автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологических способов повышения износостойкости деталей нефтепромыслового оборудования

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕИНШ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОД

2 В ДПР '3^3 На правах рукопиои

ГАФАРОВ АЙДЫН МАМИШ ОГЛЫ

СОВ ЕРШ ЕНСТЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.02,03 - "Технология машиностроения"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Челябинск -1993

Работа выполнена в Азербайджанском техническом университете. . «

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор ОВСЕЕНКО А.Н.,

- доктор технических наук, профессор МУХИН B.C.,

- доктор технических наук, профессор ПРОХОРОВ А.Ф.

Ведущее предприятие - Азербайджанский институт

нефтяного машиностроения

Защита состоится " " мая 1993 г. в 14 часов в ауд. JTO'Zi на заседании специализированного совета Д 053.13.05 Челябинского государственного технического университета по адресу: 4540^0 г.Челябинск, пр.В.И.Лекина, 76

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " " апреля 19ЭЗ года.

Ученый секретарь специализированного совэта доктор экономических наук, профессор •

Н.А.ЪАЕВ

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ'РАБОТЫ. В настоящее время наиболее распространенным оборудованием, с помощью которого извлекается нефть на территории СНГ, является: электроцентробеяные насосы, штанговые скважинные насосы, гидропоршневые насосы, стройные насосы, электровинтовые насосы, которыми охватывается около 90% скважин (из общего числа более 400 тысяч), работающих с применением механических насосов разных конструкций.

Сложные, природно-климатические условия, кустовое расположение наклонно-направленных скважин, высокое значение газосодержания, высокое давление и пластовые температуры, интенсивнее отложение солей и парафина, наличие в добываемой продукции песка и гидратообраэований, а также ее коррозионность и другие факторы предъявляют высокие требования к оборудованию, предназначенному для эксплуатации на нефтяных и газовых скважинах.

Оборудование для эксплуатации нефтяных и газовых скважин разнообразно и слояно по конструкции. Габаритные размеры этого оборудования ограничиваются диаметрами и другими параметрами скважин, (диаметры обсадных труб, скваг.ин, в которых размещается оборудование для.добйчи нефтепродукт»!, колеблется от 160 до 300.-мм), что приводит к дополнительным трудностям, связанным с их изготовлением и ремонтом. Ремонтом и изготовлением насосов занято на территории СНГ более 60 предприятий.

. Комплексный анализ причин износа 'деталей, и узлов скваяин-ных насосов показывает, что в кинематической' паре "втулка. -плунжер" насосов наибольшим изнобам .подвержены отверстия втулок, так как на поверхность плунжеров наносятся те или иные упрочняющие ' покрытия . В среднем износ втулок в 1,8...2 раза превышает износ плунжеров, что свидетельствует о необходимости совершенствования технологических способов повышения износостой-' кости отверстий деталей нефтепромыслового оборудования.

Таким образом, для обеспечения минимальных простоев насосного оборудования, связанного с его ремонтом, из-за поломок или износа деталей, необходимо репать проблему увеличения кежвемент-ного периода эксплуатации. Последний мотет быть увеличен за счет рационализации технологии механической обработки, существенно повьЕваЕйеЯ износостойкость и усталостную прочность тех деталей, которые в основном определяют длительность период» непрерывней работы механизмов. Поэтому создание и выпуск рысокс-

качественного нефтяного оборудования является актуальной задачей машиностроения.

Работа выполнена в рамках исследований, предусмотренных комплексными программами развития нефтегазодобывающей промышленности Азербайджанской Республики на 1986-1990 годы и на период до 2000 года. (Утверждена на совместном заседании комиссии Госплана и АН Азербайджанской Республики от 20.01.1986 г., номер госрегистрации 01860099459).

ЦЕЛЬ РАБОТУ заключается в повышении износостойкости деталей нефтепромыслового оборудования путем создания новых и усовершенствования существующих способов обработки и разработка методики рационального сочетания последовательно выполняемых операций.

Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи:

1. Исследование шероховатостей, остаточных напряжений и наклепа поверхностного слоя при различных финишных операциях для определения рациональных режимов и условий обработки.

2. Установление взаимосвязи между качественными показателями поверхностного- слоя с износостойкостьй деталей нефтяного оборудования.

3. Исследование качества поверхности'при различных сочетаниях последовательно выполняемых операций,

. • 4. Разработка нормативных материалов по рациональному сочетанию операций и условий обработки по критериям параметров •' качества (шероховатости, напряжению , наклепу) поверхностного слоя и износа. .

5. Внедрение новых способов обработки, инструментов, оснастки, оборудования и усовершенствованных технологий в производство. '

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующих полученных • результатах.

Разработаны математические зависимости взаимосвязей технологических параметров разных операций обработки с комплексом показателей качества поверхности: шероховатостью, остаточными напряжением и нахлепом, позволяющие определить'их рациональные значения. -

■ Экспериментально -установлена связь между показателями качества поверхности и интенсивностью износа деталей.

Разработана.методика выОора вариантов последовательно выполняемых операций, режимов резания и других условий, обеспечивающих требуемые показатели качества (шероховатость, остаточные напряжения, наклеп), обеспечивающие минимальный износ деталей.

Разработаны новые способы обработки, инструмент, оснастка и усовершенствованы существующие технологические операции для обработки деталей нефтепромыслового оборудования.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ'И ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Для изучения факторов, влияющих на качество поверхностного слоя и износ деталей, на базе натурных и лабораторных экспериментов с использованием аппарата планирования эксперимента получены математические зависимости, устанавливающие связь между параметрами технологических операций и качества поверхностного слоя. Теоретические исследования проводились с применением научных основ технологии машиностроения, теории резания и механизма разрушения поверхностей деталей машин с использованием вычислительной техники.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями, которые проводились на современном оборудовании, с применением специально спроектированных стендов и приспособлений, а также в реальных условиях эксплуатации насосов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в разработанной классификации ответственных деталей и узлов основных видов нефтяного оборудования по общности конструкции и технологии изготовления, а также в разработке новых технологических процессов их изготовления с обеспечением требуемых значений параметров качества поверхностного слоя, которые существенно позыпают износостойкость деталей. Существенное практическое значение имеет разработанные в диссертации новые способы обработки, инструменты и оснастка, к которым можно отнести:'

Г. Замену традиционного.растачивания и зенкерования ротационным растачиванием, для которого разработаны специальные конструкции резцовых узлов и другая технологическая оснастка, что позволило в 1,8...2,1 раза повысить производительность, увеличить стойкость инструмента в 2.,.3 раза с обеспечением высоких показателей качества поверхности. V ' •

• 2. Новый способ ротационного хонинговамия, на который получено авторское свидетельство ($ 1345513); разработанаконструк-

ция ротационных хонголовок с режущими элементами в виде само-вращавщихся бочкообразных алмазных роликов, расположенные под -углом к оси хонголовки. Замена традиционного хонинг'ования ротационным позволяет повысить производительность в 1,5...1,8 раза.'

3. Замену традиционной притирки внутренних конусных поверхностей деталей хонингованием, для которого разработаны конструкции конических хонинговальных головок для разных (регулируемых) углов конусности (авторские свидетельства Р 1611709, № 1085786), что позволяет повысить производительность в 1,^4..Л,6 раз.

4. Замену периодического (ступенчатого) разжима пригара на традиционных операциях притирки непрерывнодействующим разжимом, для которого разработана конструкция специального устройства (авторское свидетельство № 1103997), позволяющая повысить производительность.

5. Специальные конструкции виброголовок для операций алмазного выглаживания, позволяющие за счет регулирования амплитуды колебаний алмазных сфер увеличить интенсивность наклепа поверхностного слоя детали.

С использованием новых разработок предложены рациональные сочетания последовательно выполняемых финишных операций,'позволявших сократить .общее количество операций для разного набора и типов оборудования, применяемого в настоящей время на разных заводах с обеспечением требуемых показателей качества поверхностного слоя деталей.

С использование}.? математических моделей и экспериментальных исследований разработаны нормативные материалы по выбору рациональных режимов резания и условий обработки, обеспечивающих наибольшую производительность и наименьший износ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ЛРОМЬШЕННОСТИ. Полученные ц работе научно-технические решения реализованы в комплексе мероприятий по усовершенствованию существующих и разработке новых технологических процессов обработки."деталей, что позволило существенно повысить производительность технологических процессов и долговечность нефтепромыслового оборудования.

Внедрение новых технологических решений, усовершенствование существующих операций и выбор рациональных режимов обработки на заводах нефтепромыслового оборудования (им.лейт-та Шмидта, Ф.Э.Дзержинского, Ю.Касимова, Б.Сардарова и др.) позволяли повысить,производительность в 1,6...2,4 раза и долговечность оборудования в 1,4...1,9 раза.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По основным вопросам выполненных исследований сделано 24 доклада на всесоюзных, республиканских, отраслевых и внутривузовских конференциях, в той числе на:

1. Республиканской научно-технической конференции "Оптимизация процесса механической обработай на металлорежущих станках", Киев, 1975 г.

2. Республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы обработки деталей приборов", Севастополь, 1975 г. •

3. Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация управления и регулирования качества продукции в машиностроении и приборостроении", Севастополь, 1976 г.

4. Всесоюзной конференции "Интенсификация технологических процессов механической обработки", Ленинград, 1986 г. .

5. Краевой научно-технической конференции "Применение прогрессивных инструментальных материалов и методов повышения стойкости режущих инструментов", Краснодар, 1983 г.

6. Республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные способы повышения прочности, надежности и долговечности конструктивных материалов", Баку, 1983 г.

7. Научных конфеРенциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Азербайджанского технического университета в 1980-1992 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликована 41 печатная работа, в том числе 5 авторских свидетельств.'

• СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТК. Дис?ертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 357 наименований и приложений. Содержит 381 стр. машинописного текста, 164 рисунка, 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМУ. Конструктивно все скважинные насосы состоят из цилиндра, плунжера, клапанов, замка, присоединительных и установочных деталей. При этом обеспечена максимально возможная унификация указанных узлов и деталей для удобства их ¡замены. Из анализа хонструки:тй деталей мохчо зафиксировать основной технологический признак бользинетяа деталей насосного оборудования: трубчатая форма, что обуславливает последующие огра-

ничения рассматриваемых вариантов обработки двумя типовыми поверхностями: наружными и внутренними цилиндрическими. Это сужает возможные варианты видов обработки и видов инструментов, которые могут обрабатывать такие поверхности. Высокая твердость рабочих поверхностей деталей, а также требования, по точности и шероховатости обработки рабочих поверхностей цилиндров и плунжеров обуславливают применение на финишных операциях шлифования и последующих отделочных операций (хонингования, притирки и др.).

В связи с тем, что изготовлением новых насосов и ремонтом их (в том числе изготовлением запчастей к ним) занимаются десятки заводов, расположенных в разных государствах содружества и вне его, которые имеют разные технологии финишных операций, становится нецелесообразным проводить сравнительный анализ техпроцессов разных заводов (из-за их многообразия) с целью выявления лучщых вариантов. Учитывая, что превалирующей формой выхода из строя насосного оборудования является износ внутренних поверхностей цилиндров, работающих в агрессивной и жидкостно-абра-зивной среде, следует, на наш взгляд, решать для повышения износостойкости деталей более общую'задачу: на основе анализа износа трущихся поверхностей деталей нефтяного оборудования наметить пути снижения его технологическими способами за счет совершенствования традиционных и разработки новых техпроцессов финишной обработки цилиндрических и конических внутренних поверхностей. Эти техпроцессы рационально применять к'большинству разнообразных деталей насосного оборудовашш. Разработка новых общих типо-. вых технологических решений при огромном разнообразии деталей является более коротким и эффективным путем достижения высокой износостойкости деталей. Обоснованность такого подхода объясняется тем, что только специальными исследованиями представляется возможным установить наследственную взаимосвязь финишных операций с предшествующими, которые вместе фо"рмируют износостойкий поверхностных слой.

. Трудами И.Б.Крагельского, Н.Б.Демкина, М.М.Хрущева, М.М.Те-" ненбаума, Б.Н.Костецхого, P.M.Матвеевского, А.М.Дальского, A.C. Проникова, Ы.И.Михина, В.Н.Виноградова, Г.М.Сорокина, В.Н.Кащее-ва, П.И.Ящерипына, В.С.Мухина, С.Н.Козырева, H.A.Буле, В.В.Али-еина, Л.Б.Подзея, А.С.Прохорова, А.И.Сулима, Н.Е.Дьяченко, А.Н. Овсе енко, Э.В.Рыжова, Д.Д.Папзева, В.С.Комбалова, А.Г.Суслова, А.А.Маталика "я др. установлено, что реоаппим фактором, определяющим долговечность деталей машин, является исходное состояние трущихся поверхностей.

Имеется мало работ по исследованию влияния параметров шероховатости и состояния поверхностного слоя, на износ деталей нефтепромыслового оборудования. В настоящее время выбор и назначение параметров шероховатости поверхности деталей и назначения того или иного метода отделочной обработки их, в основном, базируется на практическом опыте и технических возможностях зазо-да-изготовителя. Практически отсутствуют данные по величинам шероховатостей и состояния.поверхностного слоя, формирующихся в процессе эксплуатации деталей нефтяного оборудования. Кроме того, технологическое обеспечение требуемого состояния поверхностного слоя после финишной обработки внутренней поверхности представляет в целом более трудную задачу по сравнению с наружной поверхностью, так как внутренняя поверхность сравнительно труднодоступна, а инструменты для ее обработки обладают меньшей жесткостью и более сложной конструкцией. Применяемые в настоящее время предварительные и окончательные методы обработки, создавая необходимую форму внутренней поверхности, часто не обеспечивают требуемой шероховатости и наилучшее состояние поверхностного слоя.

В работах И.В.Кудрявцева, В.М.Браславского, П.И.Ящерицына, Э.В.Рыжова, Б.Г.Коновалова, М.А.Балтер, П.Н.Проскурякова, Д.Д. Папшева, А.М.Кузнецова, В.М.Торбило, Г.И.Чекина, Л.А.Хворостухи-на, Э.Г.Грановского, В.М.Смелянского, А.А.Михайлова', В.О.Мухина, М.М.Иоффе, Л.И.Маркуса, Я.И.Бараца, Ю.Г.Шнайдера, А.Н.Овсеенко, Л.Г.Одинцова, А.Ф.Прохорова и других изучены различные методы и даны основные преимущества"отделочно-упрочняющей обработки.

Конструкции и условия эксплуатации трущихся пар нефтепромыслового оборудования во многом отличаются от таких распространенных пар, . как циливдропоршневые колыш двигателей внутреннего сгорания, плунжерной пары топливного насоса и др. Основные отличия пар нефтепромыслового оборудования заключаются в следующем: пара работает в агрессивной среде (нефть, вода, песок); длина сопряжения составляет 2004-1800 мм; длпна хода деталей - 100*7000 мм; величина диаметрального зазора - 0,002*0,20 мм.

Таким образом, пары нефтяного оборудования очень специфичны и представляют собой пару трения высокоточных деталей при возвратно-поступальном движении, которые работают в осложненных условиях, способствующих интенсивно^ износу внутренней поверхности цилиндра. ' ■ , • ••

Финишные операиии обработки могут обеспечивать формирование

поверхности в широком диапазоне их свойств (шероховатости, напряжениям и упрочнению). Если в процессе обработки удается получить свойства наиболее близкие к свойствам, которые'устанавливаются на трущихся поверхностях после эксплуатационной.'приработки, то обеспечивается минимальный износ в процессе приработки. 'Это может быть достигнуто разными финишными процессами обработки (шлифованием, хонингованием, притиркой, выглаживанием и другими) на определенных режимах воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность. :

Из-за многообразия марок сталей и прочностных свойств поверхностного слоя трущихся деталей (втулка-вал), обусловленных разными методами термической и финишной механической обработки, а также разными условиями изнашивания и приработки деталей в насосах разных конструкций, нецелесообразно устанавливать для каждой трущейся пары конкретные качественные показатели поверхностных слоев после приработки (шероховатость, микротвердость, величину и знак напряжений). Более рационально установить взаимосвязи изменения этих показателей в широком диапазоне с режимами и условиями выполнения разных методов финишной обработки с.тем, чтобы в последующем при проектировании технологических процессов представлялась возможность обеспечения тех или иных требуемых оптимальных эксплуатационных характеристик качества конкретных деталей за сиет выбора методов обработки по широкодиапазонным нормативам режимов обработки и"характеристикам режущего инструмента.

2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ, НОВЫЕ КОНСТРУКТОРСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЙ

Исследование разных методов обработки выполнялось по единым методическим приемам.

Эксперименты по ротационному растачиванию''выполнялись с установкой резпа по второй геометрической схеме ротационного резания (обратное резаНие) и-проводились-на токарно-винторезном станке мод.1К62 и токарном многорезцовом полуавтомате мод.ШЗО. При проведении экспериментов использовались ротационные резгк, оснащенные чашками из разлитых твердосплавных материалов: ВК6, ВКЗ, TI4K8, T5KI0, TI5K6, TI7KI2.

. Шлифование внутренних поверхностей деталей проводилось с применением универсальных ылифовальшк станков. Ротационное >'0-нинговакие отверстий проводилось на вертикальнэ-хонинговальнсм станке мэд.ЗМ82С, оснащенном специальными хонингованными голзеками с алмазными роликами. На способ ротационного хонингован:^

отверстий получено авторское свидетельство 1345513).

