Особенности выбора резцов для разрушения твердых и мягких пород

 

Резцы – это сменные элементы бурового инструмента, которые контактируют с горной породой и обеспечивают ее разрушение и удаление. Они должны иметь высокую износостойкость, твердость, тугоплавкость и устойчивость к эксплуатационным нагрузкам. В зависимости от способа бурения, типа и крепости горной породы, применяются изделия с различными параметрами по форме, размерам, материалу и геометрии.

 

Использование твердых сплавов в буровой технике

 

 

Твердые сплавы – это композитные материалы, состоящие из прочных зерен карбидов, нитридов или боридов металлов (вольфрама, титана, тантала и др.) и связующей фазы из кобальта, никеля или железа. Они обладают высокой твердостью (85−93 HRA), износостойкостью, тугоплавкостью (850−1300 °C) и устойчивостью к коррозии. Твердые сплавы широко применяются для изготовления резцов для бурового инструмента различных типов: шарошечных, лопастных, роликовых, корончатых, дисковых и др.

 

Спеченные сплавы получают путем прессования и спекания порошков смеси компонентов при высоком давлении и температуре. Литые – путем литья расплава на поверхность инструмента или наплавки газопламенным (электродуговым) методом.

 

Существуют различные марки твердых сплавов, которые классифицируются по составу, содержанию связующей фазы и назначению:

 

• ВК – однокарбидные вольфрамо−кобальтовые;

• ТК – двухкарбидные титано−вольфрамо−кобальтовые сплавы;

• ТТК – трехкарбидные титано−тантало−вольфрамо−кобальтовые.

 

Цифры после букв обозначают процентное содержание кобальта или карбида титана. Например, ВК6 – соответствует концентрации 6% кобальта. ТК15К8 – обозначает 15% карбида титана и 8% кобальта.

 

Выбор марки твердого сплава для резца зависит от типа бурения, категории и абразивности горной породы, скорости резания, других факторов. В общем случае, чем больше крепость и абразивность породы, тем выше должна быть твердость и износостойкость резца. Однако при слишком высокой твердости рабочего инструмента может снижаться его ударная вязкость и повышаться риск образования трещин и сколов. Поэтому необходимо подбирать оптимальный баланс между рассмотренными параметрами, а также учитывать температурный режим в процессе выполнения рабочих операций.

 

Геометрические параметры резцов

 

 

Геометрические параметры определяют форму и размеры режущей части инструмента, а также углы, под которыми расположены передняя, задняя и боковые поверхности относительно плоскости резания. Они влияют на следующие контрольные показатели:

 

• процесс разрушения породы;

• силы резания;

• износ и температуру инструмента;

• шероховатость обработанной поверхности;

• амплитуду колебаний и др.

 

Основными геометрическими параметрами резцов являются:

 

• передний, задний и боковой угол – γ, α и β;

• радиус закругления – кривизна передней поверхности вблизи вершины;

• длина, ширина и высота грани (передней части) – l, b и h.

 

Выбор показателей геометрии зависит от типа выполняемой технологии бурения, категории горной породы, других факторов. В общем случае, чем выше крепость и абразивность породы, тем меньше должен быть передний угол и больше задний угол. Чем больше скорость резания, тем больше должен быть радиус закругления и меньше длина грани. Чем больше давление на забой, тем больше должна быть ширина грани и высота грани.

 

Увеличение сечения повышает прочность инструмента. Но следует учитывать соответствующий рост сопротивления породы. При прохождении слоев средней твердости рекомендуется сочетание широких (отбойных) и узких (врубовых) резцов. Это улучшает энергетические показатели процесса бурения.

 

Износ резцов

 

 

Износ резцов – это процесс изменения формы и размеров режущей части инструмента вследствие контакта с горной породой при бурении. Этот негативный процесс:

 

• снижает эффективность выполняемых работ;

• увеличивает силы резания и амплитуду колебаний инструмента;

• повышает температуру;

• ухудшает качество обработанной поверхности.

 

Особенности разных видов износа:

 

• абразивный – стирание режущей кромки под действием твердых частиц горной породы или бурового шлама;

• диффузионный – перенос атомов металла из инструмента в горную породу или наоборот под действием высокой температуры и давления;

• адгезионный – обусловлен прилипанием частиц горной породы к поверхности резца;

• ударный – разрушение рабочей кромки под действием ударных нагрузок.

 

Для предотвращения или снижения износа резцов применяют различные способы;

 

• выбор оптимального материала и геометрии для данного типа бурения и горной породы;

• использование смазки и охлаждения;

• проведение периодической замены или заточки инструмента.

 

Эффективный отвод избыточного тепла предотвращает разрушение твердых сплавов на основе вольфрама со связующим кобальтом. Этот материал размягчается при сравнительно небольшом нагреве. Для примера приведем критическую температуру и соответствующее содержание кобальта:

 

• 1200 °С – 3%;

• 840 °С – 4%;

• 470 °С – 8%.

 

Применение промывочной жидкости существенно улучшает эффективность охлаждения. Но следует учитывать негативное воздействие примесей, которые увеличивают вязкость и абразивные свойства раствора. Коэффициент трения можно уменьшить олеатом натрия, другими гидрофобизирующими добавками.

 

Для контроля и оценки износа резцов используют различные методы:

 

• визуальный осмотр;

• измерение геометрических параметров, веса и объема изделий, определение твердости и микроструктуры материала;

• анализ химического состава поверхности.

 

Во избежание длительного простоя буровых работ рекомендуется поддерживать на стройплощадке необходимый запас расходных материалов, особенно резцов. В этом поможет широкий ассортимент расходных материалов для буровых работ в тематическом разделе каталога ООО «Бурсервис».