Робочий орган інструменту з твердосплавними вставками

1. Робочий орган інструменту із твердосплавними вставками, який містить породоруйнуючі вставки, які складаються з робочої головки і хвостовика, запресованого в гнізді (отворі) корпусу інструменту за допомогою проміжної втулки, який відрізняється тим, що отвір під вставку виконано двоступінчастим, втулку запресовано у ступінь отвору, ближчий до устя. 2. Робочий орган інструменту із твердосплавними вставками за п. 1, який відрізняється тим, що 3 мента за допомогою проміжної втулки із дном з отвором співвідношення розмірів якої складає: d d d 0,69 < 1 < 1; 0,4 £ 1 1 £ 0,5; d2d2 d2 де d1, d2 - натяги, що забезпечуються відповідно внутрішньою поверхнею втулки діаметром d1 та зовнішньою діаметром d2. Як варіант для забезпечення більш рівномірного розподілу напружень вздовж контактної поверхні хвостовика на боковій поверхні втулки із сторони дна виконується кільцева виточка, що забезпечує посадку з зазором. Недоліком існуючої конструкції є розміри отвору, втулки та вставки, при яких натяг може спричиняти як пружні, так і пластичні деформації. При збиранні елементів з'єднання із запропонованими співвідношеннями розмірів в послідовності, визначеній описом, у стінках тонкостінної втулки, особливо поблизу дна, при значеннях параметрів розмірів (натягів та діаметрів), запропонованих в конструкції, виникають значні напруження, що може призводити до значних пластичних деформацій та до розтріскування стінок втулки. Виточка внизу втулки розвантажує корпус (отвір), але рівномірність напружень у вставці не досягається за рахунок впливу дна втулки, що також є недоліком існуючої конструкції. Найближчою за отриманим результатом та технічною суттю є відома ріжуча вставка інструментів для руйнування породи [4], які включають корпус, робоча поверхня якого оснащена твердосплавними вставками, вставки закріплено в отворах робочої поверхні за допомогою захисної втулки з матеріалу, значно м'якшого за матеріал вставки; вставка монтується у захисну втулку наприклад із сталі, а складений елемент запресовується і / або сполучається з отвором на поверхні руйнуючого породу органу за допомогою пайки, втулка може мати пази або прорізи. Недоліком вирішення є не лімітовані натяги та їх відношення на меншому та більшому радіусах контакту, що може призводити як до виникнення високих еквівалентних напружень у втулці, так і до низьких значень радіальних напружень від натягу, які визначають силу тертя, що є головною силою утримування вставки в корпусі, ніяк не знімається недолік нерівномірного розподілу напружень вздовж осі з'єднання. Недоліком використання для закріплення паяного з'єднання є відносно низькі механічні характеристики матеріалу припою та п'яного шва. Недоліком також є значна різниця механічних характеристик матеріалів вставки та втулки, що може призводити до зминання втулки та втрати зубців через випадання. Метою корисної моделі є вдосконалення конструкції інструменту для руйнування породи, оснащеного твердосплавними вставними зубцями, для підвищення надійності закріплення зубця і зменшення величини еквівалентних напружень на границі контакту корпусу робочого органу інструменту та зубця, спрощення та прискорення монтажу зубців у тілі корпуса, зниження концентрації напружень біля устя отвору, вирівнювання величини напружень по висоті хвостовика зубця. 44935 4 Поставлена задача вирішується тим, що у відомому інструменті для руйнування породи робочий орган інструменту із твердосплавними вставками, який містить породоруйнуючі вставки, які складаються з робочої головки і хвостовика, запресованого в гнізді (отворі) корпусу інструмента за допомогою проміжної втулки, закріплення вставки та втулки виконується за рахунок натягів між отвором та зовнішньою поверхнею втулки і хвостовиком вставки та внутрішньої поверхні втулки, які проектуються при виборі розмірів хвостовика зубця, отвору та внутрішньої і зовнішньої поверхонь втулки пропонується отвір під вставку робити двохступінчастим, у ступінь більшого діаметра, ближчу до устя отвору, запресовується втулка, а розміри втулки, отвору та хвостовика зубця підбирати так, щоб забезпечити достатній рівень радіальних напружень при