Введение
В современном нефтегазовом машиностроении к качеству резьбовых соединений труб предъявляются повышенные требования, определяемые условиями эксплуатации в агрессивных средах и при значительных механических нагрузках. Герметичность и несущая способность резьбового соединения в значительной степени формируются на операциях механической обработки, среди которых ключевое место занимает обточка конуса (конусность 1:16 по стандарту API 5B) [1], являющаяся подготовительной перед нарезанием резьбы. Точность геометрии конуса, параметры шероховатости и состояние поверхностного слоя непосредственно влияют на последующее формирование резьбового профиля и, как следствие, на надёжность соединения в целом. Проблема обеспечения стабильности процесса обточки конуса приобретает особую значимость при переходе на трубы высоких групп прочности (Q125, Q135 и выше), материалах которых характеризуется повышенным содержанием легирующих элементов (Cr, Mo, V, Ni) и достижением предела текучести до 1100…1200 МПа. Обработка таких сталей сопряжена с интенсивным абразивным и адгезионным износом инструмента, высокой тепловой нагрузкой и склонностью к вибрациям. В условиях серийного производства, где партии труб могут иметь существенную вариацию свойств даже в пределах одной группы прочности, стойкость режущего инструмента подвержена существенным колебаниям –
до 2 – 3 раз, что приводит к его внеплановым заменам, снижению производительности и росту брака.
Анализ литературных источников показывает, что вопросам обработки высокопрочных сталей посвящено значительное количество работ. В исследованиях [2, 3, 13] рассмотрены общие закономерности износа твердосплавного инструмента при точении сталей с временным сопротивлением выше 800 МПа. Установлено влияние содержания карбидообразующих элементов на интенсивность абразивного изнашивания. Работы [4 – 7] фокусируются на тепловых процессах в зоне обработки и показывают, что повышение прочности на 10 % может увеличить температуру резания на 15…20 %. В работах [8 – 10] исследована роль покрытий (в частности, CVD и PVD) в повышении стойкости инструмента при обработке легированных сталей, отмечено, что многослойные структуры с наружным слоем Al₂O₃ обеспечивают лучшую термобарьерную защиту. Однако большинство этих исследований выполнено на лабораторных образцах с контролируемыми свойствами и не учитывает стохастический характер распределения характеристик обрабатываемого материала в практике машиностроительных производств.
Отдельное направление представляют работы, посвящённые технологической наследственности и влиянию предшествующих переделов на обрабатываемость [11, 12]. Показано, что свойства заготовок после металлургического производства, обработки давлением и термической обработки могут существенно различаться не только от партии к партии, но и в пределах одной заготовки. Для бесшовных горячедеформированных труб характерны ликвационные неоднородности, неравномерность деформации по сечению и длине, а также градиенты структурного состояния после термообработки. Эти факторы, накапливаясь, формируют сложную картину распределения механических свойств, учет которой в традиционных технологических расчётах, как правило, затруднителен.
Несмотря на накопленный научный задел, остаются недостаточно изученными вопросы совместного влияния вариации механических характеристик, колебаний химического состава в пределах стандартных допусков и динамических факторов (вибрации, геометрическая нестабильность заготовки) на стабильность стойкости при контурной обработке труб. Особенно актуальным является определение веса этих факторов и разработка на этой основе практических рекомендаций, адаптированных к условиям автоматизированного производства.
Цель настоящей работы – провести комплексный количественный анализ набора факторов, определяющих нестабильность стойкости инструмента при обточке конуса труб высоких групп прочности, с использованием современных методов исследования инструментальных материалов и статистической обработки данных, с акцентом на распределение свойств обрабатываемого материала, конструктивные особенности инструмента и динамику процесса, и предложить возможные пути повышения стабильности операций.
Объекты и методы исследования
Исследование выполнялось на бесшовных горячедеформированных трубах наружным диаметром 198…245 мм, толщиной стенки 8…15 мм, относящихся к следующим группам прочности по классификации API [1]: N80 – предел текучести 552…655 МПа; R95 – предел текучести 655…758 МПа; P110 – предел текучести 758…965 МПа; Q125 – предел текучести 862…1034 МПа, сложнолегированная сталь; Q135 – предел текучести 931…1138 МПа, легирование аналогично Q125 с повышенным содержанием карбидообразующих элементов.
