автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение износостойкости поворотных резцов горных машин термомеханической обработкой их державок в процессе изготовления

9 15-5/10

На правах рукописи

ЧУПИН Станислав Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВОРОТНЫХ РЕЗЦОВ ГОРНЫХ МАШИН ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ИХ ДЕРЖАВОК В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Колобов Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Сысоев Николай Иванович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», кафедра «Нефгегазопромысловых и горных машин и оборудования», заведующий кафедрой

Шишлянников Дмитрий Игоревич - кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», кафедра Горная электромеханика, доцент

Ведущая организация - ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Защита состоится 24 июня 2015 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте wwwipnii.ru.

Автореферат разослан 24 апреля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

ФОКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время на подземных горных работах наиболее прогрессивным техническим средством для проведения вспомогательных выработок являются проходческие комбайны, а для добычи полезного ископаемого - очистные комбайны. В качестве рабочего инструмента для разрушения горной породы на указанных современных комбайнах наибольшее распространение получили поворотные резцы, устанавливаемые на их исполнительных органах.

Державки поворотных резцов изготавливают методом штамповки на горизонтально-ковочной машине с последующим их охлаждением и термической обработкой, заключающейся в изотермической закалке и низком отпуске. При этом материал державки резца приобретает недостаточную твердость и, как следствие, износостойкость.

По этой причине при разрушении горных пород рабочая (контактирующая с породой) часть державки резца, подвергается быстрому изнашиванию, что повышает эксплуатационные затраты на рабочий инструмент и энергозатраты на резание.

Большой вклад в изучение вопросов повышения срока службы быстро изнашиваемых элементов горных машин внесли ученые Л.И. Барон, Ю.А. Кузнецов, И.А. Леванковский, М.М. Хрущов, М.А. Бабичев, М.М. Тененбаум и др.

Как показано в работах М.Л. Бернштейна, В.Д. Садовского и др., термомеханическая обработка (ТМО), заключающаяся в пластической деформации и последующей закалке, является одним из наиболее эффективных способов повышения твердости и прочности материалов. Однако в литературных источниках отсутствуют сведения о применении термомеханической обработки в горном машиностроении с целью повышения износостойкости рабочих инструментов при разрушении горных пород.

По этой причине проведение исследований по изучению влияния термомеханической обработки на износостойкость материалов и совершенствование технологического процесса изготовления поворотных резцов, включением в него операции термомеханической обработки, с целью повышения износостойкости державок является актуальной задачей.

Цель работы: повышение износостойкости державок поворотных резцов горных машин совершенствованием технологического процесса изготовления резцов путем применения термомеханической обработки.

Идея работы

Повышение износостойкости материала державок поворотных резцов проходческих комбайнов обеспечивается значительной пластической деформацией их заготовок при штамповке перед закалкой.

Задачи исследования:

1. Анализ конструктивного исполнения поворотных резцов и технологии их изготовления.

2. Разработка компьютерной модели процесса деформирования металла при штамповке державки поворотного резца и установление влияния геометрических параметров исходной заготовки на интенсивность пластической деформации материала державки.

3. Разработка экспериментального стенда и методики для исследования влияния интенсивности пластической деформации материала державки поворотного резца, подвергнутого термомеханической обработке, на износостойкость при изнашивании о породы различной крепости и абразивности.

4. Экспериментальное определение влияния величины интенсивности пластической деформации материала державки в процессе деформирования при термомеханической обработки на его твердость и износостойкость.

5. Обоснование рациональных геометрических параметров заготовки для штамповки державки поворотного резца, при которых термомеханическая обработка обеспечивает наибольшее повышение твердости и износостойкости материала рабочей части державки.

6. Усовершенствование технологического процесса изготовления поворотных резцов путем применения термомеханической обработки.

Методы исследования

В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ технологических процессов изготовления рабочих инструментов горных машин, компьютерное моделирование процесса деформирования металла при штамповке державки резца и экспериментальные исследования, проведенные на разработанном

экспериментальном стенде. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием методов математической статистики.

Научная новизна:

1. Установлено влияние формы головной части заготовки (угла наклона и длины фаски) на интенсивность пластической деформации материала рабочей части державки поворотного резца при штамповке заготовки на горизонтально-ковочной машине.

