УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ

Полезная модель относится к области ультразвуковой обработки материалов, предназначена для ультразвуковой обработки резьбы и может быть использована, в частности, для восстановления и упрочнения резьбовых элементов бывших в эксплуатации труб и муфт, например, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб, муфт, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых элементов новых труб, муфт, трубных заготовок.
Известно устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее ультразвуковую колебательную систему, включающую стержневой электроакустический преобразователь магнитострикционного типа, волновод-трансформатор колебательной скорости преобразователя, волновод и инструмент, размещенный на его выходном участке, причем волновод выполнен сменным трубчатым, а рабочий инструмент расположен на четвертьволновом его участке и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу, со спиральными пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания резьбы (патент РФ №2270744).
Устройство позволяет осуществлять обработку с высокой производительностью, поскольку инструмент выполнен ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, т.е. обработка принципиально может осуществляться одновременно по всей поверхности, что обеспечивает высокий класс формообразования. Недостатком устройства является его низкий коэффициент полезного действия.
Наиболее близким является известное устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее стержневой электроакустический преобразователь и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №34106). Тип преобразователя в формуле полезной модели по патенту РФ №34106 не указывается, однако в описании упоминается об использовании только одного магнитострикционного преобразователя, являющегося стержневым по определению.
Недостатком применения одного преобразователя в составе головки по прототипу является существенно ограниченная акустическая нагрузочная способность преобразователя. Предельно допустимая для него величина механического импеданса нагрузки (после которой амплитуда колебательной скорости с нагрузкой уменьшается гораздо более резко, чем в номинальных режимах) лимитирует скорость радиальной подачи в зоне обработки, т.е. скорость ввинчивания и производительность, достижимую при ультразвуковой обработке, в том числе, удельную по минутному съему металла на 1 кВт мощности.
Технической задачей полезной модели являлось создание устройства, лишенного указанных недостатков.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности устройства - повышении среднесменной и удельной производительности процесса ультразвуковой обработки резьбы.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее стержневой электроакустический преобразователь и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, включает, по крайней мере, один дополнительный стержневой электроакустический преобразователь, параллельное электрическое соединение входов возбуждения основного и дополнительного преобразователей и последовательное механическое соединение основного и дополнительного преобразователей между собой непосредственно или через стержневой волновод, имеющий длину, кратную полуволне.
По крайней мере, один из стержневых электроакустических преобразователей может быть выполнен магнитострикционным.
По крайней мере, один из стержневых электроакустических преобразователей может быть выполнен составным пьезоэлектрическим. Такой преобразователь может включать, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, которая, выполненная из пьезоэлекрически пассивного материала (например, металла), позволяет скорректировать его резонансную частоту в соответствии с требованиями к диапазону рабочих ультразвуковых частот установки. По крайней мере, одна частотопонижающая накладка (отражающая и/или излучающая) может быть выполнена содержащей крепежный элемент, например, в виде внутренней резьбы. По крайней мере, одна частотопонижающая накладка (отражающая и/или излучающая) может содержать центральный осевой армирующий болт. Пьезоэлектрический элемент преобразователя может быть выполнен тонкостенным, в частности, в виде полого цилиндра, кольца, в виде пластины, например, имеющей форму диска. Пьезоэлектрический преобразователь может включать прокладки, в том числе, содержащие токоподводящие элементы, из фольги, как правило, мягкого металла, например, в виде шайб с лепестками, расположенные между пьезоэлектрическими элементами, или между ними и накладками, что увеличивает фактическую площадь контакта, улучшает теплоотвод, чем позволяет снизить энергонапряженность зон контакта, скорость «старения» и поверхностного растрескивания пьезоэлектрического элемента и этим дополнительно повысить долговечность работы преобразователя.
В случае необходимости улучшения согласования преобразователя с нагрузкой функцию согласующего устройства может выполнить дополнительно включаемый в состав устройства концентратор, волновод или сам инструмент (цельный или составной), выполненный, как соответственно неоднородный волновод.
Соединение отдельных частей составного (композитного) пьезоэлектрического преобразователя между собой может осуществляться различно: склеиванием; центральным осевым скреплением (например, с использованием армирующего болта); посредством фланцевого крепления пьезоэлектрика между блоками-накладками, снабженными фланцами; скреплением пьезоэлектрика и блоков их стяжкой системой резьбовых шпилек через посредство скрепленных с блоками волноводных звеньев с узловыми поясками, где шпильки опираются на узловые пояски; соединением, подобным последнему, но со стяжкой узловых поясков между собой посредством резьбовой втулки, например, типа «Боуден»; возможны варианты сборки с комбинированием различных упомянутых типов соединения. Соединение инструмента с преобразователем может также осуществляться различно, например: стяжкой узловых поясков, резьбовым соединением, пайкой и т.п.
