Алмазное хонингование глубоких отверстий > Хонингование

Алмазное хонингование втулок глубинных насосов хоном повышенной исправляющей способности.

В ма­шиностроении для нефтяной промышленности к числу деталей с глубоким отверстием с большими исходными искажениями геометрической формы в виде овальности, конусности и изогнутости оси относятся втулки глубин­ных штанговых насосов, характеризующиеся высоким качеством изготовления (2-й класс точности) и боль­шим объемом производства.

В СССР втулочные глубинные насосы в зависимости от условий эксплуатации нефтяных скважин выпускают
двух видов: невставные с размерами диаметров 43, 56, 68 и 93 мм; вставные с размерами диаметров 28, 32, 38, 43 и 55 мм.

Цилиндр насоса состоит из набора стальных или чугунных втулок длиной 300 мм, заключенных в ко­жух и стянутых по торцам специальными переводника­ми. Число втулок в цилиндре может быть различным (от 2 до 27) в зависимости от хода плунжера и типа насоса. Конструкция, основные параметры и техниче­ские требования насосов приведены в отраслевой нор­мали ОН 26-02-150-69. Условный размер глубинного насоса представляет собой числовое выражение диамет­ра сопряжения цилиндр — плунжер.

Допуск на внутренний диаметр втулок составляет + 0,03 мм. Погрешности формы отверстия по овально­сти, конусности и изогнутости оси отверстия допускают­ся не более 0,03 мм. Отношение длины втулки к диа­метру отверстия колеблется в пределах 3,2—10,7. Чем больше это отношение, тем труднее выдержать жест­кие допуски на внутренний диаметр втулки и выполнить требования, предъявляемые к геометрической форме.

Исходя из экономической целесообразности, а так­же, учитывая возможность многократного использова­ния втулок, на заводе принята система, по которой втулки в пределах каждого условного размера разбиты на группы точности с интервалом 0,025 мм. При этом допуск на диаметральный размер втулок увеличен: у чу­гунных до 2—3, у стальных азотированных до 0,5— 1,0 мм.

В качестве материала для изготовления втулок при­меняют:

1. Сталь 35ХЮА или 38ХМЮА (ГОСТ 4543—71). Рабочие поверхности втулок подвергают термообработ­ке и азотированию (твердость HRA^z80); глубина азо­тирования составляет 0,2—0,5 мм.
2. Сталь 45 (ГОСТ 1050—74) или 40Х (ГОСТ 4543— 71). Втулки, изготовленные из этих сталей, закаливают ТВЧ (твердость HRC^z50); глубина закаливания ТВЧ 0,7—1,5 мм.
3. Серый чугун СЧ 28-48 (ГОСТ 1412—70). Чугун­ные втулки подвергают изотермической закалке (твер­дость HRC 36—45).

Предшествующей операцией механической обработ­ки канала втулок является зенкерование, при котором должны быть достигнуты 3-й класс точности и шерохо­ватость обработанной поверхности Rz^.20 мкм. Число втулок, не отвечающих этим требованиям вследствие специфики и неуправляемости процесса, достигает 15—20%.

Практика показывает, что овальность и конусность отверстия втулки могут быть исправлены хонингова­нием даже при применении обычных конструкций хо­нинговальных головок. Но изогнутость оси отверстия с применением обычных конструкций головок устранить не удается. Для выявления возможности интенсифика­ции процесса исправления исходной изогнутости оси втулок был уточнен характер искривления оси, разра­ботана специальная ужесточенная конструкция хонин­говальной головки (см. рис. 5) и найдена взаимосвязь технологических параметров с точностными показате­лями процесса. Обработка результатов измерения по­зволила выявить три вида искривления оси отверстия. Были спроектированы хонинговальные головки с длиной брусков 200 и 300 мм. Испытания на машиностроитель­ном заводе им. Ф. Дзержинского (г. Баку) показали, что обе головки позволяют устранить любой из трех видов искривления оси отверстия втулки.

Наилучшие результаты получены при работе хоном с длиной брусков 300 мм. В этом случае интенсивность исправления геометрических погрешностей формы по съему металла и времени выше, чем при работе хоном с длиной брусков 200 мм, особенно при так называемом коротком хонинговании, характеризуемом малой дли­ной хода возвратно-поступательного движения инстру­мента. Короткое хонингование при достаточной жестко­сти хона обеспечивает самые высокие показатели по исправлению исходных погрешностей по сравнению с дру­гими видами хонингования. Существующие конструкции хонов при малых длинах брусков не обеспечивают ис­правления изогнутости оси вследствие плавания хона по обрабатываемому отверстию. При больших длинах брусков для обработки отверстий малых и средних диаметров эти хоны не обладают достаточной жест­костью, в результате чего принимают форму изогнуто­сти обрабатываемого отверстия.