2. Экспериментально установлена зависимость вида ДI = Ве* повышения износостойкости Д/ стали ЗОХГСА, как материала державки поворотного резца, от интенсивности ее пластической деформации е перед закалкой в процессе термомеханической обработки.

Защищаемые положения:

1. Изменение формы заготовки, используемой при штамповке державки поворотного резца на горизонтально-ковочной машине, путем скоса ее торцевой кромки приводит к повышению интенсивности пластической деформации в материала части державки, контактирующей с породой, причем наибольшее повышение е (в 4,1 раза) достигается при скашивании кромки на длину 12-14 мм под углом в диапазоне от 45 до 55°.

2. Высокотемпературная пластическая деформация заготовки из стали ЗОХГСА перед термической обработкой в технологическом процессе изготовления державки поворотного резца приводит к увеличению до 1,2 раз твердости и до 2,1 раза износостойкости материала державки при изнашивании по горным породам прочностью до 110 МПа и абразивностью до 20 мг.

Практическая значимость работы:

- разработаны методика и экспериментальный стенд для исследования закономерностей абразивного изнашивания по горным породам образцов материалов державок поворотных резцов, деформированных с различной интенсивностью;

- обоснованы рациональные геометрические параметры фаски, выполненной на заготовке, обеспечивающие максимальное повышение интенсивности пластической деформации головной части державки резца при ее изготовлении на горизонтально-ковочной машине;

- проведено усовершенствование технологического процесса изготовления поворотных резцов, обеспечивающее повышение износостойкости их державок;

- результаты исследований рекомендуются к внедрению на предприятиях ООО «Горный инструмент», ОАО «Копейский машиностроительный завод».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментов, их сходимостью с результатами общепризнанных исследований в области термомеханической обработки материалов и законами течения металла при горячей обработке давлением.

Апробация работы

Основные положения в результате работы докладывались на:

- 53-ей международной научной конференции, Горнометаллургическая академия им. Станислава Сташица, г. Краков, Польша, 2012 г.;

- международной конференции «Ресурсы будущего» Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2013 г.;

- всероссийской конференции с международным участием «Нанофизика и Наноматериалы», Горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.;

- IV Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий», Горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.;

- II Международной научно-практической конференции «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении», Горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия, 2014 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 3 в изданиях из перечня рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, 3 приложений на 7 страницах, общим объемом 125 страниц печатного текста, содержит 7 таблиц и 46 рисунков, список литературы из 95 наименований.

Личный вклад соискателя

Проанализированы основные теоретические представления о разрушении горных пород и термомеханической обработке металлов. Сформулированы задачи исследований и научные положения. Исследован процесс штамповки державок резцов на основе компьютерного моделирования в программном комплексе DEFORM-3 D. Спроектирован экспериментальный стенд, проведены экспериментальные исследования процесса штамповки и абразивного изнашивания деформированных образцов по горным породам. Разработан усовершенствованный технологический процесс изготовления поворотных резцов на основе термомеханической обработки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, определены цель, идея, задачи, изложены защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены основные конструкции поворотных резцов, технология их изготовления и используемые материалы. Приведены сведения о способах упрочнения материалов и повышения их износостойкости. Проанализированы процессы, протекающие при пластическом деформировании металлов в горячем и холодном состоянии, а также виды и особенности термомеханической обработки.

Вторая глава посвящена компьютерному моделированию процесса горячей штамповки металлов в программной системе конечно-элементного анализа DEFORM - 3D. Проанализированы величины интенсивности пластической деформации, достигаемые в рабочей части державки резца при штамповке заготовок с выполненной фаской различных геометрических параметров.

В третьей главе анализируются методики и оборудование, применяемые в экспериментах по абразивному изнашиванию материалов. Приведено описание разработанных экспериментального стенда и методики экспериментов по абразивному изнашиванию по породам различной крепости и абразивности образцов, изготовленных из материала державок поворотных резцов после их термомеханической обработки.

В четвертой главе представлены результаты испытаний по определению износостойкости материала державки поворотного резца, подвергнутого термомеханической обработке с различными значениями интенсивности пластической деформации.

Пятая глава посвящена усовершенствованию технологического процесса изготовления поворотных резцов путем использования операции термомеханической обработки.

