ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ КОНИЧЕСКОЙ РЕЗЬБЫ

Полезная модель относится к области комбинированной обработки металлов и может быть использована при восстановлении и/или упрочнении резьбовых поверхностей бывших в эксплуатации деталей и изделий, в частности, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб и муфт к ним, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых поверхностей новых деталей и изделий.
Известен инструмент для восстановления конических резьбовых соединений, например, нефтепромысловых труб, содержащий резьбовую рабочую поверхность, ответную обрабатываемой резьбе, с пазами, расположенными на рабочей поверхности и пересекающими направления ниток резьбы, с упрочняющим износостойким покрытием, нанесенным на рабочую поверхность полосами определенной толщины и ширины вдоль пазов на передние, задние контактные поверхности резьбы, на ее вершины и впадины. При этом инструмент может быть выполнен в виде метчика или плашки (патент РФ №2141890).
Известен также инструмент для ультразвуковой обработки, используемый в устройстве для восстановления резьбовых элементов нефтепромысловых труб. Инструмент расположен на четвертьволновом участке волновода и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, с пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания обрабатываемой резьбы (патент РФ №2270744).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является известный инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы, представляющий собой волновод (судя по описанию и чертежам, полый или частично сплошной), на выходном четвертьволновом участке полой части которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе и соответствующая нормативам конусности, среднего диаметра в основной плоскости, угла профиля и шага для обрабатываемой резьбы, причем рабочая резьбовая поверхность снабжена дополнительным резьбовым участком, расположенным со стороны заходного витка рабочей резьбовой поверхности, а длина дополнительного участка не менее величины шага резьбы, но не более величины сбега, нормативной для обрабатываемой резьбы (патент РФ №42460).
Инструментом предлагаемого профиля обеспечивается упрочнение далеко отстоящих друг от друга рабочих витков резьбы и, как следствие, увеличение базовой длины сопряжения резьбового соединения.
Размер полости (при целиком трубчатом инструменте - длина инструмента) в патенте не оговаривается. Выполнение инструмента трубчатым способствует эффективности отвода тепла от волновода и вывода стружки и загрязнений из зоны обработки, но уменьшает его динамическую устойчивость, что повышает долю побочных колебаний. Повышение доли побочных колебаний, с одной стороны, увеличивает эффективность снижения шероховатости резьбы, но, с другой стороны, может снизить мощность колебаний основного направления и обусловить меньшую производительность процесса по сравнению с выполнением инструмента сплошным.
Техническая задача полезной модели - устранение указанных недостатков.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в повышении производительности процесса и доли резьбовых элементов, признаваемых после обработки годными к эксплуатации, при сохранении эффективности отвода тепла от волновода и вывода стружки и загрязнений из зоны обработки.
Указанный технический результат достигается тем, что в инструменте для ультразвуковой обработки конической резьбы, представляющем собой волновод, на выходном четвертьволновом участке полой части которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе и соответствующая нормативам конусности, среднего диаметра в основной плоскости, угла профиля и шага для обрабатываемой резьбы, причем рабочая резьбовая поверхность снабжена дополнительным резьбовым участком, расположенным со стороны заходного витка рабочей резьбовой поверхности, а длина дополнительного участка не менее величины шага резьбы, но не более величины сбега, нормативной для обрабатываемой резьбы, отличающийся тем, что длина полой части волновода составляет целое четное число четвертей волны с точностью до одной десятой длины волны, а средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую, с точностью до 20%, равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы.
Инструмент, предпочтительно, выполнен с возможностью сменного крепления непосредственно к электроакустическому преобразователю ультразвуковых колебаний или к собственному волноводу блока электроакустического преобразователя, или к волноводу, промежуточному, подводящему колебания от электроакустического преобразователя, например, с возможностью центрального осевого резьбового крепления или инструмент может быть снабжен узловым пояском для обеспечения возможности крепления в виде стяжки узловых поясков.
Инструмент, предпочтительно, выполнен составным. При этом его составные части могут быть снабжены узловыми поясками, а соединение составных частей выполнено в виде стяжки узловых поясков. Кроме того, соединение составных частей может быть выполнено резьбовым или пайкой.
Инструмент может быть выполнен в виде метчика или в виде плашки.
Предпочтительно, инструмент имеет, по меньшей мере, один паз, выполненный пересекающим рабочую зону.
Инструмент имеет особенности формы профиля резьбовой поверхности рабочей зоны такие, как показано на фиг.1 и 2 в описании патента РФ №42460.
Когда длина полой части инструмента составляет целое четное число четвертей волны, полая часть становится самостоятельным резонансным, многополуволновым в общем случае, волноводом, продолжающим сплошной его участок без образования ступенчатого трансформатора колебательной скорости, т.е., образуя общий волновод с коэффициентом трансформации колебательной скорости, близким к единице. Тогда близки к нулевому балансу реактивные механические сопротивления в зоне стыка полой части со сплошной, что также решает задачу согласования инструмента и обрабатываемого изделия по их полным волновым сопротивлениям. При этом доля активной составляющей акустической мощности относительно повышается, т.е. увеличивается производительность ультразвуковой обработки при той же мощности преобразователя. Тогда же реализуются наиболее благоприятные условия применения преобразователей, имеющих под нагрузкой процессом обработки уровень амплитуды колебаний на выходе, близкий к 3-7 мкм, рекомендуемый в прототипе для преимущественного поддержания оптимизированных режимов обработки из числа допустимых значений амплитуды колебаний, находящихся в диапазоне от 1 до 15 мкм.
