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, на выходном (судя по чертежам, полом, частично сплошном или сплошном) четвертьволновом участке 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 имеет высоту профиля, более нормативной для обрабатываемой резьбы, но менее нормативной высоты исходного остроугольного профиля на величину нормативного радиуса закругления впадины профиля обрабатываемой резьбы, а радиус закругления вершины профиля не превышает нормативного радиуса закругления впадины профиля обрабатываемой резьбы (патент РФ №42458).
Инструментом предлагаемого профиля обеспечивается отделочно-упрочняющая ультразвуковая обработка выглаживанием конической резьбы деталей труб дополнительно в области дна канавки профиля резьбы, что позволяет в последующем увеличить прочность резьбового соединения на растяжение и изгиб.
Размер полости (при полом или частично сплошном инструменте) в патенте не оговаривается.
Выполнение инструмента трубчатым (полым) 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. Выполнение инструмента сплошным позволяет получить высокую производительность процесса, но при этом требуется применение дополнительных средств для отвода тепла от волновода. Кроме того, затруднено удаление стружки и загрязнений из зоны обработки, стружка разлетается по рабочему помещению.
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 имеет высоту профиля, более нормативной для обрабатываемой резьбы, но менее нормативной высоты исходного остроугольного профиля на величину нормативного радиуса закругления впадины профиля обрабатываемой резьбы, а радиус закругления вершины профиля не превышает нормативного радиуса закругления впадины профиля обрабатываемой резьбы, 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 может быть 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 блока электроакустического преобразователя.
В частности, инструмент может быть выполнен с возможностью центрального осевого резьбового крепления или может быть снабжен узловым пояском для обеспечения возможности крепления в виде стяжки узловых поясков.
Инструмент может быть 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 инструмента может быть выполнено резьбовым или пайкой.
Предпочтительно, радиус закругления вершины профиля рабочей резьбовой поверхности инструмента меньше нормативного радиуса закругления впадины обрабатываемой резьбы, но больше его половины.
Предпочтительно, инструмент имеет, по меньшей мере, один паз, выполненный пересекающим рабочую резьбовую поверхность инструмента.
Инструмент может быть выполнен в виде метчика или плашки.
Инструмент имеет особенности формы профиля резьбовой поверхности рабочей зоны такие, как показано на фиг.1-3 в описании патента РФ №42458.
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 номинальный уровень амплитуды колебаний на выходе, близкий к 3-7 мкм, для создания оптимизированных режимов обработки (допустимые значения амплитуды колебаний находятся 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 и частично полого инструмента тепло эффективнее отводится от волновода, имеющего полость, приближаясь к показателям трубчатого волновода. 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, превышающем 5±2 мкм.
Пример 1.
Инструмент-плашку используют при восстановлении конической наружной резьбы трубы. Инструмент представляет собой волновод в виде частично сплошного цилиндра, имеющего полую часть, длина которой равна двум четвертям длины волны, а 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 возможностью сменного крепления к волноводу-концентратору, подводящему ультразвуковые колебания от внешнего источника, стяжкой и имеет узловые пояски.
Трубу подводят 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 самого изделия при неподвижном инструменте).
При свинчивании плашки и наружной конической резьбы растет момент сопротивления вращению и, при достижении заданной величины крутящего момента, меньшей нормативной для эксплуатации трубы, включают внешний источник ультразвуковых колебаний. При этом происходят соударения и отскоки резьбовых поверхностей фронтальными и/или тыльными гранями, что обеспечивает обработку граней ниппельного
резьбового элемента. Дальнейшее свинчивание приводит к прямому контакту спирали вершин резьбы инструмента (с уменьшенным радиусом закругления) с дном канавки обрабатываемой резьбы (со значительно большим радиусом), что обеспечивает ультразвуковое выглаживание дна канавки.
Продолжая свинчивать резьбовые элементы с переменной угловой скоростью до достижения заданного датчиком крутящего момента, выполняют совмещенную обработку резьбы поверхностным пластическим деформированием и ультразвуковыми колебаниями. Свинчивание резьбовых элементов прерывают, отключая механизм относительного вращения резьбовых элементов, при достижении нормированной величины крутящего момента сопротивления. Например, для установки с повышенной точностью обработки датчиком задают величину крутящего момента на уровне 10-20% от нормативного момента докрепления резьбового соединения при эксплуатации.
Затем, реверсируя привод механизма, переходят к развинчиванию обрабатываемого изделия и обрабатывающего инструмента. Развинчивание прерывают по сигналу датчика при достижении минимально необходимого нормативного для контроля соединения натяга, затем снова переходят к свинчиванию. Окончив свинчивание, каждый раз продолжают обработку, вводя ультразвуковые колебания в пятно контакта резьбовых элементов. Операции повторяют до достижения осевого натяга, фиксируемого датчиком, соответствующего аттестации обрабатываемого резьбового элемента годным по калибру, после чего свинчивание прекращают окончательно. В ходе чередующихся операций со свинчиванием и развинчиванием резьбовых элементов происходит формоизменение резьбы.
Ускорению такого формоизменения способствует то, что при выборе среднего диаметра полой части в торце инструмента имеющего величину, обеспечивающую площадь торца инструмента, строго равную или 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 случае абсолютного равенства площадей (показано в примере 3), отражение волн от стыков отсутствует, реализуется в чистом виде «режим бегущих волн», а при указанном предельном избытке - «режим колебательной скорости», где ее амплитуда, соответственно на 20%, больше, чем при «режиме бегущих волн». В этих 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 резонансной волны полой части инструмента. В связи со снижением шероховатости обработанной резьбы повышается доля обрабатываемых резьбовых элементов, признаваемых годными к эксплуатации.
Пример 2
Осуществляют по примеру 1, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство с предельно допустимым недостатком в 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.
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 одной трети длины волны.
Испытания работы предлагаемого инструмента осуществлялись в следующих условиях:
- базовое ультразвуковое оборудование генератор мод. УЗГ3-4 и два преобразователя ПМС15А-18, подключаемые к генератору поочередно, для обработки, соответственно, конца изделия с трубной резьбой, затем -конца с муфтовой резьбой,
- 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 633 80, 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.
Таблице
Показатели
Примеры
1
2
3
4к
5к
Производительность, резьбовых элементов в смену
110
111
116
104
99
Восстановлено до годности к дальнейшей эксплуатации, % резьбовых элементов
97
97
98
96
94