Операция обточки конуса выполнялась на токарном станке с ЧПУ «MAZAK Slan Turn Nexus 500M». Схема базирования предусматривала закрепление в трехкулачковом пневматическом патроне с использованием самоустанавливающегося люнета. Режимы резания назначались по картам наладки: скорость резания v = 120…180 м/мин (дифференцированно по группам прочности); продольная подача
So = 0,8…1,5 мм/об; глубина резания предварительная t = 1,5…1,2 мм; чистовая
t = 0,5…1,0 мм. Обработка велась с применением смазочно-охлаждающей жидкости (эмульсия 5…8 %).
В работе использовались сменные многогранные твердосплавные пластины (СМП) специальной формы усеченного квадрата
(рис. 1) с главным углом в плане φ = 23 °, радиусом при вершине r = 4,0 мм, передним углом γ = 20° по ширине защитной фаски 0,2 мм и задним углом γ = 7 °.
Пластины изготовлены из вольфрамотитанокобальтового твердого сплава с многослойным износостойким покрытием, нанесенным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) и соответствуют группе применения P20-P25 согласно классификации
ISO 513.
С использованием электронного растрового микроскопа, который предназначен для количественного морфологического анализа, измерений линейных размеров микрорельефа поверхности твердотельных структур и локального электронно-зондового анализа – были проведены исследования химического состава слоев износостойкого покрытия, а также твердосплавной основы пластин.
На рис. 2 представлены фотографии поперечного шлифа пластин группы применения Р20, где четко видна многослойная структура: нижний слой TiCN (точка 2) и наружной слой Al2O3 (точка 1) (рис. 2, а). Результаты исследования поперечного шлифа пластин группы применения Р25 (рис. 3, а) показывают следующий состав покрытия: нижний слой TiС (точка 1), промежуточный слой – граничная область слоя TiC с диффузией Al (точка 2) и наружной слой Al2O3 (точка 3).
Анализ данных сертификатов качества обрабатываемых заготовок (табл. 1) показал, что абсолютный разброс предела текучести в пределах одной группы прочности достигает 100…200 МПа, что составляет 10…15 % от среднего значения. Коэффициент вариации при этом не превышает 5 %, что свидетельствует о статистической однородности партий. Однако даже столь ограниченная вариация может оказывать существенное влияние на процесс резания, поскольку сила резания, согласно классическим зависимостям теории резания
[5, 6], пропорциональна временному сопротивлению обрабатываемого материала в степени, близкой к единице. Для трубных сталей изменение предела текучести σ0,2 на 10 % приводит к изменению главной составляющей силы резания Pz на 12…18 % (с учетом влияния наклепа) [7].
Соответственно, рост сил резания сопровождается:
– увеличением температуры в зоне резания (на 40…80 °C при изменении σ0,2 на
100 МПа);
– повышением контактных напряжений на передней и задней поверхностях инструмента;
– интенсификацией абразивного износа и, при достижении критических значений, переход к усталостному выкрашиванию.
Важно отметить, что приведённые в табл. 1 данные представляют собой результаты стандартных испытаний механических свойств, проводимых на образцах из труб, и отражают интегральные характеристики материала. Однако реальная картина распределения свойств внутри одной трубы значительно сложнее. Как показано в работах [11, 12], для бесшовных горячедеформированных труб характерна анизотропия и неоднородность механических свойств по длине и периметру заготовки. Причинами могут выступать ликвационные явления при разливке стали, приводящие к неравномерному распределению легирующих элементов по сечению; неравномерность деформации при прошивке и прокатке, формирующая градиент структурного состояния; термическая обработка (нормализация, закалка с отпуском), которая при неравномерном нагреве или охлаждении создаёт разницу в размере зерна и фазовом составе.