одночасному забезпеченні рівня еквівалентних напружень, за теорією найбільших дотичних напружень або енергетичною теорією міцності, нижчого за обраний гранично допустимий рівень. Варіантом закріплення є виконання отвору триступеневим, де перша (верхня) ступінь циліндрична або конічна або частина поверхні тора чи іншої поверхні обертання, друга меншого діаметра - циліндрична, в другу ступінь запресовано втулку, третя (нижня) ступінь циліндрична номінального діаметра з'єднання з натягом "твердосплавна вставка- отвір". Закріплення відбувається за рахунок натягу між хвостовиком зубця і ступінню меншого діаметра отвору в тілі корпуса, та натягів, які виникають між зовнішньою поверхнею втулки та поверхнею середньої ступені більшого діаметра отвору в тілі корпуса і зовнішньою поверхнею хвостовика зубця та внутрішньою поверхнею втулки. Розміри поверхонь підбираються аналогічно попередньої конструкції. Варіантом вказаних вище конструкцій є використання втулки, що має розмір висоти вздовж осі більший глибини отвору, в якому вона (втулка) запресована. Діаметральні розміри поверхонь підбираються аналогічно попереднім конструкціям. Варіантом запропонованих конструкцій є конструкція з виконаною на зовнішній поверхні втулки зі сторони дна отвору фаскою з кутом 10-15° і висотою, яка забезпечує з'єднання з зазором в площині нижньої основи втулки. Використання проміжної втулки дає можливість керувати напруженим станом деталей підбором співвідношень розмірів та натягів за рахунок відомого ефекту компенсації напружень від дії тиску на внутрішній поверхні циліндра у багатокомпонентному циліндрі дією натягу між компонентами циліндра. Дія вказаного ефекту спричиняє підвищення радіальних з одночасним зниженням колових напружень, за рахунок чого досягається збільшення сили утримування вставки в отворі з одночасним зниженням еквівалентних напружень. Радіус зовнішньої поверхні втулки більший радіуса вставки, що веде до вирівнювання напруженого стану елементів з'єднання, зниження концентрації напружень від контакту відносно з'єднання без проміжної втулки. 5 Відомо, що розподіл напружень на поверхні контакту двох циліндричних тіл вздовж висоти з'єднання є нерівномірним, зокрема для з'єднань з глухим отвором спостерігається підвищення рівня напружень вздовж висоти отвору / закріплення від устя до дна отвору, що пояснюється зміною граничних умов. Таким чином, навіть при з'єднанні, спроектованому з оптимальним натягом виникає небезпека перевищення границі міцності матеріалів при дні отвору та / або недостатнього натягу при усті отвору. Використання ступінчастого отвору з поміжною втулкою для закріплення у ступені більшого діаметра дозволяє досягти вирівнювання напруженого стану по висоті хвостовика вставки. Відомо, що при усті отвору виникає концентрація напружень, яка особливо проявляється з прикладенням експлуатаційного навантаження. У вставці в зоні концентрації напружень виникає складний навантажений стан, що призводить до небезпеки розтріскування матеріалу вставки з подальшим розвитком магістральної тріщини та сколюванням робочої головки. Для зменшення концентрації напружень рекомендують знижувати жорсткість корпусу в межах устя отвору формуванням кільцевої виточки, створенням конічного виступу, тощо. Використання втулки, вищої за глибину отвору, в якому вона кріпиться формує навколо вставки кільце пониженої жорсткості, що дозволить досягти зниження концентрації напружень та запобігти небезпеці сколювання робочої головки зубців. Створення третьої ступені отвору поблизу устя є варіантом підвищення надійності закріплення вставки при одночасному пониженні жорсткості та концентрації напружень, яка виникає внаслідок зміни діаметрів, у вставці поблизу устя отвору. Зниження концентрації напружень при дні отвору дозволить зменшити ризик розтріскування корпусу. Цього можна досягти обточуванням по низу втулки. Але формування ступені на втулці може спричинити виникнення локальної концентрації напружень, погіршити складання конструкції. Плавний перехід від низьких натягів до підвищених дозволяє суттєво вирівняти розподіл напружень по висоті з'єднання, конічна поверхня сприяє самоцентруванню вставки в отворі. Пропоноване