Когда в торце инструмента средний диаметр полой части имеет величину, обеспечивающую, с точностью до 20%, равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, доля акустической энергии источника, передаваемая в изделие, максимальна, что соответствует согласованию полных волновых сопротивлений волноводов инструмента и изделия, т.е. производительность имеет предпосылки получить максимально возможное значение. При использовании волноводов указанной конструкции вектор ультразвуковых колебаний сложен, но более устойчив, чем в прототипе, что стабильно увеличивает путь трения, снижая шероховатость обработанной поверхности при повышении точности обработки, что увеличивает долю восстановленных резьбовых элементов, признаваемых годными к эксплуатации. Очевидно, что даже в случае частично сплошного, частично полого инструмента тепло эффективнее отводится от волновода, имеющего полость, приближаясь к показателям трубчатого волновод. Благодаря выбору среднего диаметра, обеспечивающего равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, потеря мощности при переходе от полой части частично сплошного инструмента к трубчатому изделию существенно снижается, начиная от разницы в площадях в 20%, вплоть до ничтожной при приближении к абсолютному равенству.
При выполнении волновода трубчатым или частично сплошным, когда, согласно предлагаемой полезной модели, полая часть (в случае трубчатого волновода - длина инструмента) имеет длину, кратную четному числу четвертьволновых участков, можно обеспечить работу ультразвукового инструмента как согласующего звена без трансформации колебательной скорости. Это дает максимальный технический результат, преимущественно, при использовании внешнего источника ультразвуковых колебаний с номинальным уровнем амплитуды на холостом ходу и под нагрузкой процессом обработки, превышающим 5±2 мкм.
Пример 1.
Инструмент-плашку используют при восстановлении конической наружной резьбы трубы (бывшая в эксплуатации труба из числа насосно-компрессорных нефтегазовых, прошедшая газодинамическую очистку от смолопарафинов в струе газов реактивного двигателя). Инструмент представляет собой волновод в виде частично сплошного цилиндра, имеющего полую часть, длина которой равна двум четвертям длины волны, на выходном четвертьволновом участке полой части расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе и снабженная дополнительным резьбовым участком, длиной в два шага резьбы и расположенным со стороны заходного витка поверхности. С средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство, с избытком +20%, площади торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. Инструмент выполнен с узловым пояском для возможности сменного крепления к волноводу-концентратору, подводящему ультразвуковые колебания от внешнего источника, стяжкой узловых поясков.
Трубу подводят ниппельным концом вперед посредством механизма вращательно-поступательного перемещения труб к ультразвуковой установке. Ввинчивают ниппельный резьбовой элемент трубы в обрабатывающий инструмент (в зависимости от конструкции установки возможно также вращательно-поступательное движение узла установки. Включающего инструмент при неподвижном изделии), включают источник ультразвуковых колебаний.
При сближении инструмента и ниппеля в конце сопряжения резьбовых конусов, упор возникает с достижением нормативной плоскости свинчивания при балансе момента сил трения и нормативного внешнего момента от механизма вращательно-поступательного перемещения инструмента. При этом происходит калибровка и отделочно-упрочняющая обработка не только нормативной рабочей зоны резьбовой конической поверхности ниппеля, но и захватывается дополнительный участок резьбовой поверхности, находящийся за основной плоскостью на ниппеле вплоть до плоскости свинчивания. Такая обработка обеспечивается за счет выполнения на инструменте дополнительного участка длиной не менее одного шага резьбы. При этом возможны следующие типичные состояния обрабатываемого ниппеля.
1. При обработке инструментом-плашкой вновь нарезанной резьбовой поверхности детали при их первичном свинчивании осуществляют нормированное по точности совмещение средних конусов и основных плоскостей. За счет наличия дополнительного резьбового участка в рабочей зоне инструмента в резьбе ниппеля происходит обработка примерно 2-х - 3-х канавок за основной плоскостью резьбы, считая от конца ниппеля. При этом внутренний конус резьбы инструмента (с образующей по вершинам профиля) корректирует канавки сбега, сохраняя на дополнительном участке прямолинейность основной образующей внутреннего конуса ниппеля. Далее, при повторных свинчиваниях обработка ниппеля ведется путем калибровки канавок до получения нормативной формы ножки профиля витка для указанных дополнительных канавок на участке, следующем за основной плоскостью, считая от торца ниппеля. Такой вид калибровки обеспечивает совмещение конусов плашки и ниппеля на близких к основной плоскости участках среднего и внутреннего конусов ниппеля. Кроме того, происходит отделочно-упрочняющая обработка плосковершинного микрорельефа в зонах фактических площадок контактирования участков резьбы, расположенных за основной плоскостью, возможного в конце срока эксплуатации соединения изделий.
