Módszerek a kőzetfúró szerszámok élettartamának javítására
Kőzetfúró szerszámok meghibásodási elemzése:
Az elmúlt években hazám kőzetfúró szerszámai gyorsan fejlődtek, és számos, saját jellemzőkkel rendelkező termék született, mint például oszlopos fogazású fúrófejek, keményfém integrált fúrófejek, rendkívül szívós kőzetfúrófejek, K610 keményfém, Ni-Cr-Mo ultra nagy szilárdságú fúrószerszámacél, ∅38 hullámos és trapéz alakú fúrórudak stb., amelyek jelentősen javultak a minőség és az élettartam tekintetében. A tömegtermelés minősége azonban továbbra is ingatag, és a fúrószerszámok korán meghibásodnak. Az okokat a következőképpen elemezzük:
1. Fúrófej
A fúrófej károsodási formái főként a rendellenes kopás és a normál kopás, mint például a szilánkok, a törött fogak, a belső fogak eltávolítása, a fúrótest kidudorodása és a törés. Hazánkban régóta használnak régi stílusú egyenes fúrófejeket. Selejtezés után az ötvözetdarab közepén lévő átlagos maradék pengevastagság meghaladja a 12 mm-t, a normál arány pedig kevesebb, mint 5%. A kidudorodás, a fordított kúpos kopás, a törött derék, a repedés és a kemény kőzetekben lévő szilánkok gyakran a fúrófej-felhasználás több mint 80%-át teszik ki. Ennek fő oka a fúrófej lapátjának túl vékonysága, a relatív szárnyvastagság mindössze 1,16. Nem kopásálló, gyors radiális kopású és gyenge geometriai alakstabilitású. A lapát acéltestének nincs elegendő szorítóereje az ötvözetlemezen, ami a lemez leválását okozza, a robbantási lyuk nem kerek, a forgási ellenállás nagy, és a fúrófej kopása fokozódik. A régi egyenes alakú fúrófej kúpos furatmélysége 32 mm, a fúrócsúcs behelyezési mélysége pedig kevesebb, mint 24 mm. A kúpos furat sekély. Nagyfrekvenciás és nagy ütésterhelés hatására a nadrágszár falának egységnyi felületére jutó pozitív nyomás könnyen meghaladja a fúrófej acéltestének végső szilárdságát, és nadrágszár tágulását vagy repedését okozza. Először is, a nadrágszár nyílásának belső falától kiindulva tangenciális húzó maradék alakváltozás keletkezik, ami a nadrágszár falának tágulását, trombita alakot, laza csatlakozást és a nadrágszár leválását okozza. Ha a nadrágszár acéljának keménysége túl nagy ahhoz, hogy nadrágszár repedését okozza, a porkiürítő rendszer rossz, és ismételt zúzódás következik be, ami növeli a fúrófej kopását.
A gömbfogú fúrófej főbb károsodási formái az élfogak leválása, a törött fogak leválása, a nadrágszár repedése, a sapka leválása és a deréktörés. A Kínai Földtudományi Egyetemen COP1038HD hidraulikus kőzetfúrókkal fúrt svéd ∅48 mm-es gömbfogú fúrófejek meghibásodási statisztikái szerint a fogak 37%-a elveszett, a fogak 28,3%-a tört el, a fogak 13,2%-a pedig eltört. Kemény gránitba 7655-ös pneumatikus kőzetfúrókkal fúrt lyukaknál a fogak 22,7%-a veszett el, a fogak 35,4%-a tört el, a fogak 26,4%-a pedig eltört. A terepi vizsgálatok azt mutatják, hogy a fogak elvesznek és eltörnek. Ez azért van, mert a fogak excentrikus igénybevételnek vannak kitéve, amely rendkívül egyenetlenül oszlik el, és a fogak eltérő radiális kerületi nyomásnak vannak kitéve, ami miatt a fogak viselik a feszültséget, és a fogak eltérő radiális kerületi nyomásnak vannak kitéve, ami miatt a fogak rosszul viselik a feszültséget, és fogtörést okoznak. A fúrófej alapjának nagy keménysége miatt a fogak és a furatok közötti illeszkedés változatlan marad. Rögzítéskor a fogfurat nagy keménysége miatt a rugalmas-képlékeny alakváltozás gyenge. Amikor a fogak nyomás alatt rögzülnek, könnyen mikrorepedések keletkeznek. Ahogy a kőzetet gyorsabban fúrják, ezek különböző irányokba tágulnak, ami az ötvözet fogainak egyenetlen összenyomódásához vezet. Ahogy a fogfúrófejre ható ütések száma növekszik, a fogfurat falának képlékeny alakváltozása tovább növekszik, ami egy harang alakú száj kialakulását okozza a fogfurat szájánál, ami a fogak rögzítőerejének csökkenéséhez és a fogak könnyű leválásához vezet. Ezenkívül a fogfuratok közötti kis interferencia miatt a fúrófej alacsony keménysége is súlyosbítja a fogleválást. Mivel a keményfém törékeny anyag, a benne lévő elkerülhetetlen pórusok, zárványok és egyéb mikrorepedések forrásai tovább tágulnak és törnek a kőzet fúrása során a több millió ütés során. A nagy keménységű fúrófej testének a keményfém fogakra gyakorolt hatása sokkal nagyobb, mint a közepes és alacsony keménységű fúrófej testeké. Minél kisebb a fúrótest keménysége, annál kisebb a nyomóerő hatása a keményfém teljesítményére. A fúrótest keménységének csökkentése azonban a fogak elégtelen rögzítéséhez és a fogak leválásához vezet. Ezenkívül olyan tényezők is befolyásolják ezt, mint az anyag, a fluxus teljesítménye, a hegesztési művelet és a felhasználási mód.