В заключении приведены основные выводы и рекомендации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Изменение формы заготовки, используемой при штамповке державок поворотных резцов на горизонтально-ковочной машине, путем скоса ее торцевой кромки приводит к повышению интенсивности пластической деформации £ материала в контактирующей с породой части державки, причем наибольшее повышение е (в 4,1 раза) достигается при скашивании кромки на длину 12-14 мм под углом в диапазоне 45-55°.

С использованием программы DEFORM - 3D методом конечных элементов моделировали процесс пластической деформации цилиндрической заготовки державки резца РШ 32-70 из стали 30ХГСА в процессе штамповки на горизонтально-ковочной машине (ГКМ).

На отожженных образцах (рисунок 1), вырезанных из отожженных державок поворотных резцов, определяли напряжения, необходимые для пластического деформирования материала при температуре штамповки (900 °С) с использованием комплекса Gleeble-3800 по методике, разработанной в СПбПУ.

6

Рисунок 1 - Образец для проведения испытаний по определению напряжений деформации при повышенных температурах

Вид полученной зависимости иллюстрирует рисунок 2.

Истинная деформация £

Рисунок 2 - Зависимость напряжения течения стали 30ХГСА от истинной деформации при температуре 900°С

В результате моделирования устанавливали интенсивность пластической деформации (эффективную деформацию) ё/, накопленную к /-:му моменту деформирования каждым из 5000 элементов, на которые была разбита державка, определяемую по формуле Мезиса:

е = ~£у)2 )2 +(£г -ех )2 , (1)

где 8.г, еу, г: - главные деформации, соответствующие напряжениям по осям х, у, г.

Как показало моделирование (рисунок 3), при использовании цилиндрических заготовок, применяемых при штамповке державок по существующей технологии изготовления резцов, величина е„ накопленная элементами державки в процессе штамповки, весьма существенно различается для отдельных ее частей: максимальная интенсивность пластической деформации (в до 2,71) - в месте сопряжения хвостовой и головной частей державки; минимальная, близкая к 0 - в торцевой области головной части. Для рабочей, контактирующей с породой при работе резца, части державки длиной /р = 15 мм среднее значение интенсивности пластической деформации всех г'-ых элементов поверхностного слоя (толщиной Л = 2 мм) ер, определяемое по правилу аддитивности Неймана

1=0

где £,-, V, - интенсивность деформации и объем /-го элемента, оказалось равным 0,17. В соответствии с результатами проф. М.Л. Бернштейна о зависимости механических свойств металлов от степени деформации при ТМО такая незначительная интенсивность деформации стали не может привести к существенному увеличению ее твердости в результате последующей закалки и, как следствие, износостойкости материала.

Анализ закономерностей движения различных /-ых элементов объема заготовки при штамповке показал, что интенсивность пластической деформации металла в рабочей части державки можно повысить образованием полости между головной частью заготовки и штампом, заполняемой металлом на конечной стадии деформирования. Это достигается выполнением в торцевой части применяемой заготовки фаски длиной Ъ под углом а к оси заготовки.

Компьютерным моделированием определяли рациональные геометрические параметры (Ь, а) фаски на заготовке (с сохранением геометрических параметров существующего штампа), при которых при штамповке достигается максимальная интенсивность пластической деформации ер материала поверхностного слоя рабочей части державки. Было установлено, что с увеличением угла наклона а фаски величина ер вначале возрастает (рисунки 4 и 6, а), достигая своего максимального значения в диапазоне углов 45-55°, а затем убывает. Аналогичный вид с максимальным значением ер при Ь = 12-44 мм имеет и зависимость ер от длины фаски (рисунки 5 и 6, б). При а = 45-55° и Ь = 12-44 мм значение ер достигает 0,69, что в 4,1 раза превышает величину ер, соответствующую штамповке применяемой заготовки без фаски.

и .50

0.10

11.411

0.70

- ыа0,40

• а = од|

: 5 . 2 г

:»«м . ¿¡..«о

; о. 5 а* 4 оло * I •§•»■» М • г -

= «ДО ь к

ж 0.10

-40 6(1 НИ 100 Й.00

Длина фаски, ми

а) б)

Рисунок 6 - Зависимость интенсивности пластической деформации £р металла в поверхностном слое рабочей части державки резца от утла наклона (а) и длины фаски (б), выполненной на заготовке

Исходя из проведенного литературного обзора о влиянии термомеханической обработки на физико-механические свойства металлов и сплавов, предполагали, что достижение в рабочей части державки поворотного резца интенсивности пластической деформации установленной величины (£р=0,7) приведет к значительному повышению твердости материала державки после последующей закалки и, как следствие, его износостойкости.

