных втулок валов трансмиссий буровых лебёдок, а также муфт и стволов пневматических клепальных и рубильных молотков. Необходимая твёрдость поверхности центрального канала на этих деталях достигается за счёт обычной термообработки или химико-термической обработки, которые значительно увеличивают трудоёмкость изготовления отверстий в деталях, поскольку по существующему технологиче-

1Зайцев Виталий Иванович, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278. Zaitsev Vitaly, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Engineering, tel.: (3952) 405278.

2Карпиков Александр Владимирович, доцент кафедры нефтегазового дела, тел. (3952) 405659. Karpikov Alexander, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Engineering, tel.: (3952) 405659.

скому процессу после термообработки следует шлифование с хонингованием закалённой поверхности.

Термообработка заключается в нагреве детали в печи или токами высокой частоты (при ремонте -обычной газовой горелкой) с последующим охлаждением в масле. Температура нагрева не должна превышать 1000°С во избежание перегрева и образования микротрещин, так как при перегреве мы получаем структуру металла с очень низкими механическими свойствами. Кроме того, поверхностная твёрдость детали неравномерна.

Цементация и азотирование поверхностей деталей при температурах, близких к 1000°С, приводит к их термической деформации, процесс осложняется необходимостью специального оборудования. Собственно химико-термическая обработка не решает вопроса упрочнения детали. Например, при цементации для достижения указанного эффекта необходима последующая термическая обработка - закалка и отпуск, так как закалка с высоким отпуском после цементации уменьшает термическую деформацию поверхностей [1]. Данный процесс занимает много времени, особенно хонингование, цементация и азотирование -до 1-3 суток в зависимости от используемой среды. После этих операций отверстие имеет 7-ю степень точности формы цилиндрической поверхности при квалитете диаметра Н7 и шероховатость Ра 0,63-0,8.

Почти такая же точность и шероховатость поверхности достигается непосредственно после сверления твёрдосплавными свёрлами одностороннего резания. Это позволяет избавиться от термообработки детали и последующей отделочной обработки. Термообработка, к тому же, ведёт к короблению детали, а шлифование и хонингование очень непроизводительны. Поэтому интересно было выяснить, насколько возрастёт твёрдость поверхностного слоя отверстия после прохода сверла одностороннего резания по сравнению с исходной твёрдостью.

Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД) проводили две базовые направляющие сверла в виде пластин прямоугольной формы со сферой по внешней стороне из

металлокерамического сплава. Они же уменьшали шероховатость стенок отверстий за счёт многочисленного сглаживания неровностей. Упрочнение достигалось путём снижения вредного влияния концентраторов напряжений за счёт создания в поверхностных слоях детали внутренних напряжений сжатия и измельчения кристаллической структуры.

Упрочнение поверхностным наклёпом особенно эффективно для деталей, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок и в коррозионных средах, что характерно для работы деталей буровых механизмов.

Пластическое деформирование изменяло структуру материала без его полной рекристаллизации, приводило к изменению зёрен и уменьшению их размеров, создавало текстуру. На шлифах металла было видно сдвигообразование в зёрнах образцов, изменение их формы и размеров. Замеры характеристик показывали понижение пластичности и увеличение твёрдости образцов. Кроме повышения прочности поверхностного слоя металла возникало благоприятное распределение остаточных напряжений по сечению деталей, при котором поверхностный слой оказывался в зоне сжатия.

Сжимающие остаточные напряжения, складываясь в процессе эксплуатации детали с растягивающими напряжениями от внешней нагрузки, уменьшают величину последних, следовательно, поверхностный слой оказывается менее нагруженным, чем в случае, когда остаточные напряжения в нём отсутствуют. В этом заключается положительное влияние остаточных напряжений.

В данной работе приведены результаты исследования глубины и степени наклёпа поверхности отверстия.

Сверление отверстий диаметрами от 35 до 75 мм на длину до 500 мм проводилось в заготовках из стали 45 типа стволов вертлюгов на специальной установке, созданной на базе токарно-винторезного станка мод. 163. Опыты проводились при скоростях резания У=80-210 м/мин и подачах Б=0,10-0,15 мм/об. Степень и глубина наклёпа поверхностного слоя определялись

путём измерения микротвёрдости на образцах, вырезанных из просверленных деталей. Микротвёрдость измерялась на поверхности косого среза, расположенного под углом 2° к оси отверстия, на приборе ПМТ-3 при нагрузке 100 г. Основные результаты исследования представлены на рис. 1-3.

Как следует из графика, представленного на рис. 1, глубина и степень наклёпа поверхностного слоя отверстия весьма значительны. Так, микротвёрдость поверхностного слоя при сверлении с подачей S=0,10 мм/об. превышает исходную почти в 2 раза, а при подаче Б=0,15 мм/об. - в 2,5 раза.

