Полный текст

В современном мире большую роль играют углеводороды. Бюджеты многих стран принимаются исходя из цены на нефть и газ, и экономика России в настоящее время не является исключением. Отечественные нефтяная и газовая отрасли являются локомотивом других отраслей народного хозяйства. В связи с увеличением объемов добычи нефти и газа, а также курсом Правительства на импортозамещение многие отечественные предприятия вовлечены в процесс освоения производства новых видов изделий, ранее закупаемых за рубежом. Одновременно с этим решаются вопросы повышения качества уже освоенной продукции, такой как: задвижки клиновые, шиберные, краны шаровые, устьевая арматура, разного рода клапаны и регуляторы давления. Важной частью трубопроводной арматуры является затворный узел 1 (рис. 1, а), в котором запирающий или регулирующий элемент перемещается по стрелке K перпендикулярно потоку рабочей среды, т.е. в направлении оси EF. Важнейшим показателем, характеризующим эксплуатационную надежность трубопроводной арматуры, является герметичность уплотнительных поверхностей 3 и 4. а б Рис. 1. Затворный узел и его уплотнительные поверхности: а - продольный разрез узла; б - вид по стрелке K на корпус Определяющая роль в обеспечении герметичности затворного узла отведена шероховатости уплотнительных поверхностей корпуса и клина. Изношенные уплотнительные поверхности 3 и 4 корпуса и клина наплавляют корозиестойким и износостойким материалом, после чего подвергают механической обработке. В настоящее время в РФ серьезная модернизация этих узлов не проводится, хотя эта проблема является крайне актуальной, поскольку аварии из-за утечек огнеопасной жидкости на объектах, эксплуатирующих нефтегазовое оборудование, могут привести к глобальным и необратимым последствиям. Повыcить уровень эксплуатационной надежности трубопроводной арматуры можно путем реализации оптимальной технологии обработки уплотнительных поверхностей, обеспечивающей их высокую износостойкость и герметичность. Для обоснованного выбора наиболее эффективного способа достижения требуемой микрогеометрии уплотнительных поверхностей проанализируем возможные финишные технологические способы обработки. На многих отечественных предприятиях финишной операцией, обеспечивающей требуемую шероховатость поверхности, является притирка, которая характеризуется высокой трудоемкостью и вероятностью попадания в затворный узел инородных частиц, вызывающих задиры на сопрягаемых поверхностях, нарушение герметичности и появление утечек транспортируемой жидкости. Кроме этого уплотнительные поверхности затворного узла имеют большую площадь, поэтому притирать их экономически нецелесообразно. Возможны также другие технологические способы обеспечения требуемой микрогеометрии уплотнительных поверхностей: высокоскоростное точение, точение твердых материалов, обкатка, а также безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО) [1-5]. В последнее время проявляется повышенный интерес производственников к высокоскоростному точению труднообрабатываемых материалов. В качестве инструмента используют резцы с механическим креплением режущих пластин из сверхтвердых материалов на основе модификаций нитрида бора и керамики, а также нитрида кремния. Применяя резцы, оснащенные такими пластинами, можно точить указанные материалы при скоростях 5 м/с и выше, однако в настоящее время традиционные скорости резания твердосплавными пластинами составляют менее 0,3 м/с. Высокоскоростное точение позволяет сократить время на обработку (повысить производительность) и решить проблему дробления стружки, что особенно важно для автоматизированного производства. Однако высокоскоростное точение не обеспечивает повышения износостойкости обработанных поверхностей, а для реализации процесса требуется дорогостоящие оборудование и режущий инструмент. Применяется также точение закаленных материалов высокой твердости (НRCэ = 45…65), которое позволяет заменить финишную операцию шлифования. Благодаря обоснованному выбору геометрии, материала лезвийного инструмента и режима резания обрабатываемый материал нагревается практически до состояния расплавления (температура в зоне контакта может достигать 1500 °C). В этих условиях твердость обрабатываемого материала заготовки уменьшается не более чем на три единицы по шкале Роквелла, а твердость стружки - до НRCэ = 40…45, что значительно облегчает снятие припуска. По сравнению с процессом шлифования точение является более производительным технологическим методом и позволяет снизить затраты на