Учитывая, что при ротационном хонииговании применяются бочкообразные алмазные ролики, наклоненные к оси хонингозальной головки под некоторым углом ос {рис.1) и произведя переход от первоначальной системы "координат ХУН к вспомогательной X (рис.2) путем поворота первой вокруг оси ОУ на угол оС для расчета координат точек алмазного ролика получены следующие аналитические выражения:

X,=1 [(т - о О» (т - <) 9] ссоос у г[(т-1)зш9> -5ш(т-() <р]

(I)

Рис Л. Схема обработки ротационным хонингованием

Рис,2. Схема перехода к новой систеие координат

После соответствующих преобразований получим модуль истинной скорости единичного зерна

Ibp

m

1 * (2)

где Ш - отношение радиуса внутренней цилиндрической поверхности детали Й . к радиусу ролика X ; £ ~ угол подъема винтовой линии; ф - угол поворота головки.

Для того, чтобы боковая поверхность ролика соприкасалась с поверхностью детали не в отдельных точках, а по кривой линии (т.е. контурная линия осевого сечения ролика должна лежать на поверхности обрабатываемого отверстия), необходимо определить его требуемую форму.

Запишем уравнения цилиндрической поверхности с радиусом

' , (3)

и уравнение секущей'плоскости .

. * . (4)

. Из' (4) ОС выразим через 2 :

СС-Щ " (5)

*

Подставим это выражение в уравнение (3), а и выразим через 2 :

(6)

- Чтобы получить'уравнение искомой'кривой, к секущей плоскости хоу , координату X заменим координатой ;

JT с?

" ~ ~ 1ш ~ Zsecd-Rcosec d. (?)

Наконец," учитывая," что , получим

" = 3 sec d ~f?coscc d

Задаваясь значениями % , определяем ОС, , tj, , таким образом строим кривую действительного профиля бочкообразных роликов.

Для исследования процесса конического хонингования использован универсальный вертикально-сверлильный станок мод.2К135, оснащенный специальным самоустанавливающимся приспособлением.

Обработка осуществлялась специальными хонинговальными головками с регулируемыми углами конусности (авторское свидетельство № 1085786, № I6II709), оснащенными алмазными брусками типа АСВ, специальной трапепиедальной фермы.

Для исследования процесса притирки разработано устройство, размещенное в корпусе и связанное с приводом птока для крепления притираемой детали, выполненное в виде двух полумуфт с. торцовым кулачковым профилем (авторское свидетельство tf П03997).

Для исследования алмазного выглакивания разработаны специальные конструкции виброголовок, отличающиеся от известных конструкций повьшенной производительностью за счет увеличения числа двойных ходов и возможности варьировать величину амплитуды осцилляции деформирующего инструмента в более широких пределах. Разработанные конструкции виброголовок позволяют .*троизлее?;; обработку на обычных токарно-винторезкых и горизонтально-хонинго-вальных станках мод.I®30 и CH-I4. Исследования проводили на деталях нефтепромыслового оборудования, которые.кнроко применяются в производстве. Шероховатость обработанной поверхности измеряли с помощью профилометра-профилографа мод.201 с записью профилограмм обработанной поверхности.

При определении остаточных напряжений на втулках применяли способ акад.Н.Н.Давиденкова,. поскольку втулки могут рассматриваться как тонкостенные трубы.

При исследовании микротвердости поверхностных слоев использовался метод "косого среза".

Качество обработанной поверхности изучалось на инструментальном микроскопе ЕМИ-I. 0

Для проведения экспериментальных исследований по износу образцов использована малина, сконструированная на базе станка-качалки СКН-5.

Известно, что показатели резания можно сьязать с совокупностью факторов (геометрические 'параметры инструмента, элементы режима резания и др.)уравнением множественной регрессии, представляющей собой полином второй степени. Для построения математической модели зависимости шероховатости обработанной поверхности, остаточных напряжений и наклепа поверхностного слоя от перечисленных выше факторов, а также нахождения их рациональных значений было проведено экспериментальное исследование процессов с применением метода ортогонального планирования второго порядка. Все вычисления производились на ЭВМ ЕС-1061 с помощью специально составленной программы. Программа написана на алгоритмическом языке ФОРТРАН.

Исходными данными для программы являются: • число факторов, число повторений опытов, натуральные значения факторов и результаты экспериментов.

Для получения рациональных значений факторов все полученные модели исследованы по определенным критериям. Для других исследований использованы классические методы оценки экспериментов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ФОРМИРУЕМОГО РАЗЛИЧНЫМ ШИШНШИ ОПЕРАЦИЯМИ

Учитывая достаточно четко выраженный характер выхода из строя типовых деталей'насосов (определяющих их износостойкость и долговечность), становится целесообразным выделение таких типовых деталей в отдельные группы с разработкой для каждой группы (или для типового представителя группы) типовых технологических планов операций обработки с'нормативными режимами резания и другими условиями обработки, формирующими наилучшие эксплуатационные показатели деталей. Однако, разработка таких типовых планов обработки затрудняется двумя обстоятельствами. С одной стороны, выход разных деталей из строя обусловлец■разныйи показателями качества, например, износ- низкой микротвердостью и неоптимальной шероховатостью трущихся пар, усталостное разрушение и поломки- - величиной и знаком напряжений в поверхностном слое и пр. С другой стороны,- формирование в поверхностном слое наилучаих показателей износостойкости и усталостной прочности (через шероховатость, наклеп и напряжение) при разных конечных финишных операций обработки деталей, применяемых сегодня б практике разных заводов (шлифование, хонингование, притирка и выглаживаний), даст для каждого вида обработки разные рациональные режимы реэання и Другие условия обработки, т.е. в каждом вз?це обрабст-

кн одни режимы будут обеспечивать наименьшую шероховатость, другие - наибольшую микротвердость и наклеп, третьи - наивыгоднейшие напряжения в поверхностном слое. При этом два последних показателя в значительной степени связаны с технологическим процессом изготовления деталей наследуемыми этими же показателями от предыдущих операций и конечные значения наклепа и напряжений являются зачастую результатом совместного влияния предыдущей и последующих операций. Из-за противоречивости тенденций влияния режимов резания на эти показатели оказывается сложной разработка нормативов рациональных режимов резания.

В связи с этим рассматривается следующая методика экспериментальных исследований и представления их результатов. Для большинства применяемых в нефтяном машиностроении операций необходимо исследовать режимы резания и условия обработки в широком диапазоне их варьирования с целью определения значений, формирующих наилучшие показатели по шероховатости, наклепу и напряжениям. По таким результатам разработать нормативы режимов резания для каждого вида обработки-с приведением яе единых режимов резания, а разных режимов, одни из которых обеспечивают наиболее производительное достижение требуемой шероховатости, вторые - наибольшую микротвердость, третьи - наименьшие растягивающие или наибольшие сжимающие напряжения. Тогда в сочетании с данными общемашиностроительных нормативов, где даптся режимы резания_, обеспечивающие требуемую точность обработки, получается набор из вариантов рациональных режимов резания по четырем технологически!« критериям: точности, шероховатости, наклепу и напряжениям. Для первых, являющиеся требованиями чертежа детали, выполняются обязательно выбором соответствующих режимов наибольшей производительности (для точности из указанных нормативов, для шероховатости из настоящего исследования), а режимы наибольшей микротвердости поверхностного слоя или наивыгоднейших напряжений выбираются по результатам настоящего исследования в зависимости от требуемого повышения эксплуатационных показателей.

В результате экспериментальных исследований установлены влияние глубины резания 1 , подачи 3 , скорости резания V переднего угла заточки ^ на шероховатость Яа , остаточное напряжение и наклена поверхностного слоя Н при ротационном растачивании. Особенностью ротационного растачивания является увеличение высоты минронероянсстйй при глубине ресания Т. < 0,'к мм, которому способствует снижкние средней величину

толщины срезаемого слоя с уменьшением глубины резания. Снижается виброустойчивость процесса резания, возрастает интенсивность колебаний, причиной которых могут быть и изменение припуска вследствие биения заготовки, а также проскальзывание режущих чашек ротационных резцов по поверхности резания.

Увеличение шероховатости поверхности с ростом подачи й очевидно из геометрических соображений. Более интенсивное увеличение высоты кикронеровностей при подаче 5 > 0,4 мм объясняется результатом роста силы резания и возникновением вибраций из-за нежесткости технологической системы.

Увеличение скорости резания V в основном приводит к уменьшению шероховатости поверхности. В отличие от обычного резания при ротационной обработке слабо выражены или вообще отсутствуют экстремумы зависимости . Уменьшение шероховатости поверхности с увеличением V является следствием снижения силовой напряженности процесса и облегчения процесса пластической деформации срезаемого слоя за счет повышения температуры в зоне резания.

. Передний угол заточки ^ влияет на высоту микронеровностей постольку, поскольку он влияет на изменение характера пластического деформирования срезаемого слоя и образование нароста . а это, в свою очередь, вызывает увеличение шероховатости обработанной поверхности. Однако, при ротационной обработке за счет непрерывного обновлений активного участка режущего лезвия высота нароста незначительная и оказывает меньшее . влияние на формирование микрорельефа обработанной поверхности.

С увеличением главный угол резца в плане также увеличивается, при этом уменьшается кинематический передний и увеличивается кинематический задний угол, что в совокупности приводит к увеличенир высоты микронеровностей обработанной поверхности.