Закономерность изменения степени наклёпа по глубине последнего практически одинакова в пределах изменения скорости резания от 80 до 210 м/мин (рис. 2). Это надо считать вполне закономерным, поскольку в этих опытах не отмечалось повышения нормальной нагрузки на упорную составляющую с ростом скорости. Нормальная нагрузка определялась расчётным путём на основании экспериментальных данных по замеру суммарных главной составляющей силы резания Fz и радиальной составляющей силы резания

Fr при различных скоростях резания.

Проведённые исследования показали, что с уменьшением угла при вершине внешнего участка главной режущей кромки сверла ср1 от 10 до 20° степень и глубина наклёпа практически не изменились. Это можно объяснить тем, что с ростом угла ср1 возросла, в основном, радиальная составляющая силы резания Fr, которая в общем балансе сил, действующих на упорную направляющую, относительно невелика.

Изменение конструкций направляющих, а именно их длины от 5 до 25 мм и обратной конусности от 0,1 до 0,6 мм на 100 мм показало, что наклёп несколько увеличивается с уменьшением обратной конусности направляющих (рис. 3).

При измерении микротвёрдости поверхностного слоя в различных сечениях заготовки не было обнаружено изменения степени и глубины наклёпа по глубине сверления. Это объясняется тем, что силы резания также практически не возрастали к концу сверления ввиду незначительного износа режущих кромок сверла.

Для удовлетворительной работы однокромочного сверла необходимо было заставить работать обе базовые направляющие с одинаковой нагрузкой. Для этого равнодействующую силу, действующую на сверло перпендикулярно его оси F и воспринимаемую поверхностью просверленного отверстия через базовые направляющие, необходимо направить по биссектрисе центрального угла между базовыми направляющими. Установлено, что оптимальный центральный угол составляет примерно 110°.

В конструкции таких свёрл также необходимо предусмотреть возможность переворачивания базовых направляющих по мере износа их передней части.

Из твёрдых сплавов марок ВК8, ВК6-ОМ, Т5К10 и ТТ10К8Б, формирующих сменные колодки базовых направляющих, наилучшие результаты показал сплав ВК6-ОМ. Сплав Т5К10 на выходе сквозных отверстий нередко имел поверхностный скол. Охлаждающая жидкость (сульфофрезол) подавалась под давлением Р=1-2 МПа. Производительность насоса составила 3 л/с.

При значительных режимах резания - V > 150

м/мин и S >0,2 мм/об., иногда наблюдался пригар базовых направляющих. При сверлении отверстий большой глубины для предотвращения увода инструмента рекомендуется применять заднюю направляющую.

Таким образом, твёрдость поверхностного слоя отверстия превышает исходную в 2-2,5 раза. Учитывая, что при термообработке твёрдость увеличивается не более чем в 2,8 раза, представляется реальным исключить термообработку при использовании метода глубокого сверления твёрдосплавными сверлами одностороннего резания.

Подобная технология поверхностного пластического деформирования слоёв отверстий с целью значительного повышения твёрдости и уменьшения степени шероховатости их стенок может применяться и при сверлении деталей под калиброванные посадочные шейки осей, валов и поршней. Данная технология уменьшает трудоёмкость изготовления и исключает термообработку (закалку) деталей, для которых она противопоказана из-за коробления или невозможности закалки всех частей детали.

Библиографический список

1. Авербух Б.А., Калашников Н.В., Кершенбаум Я.М., Протасов В.Н. Ремонт и монтаж бурового и нефтегазопромысло-вого оборудования. М.: Недра, 1976. 368 с.

2. Зайцев В.И. Технология получения глубоких отверстий // Технология материалов: ст. сб. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009.

3. Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей оборудования. М.: Наука, 1989. 475 с.

4. Троицкий Д.Л. Скоростное глубокое сверление. Л.: Машиностроение, 1991. 206 с.

УДК 621.117.18

РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ЭКСКАВАТОРОВ А.П. Макаров1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены характерные места и динамика развития усталостных трещин на балке рукояти экскаваторов с канатным механизмом напора. Даны рекомендации по предотвращению хрупких разрушений металлоконструкций экскаваторов, эксплуатирующихся при низких отрицательных температурах. Ил. 2. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: экскаватор; балка рукояти; трещины; усталость; предотвращение изломов.

DEVELOPMENT OF FATIGUE CRACKS IN EXCAVATOR METAL STRUCTURES A.P. Makarov

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The characteristic locations and development dynamics of fatigue cracks on the arm beam of excavators with a rope drive mechanism are examined. The recommendations on prevention of brittle fractures of metal structures of excavators that operate at low negative temperatures are given. 2 figures. 3 sources.

Key words: excavator; (lift) arm beam; cracks; fatigue; prevention of fractures.

В балке рукояти экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5, ЭКГ-10, ЭКГ-15 и их модификациях усталостные трещины возникают в нижней части сечения рукояти и

растут с поверхности, распространяясь в глубину. Характерные места образования трещин, приводящие к полному излому, зафиксированы начиная с середины

1 Макаров Анатолий Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: mak@istu.edu

Makarov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail: mak@istu.edu