производство деталей. Для получения при точении высокой геометрической точности уплотнительных поверхностей необходимы высокая жесткость системы «станок - приспособление - инструмент - заготовка» и малая скорость подачи (0,01-0,05 мм/об.), которая должна обеспечиваться технической характеристикой токарного станка. Инструментальным материалом для высокоскоростного точения является режущая керамика и кубический нитрид бора. Каждый из материалов имеет свои преимущества и недостатки. Керамика существенно дешевле кубического нитрида бора, но она разрушается при ударной рабочей нагрузке. Кубический нитрит бора менее восприимчив к ударным нагрузкам, но характеризуется более высокой стоимостью. Уплотнительные поверхности 5 и 6 (рис. 1, б) можно обработать обкаткой, которая заключается в пластическом деформировании поверхностного слоя гладким роликом высокой твердости. Происходит смятие неровностей, оставшихся после предшествующей обработки, создается новый профиль поверхности с малой высотой микронеровностей. Отличие чистовой обкатки от обработки методами резания состоит в том, что поверхностный слой металла не подвергается разрушению или снятию, а деформация металла сопровождается наклепом, повышением твердости поверхностного слоя и возникновением в нем сжимающих остаточных напряжений. С технологической точки зрения обкатка роликами имеет ряд преимуществ перед другими технологическими способами чистовой обработки: достигается среднее арифметическое отклонение профиля Ra = 0,32…0,63 мкм, а при необходимости можно получить и меньшие его значения. Обкаткой хорошо обрабатываются мягкие и вязкие стали, чистовая обработка которых лезвийным и абразивным инструментами затруднена. Приведенные данные свидетельствуют о преимуществах обкатки по сравнению с другими технологическими способами чистовой обработки, в особенности в условиях единичного и мелкосерийного производства, при которых используется универсальное металлорежущее оборудование. Если на действующем производстве используется технологическая операция шлифования, то целесообразно проработать вопрос ее замены обкаткой. Результаты чистовой обработки обкаткой зависят от твердости обрабатываемого материала, исходной шероховатости поверхности заготовки, ее размеров, диаметра и профильного радиуса рабочего ролика, а также от режима: усилия прижатия инструмента к заготовке, числа его рабочих проходов, скорости подачи и др. При обкатке мягких сталей проще достигаются малые значения микронеровностей по сравнению со сталями повышенной твердости. Существенное влияние на шероховатость поверхности после обкатки оказывает исходное состояние поверхностного слоя. По мере увеличения рабочего усилия, уменьшения подачи, увеличения профильного радиуса ролика и числа его проходов шероховатость поверхности снижается до определенного предела, при этом изменение скорости обкатки до 100 м/мин незначительно сказывается на значениях шероховатости обработанной поверхности. Для финишной обработки уплотнительных поверхностей запорной арматуры может применяться также БУФО, основанная на использовании технологического комплекса, состоящего из ультразвукового генератора и ударного инструмента. Вопросами применения ультразвуковых технологий в машиностроении начали заниматься в 60-е гг. ХХ столетия. За истекшее время ученые достигли значительных успехов, в частности, разработаны устройства и способы ультразвукового упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов [5], получены охранные документы на изобретения, разработана методология проектирования и расчета преобразователей для технологических установок [6], ультразвуковых колебательных систем [7], создана фундаментальная база для успешного практического применения систем БУФО [1-4, 8, 9] и др. На основании анализа результатов исследований [10-15] можно прийти к выводу о том, что применение БУФО позволит отечественной промышленности выпускать продукцию высокого качества, отвечающую мировым стандартам. Устройство (инструмент) для финишной ультразвуковой безабразивной обработки состоит из бачка охлаждения 1, корпуса 2, волновода 3, обмотки преобразователя 4, державки 5, уплотняющего кольца 6, гайки 7, индентора 8, штуцера 9 и гермоввода 10 (рис. 2) [9]. Ультразвуковой преобразователь представляет собой сердечник из магнитного материала - пермендюра, изготовлен в виде пластин 11, размещенных в обмотке 4, и предназначен для создания механических колебаний ультразвуковой частоты в резонансной системе «преобразователь - волновод - индентор». Он крепится