В результате расчетов была получена следующая модель процесса, характеризующая -влияние t ,5,1/,^ и Уу на £?а

еа ~16,926-3,тЬ~ 7,0793-о,от-о, --0,223% +2,02/3 +0,053/^-

-0,0ЮМ -0,03Щ *0>(ЮЩ +3,57£/г+Ю,тзг+

Рациональными по шероховатости являются следующие величины параметров ротационного растачивания: 1 =• 0,6 га; 5 = 0,39 юл/об; V = 2,2 м/с; - 35; ^ = 36,2°.

В отличие от обычного резания, при которой изменение глубины резания мало влияет на величину остаточных напряжений <0 , при ротационном величина напряжений возрастает с увеличением глубины резания. Это объясняется кинематической особенностью процесса, при котором с увеличением t уменьшается скорость самовращения режущей 1-дсти инструмента и величина кинематического заднего угла.

С увеличением подачи 5 величина остаточных напряжений непрерывно возрастает, что является следствием возрастания удельных нагрузок в контактных зонах меяду инструментом и обрабатываемым материалом, а увеличение скорости резания V приводит к уменьшении величины остаточных напряжений.

Увеличение переднего угла заточки при ротационном резании приводит к уменьшению величины остаточных напряжений, так как с ростом "¡$3 уменьшается угол резания, что вызывает снижение степени деформирования срезаемого слоя.

С увеличением угла установки Уу инструмента в горизонтальной плоскости уменьшается кинематический передний угол, что должно вызвать увеличение остаточной напряженности поверхностного слоя. Однако, одновременно с этим увеличивается задний угол, что вызывает уменьшение величины остаточных напряжений. Взаимодействие указанных факторов приводит к тому, что при углах установки = 25°...35° отмечается некоторое снижение величины' остаточных напряжений. •

Модель, характеризующая влияние 1 , 5 , V , ^ и ^ на (о имеет вид: •-. • •

. . -/42,312-/84,582?0,3^0,2<Р/. С10)

Рациональными параметрами' ротационного растачивания, обеспечивающими приемлемые остаточные напряжения, являются: 1 =

= 1,0 ми; V = О-52 т/сб' V =■ г>г м/с; 2*3 ='35°; Ъ = 36°'

Увеличение глубины резания и подачи приводит к увеличению наклепа поверхностного слоя, что является.достаточно очевидной закономерностью. - С увеличением этих параметров возрастает площадь срезаемого слоя, а следовательно, и сопротивление резанию,

С изменением скорости резания в пределах V = 1,2...3 м/с наклеп поверхностного слоя уменьшается приблизительно на 1000-1200 МПа, что объясняется повышением температуры в зоне резания, снижением среднего коэффициента трения, облегчением пластического деформирования срезаемого слоя.

С увеличением угла установки ротационного резпа в горизонтальной плоскости фу наклеп поверхностного слоя уменьшается нр 10-15/6, что молено объяснить уменьшением кинематического переднего угла. 6

Модель, характеризующая влияние 1 , .$ , V,71 и % на //

<> а

имеет вид

Н~т,5 + 6/6,61 + 20503-6/,бУ+5,2£5 +9,8% ' -230,612-/т,ж2-/4^-0,2^-0,29*. ш)

Рациональными по наклепу являются следующие величины исследованных параметров: 1 = 1,0 мм; .5 = 0,52 мм/об; V = 2,2 м/с;

Т5 = 35°; <Ру = 36°.

Результаты экспериментов по исследованию операции шлифования показывают, что увеличение скорости вращения детали Ч/д приводит к росту шероховатости обработанной поверхности. Как известно, с увеличением скорости вращения детали количество абразивных зерен, участвующих в процессе резания на данном участке, уменьшается. Поэтому фактическая площадь, подвергающаяся обраОотке, в зависимости от интенсивности увеличения Уд увеличивается, а число рисок от зерен круга остается прежним, что приводит к увеличению шероховатости поверхности.

Как известно, при повышении скорости вращения круга совокупность его абразивных зерен,приближается к сплошному режущему лезвию как в осевом направлении, так и по,гокружности. При этом составляющие силы резания постепенно уменьшаются, процесс стабилизируется, а вредные влияния вибрации технологической системы оказывают меньшее влияние на формирование микрорельефа обработанной поверхности • Совокупность влияния вышеуказанных факторов приводит к уменошению шероховатости

С увеличением зернистости круга 3 шероховатость обработанной поверхности ухудшается, так как с ростом зернистости круга количество режущих зерен, участвующих в процессе резания, уменьшается .

Модель, характеризующая влияние- <3 и Т (основ-

ное время) на имеет вид:

Рс? ~ 0,62+0,08^-0,0^+0,0/^-0,023-0,0/Г. (12)

Рациональные параметры процесса илифэванкя по отношения к шероховатости имеют следующие величины: = 1,42 м/с;

26,6.м/с; 5п = Ю,4 мм/об; 3 = 32; Т. = 94 с.

Результаты исследований по остаточному напряжению показывают, что уменьшение растягивающих напряжений при увеличении скорости вращения детали Уд является результатом уменьшения температуры в зоне контакта.

С увеличением продольной подачи Лп остаточные напряжения поверхностного слоя возрастают, так как с ростом подачи <5П температура в зоне резания увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению растягивающих остаточных напряжений. .

С ростом зернистости абразивных кругов 3 величина оста-• точных напряжений увеличивается, а увеличение1 времени обработки приводит к росту остгуочных напряжений, что связано с увеличением времени воздействия теплового:фактора_в зоне контакта*

Зависимость б от параметра шлифования шеет вид: '

О « /7,34 + Щ 07Ц +3,75$п+/7г733+тг-; ■ -1081^-0,07УК20,52 Зг-0,О/Г _' (13)

Рациональные значения 'параметров процесса шлифования для минимальных значений растягивающих остаточных напряжения по-зерхностногс слоя следующие: У^ = 1,42 м/с; Ук= 16,6 м/с; = = 12,4 км/об; Ъ = 32; Т =» 105 с.

С увеличением скорости вращения детали У„ » наклеп псперх-ностного слоя возрастает. Изменение величины наклепа поверхностного слоя в основном обуславливается влиянием силового и температурного фактсров-процесса-шлифования. В данном случае преобладающим является силовой фактор и увеличение припо^ит к повышении величины Н . С увеличением скопости резания \/к ' мощность теплового потока растет,' наклеп поверхностного слоя ■ уменьшается. Кроме того, с увеличением скорости резания уумъ-пается время силового воздействия- на металл, что приводит так-

же к снижению наклепа и микротвердости поверхностного слоя.

Увеличение продольной подачи «5П приводит к повышению наклепа поверхностного слоя Н , так как увеличиваются суммарные силы резания к материал поверхностного слоя подвергается дополнительной деформации.

Чем больше геометрические параметры единичных зерен шлифовальных кругов, тем больше величина сил резания, приходящаяся на каждое зерно. При увеличении времени обработки продолжительность воздействия шлифовального круга на обрабатываемую поверхность повышается, что и приводит к росту наклепа поверхностного слоя. •

Модель, характеризующая влияние \и Т на Н , имеет вид

И - 60/0,30+ 74/,22^ -0,0lVx +/6,/6Sn +31,553+ ■ +!J0r-2№J61/f-01WA2-0,/3S,f -í ■

г * * ' • (14)

-0,523 3 +0,01Г .

Рациональные в'еличины параметров процесса шлифования для получения наибольшего наклепа поверхностного слоя следующие: = 1,40 м/с; 36,6 м/с; Зп= 12,4 мм/об; Ъ =-40; Т= 134 с.

Увеличение скорости возвратно-поступательного движения Vs.n при ротационном хонинговании приводит к уменьшению шероховатости поверхности, что является результатом уменьшения сечения срезов, производимых каждым работающим зерном, которые снижают суммарную силу резания'.

Влияние окружной скорости Vaic на шероховатость обработанной поверхности проявляется аналогичным образом. Однако, направление сил ка единичное зерно при различных возвратно-поступательных и окружных движениях может быть различным.

Увеличение шероховатости поверхности Ra с увеличением давления Руд является результатом изменений условий резания, связанных с большей глубиной внедрения зерен в металл (рис.За).

С увеличением зернистости 3 алмазных роликов шероховатость поверхности увеличивается, так как количество зерен на фактических площадях 'контакта уменьшается и сечение единичных срезов гтри этом возрастает.

С увеличением продолжительности хснингования Т огзетэстия иерохоЕатость поверхности уменьшается. Е исследованном диапазо-

-не наибольшая интенсивность уменьшения шероховатости.поверхности- соответствует 20 с. Дальнейшее увеличение времени обработки на шероховатость поверхности влияет незначительно.