Рекомендуемый хон для исправления изогнутости оси глубоких точных отверстий, представляющий собой одноколодочную конструкцию высокой жесткости, при­веден на рис. 5.

Втулки в зависимости от размера, материала и вида термической обработки поступают на операцию хонин­гования с различными погрешностями геометрической формы. Ввиду неодинаковой сложности хонингования втулки следует разбить на четыре группы: 1) чугунные закаленные диаметром 43 мм; 2) стальные азотирован­ные толстостенные диаметром 28 и 38 мм; 3) стальные азотированные тонкостенные диаметром 32, 43, 55 мм; 4) стальные закаленные ТВЧ диаметром 43, 56, 68, 93 мм.

При хонинговании чугунных закаленных и стальных закаленных ТВЧ втулок количество снимаемого метал­ла не имеет решающего значения и сказывается лишь на переходе втулки из одного подразмера в другой. Подобный переход ограничивает возможность ремон­та и тем самым сокращает суммарную долговечность втулки. Однако это изменение долговечности настолько незначительно, что ею можно пренебречь.

Для стальных азотированных втулок величина съе­ма металла имеет решающее значение, так как твер­дость и износостойкость азотированного слоя металла резко снижаются в глубь от поверхности. Исправление исходных погрешностей формы отверстия в этом случае должно проходить с возможно минимальным съемом металла. Следует отметить, что азотированные втулки в зависимости от толщины стенки поступают на хонин­гование с различными геометрическими погрешностями: чем больше толщина стенки, тем меньше величина ука­занных погрешностей (у толстостенных втулок диамет­ром 28 и 38 мм величина погрешности значительно меньше, чем у тонкостенных, особенно у втулок диа­метром 43 и 55 мм). Промежуточное положение между двумя группами занимают втулки диаметром 32 мм, которые вследствие малого диаметра имеют небольшие (среди тонкостенных втулок) деформации.

Помимо толщины втулки на величину погрешностей формы отверстия оказывают влияние качество никеле­вого покрытия, равномерность азотации и точность предварительной обработки. Так как перечисленные факторы, в свою очередь, зависят от многих причин, управлять которыми в производственных условиях труд­но, то определенное количество втулок, а иногда и от­дельные партии дают ухудшенную геометрию как по конусности и овальности, так и по изогнутости оси от­верстия. На заводе часть вновь изготовленных втулок переходит в разряд реставрируемых, и они могут быть использованы только в ремонтных целях. К ним отно­сятся рихтованные втулки и втулки с геометрическими отклонениями свыше 30 мкм. Количество новых втулок, попадающих в брак и в разряд реставрируемых, состав­ляет 10—15%.

Практически единственной операцией, с помощью которой можно исправить в пределах снятого припуска погрешности формы отверстия и уменьшить потери от перевода втулок в разряд реставрируемых, является хо­нингование.

Наиболее правильным решением, обеспечивающим как экономический эффект, так и значительное улучше­ние качества изготовления втулок, является разбивка операции хонингования на предварительную и оконча­тельную. Предварительное хонингование необходимо для исправления больших исходных погрешностей фор­мы отверстия по овальности, конусности и изогнутости оси. Окончательное хонингование должно быть предна­значено для исправления малых погрешностей формы отверстия по овальности и конусности и снижения вы­соты неровностей обрабатываемой поверхности до тре­буемой шероховатости Rac0,32 мкм. Предварительно­му хонингованию должны быть подвергнуты не все втулки, а лишь те из них, которые имеют большие, не превышающие величину припуска погрешности формы.

Группирование втулок, подлежащих только окон­чательному или предварительному и окончательному хо­нингованию, производилось по показателю изогнутости оси отверстия, так как контроль данного параметра на заводе осуществляют почти после всех основных опера­ций и подобное разделение втулок не представляет большой сложности. Разделение тем более целесооб­разно, если принять во внимание, что наибольшие по­грешности формы отверстия по овальности и конусно­сти, как правило, наблюдаются у втулок, имеющих значительные отклонения по прямолинейности оси от­верстия.

Освоение и полное промышленное внедрение специ­альных ужесточенных конструкций хонинговальных го­ловок для исправления больших исходных погрешностей формы отверстия было осуществлено на машинострои­тельном заводе им. Ф. Дзержинского как при обработке чугунных, так и стальных втулок.