к фланцу волновода 3 при помощи накидной гайки 7. Бачок 1 представляет собой пустотелый цилиндр, выполняющий роль рубашки, через которую прокачивается охлаждающая жидкость, например вода или смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ). Подвод жидкости осуществляется по штуцеру 9. Рис. 2. Инструмент для ультразвуковой безабразивной обработки Рабочее напряжение ультразвуковой частоты на обмотку 4 магнитострикционного преобразователя подается по гермовводу 10, расположенному в крышке 12. Охлаждающая жидкость из бачка 1 сливается по трубке 13, при этом жидкость можно подавать в зону обработки для охлаждения индентора 8. Бачок 1 расположен в корпусе 2 с возможностью перемещения вдоль оси инструмента, в качестве подшипников скольжения используются латунные втулки 14. Инструмент устанавливается на токарно-карусельный станок путем закрепления державки в резце-держателе суппорта. В процессе финишной ультразвуковой безабразивной упрочняющей обработки инструмент 2 (см. рис. 1, а) прижимается к обрабатываемой поверхности 4 индентором 5, который при подаче напряжения на ультразвуковой преобразователь перемещается по стрелке L, периодически вступая в контакт с заготовкой. Обрабатываемые поверхности 3 и 4 наклонены к оси EF под углом d. В момент контакта индентора с материалом заготовки в поверхностном слое возникают значительные по величине мгновенные напряжения, под действием которых происходит пластическая деформация микронеровностей и формирование среднего арифметического отклонения профиля Ra = 0,25…6,3 мкм. Ось инструмента 2 наклонена к обрабатываемой поверхности 4 (см. рис. 1), что обусловлено стесненным пространством, в котором он размещается. Индентор под действием динамической силы, создаваемой колебательной системой, пластически деформирует поверхностной слой, в результате чего повышается его твердость на 5-150 %, усталостная прочность - на 10-200 %, а также формируются остаточные напряжения сжатия, что позитивно сказывается на эксплуатационных показателях узла. Возможно чистовое точение и последующая финишная безабразивная обработка поверхностей за одну установку заготовки, что повышает их геометрическую точность. БУФО можно использовать для обработки конструкционных, инструментальных, нержавеющих сталей, чугунов, цветных металлов, титановых сплавов и других материалов. Основная проблема использования БУФО для обработки уплотнительных поверхностей состоит в том, что уплотнительные поверхности корпусов, клиновых задвижек находятся в труднодоступных местах, а габаритные размеры акустической системы при обработке корпусов сравнительно небольших размеров не вписываются в имеющееся пространство затворного механизма. В этой связи для использования БУФО в стесненных условиях требуются новые конструктивные решения и научные исследования, позволяющие расширить технологические возможности инструмента. Одним из путей решения данной проблемы является разработка системы БУФО, адаптированной под токарно-карусельный станок, что позволит обрабатывать уплотнительные поверхности корпуса для основного номенклатурного ряда выпускаемых изделий трубопроводной арматуры. Специфическая проблема возникает и при обработке клиньев. Проведенные авторами опыты показали, что под действием ударного характера работы индентора клин вибрирует, что вызвано недостаточной его жесткостью из-за наличия глубокого пропила. Вибрация клина приводит к нарушению работы технологической системы и ухудшению микрогеометрии уплотнительных поверхностей. Для решения этой задачи необходимо увеличить жесткость и разработать методику расчета клина на виброустойчивость. Выбирая технологический способ обеспечения требуемой микрогеометрии уплотнительных поверхностей, целесообразно остановиться на безабразивной ультразвуковой финишной обработке, так как она по сравнению с известными технологическими способами в наибольшей степени отвечает требованиям экономичности, технологичности, производительности и простоты обслуживания. Решение сформулированных выше научно-технических задач позволит реализовать преимущества финишной ультразвуковой безабразивной обработки, повысить производительность и качество уплотнительных поверхностей корпуса и клина задвижек трубопроводной арматуры.

Об авторах

В. Г Гусев

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: prof_gusev@mail.ru

М. С Зуев

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: zms1446@rambler.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 61

PDF (Russian) - 23

Ссылки

• Ссылки не определены.