A fúrófej acéltestének törései több mint 80%-ban a fúrócsúcs véglapja és a fúrónadrág alja közötti határon keletkeznek, az oszlopfogú fúrófej törése pedig a fogfurat alsó határfelülete mentén történik. A feszültséghullámok átviteli törvényéből látható, hogy a fúrócsúcs véglapja és a nadrág alja közötti terület az a terület, ahol a hullámellenállás hirtelen megváltozik. A feszültséghullám-visszaverődés és a keresztmetszet-mutáció okozta kifáradásos törést gyakran súlyosbítják olyan tényezők, mint a nem megfelelő acélválasztás, az ésszerűtlen geometriai szerkezeti paraméterek kialakítása, a nem megfelelő gyártási folyamat kiválasztása és a nem megfelelő felhasználási módszerek.
2. Fúrórúd
A fúrórudak üzem közben átfogó váltakozó igénybevételeknek vannak kitéve, amelyek főként ütési igénybevételből, hajlító igénybevételből és korróziós igénybevételből állnak. Ezért a fúrórúdnak nagy fáradási szilárdsággal, ütésállósággal, korrózióállósággal, valamint alacsony bevágásérzékenységgel és repedésnövekedési sebességgel kell rendelkeznie. A fúrórudak károsodási formái közé tartozik a kis fúrórúd fogantyújának elégtelen keménysége, ami felső púposodást okoz; a túlzott keménység, ami felső robbanást okoz; az összekötő rúd menetének kopása; valamint a fáradásos törés és rideg törés.
A fúrórúd törése a fő meghibásodási forma. A fáradásos törés olyan repedés, amelyet az ismételt igénybevétel hatására felhalmozódó károsodás okoz. Általában az anyag gyenge részeiből ered, mint például nemfémes zárványok, buborékok, fehér foltok, hegek, dekarbonizáció, korróziós repedések az anyag belsejében; a nem megfelelő anyag- és hőkezelés, például a túl kemény karbonizált fúrórúd mag, a rossz edzés repedéseket és repedéseket okoz a farokfogantyú végén; tervezési okok, mint például a nem megfelelő fúrórúd menetforma, a hüvely és a menet rossz illeszkedése, a kúp és a farokfogantyú rossz illeszkedése, repedések és törések; nem megfelelő használat, például kalapácsnyomok, az illesztések rossz kenése és a fúróacél korróziója stb., amelyek repedéseket és törést okoznak. Ezen repedések kiterjedése mellett a fúrórúd fáradásos törése hosszú fejlődési folyamat után következik be. A fúrórúd fáradásos törésének kezelése három szakaszra osztható: ciklikus igénybevétel hatására a fúrórúd egyes részei képlékeny alakváltozást hoznak létre csúszás formájában, és mikrorepedések jelennek meg, amelyek fokozatosan makrorepedésekké alakulnak az ismételt ciklikus igénybevétel hatására; A második szakaszban a fúrórúd effektív felülete csökken a makro repedések kialakulásával; a harmadik szakaszban, amikor a fúrórúd keresztmetszete a szakítószilárdsággal egyenértékű feszültségre csökken, eltörik. Az összekötő rúd fúrórúdjának fáradásos törése többnyire a menet tövében keletkezik, és a repedés a külső felülettől befelé terjed; a kis fúrórúd fáradásos törése esetén a belső fáradásos repedés a fúrórúd vízfuratának felületén keletkezik, és fokozatosan kifelé terjed, a külső fáradásos repedés pedig a fúrórúd felületén keletkezik, és fokozatosan befelé terjed. A kis tűrúd fáradásos törése többnyire a gallér előtt 300-400 mm-en belül jelentkezik.
