автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологические основы достижения точности обработки глубоких отверстий прямоугольной формы в корпусах превенторов чистовым строганием широкими резцами

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПЛАШЕЧНЫЕ ПРЕВЕНТОРЫ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ ПОД ПЛАШКИ ПРЕВЕНТОРА. ВЫБОР НАИБОЛЕЕ РАЦИОНАЛЬНОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ ДЛЯ УСЛОВИЙ МЕЖОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

1.1. Плашечные превенторы.

1.2. Конструктивно-технологический анализ формы поперечного сече -ния плашки.

1.3. Сравнительный анализ методов обработки глубоких отверстий прямоугольного сечения под плашки превентора.

1.3.1. О возможности использования электрофизических процессов

1.3.2 Обработка резанием.

ВЫВОДЫ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ И ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ОТВЕРСТИЯ ПРИ СТРОГАНИИ ОПРАВКОЙ, ОСНАЩЕННОЙ ШИРОКИМИ РЕЗЦАМИ.

2.1 Анализ погрешностей формообразования при строгании поверхностей прямоугольного отверстия нежестким инструментом.

2.2. Влияние статической настройки технологической системы на погрешность формы и взаимного положения сторон прямоугольного отверстия

2.3. Влияние упругих деформаций оправки на точность обработки

2.3.1. К вопросу об эффекте «подрывания» при строгании поверхности

2.3.2. Расчет деформаций оправки при строгании горизонтальных плоскостей.

2.3.3. Расчет деформаций оправки при строгании вертикальных плоскостей

2.4. Методика определения ожидаемой погрешности точностных параметров отверстия прямоугольного сечения при строгании его сторон широкими резцами.

2.5. Исследование возможностей повышения точности обработки.

2.5.1. Мероприятия по компенсации погрешности размера статической настройки.

2.5.2. Мероприятия по компенсации погрешности размера динамической настройки.

2.6. Выбор наиболее рационального сечения оправки.

ВЫВОДЫ.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРОГАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ОТВЕРСТИЯ ОПРАВКОЙ, ОСНАЩЕННОЙ РЕЗЦАМИ С ШИРОКИМ ЛЕЗВИЕМ.

3.1. Экспериментальное определение жесткости оправки.

3.2. Экспериментальное исследование процесса строгания сторон отверстия широкими резцами.

3.2.1. Экспериментальное исследование усилий резания в процессе строгания поверхностей отверстия.

3.2.2. Экспериментальное исследование упругих перемещений инструмента в процессе строгания поверхностей отверстия.

ВЫВОДЫ.

4. СТРОГАНИЕ ОТВЕРСТИЙ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ В КОРПУСАХ ПРЕВЕНТОРОВ, РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

4.1 Технология обработки прямоугольного отверстия корпуса превен-тора на станке с ЧПУ ИР80011МФ4. Технологическое и метрологическое обеспечение процесса.

4.2 Расчет экономической эффективности разработанной технологии

4.3 Направления дальнейшей работы по повышению технических и эксплуатационных характеристик изделия.

ВЫВОДЫ.

Весьма существенным отрицательным эффектом, сопровождающим добычу нефти и газа, приносящим значительный материальный, экономический урон в отдельных регионах и в глобальном масштабе является неуправляемый дебит скважин, то есть открытое неуправляемое фонтанирование. Это - весьма тяжелая авария. Часто такие аварии приобретают характер стихийных бедствий, требующих больших материальных ресурсов и длительных сроков для их ликвидации. Это существенно усложняет деятельность буровых и газонефтедобывающих предприятий, а также прилегающих к району аварии объектов промышленности, транспорта, сельского хозяйства, населенных пунктов.

Потенциальными источниками экологических аварий могут быть и подземные хранилища, служащие для создания запасов и хранения уже добытого газа, расположенные на территории России вблизи крупных промышленных центров. Такие хранилища представляют собой естественные геологические образования в виде купола из плотных водогазонепроницае-мых пород, под которым залегают пласты сыпучих песчаных пород. В естественной полости через специально построенные скважины закачивают природный газ под большим (до 100 МПа) давлением. Емкость таких хранилищ составляет миллиарды кубометров. Нетрудно представить, какую опасность для густонаселенных городов представляет собой неуправляемый выход газа. Для предотвращения, локализации аварийных ситуаций, а также при ремонте агрегатов буровой и служат превенторы, входящие в состав противовыбросо-вого оборудования (ПВО) [7].

К середине 90-х годов нефтегазодобывающие предприятия России не избежали депрессии так называемого послеперестроечного периода. Это нашло отражение и в недопоставках противовыбросового оборудования. Как следствие - неудовлетворительное техническое состояние оборудования буровых установок и высокий процент аварийности.