По данным технического контроля, разброс предела текучести в пределах одной трубы может достигать 50…80 МПа, а по длине трубы – до 100 МПа. В сочетании с исходной вариацией между трубами это создаёт сложное поле свойств, которое в процессе обработки проявляется в виде локальных колебаний сил резания и тепловыделения. Особенно остро эта проблема стоит для высокопрочных групп (Q125, Q135), где даже небольшие изменения характеристик механической прочности приводят к значительному изменению параметров обрабатываемости.
В пределах каждой группы прочности фактическая стойкость инструмента обратно коррелирует с величиной предела текучести σ0,2. Таким образом, механические свойства остаются значимым фактором нестабильности для механообрабатывающего производства, несмотря на достаточную однородность для процессов изготовления металлургических заготовок.
В отличие от механических свойств, содержание легирующих элементов в пределах допусков API 5CT [1] может изменяться в значительно более широких пределах, особенно для высокопрочных групп. Карбидообразующие элементы (Cr, Mo, V) повышают абразивную способность материала [13], никель увеличивает вязкость и склонность к адгезии. Совместное действие этих факторов усиливает чувствительность процесса к колебаниям химического состава, тем самым может приводить к снижению стойкости инструмента и увеличению нестабильности процесса резания.
Для каждой группы прочности обрабатываемого материала на основе экспериментальных данных была определена средняя стойкость 1 режущей грани на количество обработанных концов труб и коэффициент вариации соответственно (табл. 2). Коэффициент вариации определялся по формуле
Cv = σ/μ·100·%.
Для групп прочности N80, R95, P110 коэффициент вариации стойкости составляет 12…17 %, что соответствует стандартной технологической стабильности. Для групп Q125 и Q135 коэффициент вариации достигает
25…35 %, что в 2 раза выше и может свидетельствовать о нестабильности процесса обработки.
Визуальный анализ режущих пластин после эксплуатации также выявил принципиальные различия в механизмах и характере износа.
На рис. 4 и рис. 5 представлен внешний вид твердосплавной пластины после обработки 65 конусов из стали группы N80 и после обработки стали группы P110 (42 конуса) соответственно. Износ равномерный по задней поверхности, отсутствуют сколы, выкрашивания и недопустимые дефекты.
На рис. 6 приведена фотография пластины после обработки 22 конусов из стали группы Q125. Наблюдаются множественные сколы режущей кромки, выкрашивание покрытия на передней и задней поверхностях, неровная линия износа. Рис. 7 демонстрирует пластину после обработки стали группы Q135
(18 конусов) – разрушение режущего клина в точке контакта.
Такой характер износа указывает на действие ударных и циклических нагрузок, превышающих пределы прочности инструментального материала. Причины – сочетание высокой прочности, наличия твердых карбидных включений на основе хрома, молибдена и ванадия в обрабатываемом материале и динамической нестабильности технологической системы, которая усиливается при обработке труб с повышенной овальностью и разностенностью.
На основе проведенного анализа могут быть предложены следующие направления повышения стабильности процесса механической обработки:
Применение адаптивного управления на основании:
– мониторинга мощности резания, где отклонение от заданного значения будет сигнализировать об изменении в процессе обработки и на основе этого управление рабочей подачей;
– поддержание постоянной скорости резания для компенсации изменения диаметра при обточке конуса, тем самым стабилизируя тепловую нагрузку в зоне резания.
Для технологической подготовки производства и адаптивного управления процессом резания, планируется разработка математических моделей, позволяющих достичь снижения коэффициента вариации стойкости режущего инструмента и включающих в себя физико-статистические зависимости силы резания от свойств обрабатываемого материала. Такие модели позволяют перейти от эмпирического назначения режимов к научно-обоснованному управлению процессом обработки.
Выводы
- Обоснована актуальность проблемы технологического обеспечения стабильности операции наружной обточки конуса под резьбу при обработке трубных заготовок на станках с ЧПУ.
- Выполнено исследование стохастического характера распределения механических свойств обрабатываемых материалов, и, соответственно, нестабильной обрабатываемости на операции наружной обточки конуса.
- Приведены возможные пути повышения стабильности механической обработки и стойкости режущего инструмента посредством совершенствования технологической подготовки производства и адаптивного управления.