створення, в необхідних випадках, конічної фаски на зовнішній поверхні втулки сприятиме покращенню монтажу та вирівнюванню напружень. Розрахунки та відомі експериментальні дослідження показують, що кут фаски для покращення монтажу має бути в межах 15°, при більших кутах відбувається зминання та / або зрізування поверхневого шару отвору при складанні, що призводить до нерегульованого зниження проектованого натягу та послаблення закріплення зубця. Якщо кут менше 15° вплив ребра на переході від конічної поверхні фаски до циліндричної бокової поверхні практично нівелюється, виникає незначна концентрація напружень. Виконання фаски поблизу верхнього торця втулки 3, однакової з глибиною отвору висоти, може призводити до зниження сили утримування та локальних зміщень вставки і втулки, що може призводити до втрати вставки. Формування такої фаски на втулці, що виступає з отвору, зменшить 44935 6 жорсткість, але може призводити до розтріскування втулки. Основною силою, що утримує вставку в отворі, при з'єднанні з натягом виступає сила тертя. Сила тертя залежить від значення нормальної сили та коефіцієнта тертя. Нормальна сила у з'єднанні, що розглядається, виникає внаслідок дії натягів. Для підвищення коефіцієнта тертя можна використовувати підготовку контактуючих поверхонь перед складанням. Такою підготовкою може слугувати нанесення покрить (напр., гальванічним способом), очищення та знежирювання поверхонь (промивання розчинниками на зразок уайт-спіриту, ацетону), прожарювання поверхонь сталевих деталей до утворення окалини, обробка поверхонь пастами з вмістом абразиву. Перераховані засоби дозволяють підвищити коефіцієнт тертя незалежно від зміни нормальної сили або підвищити адгезію поверхонь, ефект від останнього особливо проявляється при підвищенні нормальної сили. Тобто, варіантом вказаних вище конструкцій є конструкція, контактуючі поверхні деталей якої оброблено для підвищення тертя / адгезії. На Фіг. 1 зображено головний вигляд робочого органа інструмента на прикладі шарошки долота в зборі з зубцями, на Фіг. 2. - вигляд А Фіг. 1: запропонована конструкція з'єднання в зборі при двохступеневому отворі, втулка однакової з отвором висоти, на Фіг. 3 та Фіг. 4 - вигляд А Фіг. 1: запропоновані конструкції з триступеневим отвором та, відповідно, втулкою однакової з отвором висоти та виступаючою над устям отвору на Фіг. 5 "рознесене" з'єднання, втулка з виконаною біля нижньої основи фаскою. Породоруйнівний інструмент або його робочий орган (напр. шарошка, Фіг. 1) містить корпус 1, на робочій поверхні якого виконано отвори для закріплення твердосплавних вставок 2. Вставки 2 виконано з хвостовиком 3, який використовується для закріплення вставки в отворах корпуса 1, та з робочою головкою 4, якою здійснюється головна корисна функція (безпосередня обробка породи, напр.) інструмента. Робоча головка 4 залежно від призначення та умов роботи інструменту може виконуватись різноманітних форм та розмірів, наведені на Фіг. 2, Фіг. 3, Фіг. 4 та Фіг. 5 форми та розміри робочої головки є лише прикладами. Для закріплення вставок 2 у отворах корпусу 1 використовуються втулки 5; втулка займає призначену для її монтажу ступінь отвору. Двоступеневий отвір виконується із ступенями більшого 6 та меншого 7 діаметрів, триступеневий - 6, 7 та 8. Зносостійкі твердосплавні вставки 2 закріплюють у корпусі 1 наступним чином. У корпусі 1 виконують циліндричний двоступеневий отвір. Дно отвору плоске або із слідом від свердла. Діаметр основи сліду від свердла має бути меншим діаметра основи хвостовика твердосплавної вставки. Отвір виконують за прийнятою на виробництві інструмента технологією із забезпеченням необхідної точності. Ступінь 6, призначена для монтажу втулки 5, має мати плоске дно. Втулка 5 може бути виготовлена із заготовкипрутка механічною обробкою, може бути виготов 7 лена штампуванням або з безшовних трубок. Виготовлені механічною обробкою втулки необхідно піддати термообробці, напр., покращенню, внутрішні поверхні бажано обробити дорнуванням, зовнішні обкатати роликами. Взагалі, при необхідності калібрування для досягнення необхідного розміру, слід надавати, при можливості, перевагу обробці з поверхневим пластичним