Модель, характеризующая влияние , 3 п Т

, имеет вид: •' '

на

/¿7-0,429$ ' ОрЗЗ-ОДГ-0,0Щ- 0,008 V,, ЧЗЩ1

о/с

(15)

Наименьшая шероховатость достигается при следующих величинах рациональных параметров обработки: Р,^ = 0,6 МПа; 3 = = 160/125; Т = 60 с = 0,29 к/с; \}ок = 0,68 м/с..

В отличие от других видов абразивной обработки, при которых изменение скорости резания существенно влияет на величину остаточных напряжений, при ротационном хонингопании величина остаточных напряжений с увеличением скорости резания уменьшается. Указанная закономерность характерна как для возвратно-поступательной , так и для окружной \/ак скорости. Уменьшение остаточных напряжений с увеличением скорости резания является результатом уменьшения сил резания, предопределяющих уменьшение степени пластического дефор?лирования поверхностного слоя.

Увеличение давления при.хонииговании приводит к увеличению остаточных напряжений (рис.36).

С увеличением зернистости алмазных роликов 5 величина сжимающих остаточных напряжений уменьшается. Увеличение времени обработки Т. положительно влияет на распределение остаточных напряжений.

Модель, • характеризующая влияние Руд , Д, Т, и М0ц на <3 , имеет вид

(3-380,3§3"

. -тС • . (15).

Рациональными величинами параметров 'ротационного хоккнго-вания по отношению к б являются: Руд = 0,61 Ш1а;'3 = 160/125; Т = 82 с; = 0,21 м/с; \/0#. = 0,62 м/с.

С увеличением У& „ наклеп поверхностного слоя Н

уменьша-

ется.

шм

и 1,0

ОЛ,

V

'"V 1........— '■0,06м -0,12м 1 Чс •>

И г

• --Л £

0,2 ОЛ 0,6 0,8 ^Лс/

б,МИр

МПя 5500

45Ш

ш

ф

ашм

/ Г-^0,7/л,/С Ы§л* 0,2м/с 0,3м/с

Г

/ Л

у г

0,г 0,4 0,6 0,6%д,м/1с?

Рис.3. Влияние давления Руд на показатели качества

поверхности (шероховатость (?а (а)', наклеп Н (б) и остаточное напряжение <э (в) при ротационном . ' хонингованйи

Указанная закономерность имеет место и для окружной скорости 1о/с • с' увеличением скоростей и У0Л; при Руд = СО/75/ снижается глубина и площадь среза, обрабатываемого единичным зерном.

С ростом давления Руд до 0,6 МПа наклеп поверхностного алоя увеличивается (рис.Зв).

Зависимость наклепа Н от времени обработки Т показывает, что рост продолжительности воздействия на-поверхностный слой увеличивает наклеп поверхностного слоя. При этом из-за постепенного затупления режущих зерен процесс резания переходит из срезания металла в выглаживание микронеровностей.

Модель, характеризующая влияние Рф,Э ,Т, , Уок на Н , имеет вид:

V ~Ш76,23-67653,03 -0,06Г-24,67$'

116,22% л25676,343*+ ^0ГТ*+4Щ*+

' О/С •

Рациональные величины параметров-процесса по отношению к наклепу следующие: Руэ - 0,6 МПа;3 - 160/125; Г = 60 с ; V6.fi = 0,24 м/с;

ЭДзяг= 0,7 м/с.

Фрагменты влияния различных параметров ротационного хонин-гования на шероховатость поверхности /?а , остаточное напряжение и наклепа поверхности показаны на рис.3.

С увеличением скорости возвратно-поступательного движения У$п при притирке шероховатость поверхности уменьшается. Указанная закономерность также характерна и для скорости вращательного движения Уок.

Повышение шероховатости с увеличением Ру& происходит в результате большого вдавливания абразивных 'зерен в обрабатываемый материал поверхностного слоя. Как изрестно, при внедрении в металл абразивных-зерен, имеющих неблагоприятную для образования стружки геометрическую форму (отрицательные передние углы, значительные радиусы скругленйя вершин),происходит значительное пластическое деформирование металла. В этом случае только^ одна часть металла срезается зернами и удаляется с поверхности. Другая практически выдавливается из царапин, образуя навалы на их краях и увеличивая тем самым высоту неровностей поверхности.

В процессе притирки рост продолжительности воздействия абразивных зерен на обрабатываемую поверхность приводит к уменьшению шероховатости, что непосредственно связано с измельчением и затуплением абразивных зерен. -

Модель, характеризующая влияни,УдК, Р ,3 и" Т на (?а , имеет вид:

Ra~0J269~0,0329VSm--0,0258Vok - 0,0002P Щ0/&-

~ 0,0001Г + 0,0022^-0,000! £ t 0,0№ vf. . tr8)

Рациональные параметры притирки, обеспечивающие минимальную шероховатость, следующие: Vgn= 0,2 м/с; V0K= 0,76 м/с;Р = 150 ' кПа; 3 = 32; Г = 240 с.

Результаты экспериментов показывают, что увеличение скоростей возвратно-поступательного Vs.n и окружного ]/0к движений приводит к некоторому уменьшению остаточных напряжений поверхностного слоя. Как известно, с повышением возвратно-поступательной V&n и окружной VCff скоростей, температура в зоне притирки возрастает, что непосредственно связано с увеличением пути трения абразиных зерен. Следует отметить, что при повышенных величинах V6.n и Vojc съем металла также -возрастает.'

Чем больше величина давления Р , тем больше внедряются единичные зерна в обрабатываемый материал, что и приводит к увеличении остаточного напряжения сжатия.

При увеличении зернистости 3 величина сжимающих остаточных напряжений уменьшается.

Увеличение величины остаточных напряжений'с увеличением времени обработки Т •, является результатом увеличения продолжительности воздействия зерен на обработанную поверхность, что приводит к дополнительной деформации и упрочнению поверхностного слоя. . •

Модель, характеризующая влияние Vg_n,Vc/C ,Р , 3. и Т на (Э , имеет вид:

695,18 -£02t99Vin-52t35Vc/0>22P-l>635+0,130t. < 19 >

)

Рациональные величины процесса притирки 8 отнопении остаточного напряжения, поверхностного слоя следующие: - 0,22 m-'c; Vox = 0,79 м/с; Р = 150 кПа; 3 • 32; Т = 240 с.

С увеличением, скорости' возвратно-поступательного движение наклеп поверхности снимется, что связано, с уменьшением составляющих сил резания.

Указанная закономерность справедлива и для влияния скорости вращательного движения.

Притирка осуществляется при сравнительно низких^скоростях и относительно незначительных давлениях. Поэтому уменьшение

наклепа при увеличении зернистости абразивных материалов,.в пер-вух) очередь, связано с изменением условии пластического деформирования поверхностного слоя-

При увеличении "времени воздействия зерен Т на обраоатывае-муп поверхность наклеп поверхностного слоя увеличивается. Так как затупленные режущие зерна переходят из состояния микрорезания в выглаживание, материал поверхностного слоя подвергается дополнительной деформации, что и приводит к увеличению наклепа и микротвердости Н .

Модель,, характеризующая влияние Vgn ,VQK ,Р ,3 ,Т на 11 , имеет вид

9Ш, 76 -636,03^-3,3/0-73,733 '

+/,647+327^*-0,263* . (20)

Рациональные величины процесса притирки в отношении полу. чения наибольшего наклепа поверхностного слоя следующие: Vg п = . = 0,22 м/с; V0sc= 0,80 м/с; Р = 150 кПа; 3 = 32; Т = 240 с."

Результаты исследований по алмазному выглаживанию показывают, что с увеличением силы вибронакатывания Р до. 150 Н ше-рохсватость поверхности уменьшается. Однако дальнейшее ее увеличение приводит к постепенному увеличения Ra • Зто является результатом того, что при малых величинах сил вибронакатквания контакт инструмента с обрабатываемой поверхностью происходит по.вершинам неровностей, опорная площадь которых имеет неболь-■шую величину. Дальнейшее увеличение шероховатости является результатом пластических искажений.

При постоянной глубине внедрения с увеличением радиуса деформирующего элемента Tg шероховатость поверхности уменьшается. Указанная закономерность объясняется большой кратностью приложения нагрузки. При оптимальных значениях нормальней сила и других параметров прспесса вмбронакатьгоания увеличение числа оборотов заготовки приводит н незначительному увеличению tneco-хспатссти.

С увел-л чем и ем величину подачи S персхозатсст ь пснетяснсг!--.» растет, что обуславливается геометрией, а также уменьшение?/ зоемени воздействия деформирующего элемента инструмента на •винилу площади- обрабатываемой- поверхности.

Увеличение величины амплитуды осцилляции деформирующего элемента приводит к уменьшению величины шероховатости Я о. , так как с ростом величины & интенсивность выглаживания микронеров-костей поверхностного слоя увеличивается.

Модель, характеризующая влияние параметров выглаживания на 1?а , имеет вид

ЯЬ~0,334 -0,П5ё-0,006?'О,-Г (21) у + а,0з7г2.

Рациональными параметрами процесса по отношению к шероховатости являются следующие: Р = 150Н ; - П^ = ЮО об/м; 5 = 0,09 мм/об; I = 2 км.