2. Высокотемпературная пластическая деформация заготовки из стали ЗОХГСА перед термической обработкой в технологическом процессе изготовления державки поворотного резца приводит к увеличению до 1,2 раз твердости и до 2,1 раза износостойкости материала державки при изнашивании по горным породам прочностью до 110 МПа и абразивное гыо до 20 мг.

Для получения образцов с заданной интенсивностью пластической деформации цилиндрические заготовки (диаметром Оо = 8 мм, высотой Но = 15 мм), изготовленные из отожженных державок поворотных резцов из стали ЗОХГСА, подвергали термомеханической обработке (ТМО) по следующей схеме:

- нагрев в термостате до температуры 1200 °С с выдержкой в течение 10 минут для протекания процесса аустенизации стали;

- осадка образца параллельно его оси на пневматическом кузнечном молоте при температуре 900 °С до различных значений высот Я, полученных расчетным путем;

- закалка образца в масле;

- низкий отпуск при температуре 250 °С.

Интенсивность пластической деформации е„ получаемую

различными частями образца в процессе осадки, определяли компьютерным моделированием процесса одноосного сжатия цилиндрических заготовок. Из компьютерной модели распределения е, по сечениям образца заданной высоты Я, для поверхностного слоя средней части шириной а = 3 мм и глубиной И = 2 мм определяли усредненную интенсивность пластической деформации ер по формуле (2), составляющих его ¿-ых элементов. Для значений ер (от 0,17 до 0,69), соответствующих интервалу интенсивностей пластической деформации, достигаемых в рабочей части державки при штамповке заготовок с фаской различных размеров, определяли высоты Я„ до которых необходимо осадить исходные цилиндрические заготовки, чтобы материал поверхностного слоя их средней части получил заданные величины ер (рисунок 7, а). Распределение интенсивности деформации по образцам подтверждали результатами металлографического анализа шлифов деформированных образцов (рисунок 7, б).

Из заготовок, осаженных в процессе вышеуказанной ТМО до заданной высоты Я, (13^-6,1 мм), изготавливали образцы с рабочей частью в виде ступени шириной а = 3 мм (рисунок 8), металл поверхностного слоя (И = 2 мм) которой был деформирован до необходимой интенсивности пластической деформации ер(.

Рабочая часть

Рисунок 8 - Образцы с различными значениями интенсивности пластической деформации £р; их рабочей части для абразивного изнашивания

I |М 1ГНСММИ1М 11. |<ф"|1Ма1|МН рюичги част ир*«нки|/^»*-15г2 ч«|

о о л I

■200 мс 1и 400 мс

■ 600 мс

800 мс

• 900 мс

X__ ■ 1000 мс

Рисунок 3 - Планограмма изменения формы заготовки и распределения интенсивности пластической деформации по ее сечению в процессе изготовления

державки

«=<Г «=4^ а=5!Г а=8(Г

Рисунок 4 - Распределение интенсивности пластической деформации по державке при штамповке заготовок с различными значениями угла наклона фаски а при постоянном

значении длинны Ь = 10 мм

Strain - Effective (rnmimm)

St».tin Effective |mm/mm)

Sii4in • Effectiva |mm/mm|

Sir din effective (mm/mm)

0 375

0000 0 000129 Min

30» №

0000 0 00013« Mm

2 ?б Mai

Рисунок 5 - Распределение интенсивности пластической деформации по державке при штамповке заготовок с различными значениями длины фаски Ь при постоянном значении угла

наклона а = 45°

Рисунок 7 - Компьютерное изображение распределения интенсивности пластической деформации в образце после одноосного сжатия (я) и волокон в шлифе согласно металлографическому анализу (б)

Рабочую часть образца подвергали абразивному изнашиванию по разработанной методике на экспериментальном стенде (рисунок 9) в условиях, моделирующих процесс изнашивания державок поворотных резцов:

- доминирующий вид изнашивания - абразивный;

- материал изнашиваемого образца - сталь ЗОХГСА; минералогический состав абразива в экспериментах -

материалы попутной породы различной крепости и абразивности: песчаник (осж = 110 МПа, абразивность а = 21 мг), алевролит (асж = 66МПа, абразивность а = 10 мг), наиболее часто встречающиеся при разрушении пород проходческими комбайнами;

линейная скорость перемещения точки контакта образца и абразива близка к скорости перемещения поверхности державки относительно разрушаемой породы при резании (У~0,1 м/с).