деформуванням, замість механічної обробки. За можливості вибору варто надавати перевагу втулкам, виготовленим за допомогою штампування або із трубок. Обробка твердосплавних вставок 2 повинна забезпечувати необхідний рівень їх точності, перевагу слід надавати шліфованим. Для полегшення складання та покращення якості з'єднання варто охолодити втулку 5 за допомогою твердої вуглекислоти, твердосплавну вставку 2 за допомогою рідкого азоту. Корпус 1 на складання поставляти одразу після завершення операції термообробки. Таким чином досягається різниця температур деталей, при якій за рахунок термічного стискання та розширення проектовані натяги практично нівелюються. Додатковою перевагою є відомий ефект покращення структури та механічних властивостей металевих деталей при обробці переохолодженням. Отже, створення з'єднання проводиться наступним чином: 1) охолодити твердосплавні вставки рідким азотом; 2) охолодити втулки твердим вуглекислим газом; 3) монтувати втулки в отвори, а потім вставки у отвори із втулками за допомогою преса. При використанні посадок з зазором, між внутрішньою поверхнею втулки та поверхнею хвостовика вставки, до складання можна обидві деталі охолоджувати твердим вуглекислим газом. Можлива послідовність складання: 1) втулка 5 насаджується на твердосплавну вставку 2, а потім разом монтуються у отвір чи 2) втулка 5 монтується у отвір, а потім монтується вставка 2. Вибір варіанту послідовності складання залежить від співвідношення натягів між хвостовиком 3 та внутрішньою поверхнею втулки і отвором та зовнішньою поверхнею втулки, обраних серед можливих. У складеному стані з'єднання утримується за рахунок дії натягів між хвостовиком 3 та внутрішньою поверхнею втулки 5 та зовнішньо поверхнею втулки 5 і отвором. Така послідовність та технологія складання сприяє зменшенню необхідної потужності пресів для створення з'єднань, а також зменшенню ймовірності пошкодження контактних поверхонь. Без 44935 8 термічної/кріо підготовки деталі складаються за допомогою преса. В будь-якому випадку вставки та втулки монтуються до упора в дно. Вибір варіанту послідовності складання також аналогічний попередньому варіанту. У складеному стані з'єднання утримується за рахунок натягів між хвостовиком 3 та внутрішньою поверхнею втулки 5 та зовнішньою поверхнею втулки 5 і отвором у ступені більшого діаметра 6 та за рахунок натягу між хвостовиком 3 та ступінню отвору меншого діаметра 7. При бурінні у контакті з породою перебуває робоча головка 4 зубця 2, навантаження передаватиметься від робочої головки хвостовику 3, від якого через втулку 5 та дно отвору передаватиметься тілу інструмента 1. Вирівнювання напружень по висоті з'єднання та зниження напружень розтягу в тілі інструмента 1 поблизу отвору сприятиме більш надійному утримуванню твердосплавних вставок в отворах, що дозволить підвищити надійність інструмента в цілому та знизити відсоток втрачених вставок. При армуванні інструмента з використанням втулки, висота якої більша глибини ступені отвору, в якому закріплено втулку 5, додатково зменшиться концентрація напружень у тілі вставки, що сприятиме зменшенню сколювання робочих головок 4 твердосплавних вставок. Корисна модель може бути застосована і в інших галузях, крім бурового інструменту, де застосовується інструмент, робочі органи якого оснащено твердосплавними вставками. Посилання: 1. Patent 4854405 United States, ІРС4 Ε21В10/52. Cutting tools /Donald S. Stroud; assignee American National Carbide Company. - № 07/140539; filed 04.01.1988; patented 08.08.1989. 2. A.c. 909100 СССР, МКИ3 Ε21В10/16. Породоразрушающий орган /Линдо Г. В., Одинец С. И., Подкопаев П. А. и др. (СССР). -№ 2967714/22-03; заявл. 30.07.1980; опубл. 28.02.1982, Бюл № 8. 3. А. с. 1303696 СССР, МКИ4 Ε21В10/46. Породоразрушающая вставка /С. Е. Алексеев, А. П. Геде (СССР). - № 2872267/22-03; заявл. 25.03.1985; опубл. 15.04.1987, Бюл № 14. 4. Patent 3693736 United States, IPC1 Ε21С13/01. Cutter insert for rock bits /Jimmy D. Gardner; assignee Mission Manufacturing Company. -№ 04/855208; filed 04.09.1969; patented 26.09.1972. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 44935 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601