При алмач ном выглаживании величина остаточных сжимающих напряжений с ростом усилий вдавливания Р увеличивается.

С увеличением радиуса деформирующего элемента Т-в величина сжимающих остаточных напряжений уменьшается, что-является результатом уменьшения контактного, давления, приходящегося на единицу площади. Увеличение Ч"*;ла оборотов шпинделя Пз приводит к уменьшения величины и глубины залегания сжимающих остаточных напряжений. '

Следует отметить, что уменьшение величины сжимающих остаточных напряжений при сравнительно больших оборотах шпинделя является результатом поведения температуры в зоне контакта деформирующего элемента с- обрабатываемой поверхностью. Степень влияния подачи на остаточное напряжение зависит от контактного давления. При оптимальных давлениях изменения подачи в пределах, рекомендуемых для. отделочно-упрочняющей обработки, практически не отражается на напряженности поверхностного слоя. Однако дальнейший рост подачи 3 вызывает существенное снижение напряжения . .

Увеличение амплитуды осцилляции С приводит к увеличении остаточного напряжения поверхностного слоя, что является результатом увеличения сил воздействия на единицу площади.

Модель, характеризующая процесс выглаживания по отношению к зероховьтостк ^а , имеет вид

0= 945,050,39Р-26,98%-ОЩ-/И8,08в~9,39/. {22)

Рациональные-величины процесса по отношению к напряжению поверхностного слоя следующие: Р = I50H 4 tg= 1,5 км; П3 -= 100 об/мин; S =-0,091 мм/об; I = 2,04 юл.

Эксперименты показывают, что с увеличением усилия выглаживания Р наклеп поверхностного слоя'Н растет до определенного предела. Увеличение радиуса деформирующего элемента lg отрицательно влияет на величину и глубину распределения наклепа поверхностного слоя, так как с ростом lg снижается величина контактного давления. ( ростом числа оборотов заготовки П^ наклеп поверхностного слоя снижается, что является результатом уменьшения величины сил, деформирующих поверхностный слой. С ростом подачи S сокращается число повторных деформаций, что и вызывает снижение поверхностной твердости.

Модель, характеризующая влияние Р , t-5, П* , S и t на Н . имеет вид:

Н - ¡327,20 *8,99Р1 ¿74805,5$$*

t ¡75,292 Si /'54 - 9,36£ f (23)

Рациональные параметры процесса з отношении наклепа поверхностного слоя следующие: Р = I60H ; Tg = 2,09 мм; П3 = = 100 об/мин; S - 0,091 мм/об; I = 2,0 мм.

Таким образом по результатам экспериментов и соответствующей статистической обработки их получены рациональные значения режимов резания и других условий для разных операций обработки, обеспечивающих наилучшие качественные показатели поверхностного слоя. Полученные данные-использованы для последующей разработки нормативных материалов.

4. сКСЛЕРИЛЕНТАЛЬННЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ИЗНОС ВТУЛОК, ОБРАБОТАННЫХ

РАЗЛИЧНЫЙ! МЕТОДОМ »

Втулки с раз ними показателями качества поверхностного слоя . обработанные в предыдущих экспериментах на разных финишных операциях были.подвергнуты иэносним испытаниям на специальной установке (на базе станка-качалки СКН5), квитирующей реальные эксплуатационные условия. Отдельные результаты износных испытаний приведены на рис,4, С увеличением щераховатости Ra от 0,25 до 1,0 мкм износ втулок после операции шлифования и хонин-гования увеличивается а 2 раза. С изменением шероховатости Ra .

И,

мм

а!

8 6

{ - шлидюВоиие 2- хонингоВание /

/ /

И Л

Л

И мт

6 Ч

У- притирка 2 - алАтазное Шр7сгхи8ан</е

025 0,5 0,75 1,0 Ка.мк* 0,05 0,12 0,76 0,20 Яа,шм

И,

мт /¿7

8

6

ШЛифО§СШС/е а

J /

500 400 500 мПа

а

И, №м

8 6

N 1

2 ч"7 ч

1-шлисро&ание 2-хонингоВанце

И.

мкм 6

н

Я.

мт ■ 8

6 4

г)

■ч «С! 2- лритцрло 3 -аллкгм £&глахг-

Ш 500

е)

/- притирка 2 -

1

•

5000 6000 7000 ВООО Н.мГа 7000 .8000 ,9000 10000

Й1С.4- ¡зависимость наноса деталей Н от ¡иероховатостд поверхности , остаточное напряжение

б ' и наклепа поверхностного слоя Н ;о6раоатываемьш ллатериад Ст 41)7.)

от 0,11 до 0,24 » после операций притирки и алмазного выглаживания интенсивность износа втулок меняется меньше.(рис.4а, 46). В процессе приработки получается разное контактное давление. При одной и той же исходной шероховатости износ втулок из разных материалов различен. Так, износ втулок из стали 30X13 оказался в 1,14 и 1,2 раза меньше, чем втулок соответственно из сталей 40Х и 45. •

Зависимость износа втулок от шероховатости можно разделить на1три характерных участка: уменьшение износа до минимального; минимальный износ; последующее увеличение износа по сравнению с минимальным.

При уменьшении шероховатости от 0,2 до 0,12 мкм (для втулок, обработанных притиркой) и от 0,22 до 0,10 мкм (для втулок, обработанных алмазным выглаживанием) износ втулок уменьшается и достигает минимума (рис.46). Рост исходной шероховатости увеличивает износ втулок. При одинаковых шероховатостях после притирки и выглаживания меньший износ при выглаживании объясняется большим упрочнением (микротвердостью), а наличие минимума износа свидетельствует о совпадении этих величин шероховатостей с оптимальной эксплуатационной шероховатостью, устанавливающейся после приработки для условий эксплуатация. При этом для одной и той же исходной шероховатости после притирки износостойкость втулок из стали 30X13 в 1,2...1,6 раза выше, чем,у втулок соответственно из сталей 40Х и 45, а после выглаживания эта разница в 1,2___1,3 раза соответственно. "

С увеличением растягивающих остаточных напряжений э поверхностном слое отверстий втулок износ увеличивается почти в два раза (рис.4в). Причем при одинаковых значениях исходных остаточных растягивающих напряжений износ втулок из стали 30X13 во всех случаях обработки оказался меньпе, чем у других сталей.

При хонинговании отверстий втулок в поверхностном слое наблюдаются только остаточные сжимающие напряжения (рис.4г). После притирки и алмазного выглаживания с увеличением значения <5 наблюдается уменьшение износа втулок в 1,2...1,25 раза. Следует отметить, что и-в этом случае втулки из стали 30X13 являются более износостойкими, чем остальные. .Однако пси алуаа.чсм выглаживании, в процессе которого значительно- уггеочняегея по-зархиостнкй слой, дальнейшее увеличение ситмакг.их г,пта70«"-:кх напряжений не приводит к существенному изменению износа зтулг.:-:.

Различная йняемсйвность износа очевидно объясняется тем, что физикй-йеханмческие свойства поверхностного слоя различных материалов П|>й прении об абразивную прослойку по-разному сопротивляются вйэдёйствию силовых и температурных факторов износно-го процесса.

Характер изменения износа в зависимости от микротвердости поверхности отверстий втулок из различных материалов после шлифования и хонингования одинаков (рис.4д). Анализ этих зависимостей показывает, что с увеличением микротвердости поверхности от 5000 МПа до 8000 МПа и выше износ втулок уменьшается в 2... ...3,5 раза. Наиболее износостойкими являются втулки из стали 30X13, а наименее - из стали 45.

С увеличением микротвердости поверхности после притирки износ втулок уменьшается (рис.4е).

Зависимость износа втулок из различных материалов от микротвердости поверхности Н при алмазном выглаживании можно разделить на два характерных участка (рис.4е): участок резкого уменьшения; участок умеренного уменьшения износа. С увеличением микротвердости исходной поверхности втулок из стали 30X13 от 7000 МПа до 9000 МПа износ последних уменьшается, в 2...2,5 раза, дальнейшее увеличение микрртвердости не приводит к резкому уменьшению износа.

Износ втулок, обработанных алмазным выглаживанием,в 1,5; 2,0; 2,5 роза соответственно меньше, чем. у притертых, хонингованных, шлифованных втулок (рис.4). Это объясняется тем, что в . процессе алмазного выглаживания, наряду с уменьшением шероховатости, увеличением опорной поверхности и микротвердости поверхности в поверхностном слое создаются значительные по величине сжимающие остаточные напряжения. Вышеуказанное справедливо и для втулок, изготовленных из сталей 40X и 45, обработанных также различными, методами обраОотки.