В результате происходит улучшение герметизации и повышение прочности, что обеспечивает безаварийную работу при удлиненном сроке эксплуатации оборудования вплоть до достижения граничных условий годности соединения по норме взаимного осевого натяга деталей соединения.
2. Для восстановления работоспособности бывшей в употреблении ниппельной резьбы на длительный срок с нормативным эксплуатационным качеством инструмент-плашку первый раз навинчивают в упор с нормированным моментом сопротивления на обжатый в центре по среднему диаметру ниппель. При этом, наиболее плотный контакт удлиненного резьбового рабочего участка инструмента с нитками резьбы ниппеля и интенсивная калибровка происходят вблизи основной плоскости резьбы ниппеля и несколько дальше, считая от его торца.
На практике именно указанный резьбовой участок (в части сторон ножки и дна канавки профиля) экстремально искажается от нормы в ходе эксплуатации оборудования за счет коррозии и солевых отложений. Восстановление нормальных условий будущего контактирования сторон ножки профиля канавки резьбы ниппеля посредством инструмента-плашки является наиболее благоприятным для увеличения срока служебного ресурса оборудования. При этом может быть получено некоторое снижение средних диаметров вышеупомянутых витков резьбы ниппеля и, как следствие, уменьшение взаимного осевого натяга в соединении. Однако, при сохранении соответствия натяга нормативу стандарта, даже у нижней границы поля допуска, некоторая утрата запаса величины натяга от его номинала может быть оправдана увеличением стабильности натяга. Происходит упрочнение контактных поверхностей витков резьбы по краям области корсетности (от износа) резьбы ниппеля, что способствует увеличению прочности соединения к изгибающим и растягивающим нагрузкам и обеспечивает продление срока безаварийной службы оборудования (труб).
В ходе чередующихся операций со свинчиванием и развинчиванием резьбовых элементов происходит формоизменение резьбы.
Ускорению такого формоизменения способствует то, что при выборе среднего диаметра в торце полой части, имеющего величину, обеспечивающую площадь торца инструмента, равную с предельно допустимым избытком в +20% поперечному сечению обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, близка к максимальной доля акустической энергии источника, передаваемая в деталь. В близких к абсолютному случае равенства площадей (показано в примере 3), реализуется практически в чистом виде «режим бегущих волн», а при указанном избытке - «режим колебательной скорости», где амплитуда последней, соответственно на 20%, больше, чем при «режиме бегущих волн». В случаях избытка в 20% и недостатка в 20% (пример 2) достигается достаточно высокая эффективность использования акустической энергии и рост производительности (в частности, по минутному съему металла) при всех нормативных вариантах размеров резьбы изделия. Это сопровождается дополнительным эффектом снижения шероховатости поверхности резьбы. Последнее достигается увеличением пути трения в несколько раз за счет возникновения комплексных колебаний взамен продольных при наличии полой части инструмента, кроме того, в связи со снижением шероховатости обработанной резьбы повышается доля обрабатываемых резьбовых элементов, признаваемых годными к эксплуатации.
Для инструмента-метчика технический результат аналогичен результату, полученному для инструмента-плашки.
Пример 2
Осуществляют по примеру 1, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство с предельно допустимым недостатком 20% площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы.
Пример 3
Осуществляют по примеру 1, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство, с точностью до погрешностей контроля, площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы.
Пример 4 (контрольный, по прототипу)
Осуществляют по примеру 1, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую разницу в 35% площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. При этом длина полой части волновода составляет две четверти длины волны с точностью до одной десятой длины волны.
Пример 5 (контрольный, по прототипу)
Осуществляют по примеру 4, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство с точностью до погрешностей контроля площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. При этом инструмент представляет собой волновод, имеющий полую часть, длина которой равна 0, 63 длины волны.
Испытания работы предлагаемого инструмента осуществлялись в следующих условиях:
- базовое ультразвуковое оборудование генератор мод. УЗГЗ-4 и два преобразователя ПМС15А-18, подключаемые к генератору поочередно для обработки резьбовых элементов на разных концах трубы,
- рабочий крутящий момент ввинчивания-вывинчивания 120-150 Нм,
- частота возбуждения ультразвука (режим автоподстройки частоты включен) 18-22 кГц.
- амплитуда ультразвуковых колебаний 3-7 мкм.
- мощность возбуждения 2-3 кВт.
Обработку прошли бывшие в эксплуатации трубы НКТ 73 гл. Д, ГОСТ 63380, прошедшие газодинамическую очистку от асфальтенов и смолопарафинов в струе газов реактивного двигателя.
Результаты испытаний, представленные в таблице, показали достижение технического результата. Для инструмента-метчика технический результат аналогичен результату, полученному для инструмента-плашки.
Таблица
Показатели
Примеры
1
2
3
4к
5к
Производительность, резьбовых элементов в смену
109
108
113
102
96
Восстановлено до годности к дальнейшей
96
95
97
93
91
эксплуатации, % резьбовых элементов