Механическое последовательное соединение дополнительного стержневого электроакустического преобразователя с основным может осуществляться, либо непосредственно, либо через посредство стержневого волновода, например, стяжкой узловых поясков, резьбовым соединением, пайкой и т.п., вплоть до изготовления соединяемых участков устройства зацело (как единое целое).
При непосредственном механическом скреплении или при соединении через стержневой волновод с длиной, кратной четному числу полуволн, входы возбуждения преобразователей включают электрически параллельно, но встречно, когда не объединяются одноименные выводы (обкладки пьезоэлементов, или начала обмоток возбуждения у магнитострикторов с отдельными обмотками подмагничивания). А при сборке через стержень-волновод с длиной, кратной нечетному числу полуволн, входы соединяются параллельно и согласно, т.е. объединяются одноименные выводы (обкладки «+» и «+» у пьезоэлементов, или начала с началами и концы с концами у обмоток магнитострикторов).
Электрическое параллельное соединение дополнительного стержневого электроакустического преобразователя с основным может осуществляться, например, путем коммутации в шунт выводов от входов электрического возбуждения основного и дополнительного преобразователей в клеммной колодке, например, размещенной снаружи на корпусе устройства.
Для частного примера устройства с применением дополнительного электроакустического преобразователя, идентичного основному, очевидно, что оно позволяет увеличить практически вдвое нагрузочную способность устройства за счет того, что внутреннее механическое активное сопротивление устройства, как излучателя, увеличивается кратно числу механически последовательно соединенных стержневых преобразователей. С этим растет значение номинально согласованной активной акустической нагрузки устройства и предельно допустимое ее значение. При этом, по сравнению с применением одного преобразователя может практически не увеличиваться амплитуда колебаний инструмента устройства на холостом ходу (до контакта его с изделием- нагрузкой). Это объясняется тем, что, когда основной растягивается, дополнительный сжимается, смещения соединенных участков однонаправлены, синхронны и синфазны. Каждый преобразователь, даже будучи виртуально отделен от другого, будет работать с той же амплитудой (и такой же, как у второго), ограниченной только собственным сопротивлением внутренних потерь.
Когда при обработке сопротивление нагрузки приложено к акустическому выходу инструмента, с ростом амплитуды колебательных скоростей при этом удается поднять акустическую мощность, рассеиваемую в нагрузке- зоне обработки, и допустить увеличение рабочего значения активного акустического сопротивления нагрузки, повышение производительности.
Очевидно, что предпочтительное назначение предлагаемого устройства - технологические процессы ультразвуковой обработки с повышенным диссипативным акустическим импедансом нагрузки, в том числе, обработка конической резьбы труб нефтяного сортамента.
Один из вариантов выполнения устройства состоит в следующем.
Устройство содержит собранные в корпусе на общей армирующей шпильке инструмент, выполненный как единое целое с переходным его участком. Этот участок с резьбой для шпильки выполняет функции излучающей накладки основного составного пьезоэлектрического преобразователя, который включает также основной цилиндрический трубчатый пьезоэлемент и основную отражающую накладку. Дополнительный составной стержневой преобразователь, включает дополнительную излучающую накладку, дополнительный пьезоэлемент и дополнительную отражающую накладку, свинченные на шпильке последовательно с основным преобразователем. Снаружи корпуса размещена клеммная колодка и переключатель, служащий для реализации возможности подключения входов основного и дополнительного преобразователей в шунт к внешнему источнику высокочастотного электропитания или подключения дополнительного пьезоэлемента к внешнему индикатору амплитуды колебаний устройства и/или ко входу сигнала обратной связи блока АПЧ-автоподстройки частоты внешнего источника ВЧ питания.
Устройство работает следующим образом.
Изделие, например нарезную трубу нефтяного сортамента с муфтой, обрабатываемым резьбовым элементом подводят к инструменту ультразвуковой головки. Вращая корпус относительно обрабатываемого изделия (или наоборот) свинчивают инструмент и обрабатываемую резьбу изделия. Подключают входы возбуждения преобразователей, подсоединенные к клеммной колодке, к выходу внешнего источника высокочастотного электропитания, при этом частоту регулируют в соответствии с резонансом для основного тона собственных колебаний муфты. Включают источник и подстраивают его частоту на механический резонанс или блоком автоматической подстройки частоты источника, или вручную. Затем осуществляют нормативный цикл обработки до регистрации годности резьбы.