Результаты экспериментов показывают, что интенсивное уменьшение параметра !?а в начальном периоде приработки (рис.5а) происходит для втулок, обработанных ротационным растачиванием, шлифованием и хонкнговакием, а его продолжительность определяется начальной шероховатостью. Незначительное изменение параметра за весь период приработки у втулок, обработанных притиркой к алмазным выглаживанием, еще раз свидетельствует, что шероховатость, полученная' этими методами, близка к оптимальной эксплуатационной установившейся шероховатости, к которое, стре-

-мятся величины разных исходных шероховатостей, полученных после различных видов обработки. Это явление, по нашему мнения, объясняется тем, что при изнашивании об абразивную прослойку, так ж;; как при изнашивании в условиях граничного трения и трения со смазкой, в процессе приработки шероховатость изменяется в сторону приближения к шероховатости контртела до тех пор, пока не наступит некоторое равновесное состояние, характерное для условий трения пары "плунжер-цилиндр" насосов.

Рис.5. Изменение величин шероховатости (а)

и микротвердости Н (б) поверхности от времени пр!(гработки Т (обрабатываемый материал 40Х: I - ротационная обработка; 2 - шлифование; 3 - хонингование; 4 - притирка; . 5 - алмазное выглаживание

В результате приработки изменяётся и микрствердость исходной поверхности (рис.56). В начальном,пер/оде испытания происходит некоторое повышение микротвердости исходной поверхности, об-рзботаныл различными видами механической обработки. Это является результатом высоких контактных давлений, характерных для начальных значений шероховатостей. Контактные давления уменьшаются по мере приработки за счет увеличения площадей реальных контактов, что в свою очередь уменьшее? величину наклепа. .

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности существенного повышения износостойкости деталей насосов

и увеличения их долговечности технологическими методами обработки, сочетание которых-можно устанавливать по следующей методике:

- установление последовательности сочетаний разных методов обработки и режимов резания 110 каздому методу, обеспечивающих после финишных операций диапазон изменения значений шероховатостей, микротвердостей и напряжений, охватывающих диапазон возможных эксплуатационных показателей качества;

- по этим данным определяются методы обработки (их последовательность) и конкретные режимы резания, обеспечивающие наибольшее приближение показателей качества полученных после финишной обработки (£а ,б ,Н ) к эксплуатационным показателям изношенных деталей (Йаз ,бэ , Нд ), чем и обеспечивается минимальная интенсивность износа и минимальный износ в период приработки.

5. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СОЧЕТАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ И РАЗРАБОТКА НОРМАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исследованиями установлено, что применение различных сочетаний технологических операций существенно влияет на эксплуатационные свойства деталей машин и особенно на их износостойкость. При этом некоторые характеристики физико-механических свойств поверхностного слоя наследственно передаются на последующие технологические операции. .

Учитывая вышеизложенное, была проведена серия экспериментальных исследований с целью определения рациональных сочетаний технологических операций. На разных заводах, изготавливающих'насосы и запчасти к ним, применяются различные планы обработки для деталей типа втулок, в которых общими операциями являются лишь первые операпии растачивания (обычными призматическими резцами)или зенкерования; выполняемые до термообработки, и операции шлифования, выполняемые после термообработки. Последними операциями являются различные сочетания операций хонингсвания, притирки и алмазного выглаживания.

На основе анализа характера и интенсивности износа, рассмотренного в предыдущем разделе, и механизма формирования качественных параметров поверхностного слоя при различных методах обработки разработаны 9 вариантов последовательно выполняемых технологических операций, которые позволяют обеспеч.чь требуемое качество изготашшваемых деталей нефтяного оборудования (табл.1)". Отличительная особенность этих вариантов заключа-

Таблииа I

№ Название и номеп вариантов т ехнологических операций, выполняемых последовательно

■ пп I I Шлифование 2 Шлифование О ♦ о Шлифо- ' вание 4 Шлифование 5 Шлифование 6 Шлифование 7 Шлифование 8 Шлифование 9 Шлифование

i! Шлифов. Í чист,) Шлифов, (чист.) Шлифов, (чист.) Хонинго-вание Хонинго-вание Хонинго-вание Хонинго-вание Хонинго-вание Притирка

•э u Хонинго вание - Хонкнго-вание Хснинго-вание Хонинго-вание о Притирка Поитир-ка Хонинг. (чист.) ' Хонинг. (чист.) Притирка (чист.)

4 • Притирка Хонимг. (чист.) Притирка Притир, (чист.) Поитир. (чист.) Алмазн. выглаж. Притир.-(чист.) Алмазн. выглаж. Алмазн. шглаж.

5 Ллмази, выглаж. Притир, (чист.) Притир, (чист.) Алмазн. выглаж. Алмазн. выглаж. - - - -

Пока- Ro = и'атели мкм 1,25 - 0,40 Ra =1,25 -о; 15 Re =1.25' .. -0,15 Ra=1,25. . -0,14 Ra=I,25 -о; 14 Rq=I,25 -0,40 fta=I,25 -о; 15 «а =1,25 -0,24 Ra =1,25 -0,14

КПЧ«>- q "Т impH- 610 -720 <3 -610 -690 6 =610 • -690 ■ 6 =610 -770 <5 =610 -770 О =610 -710 <5 =610 -6S0 6=610 -720 6=610 -770

aiiToi) Н -м11а ú?.00 -10920 Н =0200 -10050 Н =8200 -10050 Н =8200 -II400 Н=8200 . -II400 Н =8200 -II900 Н=8200 -10050 Н=8200 -10400 Н =8200 -II400

lie;'.шина И, = 12-14 «JlOCft мкм 0-10 7-9 . 5 - 7 6 - 8 8 -10 6-8 6-7 4-6

iiopilIKOIíUt' liownpu И0М1*!'»Н!<Я uri'¡i::i4>nn- TC.'ll'HiU'TH 7 • 5 6 8 9 3 I 2 4

ется в том, что они ориентированы на широко используемое технологическое оборудование на заводах нефтяного машиностроения и по существу являются' типовыми вариантами последовательности разных финишных операций, применяемых на большинстве разных заводов.

Для каждого варианта сочетаний операций в последних строках таблицы приведены в укрупненном виде различные показатели качества поверхностного слоя, формируемые всей совокупностью операций. Показатели приведены в виде диапазонов изменения шероховатостей, наклепа и напряжений для трех исследованных марок сталей (ст45, ст40Х, ст20Х13), различных режимов резания и условий обработки. В двух последних строках таблицы приведены диапазоны изменения износа, характерного для каждого варианта (за 240 минут работы), •л порядковый номер относительного изменения суммарного основного времени каждого варианта. По данным этой таблицы можно для вновь проектируемого техпроцесса (создание нового производства или реконструкция действующего) выбирать вариант либо обеспечивающий минимальный износ деталей, либо - наибольшую производительность. Для действующего производства с техпроиессом совпадающим с одним из вариантов разработаны дополнительные таблицы режимов резания, характеристик инструментов и других условий обработки, изменение которых связано с изменением качественных показателей и величин износа поверхностей. Эти таблицы позволяют назначать рациональные режимы обработки разных операций, совместно обеспечивающих достижение наилучших конкретных показателей качества и минимальных значений износа. Последовательность использования нормативных таблиц иллюстрируется алгоритмом поиска рациональных технологических решений в виде укрупненной схемы, показанной на рис.6. . ,

Р^сиЗ. Структурная схема алгоритма выбора вариантов обработки « определения режимных.параметров операций

б. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО

Для повышения-производительности на ряде заводов вместо традиционного растачивания или зенкераванкя. было внедрено ротационное растачивание.

Внедрение этого процесса взамен применявшегося на заводе позволило обеспечить:

а) шероховатость обработанной поверхности 1?0 в пределах 1,63-2,5 мкм;

б) повышение производительности за счет увеличения скорости резания и подачи в 1,5...1,8 раза;

в) увеличение стойкости ротационных резпов в 2...3 раза по сравнении с обычнши стержневыми резцами;

г) уменьшение изогнутости оси отверстия втулок после азотирования в 2...3 раза.

При внедрении ротационных хонинговальных головок проверялись работоспособность бочкообразных роликов, рациональность выбранных режимов хонингования и конструктивно-геометрических параметров бочкообразного ролика. Внедрение ротапнонного хонингования взамен применявшегося на заводе обычного хонингования позволило обеспечить:

а) шероховатость обработанной поверхности йа в пределах 0,01... 0,02 мкм; • •

б) повышение производительности за счет дополнительного движения роликов и подачи в 1,5...2,5 раза;

в) увеличение стойкости бочкообразных роликов в 1,9...2,5 раза по сравнению с обычными хонинговальными брусками.

При внедрении конического хонингования обработке подвергались заготовки сёдел клапанов из стали 40Х (угол конусности -30°, после токарной операции). При хонинговании конусных отверстий сёде'л после термообработки достигнуты погрешности по углу конусности не более 20я , по непрямолинейности образующей и овальности не более.О,01 км." *

При этом установлено, что трудоемкость обработки сёдел ■ клапанов хонингованием в среднем в 1,4 раза меньше трудоемкости обработки шлифованием.