A bányákban végzett kőzetfúrás során néhány törött fúrórúd törési felületén nem láthatók fáradási nyomok, általában fényes kristályos felületi állapotot mutatnak, amit gyakran rideg törésnek neveznek. Ez főként a fúrórúd hibáinak, például zárványoknak, bemélyedéseknek, kalapácsnyomoknak vagy a keresztmetszet túlzott változásainak, valamint a kovácsolás során keletkező harang alakú csőnek, a nem megfelelő hőkezelésnek és egyéb tényezőknek tudható be, ami a fúrórúd alacsony szilárdságát, gyenge képlékenységét vagy nagy feszültségkoncentrációt eredményez, ami miatt a repedés rendkívül gyorsan és könnyen kialakul, ami a fúrórúd korai rideg törését okozza.
A fúrószerszám élettartamának javítására szolgáló módszerek
1. Javítsa a tervezés minőségét
A fúrószerszám élettartamának javításához elengedhetetlen az ésszerű szerkezeti paraméterek meghatározása és az új fajták folyamatos fejlesztése. Sok éven át a régi stílusú egyenes fúrófejet használták. Rövid élettartamának fő oka az ésszerűtlen terméktervezés, amely a kis relatív szárnyvastagságban, a sekély kúplyukban, a gyenge porkiürülési hatásban, az instabil geometriai alakban, a könnyen előállítható korai hengeres deformációban és a keményfémlemez ésszerűtlen geometriai paramétereiben nyilvánul meg. Ezért nehéz az eredeti terv alapján javítani, és a régi stílusú egyenes fúrófejet a lehető leghamarabb meg kell szüntetni.
A pengéjű fúrófejek széles körben használatosak radiális elrendezésű, egész darabból álló egyenes, három pengéjű, kereszt alakú és x alakú fúrófejekben. Minél több pengéje van a fúrófejnek, annál nagyobb a kopásállósága. A kereszt alakú fúrófej 30-50%-kal nagyobb csiszolási felülettel rendelkezik, mint az egyenes alakú fúrófej, de a gyártás és a csiszolás bonyolult és költséges. A relatív szárnyvastagság előnyösen 1,6-2,2, és a porleeresztő horony keresztmetszetének és a vízlyuk keresztmetszetének teljes területének meg kell egyeznie vagy nagyobbnak kell lennie a fúrórúd középső furatának keresztmetszetével. Gyakran 3 lyukú elrendezést használnak, és a középső furat átmérője valamivel nagyobb. Az ésszerű testszerkezet az, hogy a fejnél 2°-3°-os hátszög legyen, és a kúpos felület és a kiterjesztett nadrágtest hengeres farokfelülete között R = 30-80 mm görbületi sugárral rendelkező körív vagy kúp átmenet legyen. A 45 mm-nél kisebb átmérőjű kis fúrófejet kúpos csatlakozással, a 45 mm-nél nagyobb átmérőjű fúrófejet pedig hullámosított vagy kompozit trapézmenettel csatlakoztatják a fúrórúdhoz. A kőzetfúrás sebessége fordítottan arányos a fúrófej átmérőjének négyzetével. Azonban a technológia ésszerű kihasználása, valamint a fúrófej minőségének és élettartamának javítása érdekében a fúrófej csiszolási gyakorisága akár 15-szörösére is növelhető. A fúrófej radiális kopásának csökkentése érdekében a fúrófej pengéje és a furatfal közötti érintkezési felület növelhető, hogy a por kijutása sima legyen, az ötvözetlemez résszöge ésszerűen meghatározható, és az ötvözetlemez vastagsága megfelelően növelhető.
Az oszlopfogú fúrófej oszlopfogának koronaformája többnyire félgömb alakú. A kőzetfúrási sebesség nagy. A kőzetbe nyomva a fogfelület viszonylag erős és tartós nyomófeszültség alatt. A fogátmérő méretének kiválasztásakor figyelembe kell venni a megfelelő szakítófeszültséget, a rögzített fogak szilárdságát és a fogelrendezés lehetőségét. A fogak számának kiválasztásakor figyelembe kell venni a hatékony kőzettörést, a fogelrendezés lehetőségét, a megfelelő szilárdságot és a kényelmes újraköszörülést. A meghibásodási elemzésből ismert, hogy az oldalsó fogak feszültségállapota rossz, az oldalsó fogak pedig töröttek és töröttek. A következő intézkedésekkel csökkenthető az oldalsó fogak károsodása és meghosszabbítható az oszlopfogú fúrófej élettartama.