Пример 1к (по прототипу).
В контрольном примере 1к устройство содержит магнитострикционный преобразователь ПМС 15А-18 с последовательно присоединенным к нему собственным волноводом - концентратором (масса узла преобразователя 14 кг) и инструментом, на выходном четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Этот пример осуществлен для получения сравнительных данных с использованием устройства, содержащего все признаки, общие с признаками прототипа -устройства по патенту РФ №34106, поскольку в описании полезной модели по патенту РФ №34106 сведения об условиях и результатах испытания устройства отсутствуют.
Пример 2.
Пример 2 повторяет основные условия примера 1к, но с отличиями по предлагаемой полезной модели. Основной, и дополнительный электроакустические преобразователи помещены в общий кожух водяного охлаждения, выполнены магнитострикционными на базе двух двухстержневых пакетов пластин сплава К50Ф2 (такого, как в контрольном примере 1к), выполненных как единое целое. Входы возбуждения обоих преобразователей соединены электрически параллельно между собой и с выходом блока возбуждения генератора модели УЗГ3-4. При этом они соединены согласно по магнитным потокам (начало основной обмотки возбуждения соединено с началом дополнительной обмотки возбуждения, и аналогично, конец одной обмотки с концом другой). Входы обмоток подмагничивания соединены с выходом блока подмагничивания генератора, причем, включены электрически последовательно, но встречно по магнитным потокам - конец основной обмотки соединен с концом дополнительной. Волновод-концентратор и другие элементы схемы использованы, как в примере 1к.
Пример 3.
Пример 3 по предлагаемой полезной модели реализует основные станочные условия обработки по примеру 2, но другой тип электроакустических преобразователей, соединенных согласно предлагаемой полезной модели. Основной составной пьезоэлектрический преобразователь - с одним пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде трубчатого цилиндра (Ф70; Ф50; Н60) из пьезокерамического материала ЦТС-19, с центральной армирующей шпилькой, стальной частотопонижающей накладкой на одном ее конце и непосредственно присоединенным к другому ее концу и к кольцевому торцу пьезоэлектрического элемента инструментом, на выходном четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Инструмент, входным своим участком с резьбой для армирующей шпильки, одновременно выполняет функцию частотопонижающей накладки основного составного преобразователя. Дополнительный электроакустический преобразователь выполнен составным пьезоэлектрическим, аналогичным основному, но с отдельной дюралюминиевой излучающей накладкой, дополнительным пьезоэлементом и дополнительной стальной отражающей накладкой. Преобразователи соединены между собой механически последовательно посредством армирующей шпильки, а электрически - с параллельным подсоединением входов (цилиндрических обкладок «+», и, соответственно, обкладок «-») возбуждения основного и дополнительного преобразователей к общему входу возбуждения устройства.
Пример 4.
В примере 4 устройство по предлагаемой полезной модели, помимо основного стержневого составного пьезоэлектрического преобразователя, объединенного с инструментом, содержит дополнительный магнитострикционный преобразователь (такой, как описан в контрольном примере 1к), последовательно механически соединенный через собственный волновод-концентратор шпилькой с отражающей накладкой основного преобразователя при параллельном электрическом соединении входов возбуждения основного и дополнительного преобразователей.
Результаты испытаний показали, что во всех четырех примерах, как по предлагаемой полезной модели (примеры 2-4), так и по прототипу (пример 1к), обработка резьбы изношенных насосно-компрессорных труб позволяет получить изделия, нормативно пригодные к дальнейшей эксплуатации.
В таблице приведены результаты сравнительных испытаний устройств по примерам 1к и 2-4 для случая восстановления бывших в эксплуатации труб насосно-компрессорных с гладкими концами Г-73×5 Д ГОСТ Р 52203-2004. Испытания проводились при амплитуде ультразвуковых колебаний 5±2 мкм, частоте 18±2 кГц, что не исчерпывает возможных диапазонов условий процесса использования устройства по предлагаемой полезной модели.
Таблица
Показатели
Примеры
1к
2
3
4
Производительность средняя, годных труб в смену
103
134
122
115
Удельная производительность, годных труб/(кВт час)
3,02
3,14
9,9
4,0