Внедрение алмазного вибронакатывания позволило сократить . процент брака в 1,9...2,2 раза и увеличить износостойкость обработанных поверхностей в 1,5...1,8 раза. ! . • •

В качестве примера на рис.7 приведен сравнительный износ

втулок глубинных штанговых насосов, обработанных по заводской технологии (линия I) и по усовершенствованной технологии (линия 2, вариант 8 табл.1). с применением рациональных режимов резания при ротационном хонингодании и при алмазном выглаживании. Допустимая величина износа в 20 мкм была получена на деталях обработанных по заводской технологии после 8750 часов работы насоса, а на деталях обработанных по новому техпроцессу - после 1250 часов.

о

,Рис.7. Зависимость величины износа внутренних поверхностей втулок от продолжительности испытаний ■ (I - по существующей технологии; 2 - по новой технологии)

ОБЩИЕ ВЫВОДУ ■ '

1. Выполнена'классификация глубинных штанговых насосов и систематизация ответственных деталей, износ которых определяет их долговечность. • .

2. Разработаны, исследРваны и внедрены новые способы и конструкции инструментов для финишной обработки, а именно: ротационное хонингование, конструкции конических хонинговальных головок, устройство для притирки с постоянным поджимом притира г головки для алмазного вибровыглаживания.

Для ротационного хонингования на базе теоретических исследований получены зависимости для обоснования угла наклона роликов и оси деталей при их установке в хонинговальной головке. Установлен угол наклона в пределах 8°...20° как функция от диаметра обрабатываемого отверстия. Исходя из требований линейного контакта с поверхностью детали, получены параметры эллиптиче-ких кривых, являющихся образующими бочкообразных роликов.

3. С использованием новых разработок по результатам экспериментальных исследований получены математические модели, описывающие взаимосвязь режимов резания и других изменяемых условий обработки с комплексом показателей качества поверхности: шероховатостью обработанной поверхности, остаточными напряжениями и наклепом поверхностного слоя. Установлены рациональные параметры этих процессов, стабильно обеспечивающие требуемую шероховатость обработанной поверхности, остаточное напряжение и наклеп поверхностного слоя.

4. Установлено, что в поверхностном слое деталей после ротационного растачивания и шлифования формируются, главным образом, растягивающие'остаточные напряжения,,а после ротационного хонингования, притирзот я алмазного выглаживания - сжимающие напряжения. Установлен функциональные свази между их величинами и- условиями обработки.

5. Установлена экспериментальная взаимосвязь между показа-

• телями качества поверхностного слоя,полученных на разных сочетаниях последовательно выполняемых финишных операциях обработки и интенсивностью износа деталей в реальных условиях эксплуатации. В исследованных поверхностях минимальному износу соответствуют неличины шероховатости Йа = 0,1-0,15 мкм, остаточных напряжений - б = 700.-800' МПа, наклепа поверхности Н = 9000-П0С0 МПа.

6. Разработаны нормативные таблицы различных сочетаний последовательно выполняемых финишных операция и условий обработки с комплексом критерий опенки качества обработки <шесохсва-тость, остаточные напряжения, наклеп, величина износа) и относительной производительности. Разработана метогика и алгоритм еы-боса васиантов обоаботки, обеспечивающих достижение- либо минимального износа либо максимальной производительности.

7. Износостойкость деталей нефтяного оборудования при рациональных режимах обработки увеличивается на Г5-25?) в зависимости от применяемых методов обсайотхи. При этом срок службы

нефтепромыслового оборудования в среднем увеличивается в 1,4... ...1,6 раза.

8. Разработанные конструкции режущих инструментов, технологической оснастки и оборудования обеспечивают устойчивое протекание исследованных процессов. Результаты исследования внедрены на машиностроительных заводах им.Ф.Э.Дзержинского, Ю.Касимова, лейт-та Шмидта, Б.Сардарова и др.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОлШЖЯ ДИССЕРТАЩЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУ ОЩ РАБОТАХ

1. Гафаров A.M., Алекперов А.Ю. Исследование возможности обеспечения минимальной шероховатости обработанной поверхности ротационными резцами методом оптимизации параметров резания. Химическое и нефтяное машиностроение.- № 3.- 1979.- 2,0 с.

2. Гафаров A.M., Местанзаде В.Г. Исследование влияния основных параметров ротационного точения на составляющие силы резания при обточке тонкостенных втулок из стали 38ХМЮА.. За технический прогресс,- № 3.- 1979..- 4,5 с.

3. Гафаров A.M., Местанзаде В.Г. Определение характеристики микрогеоиетрш шероховатых поверхностей:, обработанных ротационными резцами. За.технический прогресс,- * 7.- 1979.- 2,0 с.

4. Гафаров A.M. Физико-механические Свойства.поверхностного слоя детали, обработанных ротационными резцами. Известия вузов.- * I.- I960.- 3,0 с.

5. Гафаров A.M. Стойкостные характеристики режущих чашек • ротационных резп'ов из различных твёрдосплавных материалов.-

За технический прогресс.- 3,0 с.

6. Гафаров A.M. Проявление, технологической наследственности при различных методах обработки. Сб.вопросов технологии механообработки и сборки в машиностроении,- Саратов,' 1980,2,0 с.

7. Гафаров A.M., Иззетов H.A., Махмудзэде Т.А. Исправление погрешностей угла 'конусности конических отверстий .алмазнш хокингованием. Сб.:-Применение прогрессивных инструментальных материалов к методов повышения стойкости режущих инструментов.-Краснодар, 19БЗ,- 3,0 с.

Б. Гафаров A.M., Амирджанов Ф.А. Проявление технологической. наследственности по изогнутости оси отверстия втулок в процессе вотирования. Сб.": Технологическая надежностт долговечности кашик,- Баку-, 1963.г 5,0 с.

9. Гафаров A.M., Абдуллаев'A.A., Амирдканов i.A. Технологические способы повышения долговечности прошивных оправок. Сб.: Тезисы докладов конференции "Прогрессивные способы повышения прочности и надежности и долговечности конструкционных материалов".- Баку, 1984.- 4 с.

10. Гафаров А.М.,> Иззетов H.A. Обеспечение технологической надежности при алмазном хонингованки. Сб.: Тезисы докладов конференции "Прогрессивные способы повышения точности, надежности и долговечности коне рукционнкх материалов",- Баку, 1934,- 5 с.

11. Гафаров A.M., Иззетов H.A. Определение геометрических параметров и формы алмазных брусков при коническом хонингозании. Сб.: Эффективность технологического оборудования в механосборочном производстве".- Баку, 1984.- 7 с.

12. Гафаров A.M. Исследования износа брусков при коническом хонингованки. Сб.: Точность и производительность в механосборочном производстве.- Баку, 1985.- 7,0 с.

13. Гафаров A.M. Проявление технологической наследственности при хонкнговании. Сб.: Надежность й долговечность машин и механизмов.- Баку, 1906.- 2,5 с.

14. Гафаров A.M., Алиев Э.А. Определение удельной нагрузки при притирке конических отверстий. Сб.: Технологическое обеспечение качества машиностроительной продукции.- Баку, IS83.-3,0 с. "

15. Гафаров A.M., Иззетов H.A. Влияние перебега брусков на точность обработки при хонингозании конических отверстий. Науч-но-технкчес.чий сборник АзПЙ им.Ч.Ильдркма "Обеспечение качества в механосборочном производстве.- Баку, 1989.- 4„0 с.

16. Гафзрзв A.M., Иззетов H.A. Теория режуцей способности алмазных хонинговальных брусков.- Сб.: Автоматизация мадико -строения на базе гибких технологических систем и робототехниче-ских комплексов.'Баку, 1989, ; ; '

П.Гафароа A.M., Бабаев Г.М. Характер изменения шероховатости поверхности от; параметров процесса ротационного хэнингова-ния. Известия вузов.- № 6.- 1989,- 5,0 с.

18. Гафаров A.M., Бабаев Г.М. Остаточное напряжение поверхностного слоя при ротационном хонингованки. Известия эузов: -

№ 6, 1989.-'3,0 с.

19. Гафаров A.M., Бабаев Г.М. Точность обработки при ротационном хонингованки втулок.- Зестнкк машиностроения, 1990..-1,5 с.

20. Гафаров A.M., Алиев Э.А. ХонкнгоБальная головка для наружного хонингованкя длинных'цилиндрических деталей-.'Сб.: -Обеспечение качества в механосборочном производстве, 1991,5 с.

21. А.С.Р 1086786 от ХП.1983 г. Хонинговальная головка для обработки конических отверстий (Гафаров A.M., Иззетов H.A., Эфендиев P.M.).

22. А.С.№ II03997 от 22 марта 1984 г. Устройство для притирки (Гафаров A.M., Иззетов H.A., Мустафаез Ф.В.).

23. А.С.№ I3455I3 1990 г. Способ хонингования отверстий (Гафаров A.M., Лупкин Б.В.).

24. A.C.Jf I6II709, 1990 г. Хонинговальная голозка для обработки конических отверстий. (Гафаров A.M., Иззетов H.A.).

25. A.C.» 1590350, бал.изд.№ 33, 1990 г. Устройство для наружного хонингования. (Гафаров A.M., Алиев 3,А.)