абразивному изнашиванию образцов материалов после термомеханической обработки: 1-стойка, 2 -направляющая крепления, 3 - пружина, 4 - кожух, 5 - пластина абразивного материала, 6 - рукоять подачи шпинделя станка, 7 -клиноременная передача, 8 - зажимные винты, 9 - образец испытываемого материала, 10 - патрон для крепления образца, 11 -электродвигатель

Перед проведением испытаний образцы взвешивали на аналитических весах (точность замера ±0,0001) и производили замеры твердости (НЯС) поверхности их рабочей части. Из фрагментов необходимой горной породы изготавливали пластины 20x100x100 мм.

Необходимую частоту вращения шпинделя (п = 13,3 с"1) определяли из равенства линейных скоростей перемещения точки контакта породы с поверхностью рабочей части образца Voöp = n-Dmax'n в экспериментах и с поверхностью державки при работе поворотного резца Vp = 2л-г-пк, где Dmax - максимальный диаметр образца в рабочей его части (Dmax = 0,0086 м); г - радиус расположения резца относительно оси вращения коронки (г = 0,1 м); пк - частота вращения коронки проходческого комбайна Спк = 0,83 с"1)-

При постоянных нагрузке Р (в соответствии с методикой абразивного изнашивания Барона Л.И. устанавливали равной 20 Н) и частоте вращения шпинделя п изнашивали о поверхность абразива рабочую, деформированную с заданной интенсивностью ер„ часть образца в течение г=10с. По окончанию испытания образец очищали от продуктов разрушения, повторно взвешивали и определяли убыль массы Am [кг]. Опыт повторяли 5 раз. Перед каждым испытанием пластину абразива передвигали, для обеспечения контакта образца с породой в новом месте. Для одной и той же ер, указанный цикл испытаний проводили на 3-х образцах. Следующую серию экспериментов проводили на образцах, деформированных с другой интенсивностью ер|.

По результатам экспериментов для каждой серии испытаний строили график зависимости суммарной убыли массы ZA/n образцов от продолжительности абразивного воздействия среды t. Через экспериментальные точки проводили экстраполяционную прямую, тангенс угла наклона которой в соответствии с М.М. Тененбаумом принимали за скорость изнашивания К [кг/с] материала, подвергнутого деформации ер заданной интенсивности. Величину обратную К принимали за износостойкость / материала, деформированного с данной интенсивностью.

Было установлено (рисунок 10), что предварительная деформация образцов перед закалкой, то есть применение способа ТМО, приводит к существенному повышению твердости их материала (стали 30ХГСА): для образцов, деформированных с интенсивностью ер ~ 0,7, достигаемой при штамповке заготовок с фаской (¿=12+14 мм, а = 45-55°), значения твердости материала

возрастают от 35 - 45 НЯС (значения твердости державок из стали ЗОХГСА при их изготовлении по существующей технологии) до 55 НЯС.

Интенсивность пластической деформации ер, % Рисунок 10 - Зависимость твердости материала державки поворотного резца от интенсивности его пластической деформации достигаемой в процессе ТМО

В результате математической обработки экспериментальных данных установлено, что зависимость твердости рабочей части образцов от интенсивности пластической деформации ер их материала, достигаемой в процессе ТМО, описывается степенным уравнением

НВ = НВ0+АНВ = НВ0 + А-£Х, (3)

где НВо - твердость материала (стали ЗОХГСА), не подвергнутого деформированию перед закалкой (ер = 0); АНВ -приращение твердости вследствие деформирования в процессе ТМО; А , х коэффициенты, постоянные для данного материала (А = 73 МПа, х =0,73).