С учетом изложенного вполне обоснованной является актуальность нового направления в работе станкостроительного предприятия ОАО «Станко-техника» - изготовление ПВО с условным проходным отверстием диаметром 156-230 мм для рабочих давлений 21 МПа, 3 5МПа и 70 МПа. Ниже будут приведены важнейшие конструктивные фрагменты превенторов, применяемых в России и мировой практике. Но уже сейчас можно сказать, что эта продукция не имеет ничего общего со станкостроением (в чисто общемашиностроительном плане). А зловещие последствия перестройки оказались особенно жестокими для станкостроения бывшего Советского Союза. Новая, пусть несвойственная станкостроению продукция дала возможность нашему предприятию «выжить» и, в то же время решить важную народнохозяйственную задачу изготовления превенторов. При постановке на производство нового для нас объекта мы прошли, по сути дела, все традиционно рекомендуемые по этому вопросу в технической литературе этапы, а именно:

1. Изучение состояния производства ПВО в России и за рубежом. Прогнозирование возможных рынков сбыта продукции (в том числе и на перспективу).

2. Анализ условий эксплуатации продукции и установление технических условий и норм приемки, обеспечивающих выполнение требований служебного назначения объекта.

3. Выявление и принятие важнейших конструкторско-технологических решений.

4. Разработка и изготовление опытных образцов и их испытание.

5. Технологическая подготовка производства в соответствии с принятой программой и на перспективу.

Технологическая сложность выполнения процесса обработки глубоких точных отверстий прямоугольного сечения, которые служат направляющими

ДЛЯ плашек соответствуюш;его профиля, неоспорима. От точности и качества этих поверхностей зависят ряд эксплуатационных характеристик превентора и, главное, стойкость уплотнений его плашек.

Аналитический обзор различных методов обработки сторон крупногабаритных отверстий прямоугольного сечения показал, что наиболее приемлемым методом для условий мелкосерийного производства является строгание резцами с широким лезвием.

Учитывая перспективность применения строгания крупногабаритных отверстий широкими резцами, в настояш;ей работе ставится задача всестороннего исследования данного процесса. С этой целью необходимо: а) исследовать механизм формирования погрешностей формообразования и расположения сторон отверстия при их строгании; б) выявить на этой основе достижимую точность обработки; в) провести комплекс экспериментальных исследований по установлению рабочих режимов обработки и выявлению фактических погрешностей обработки; г) разработать и внедрить технологию обработки отверстий прямоугольного сечения в корпусе превентора и комплекс технологического оснащения для ее реализации. Повышение точности размеров и формы деталей, а также уменьшение шероховатости их поверхности во многом предопределяются отделочными операциями, поэтому совершенствование и расширение применения прогрессивной отделочной обработки, в частности чистового строгания, имеет актуальное значение.

Работа над новым объектом в целом позволила лишний раз убедиться в высокой квалификации инженерно-технического персонала и рабочих предприятия ОАО «Станкотехника». В конечном итоге были созданы новые технологии и приемы работы, представляющие собой общемашиностроительный интерес и имеющие вполне определенную ценность для развития технологии машиностроения. Это и послужило поводом для более глубокого изучения данного вопроса в рамках настояш;ей диссертации.

Целью работы является разработка технологического метода и средств его технического оснаш;ения для финишной обработки глубоких отверстий прямоугольной формы в корпусах превенторов.

В диссертации поставлена задача всестороннего исследования процесса строгания широкими резцами плоскостей глубоких отверстий прямоугольного сечения в крупногабаритных деталях и реализации его в условиях мелкосерийного производства ОАО «Станкотехника».

Диссертация включает следующие основные разделы:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В работе решена актуальная для нефтяной и газовой промышленностей задача достижения высокой точности обработки глубоких отверстий прямоугольной формы чистовым строганием широкими резцами в корпусах пре-венторов новой конструкции, обеспечивающих высокие технические и эксплуатационные характеристики.

1. Разработан технологический метод финишной обработки чистовым строганием широкими резцами, реализованный на обрабатывающем центре ИР800ПМФ4.

2. Исследован механизм образования погрешностей при чистовом строгании широкими резцами с большой длиной вылета отверстий прямоугольной формы, имеющих малую высоту и большую ширину. Выведены математические зависимости, позволяющие определять суммарную погрешность обработки. Определено, что основными причинами, вызывающими погрешности обработки являются упругие отжатия и разворот резца под действием силы резания из-за несимметричного расположения его на оси оправки. В работе определены численные значения этих составляющих погрешностей для конкретных условий с целью их дальнейшей компенсации при обработке.

3. Разработана конструкция оправки для чистового строгания широкими резцами, имеющая позиции для установки на нее резцов для обработки вертикальных и горизонтальных сторон прямоугольного отверстия (с возможностью их поворота, компенсирующего скручивание оправки) и позицию для закрепления измерительной головки.

4. Экспериментально исследованы силовые и динамические характеристики процесса чистового строгания широкими резцами. Установлено, что в пределах одного рабочего Хода силы резания стабильны, что дает возможность компенсировать упругие отжатия резца статической настройкой.

131

5. При внедрении разработанного метода обеспечиваемая точность обработки в продольном сечении по всей длине поверхности отверстия составила 0,08 мм для горизонтальных поверхностей и 0,04 мм для вертикальных поверхностей при снижении технологической себестоимости в 3 раза по отношению к электрофизическому методу финишной обработки.