(1) Meg kell erősíteni az oldalsó fogakat, és helyesen kell kiválasztani a fogak alakját, átmérőjét és magasságát. A középső és az oldalsó fogak átmérője jelenleg 9,65~9,95 mm. Az oldalsó fogak átmérője 10,65~10,95 mm-re növelhető az ütésállóság és a kopásállóság növelése érdekében, a középső fogak átmérője pedig 8,65~8,95 mm-re csökkenthető az oldalsó fogak elrendezésének megkönnyítése és a költségek csökkentése érdekében.
(2) Az oldalsó fogak dőlésszögének megfelelő csökkentése elősegíti a feszültségállapot javítását és az oldalsó fogak ütésállóságának növelését. Külföldön gyakran 30°~35°-os dőlésszöget alkalmaznak, amely 20°~25°-ra csökkenthető, növelve az oldalsó fogak külső felülete és a kőzet közötti érintkezési területet, valamint elősegítve az oldalsó fogak önéleződését és a fúrófej radiális kopásállóságának javítását. A középső fogak kissé magasabban vannak, mint az oldalsó fogak, hogy megkönnyítsék a központosítást és oldalsó szabad felületeket nyissanak meg az oldalsó fogak számára, ezáltal javítva a kőzettörési hatékonyságot. Alacsony radiális kopásállóságú puha kőzetek esetén a dőlésszögnek kicsinek kell lennie.
(3) A hegesztési rést és a rögzített fogak interferenciáját helyesen kell kiválasztani az oszlopfogak rögzítőerejének növelése érdekében. Ha az interferencia kicsi, a meghúzási erő csökken. Ha az interferencia kissé nagyobb, karcolások jelennek meg a fogfuratban. Ha a fogat tovább növelik, nem nyomódik be. Ha túl nagy, a fog könnyen eltörik, és néha a fúrótest megduzzad és eltörik. Ha a fogfurat felületi érdessége megnő, a súrlódási együttható növelése a meghúzási erő növelése érdekében, ami megvalósítható intézkedés. Műanyag fészek (általában H62Y réz anyag) köztesként történő használatával a fészek és a furat átmenetileg illeszkedik, és a fogak interferencia-illesztést kapnak. Amikor a fogakat hidegen sajtolják, a fészek a fogrögzítő erő hatására egymáshoz préselődik, és a fészek képlékeny deformáción megy keresztül, és a furatfogak érdes felülete egymásba ékelődik, ezáltal növelve a furatfogak közötti kötési erőt (statikus súrlódást), és szilárdan rögzített fogat hozva létre.
(4) Az oldalsó fogakat nagy szívósságú keményfémből választják ki, és forró izosztatikus kezelésnek vetik alá a fogak törésének hatékony megelőzése érdekében. A fúrófej acéltestének megerősítése növeli az acéltest kopásállóságát.
(5) Ésszerű fogelrendezés, az oldalsó fogak számának lehető legnagyobb mértékű növelése, a porkiürítő rendszer javítása, az elülső vízlyuk és a nagy résű háromhornyos kétlyukú porkiürítő rendszer megtartása, a porkiürítés magas hatékonysága, a kőpor ismételt zúzásának csökkentése, az energiafogyasztás csökkentése és a fúrófej élettartamának meghosszabbítása.
A sekély furatú kőzetfúró rudak B19, B22, B25 hatszögletű üreges acélt használnak, ami az üreges acélfelhasználás körülbelül 80-85%-át teszi ki; a mély furatú kőzetfúró rudak D32, D38, B25, B32, kerek vagy hatszögletű üreges acélt használnak, ami 15-20%-ot tesz ki. A hatszögletű fúró rudak jó merevséggel, nagy porkiürítési réssel és könnyen hengerelhetők.
A fúrórúd szerkezetének javítása, például az Ingersoll Rand Company által az Egyesült Államokban javasolt teljes menetű fúrórúd, amelyet hengerlési formázással, felületi edzéssel dolgoznak fel, javítja a szívósságot és a kopásállóságot, nagy spirálszöget, jó önzáróságot, valamint könnyű szétszerelést és összeszerelést biztosít. Ha a csatlakozóvég elkopik, levágható, letörhető és újra felhasználható, ami 3-4-szeresére növeli az élettartamot. A svéd Samdvik Company SPEEDROD fúrórúdja menetes összekötő rudat alkalmaz, megszünteti az összekötő rúd hüvelyét, kiküszöböli az illesztési felület hézagát, jelentősen javítja a csatlakozás igazítását és merevségét, fenntartja a fúrólyuk linearitását és energiát takarít meg.