Результаты экспериментов показали, что для всех анализируемых значений ер материала и обеих абразивных сред процесс изнашивания образцов с начального момента испытаний описывается линейной зависимостью

ЕДт = ЛГ-г, (4)

где К - скорость изнашивания, зависящая от вида абразивной среды и интенсивности пластической деформации ер материала образца, убывающая с ее возрастанием (рисунки 11, 12).

ja-.-j.-i2/ /'-о,»» •

ЛГ

\ I

Л

£л»-1,73|

Ж Ж . I

! * '

ь x, кг/с (мг/чяа) /, с'кг (мак/мг)

0 0,21-ю~3 (3,42) 4,76-ю3 (029)

0,17 0,19-10'3 (3,10) 526-ю3 (032)

022 0.16-10 3 (2.62) 625-ю3 (038)

032 0.1310 * (2,13) 7,69-ю3 (0.47)

0,44 0,11-10''(1.78) 9,09-103(0,56)

0,49 0.1 мо"3 (1.76) 9.10-ю3 (037)

0,69 0,10-10'3(1,73) 10,00-103(0,58)

а) б)

Рисунок 11 - Аппроксимирующие кривые зависимости ТАт =/(?,) для образцов из стали 30ХГСА, подвергнутых термомеханической обработке при ер=0,69 (1), и закаленных без предварительного деформирования (2) при изнашивании о песчаник (а), а также скорость изнашивания К и износостойкость стали в зависимости от интенсивности пластической деформации ее перед закалкой

(б)

I

Г

2-,

ГЛл-1,96/

I

1, кг/с (мг/маа) /, с/кг (шнг)

0 0,12-1 о*3 (156) 8,33-103 (0,51)

0,17 0,11-ю'3 (1,82) 9,09-103 (0,56)

0,22 0,10-10"5 (1,68) 10,00-103 (0,58)

0,32 0,07-ю'3 (1д2) 14,29-103 (0,82)

0,44 0,07-ю'3(1,11) 14 30-103(0^0)

0,49 0,06ю"3(1,03) 16,67-103 (0,97)

0,69 0,06-ю'!(1,02) 16,68 103(0,98)

а; Ф

Рисунок 12 - Аппроксимирующие кривые зависимости £Д/п =/(г,) для образцов из стали ЗОХГСА, подвергнутых термомеханической обработке при еР=0,69 (1), и закаленных без предварительного деформирования (2), при изнашивании об алевролит (а), а также скорость изнашивания К и износостойкость стали в зависимости от интенсивности пластической деформации ее перед закалкой

(б)

Как показала математическая обработка данных, зависимость износостойкости / материала державки от интенсивности его пластической деформации ер перед закалкой (рисунок 13), как и в случае зависимости НВ = Двр), также описывается степенным уравнением

1 = 10+А1 = 10 + ВерУ, (5)

где 1о - износостойкость материала, не подвергнутого деформированию перед закалкой (ер = 0); А/ - приращение износостойкости вследствие деформирования в процессе ТМО; В,

у - постоянные для каждой абразивной среды.

и

= к»

к

§ 0.9

А

^ 0,7

•X

« 0.6

о

§ 0-1

5

о.з

0.2

0 10 20 30 40 50 60 70

Интенсивность деформации ср, %

Рисунок 13 - Зависимость износостойкости материала державок резцов (стали 30ХГСА) от интенсивности пластической деформации в процессе ТМО при абразивном изнашивании о песчаник (1) и алевролит (2)

Установленные значения постоянных:

1о = 0,27 мин/мг = 1,62-107 с/кг, В = 0,0085 мин/мг = 5,1 Ю5 с/кг, у = 0,88 для песчаника;

1о = 0,48 мин/мг = 2,88-107 с/кг, В = 0,010 мин/мг = 6 -105 с/кг, у = 0,96 для алевролита.

Видно (рисунок 13), что при всех значениях ер износостойкость стали при изнашивании по алевролиту (кривая 2) выше, чем по песчанику (кривая 1), что объясняется меньшей абразивностью алевролита (10 мг по сравнению с 20 мг). Из сравнения величин I можно заключить, что при переходе от образцов, не деформированных перед закалкой (/о = 0,51 мин/мг для алевролита и 0,29 мин/мг для песчаника) к образцам, подвергнутым пластической деформации до значений ер ~ 0,7, достигаемых при штамповке заготовок с фаской рекомендуемых размеров, износостойкость материала державки поворотного резца при изнашивании как об

алевролит, так и о песчаник (/ = 0,98 и 0,58 мин/мг) повышается примерно в 2 раза.

