Шуваев В.Г., Папшев В.А.

Реализация технологии ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот

Аннотация: В работе рассмотрены вопросы повышения эффективности формирования прессовых соединений путем использования дополнительных ультразвуковых колебаний, вводимых в соединяемые детали в процессе запрессовки.

Ключевые слова: ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, ЗАПРЕССОВКА, УЛЬТРАЗВУК, КАЧЕСТВО, РЕЖИМ СХВАТЫВАНИЯ.

Эффективность и долговечность работы буровых долот во многом определяется надежностью крепления породоразрушающих элементов, в качестве которых применяют твердосплавные зубки, запрессовываемые в отверстия на корпусе шарошки. Отклонения величин натягов запрессованных зубков от номинальных значений приводят к преждевременному разрушению буровых долот и существенному снижению эффективности бурения. В случае недостаточного натяга снижаются усилия запрессовки вследствие уменьшения сил трения, тем самым, снижая общее напряженно-деформированное состояние в корпусе шарошки, однако после большого числа знакопеременных циклов нагружения при воздействии на породу возможен вылет зубков из тела шарошки, что приводит к снижению эффективности бурения. При избыточном натяге усилия запрессовки, силы трения и прочность соединения существенно возрастают, но в процессе запрессовки в теле шарошки вокруг зубка возникают микротрещины, развивающиеся в ходе бурения в макротрещины, приводящие к преждевременному аварийному выходу долота из строя. Таким образом, существуют противоречивые требования к силам трения: при проведении процесса запрессовки, силы трения должны быть минимальны, а после формирования соединения для обеспечения его прочности силы трения (сцепления) должны быть максимальными.

Указанные противоречия можно в некоторой степени разрешить, используя особенности воздействия ультразвуковых (УЗ) колебаний при сборке соединений с натягом, связанные с изменением параметров процесса и состояния материала. Использование УЗ колебаний малой амплитуды позволяет интенсифицировать сборочный процесс, что обусловлено рядом специфических особенностей воздействия УЗ, к числу которых относятся значительное снижение сил трения при сборке, самоцентрирование деталей, повышение эксплуатационных характеристик соединений путем направленного воздействия на формируемые характеристики контактирующих поверхностей. Введение УЗ колебаний сопровождается уменьшением нагрузок на технологическое прессовое оборудование и снижением энергетических затрат при улучшении несущей способности соединений.

С учетом вышеперечисленных особенностей воздействия УЗ колебаний при сборке была разработана схема [1] построения информационно – измерительного комплекса на базе персонального компьютера и изготовлен стенд (рис. 1) для ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот.

В качестве источника ультразвуковых колебаний 1 использовался генератор УЗГ З-4 с номинальной выходной мощностью 4,5 кВт. На верхней балке станины закреплялся гидроцилиндр 3, шток которого соединен с магнитострикционным преобразователем 4 типа ПМС-2,5-18, передающим в процессе запрессовки ультразвуковые колебания на твердосплавный зубок. Концентратором колебательной энергии служил наконечник 13, выполненный из закаленной стали. Контpольно-измеpительная аппаратура включала в себя манометр 2, датчик перемещения резистивного типа 5, динамометрическое устройство 7, аналого-цифровой преобразователь типа ЛА2USB 8 и персональный компьютер 9.

Рис. 1. Стенд для ультразвуковой запрессовки

При участии авторов был разработан способ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота [2], включающий операции дополнительного введения ультразвуковых колебаний в формируемое соединение для снижения трения в процессе запрессовки и режим выдержки после достижения деталями требуемого положения для возникновения режима схватывания.

Были проведены экспериментальные исследования воздействия УЗ колебаний на качество сборки с натягом деталей (зубок-шарошка) по прессовым посадкам. При этом в качестве шарошек использовались плоские диски, изготовленные из стали 19ХГНМА (долотная сталь) и прошедшие механическую и химико-термическую обработку, аналогичные серийной технологии обработки шарошек буровых долот. Использовались серийные заводские твердосплавные зубки из сплава ВК10, диаметрами 6,8 мм и 7,87 мм. В каждом диске выполняли по 20 сквозных отверстий, позволяющих вначале запрессовать зубки в отверстия, а затем выпрессовывать их для оценки прочности соединений.

Эксперимент предполагал собой подготовку зубков и отверстий на условиях селективной сборки, то есть непосредственно перед ультразвуковой запрессовкой, замерялись диаметры отверстий в корпусе шарошки, которые разделялись на три размерные группы. К каждому отверстию подбирался соответствующий размерной группе твердосплавный зубок, таким образом, чтобы обеспечить величину натяга в интервале от 0,08 до 0,11 мм.

Рис. 2. Диаграмма усилий запрессовки и распрессовки твердосплавных зубков без УЗ

В процессе эксперимента режимы запрессовки изменялись в следующих пределах: скорость V= 0,001 ÷ 0,01 м/с, амплитуда колебаний x =1 ÷ 20 мкм, частота f =22 кГц, натяг d=0,11 мм, время выдержки 1 ÷ 60 сек. В результате эксперимента, построены диаграммы запрессовки твердосплавных зубков без ультразвука (рис. 2) и с ультразвуком (рис. 3), а также диаграммы распрессовки.

Анализ диаграмм, изображенных на рис. 2 и рис. 3, позволяет сделать вывод о том, что с введением в зону сборки ультразвуковых колебаний приводит к снижению усилия запрессовки на 15 ÷ 20% и возрастанию прочности соединений на 5 ÷ 7 %.

Рис. 3. Диаграмма усилий запрессовки с УЗ и распрессовки

В случае фиксации пониженного ниже допустимого уровня усилия запрессовки, связанного с недостаточным натягом в прессовом соединении, осуществлялся переход к режиму УЗ запрессовки со схватыванием. При направленном введении в зону силового контактного взаимодействия деталей дополнительной УЗ энергии происходит интенсивное разрушение окисных пленок и образование вследствие этого в зоне трения ювенильных поверхностей (участков чистого металла) и физического контакта деталей, ведущего к возникновению схватывания. Схватыванию в значительной степени способствует малая амплитуда колебаний трущихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний. Одновременно в зависимости от направления колебаний в узлах схватывания возникают пропорциональные амплитуде колебаний циклические или сдвиговые напряжения и деформации, способствующие усталостному разрушению интерметаллических связей и уменьшению сил трения. В ювенильных зонах и происходит химическое схватывание материалов соединяемых деталей, а в условиях ультразвуковых колебаний – и микросварка, что значительно повышает прочность соединения [3].

На рисунке 4 представлена зависимость площади схватывания от времени приложения УЗ колебаний без относительного перемещения деталей.

Рис. 4. Зависимость площади схватывания от времени выдержки

При воздействии ультразвука в течении 1 сек в местах контакта некоторая площадь узлов схватывания составляет 3,5 % от общей видимой поверхности зубка и с увеличением времени воздействия ультразвука возрастает до некоторого значения (10 сек – 14 %, 30 сек – 56 %, 60 сек – 39 %).

Литература

1. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г., Папшев В.А. Автоматизированная система научных исследований процессов ультразвуковой сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2007, № 12. С.19-22.

2. Патент РФ № 2357848 «Способ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота», Богомолов Р.М., Ищук А.Г., Кремлёв В.И., Носов Н.В.. Шуваев В.Г., Папшев В.А.; Опубл. 10.06.2009.

3. Шуваев В.Г., Папшев В.А., Анкудинов Д.В. Совершенствование технологии ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот путем применения режима схватывания // Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2011, № 5. С.10-13.