A fúrószerszám megjelenésének és csomagolásának minőségének javítása, a megjelenési forma és a csomagolási szerkezet megfelelő megtervezése hatékonyan védi a fúrószerszámot, szépíti a fúrószerszámot és meghosszabbítja az élettartamát.
2. Válasszon kiváló minőségű anyagokat
A fúrószerszám-anyagok kiválasztásakor figyelembe kell venni a szívósságot és kopásállóságot, a jó merevséget és kopásállóságot, a kellően magas fáradási szilárdságot, az alacsony fáradási bevágásérzékenységet, az ötvözetlemezek nagyfokú befogási képességét és a bizonyos korrózióállóságot. Jó folyamatteljesítmény, könnyű forgácsolhatóság, jó edzhetőség és keményedhetőség, jó hegeszthetőség. Összhangban van a nemzeti adottságokkal, alacsony áron, és törekedjen kevesebb Ni és Cr felhasználására. A fuzzy matematikán alapuló fúrószerszám-acél kiválasztási módszer eredményei a következők:
(1) A 24SiMnNi²CrMo acél egy új acéltípus, amely a svéd FF710 acélt utánozza, és a legjobb hagyományos mechanikai tulajdonságokkal, törési tulajdonságokkal és átfogó értékeléssel rendelkezik. A Road projektben a hazai gyártású ∅50-es kilenc fogú oszlopos fúrófej átlagos élettartama 715,2 m/db, a maximális élettartam pedig 901,4 m/db, ami közel áll a projektben szereplő svéd ∅48-as oszlopos fúrófej 760 m/db élettartamához. Jó fúrórúdanyag is. A vasbányában található Mercury 300 hidraulikus kőzetfúró hidraulikus kocsijának átlagos élettartama 152,4 m/db, a fúrófarok élettartama pedig 609 m/db, ami 76%-kal magasabb, mint a francia 23CrNi³Mo fúrófarok 345 m/db élettartama;
(2) A 40SiMnMoV acélból készült fúrórúd átlagos kumulált hossza 1225,4 m, ami közel van a külföldi szinthez;
(3) Az 55SiMnMo-ból készült kis fúrórúd élettartama közel van a svéd 95CrMo kis fúrórúd 250 méteres szintjéhez;
(4) A 35SiMnMoV-ból készült fúrórúd átlagos élettartama elérheti a 300 m/db értéket. A fenti acélt edzéssel, megeresztéssel, lágyítással, normalizálással stb. hőkezelik, így nagy kifáradási szilárdságú és szívósságú bainites acélt kapnak.
Kis és közepes méretű fix darabok és fix fogú fúrófejek indukciós forrasztásához 40MnMoV acélt használnak fúrófej testanyagként. A gyártott ∅50 kereszt- és oszlopfogú hullámos menetű fúrófejek élettartama közel áll a svéd fúrófejek élettartamához. A melegen beágyazott fogazatú oszlopfogú fúrófejekhez a 45NiCrMoV acél az előnyös.
A keményfém anyagok kiválasztását a kőzet mechanikai tulajdonságaihoz és a kőzetfúró típusához kell igazítani. Általában a magas kobalttartalmú keményfémeket, például az YJo-t és az YG13C-t használják rendkívül kemény kőzetekhez és nagy ütőerejű kőzetfúrókhoz; az YJ¹, YK25 és YG11C-t főként kemény kőzetekhez; az YG8C és YJ² közepesen kemény ércekhez; az YJ³ és YG6 pedig lágy kőzetekhez. A keményfém kobaltfázisának lineáris tágulási együtthatója körülbelül háromszorosa a volfrám-karbidnak. A gyors hevítés és hűtés során keletkező belső feszültség ugyanazon határfelület repedését okozza. Ezért a gyártási, hegesztési és csiszolási folyamattól függetlenül kerülni kell a keményfém hirtelen hevítését és hűtését.
Az ezüst alapú forrasztóanyagot széles körben használják külföldi fúróhegyek forrasztásához. Alacsony olvadáspontja van, kevés hatással van az acéltest és a keményfém teljesítményére, nagy hegesztési szilárdsággal és alacsony hegesztési feszültséggel rendelkezik. Hazámnak kutatást és fejlesztést kell végeznie a külkereskedelmi piacok megnyitásának igényeinek kielégítése érdekében. Jelenleg a réz alapú forrasztóanyagokat, például a 105-ös, 801-es és SB-1-es típusokat használják főként a kőzetfúrás hatékonysága és élettartama alapján.