6. Определены дальнейшие перспективы развития процесса финишной обработки отверстий прямоугольной формы за счет создания оборудования, позволяющего осуществлять процесс скоростной непрерывной обработки всех плоскостей отверстия методом контурного строгания в режиме построчной обработки вдоль оси.

1. Артамонов Б.А., Волков Ю.С, Дрожалова В.И. и др. «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов». М. «Высшая школа». 1983г.

2. Аршинов В.А., Алексеев Г.А «Резание металлов и режущий инструмент», М., «Машиностроение», 1967г.

3. Ачеркан И.С. «Справочник металлиста» М., «Машиностроение», 1966г.

4. Барман Б.П «Вибрации и режимы резания». М. «Машиностроение». 1972г.

5. Беспалов В.Л., Глейзер Л.А. и др. «Технология машиностроения»., М. «Машиностроение» 1965г.

6. Блюмберг В.А. «Строгальное дело». «Машгиз» 1957г.

7. Гоинс У.К., Шеффилд Р. «Предотвращение выбросов». М. «Недра», 1987г.

8. Гребенников Д. «Опыт внедрения отделочного тонкого строгания». Минск, Госиздательство БССР, 1955г.

9. Гульянц Г.М. «Справочное пособие по противовыбросовому оборудованию скважин». М. «Недра». 1983г.

10. Жарков И.П. «Вибрации при обработке лезвийным инструментом». Л. «Машиностроение» Ленинградское отделение, 1986г.

11. Жигалко Н.И., Киселев В.В. «Проектирование и производство режущих инструментов». Минск, Высшая школа, 1975г.

12. Клушин М.И. «Резание металлов». Элементы теории пластического деформирования срезаемого слоя. М. «Машгиз». 1958г.

13. Коганов И. А. др. «Исследования в области технологии механической обработки и сборки». Сборник научных трудов. Тула. ТПИ 1981г.

14. Койре В.Е «Чистовая обработка крупногабаритных деталей». М. «Машиностроение». 1976г.

15. Колкер Я.Д. «Математический анализ точности механической обработки деталей». Киев. «Техника», 1976г.

16. Косилова А.Г., Мещерякова P.K. «Справочник технолога-машиностроителя». М. «Машиностроение» 1972г.

17. Кочетков Я.Н. «Обеспечение точности при протягивании». М. «Машиностроение». 1979г.

18. Кузнецов Ю.И. «Зарубежная оснастка оборудования с ЧПУ» обзор. М. ВНИИТЭМР, 1991г.

19. Кузнецов Ю.И. «Оснастка для станков с ЧПУ» Справочник. М. «Машиностроение. 1990г.

20. Курочкин В.М. «Чистовое строгание стали широкими резцами». М. Маш-гиз, 1951г.

21. Лаврентьев A.C. «Новое в строгальном деле». М. «Профиздат», 1956г.

22. Никифоров A.B., Волков Ю.С. «Электрофизико-механические методы обработки в ГПС» обзор. ЦНТИИТЭИ тяжмаш, 1992г.

23. Под редакцией к.т.н. А.Н. Малова «Справочник металлиста», М. «Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы», М. 1959г.

24. Под ред. д.т.н. проф. Кутая А.К «Справочник по производственному контролю в машиностроении» Ленинград, «Машиностроение» Ленинградское отделение, 1974г.

25. Под ред. д.т.н. проф. Якушева А.И. «Справочник контролера машиностроительного завода. Допуски, посадки, линейные измерения.», М. «Машиностроение» 1980г.

26. Под ред. Попилова Л.Я. «Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов». «Машиностроение», 1972г.

27. Потапович Л.И. и Серебряков Е.А. «Резцы и приспособления для строгальных работ». М. «Машиностроение» 1972г.

28. Радзевич СП. «Технологическая оснастка и инструмент для станков с ЧПУ» обзор. М. ВНИИТЭМР. 1987г.

29. Старков В.К. «Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве». М. «Машиностроение». 1989г.

30. Тимофеев А.П. «Технология обработки глубоких отверстий прямоугольного сечения методом строгания широкими резцами» //Известия Тульского государственного университета, 2001 г., серия Машиностроение, выпуск 6, с.148-152.

31. Тимофеев А.П. «Современные тенденции развития конструкций плашеч-ных превенторов и технологические аспекты их производства» //Известия Тульского государственного университета, 2001 г., серия Машиностроение, выпуск 6, с. 180 184.

32. Мигай Ю.А., Тимофеев А.П. «Экспериментальное исследование процесса строгания широкими резцами» // Известия Тульского государственного университета, 2001г., серия Машиностроение, выпуск 6, с.184 189.

33. Тимофеев А.П., Ионов О.Ю. Заявка на изобретение №2001123949 от 29.08.01 г. МКИ В23В 29/03 «Способ изготовления прямоугольных отверстий», МКИ В23В 27/00 «Оправка резцовая», МКИ В23Д 11/00 «Резец».