При освоении хона была обработана большая пар­тия (9000 шт.) чугунных втулок с изогнутостью оси от 50 до 180 мкм. При этом исследованы в производственных условиях показатели хонингования по съему в единицу времени, характер изменения погрешностей формы от­верстия по времени и съему металла и износ брусков, который определяли на основании всех обработанных втулок.

Исследование проводили следующим образом: из втулок, забракованных по изогнутости оси, были ото­браны втулки с показателями непрямолинейиости оси в пределах 55—120 мкм. Втулки перед хонингованием замеряли индикаторным нутромером в восьми сечениях по двум взаимно перпендикулярным плоскостям. Об­щее время хонингования принималось равным 1 мин. В течение этого времени втулки дважды (через каждые 30 с) снимали со станка и подвергали контролю. Ин­тенсивность исправления оси составила 1 мкм на каж­дые 1,06 мкм снятого металла. На основе проведенных работ был принят следующий технологический процесс алмазного хонингования чугунных закаленных втулок.

Втулки были разбиты на две группы: к первой груп­пе отнесены втулки с изогнутостью оси до 40 мкм, ко второй с изогнутостью оси 40—125 мкм. Первую группу втулок обрабатывали коротким хоном, оснащенным широкими брусками. Увеличение ширины бруска при прочих равных условиях повышает производительность хонингования и уменьшает удельный расход алмаза. Применялись алмазные бруски АСР 100/80 с кон­центрацией 50—100 на связках Ml, МС15.

Режимы резания у_Ок = 50-^60 м/мин, v_bu=15 м/мин, руд =12 кгс/см².

Втулки второй группы подвергались предваритель­ному и окончательному хонингованию. Предваритель­ную обработку канала втулки осуществляли специаль­ным хоном с длиной режущей части 300 мм (см. рис. 5) методом короткого хонингования.

Параметры процесса предварительного хонингова­ния: алмазные бруски АСР 250/200—100—Ml, МС15; режимы резания: ^ок^бО-т-бО м/мии, v_Bn — 5-f-6 м/мин, Руд = 3-^4 кгс/см².

Окончательное хонингование для второй группы вту­лок производилось так же, как и для первой группы.

Наиболее эффективным оказалось предварительное хонингование стальных азотированных втулок удлинен­ными хонами и хонами с широкими алмазными брус­ками. Предварительному хонингованию должна под­вергаться часть стальных азотированных втулок, имею­щих большие геометрические погрешности:           по

овальности 60— 100 мкм; конусности 80—120 мкм; изо­гнутости оси 40—100 мкм.

Целесообразность применения предварительного алмазного хонингования обусловлена высокой исправ­ляющей способностью алмазных брусков вообще и эф­фективностью специальных конструкций хонинговаль­ных головок с удлиненными и широкими брусками в особенности.

Коэффициент исправления k_u, полученный при обра­ботке опытных партий стальных азотированных втулок, колебался в пределах 0,8—0,85. Это обстоятельство особенно важно для стальных азотированных втулок, так как толщина азотированного слоя металла мала и, как правило, не превышает 0,4—0,5 мм, а допускае­мая величина слоя, подлежащего удалению при хонин­говании, должна быть не более 0,1 мм.

Оптимальные режимы резания были выявлены в результате лабораторных испытаний и откорректирова­ны при освоении и внедрении на машиностроительном заводе им. Ф. Дзержинского:

для предварительного хонингования v_OK = 40-^ -т-45 м/мин, у_Вп = 6-М2 м/мин, р_уд= l,5-f-2 кгс/см²;

для чистового хонингования у_Ок = 40ч-45 m/mith, v_bu = = 10ч-12 м/мин, р_уд = 4-=-6 кгс/см².

Подбор характеристик брусков производили экспе­риментально в лабораторных и производственных усло­виях. Наилучшие результаты по интенсивности съема металла и удельному расходу показали алмазные брус­ки АСР на связке MCI5. Несколько худшие результаты оказались у алмазных брусков АСВ на связке Ml.

В результате проведенной работы получены следую­щие средние данные по интенсивности съема металла Q и удельному расходу алмаза q: для брусков АСР- МС15 Q = 60 мкм/мин, <7 = 0,30 мг/г; для брусков АСВ- М1 Q = 56 мкм/мин, ^==0,62 мг/г.

Внедрение хонинговальных головок повышенной ис­правляющей способности на операциях предваритель­ного хонингования втулок позволило резко сокра­тить количество бракованных и реставрируемых вту­лок, повысить производительность и качество обра­ботки.