Полученные результаты позволяют заключить, что внедрение термомеханической обработки в существующую технологию изготовления поворотных резцов (рисунок 14) позволит до 2 раз повысить износостойкость рабочей части их державок.

Штамповка

830-1140 "С

Механическая обработка

[Ьйка

тяь*рлокн:шший

Термическая обработка

аи

а) 6) в) г)

Рисунок 14 - Основные технологические операции существующего производства поворотных резцов на заводе «Горный инструмент» (на примере резца РШ 32-70)

Усовершенствованный технологический процесс (рисунок 15) включает в себя: нагрев цилиндрической заготовки до температуры аустенизации (1200°С), выполнение штамповкой на горизонтально-ковочной машине на головной части заготовки фаски геометрических параметров, установленных по результатам компьютерного моделирования; повторную штамповку при температуре ~ 900 °С с получением державки; закалку материала державки в расплавленной селитре или в масле; низкий отпуск при температуре 230°С; получение механической обработкой на державке кольцевой проточки и закрытого паза для твердосплавной вставки; крепление твердосплавной вставки в державке холодной запрессовкой.

Штамповка

д5

Штамповка

Термическая Механическая обработка обработка

Холодная , »прессовка твердосплавной встав^^

В

а) 6) в) " '

Рисунок 14 - Основные технологические операции усовершенствованной технологии производства резцов (на примере резца РШ 32-70)

Как показали проведенные расчеты, применение усовершенствованной технологии так же позволяет сократить (на ~ 10%) время изготовления резца вследствие сокращения операций нагрева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Установлена зависимость интенсивности пластической деформации головной части поковки державки поворотного резца в процессе штамповки от длины и угла фаски на используемой заготовке.

2. Определены рациональные геометрические параметры фаски, выполненной на заготовке, обеспечивающие при штамповке максимальное повышение интенсивности пластической деформации (ер до 0,7) рабочей части державки поворотного резца.

3. Установлен эффект положительного влияния высокотемпературной термомеханической обработки материала державки поворотного резца на его износостойкость при изнашивании о горные породы абразивностью до 20 мг и прочностью до 110 МПа.

4. Экспериментально установлено, что пластическая деформация материала рабочей части державки интенсивностью ер до 0,7 и последующая термическая обработка приводят к повышению твердости (до 1,2 раз) и износостойкости (до 2 раз) материала.

5. В результате проведенных научных исследований разработан усовершенствованный технологический процесс изготовления поворотных резцов горных машин, отличающийся наличием термомеханической обработки державки резца и запрессовкой в державку твердосплавной вставки методом холодной посадки, обеспечивающий повышенные показатели износостойкости материала державки.

6. Результаты исследований по повышению износостойкости поворотных резцов горных машин рекомендуются к внедрению в технологический процесс изготовления резцов на заводах ООО

«Горный инструмент» и ОАО «Копейский машиностроительный завод».

7. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по направлению 130400 «Горное дело» специализации «Горные машины и оборудование».

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чупин, С.А. Методика расчета долговечности и установления причины выхода из строя тангенциальных поворотных резцов / С.А. Чупин, В.И Болобов, М.П. Талеров, // Горное оборудование и электромеханика. - 2014. - №1. - С. 16-23.

2. Чупин, С.А. К влиянию крепости породы на ее абразивные свойства / С.А. Чупин, В.И. Болобов, B.C. Бочков, С.Ю. Степанов // Горное оборудование и электромеханика. - 2014. - №9. - С. 40-43.

3. Чупин, С.А. Износостойкость стали 110Г13Л в различных абразивных средах / С.А. Чупин, В.И. Болобов, B.C. Бочков, А.П. Баталов // Записки Горного Института. - 2014. - т.209. - С. 1723.

4. Чупин, С.А. Обоснование использования метода равноканального углового прессования в производстве породоразрушающих резцов с повышенными прочностными показателями / С.А. Чупин, В.И. Болобов // Сборник материалов конференции «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении». - СПб. - 2014. - т.2. - С. 93-97.

5. Chupin, S.A. By applying the method equal channel angular extrusion for products submicron structure at the bulk of metal / Smart Nanocomposites, Proceedings from the seminar «Nanophysics and Nanomaterials». - 2014. - Volume 4. - №1. - pp.55-59.

РИЦ Горного университета. 21.04.2015. 3.325. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015677581

j 5 - 6 1 1 в

2015677581