Новая технология производства горного инструмента
Традиционная конструкция горного инструмента включает корпус, содержащий посадочный хвостовик, и режущую поверхность с закреплённой на его острие твёрдосплавной вставкой. Стойкость горного инструмента зависит от стойкости твёрдосплавного наконечника и стойкости корпуса. Эти характеристики взаимосвязаны скоростью износа резца по длине. Наилучший результат достигается тогда, когда скорость износа твёрдосплавного наконечника равна скорости износа корпуса, и износ происходит равномерно по всему периметру. Опережающий износ корпуса приводит к вымыванию оболочки твёрдосплавной вставки, ее последующему выпадению и потере в забое.
До настоящего времени при изготовлении корпуса горного резца применяются технологии, основанные на резании или штамповке металла. В зависимости от технологии производства, корпус резца наследует свойственную этой технологии макроструктуру. Для производства корпуса резца используется пруток, полученный методом прокатки. Макроструктура исходного материала содержит непрерывные волокна, направленные вдоль образующей и примерно равномерно распределенные по сечению (рис.1).
При производстве корпуса резца из этого материала методом резания часть волокон вырезается, они утрачивают непрерывность (рис. 2), а это, как известно, существенно снижает общую прочность корпуса. На режущей части резца волокна выходят на образующую рабочей поверхности (А) под углом (γ). При последующей эксплуатации резца вдоль поверхности (А) действует сила трения (Q), направление действия которой совпадает с направлением образующей. Очевидно, что это обстоятельство вызывает снижение прочности материала в направлении действия силы трения. Величина снижения прочности пропорциональна синусу угла (γ).
При производстве корпуса резца методом штамповки пруток металла деформируется, при этом происходит «течение» материала. Преобладающим направлением течения материала является поперечное к оси симметрии и одновременно неравномерное. При горячей штамповке волокна сохраняют свою непрерывность (рис. 3), а при холодной – нарушается непрерывность значительной части волокон металла.
Как видно из рис. 3, макроструктура корпуса резца после горячей штамповки содержит две ярко выраженные зоны: зону (А), где волокна уплотнены к поверхности, а их направление практически совпадает с направлением силы трения (Q), и зону (В), где волокна удалены на более значительное расстояние, чем в зоне (А), и направлены под углом γ к направлению силы трения (Q). Износостойкость зоны (А) значительно выше, чем зоны (В); в результате, по периметру рабочей части резца возникают две разнопрочные зоны – (А) и (В), наличие которых обусловливает неравномерный износ резца по периметру его рабочей части. Это обстоятельство, вместе с возникающей несоосностью рабочей части и хвостовика резца, является основной причиной развития одностороннего износа с образованием выработки в виде кратера «К» или плоской поверхности (рис. 4). Резцы, на которых происходит односторонний износ рабочей части, перестают вращаться, их дальнейший износ происходит лавинообразно. На практике в шахтах резцы с явно выраженным односторонним износом сразу заменяются на новые, не дожидаясь полного их срабатывания.
Недостаточная стойкость резца зачастую закладывается в его конструкции, когда небольшая прочность материала режущей части корпуса компенсируется увеличенной массой этого материала на рабочей поверхности, призванной предотвратить его опережающий износ по отношению к твердосплавной вставке.
Специалистами ЗАО «Белтехнология и М» разработана новая технология клиновой прокатки корпуса резца, относящаяся к процессам горячего деформирования. При клиновой прокатке корпуса деформация заготовки осуществляется в радиальном направлении в процессе вращения заготовки. Течение материала направлено вдоль оси заготовки. Такая схема воздействия на заготовку позволяет формировать симметричную макроструктуру с непрерывными волокнами, уплотненными к поверхности и направленными вдоль образующей (рис.5).
Расположение волокон корпуса резца, полученного методом клиновой прокатки, указывает на возможность формирования макроструктуры, которая наилучшим образом удовлетворяет условиям эксплуатации резца и обеспечивает существенно более высокую его прочность, чем при применяемых в настоящее время методах точения и штамповки.
Промышленные испытания горного инструмента, изготовленного по новой технологии (клиновой прокаткой), проводились в шахтах ПО «Беларуськалий» (Солигорск) и Донецкого угольного бассейна.
На шахтах ПО «Беларуськалий» проводились сравнительные испытания резцов типа РКС-1, изготовленных методом резания и методом клиновой прокатки. В результате испытаний установлено, что износостойкость корпуса, полученного клиновой прокаткой, возросла в среднем на 30%. В результате, износ твердосплавного наконечника стал опережать износ корпуса. Во избежание такого опережения была изменена конструкция самого резца за счет уменьшения угла его заострения с 28° до 22° (рис.6). Уменьшение угла заострения резца, в свою очередь, сопровождалось снижением усилия резания на 5–10%, что позволило увеличить подачу на резец.
Результаты испытания резцов, полученные на калийных шахтах ПО «Беларуськалий», были использованы при разработке резцов для угольных комбайнов. Основываясь на данных стойкости резцов, изготовленных клиновой прокаткой и, используя аналогию в подходе, была разработана новая конструкция режущей части резца для угольных комбайнов. Конструкция отличается уменьшенным в среднем на 30% объемом рабочей части корпуса (рис.7) и уменьшенной на 60% площадью максимального сечения резца.
Результаты испытаний, проведенных на угольной шахте «Краснолиманская» (Украина), показали, что стойкость резцов, корпуса которых были получены клиновой прокаткой, возросла более чем в два раза.
