ТРУБОНАРЕЗНОЙ СТАНОК

Полезная модель относится к обработке металлов резанием и может быть использована для образования спиральной нарезки на наружной поверхности труб, например, при выполнении резьбы на наружной поверхности концевых участков труб нефтегазового сортамента. Работа станка основана на способности лазерного луча разрезать металл.
Уровень техники
В описании изобретения к патенту RU 2323058, кл. B21D 51/10, опубл. 27.04.2008 г [1], раскрыто устройство для формирования резьбы на концевом участке трубной заготовки с помощью матрицы и пуансона. Матрица имеет внутреннюю резьбу, профиль которой соответствует профилю формируемой на заготовке резьбы, а пуансон имеет калибрующий поясок, диаметр которого равен внутреннему диаметру готовой трубы. Формирование резьбы осуществляется за один проход раздачей коническим пуансоном изнутри указанного концевого участка заготовки с заполнением металлом заготовки резьбовых канавок матрицы. Использование технического решения [1] для изготовления труб нефтяного сортамента неприменимо вследствие возникновения больших внутренних напряжений в металле и больших усилий, действующих при холодной пластической деформации. Вследствие этого возникают трудности точного соблюдения размерных параметров резьбы и повышенные расходы на ремонт и замену инструментов деформации.
Из описания изобретения к патенту RU 2253532, кл. В01Н 3/02, опубл. 10.06.2005 г [2], известно устройство, выполненное в виде накатной, снабженной роликами головки, которую устанавливают на суппорте на месте ресцедержателя или в задней бабке токарного станка. Для закрепления обрабатываемой трубы служит патрон, который установлен на шпинделе передней бабки. В процессе обработки на вращающуюся трубу подается накатная головка, вращающиеся ролики которой своими краями деформируют поверхностные слои металла, создавая резьбу требуемой фор-формы. Как следует из описания, конструкция накатной головки довольно сложна. Недостатком технического решения [2] является быстрый износ роликов накатной головки вследствие больших усилий деформации и, как следствие, отклонения от заданных размеров резьбы и повышенные расходы на ремонт и изготовление инструмента.
В описании изобретения к патенту RU 2403131, кл. B23G 1/22, опубл. 10.11.2010 г [3], раскрыто устройство для нарезания резьбы на концевых участках труб с помощью режущих пластин, имеющих несколько выступов на рабочей поверхности. Формирование резьбы осуществляется за несколько проходов на токарном станке. Использование технического решения [3] связано с большими усилиями резания, а следовательно, с большим расходом энергии. При этом режущие пластины со временем изнашиваются и требуется их периодическая замена в связи с неудовлетворением требований к точности получаемой резьбы. Кроме того, обточка конца трубы за несколько проходов требует много времени на обработку каждой трубы.
Следует отметить, что в последнее время у специалистов возникает все больший интерес к применению лазеров в обработке различных материалов и, в том числе, металлов.
Так из описания изобретения к патенту RU 1757827, кл. В23К 26/00, опубл. 30.08.1992 г [4], известно устройство для лазерной обработки деталей типа труб, содержащее снабженные приводом перемещения лучепровод и оптико-фокусирующую головку. Поскольку оптико-фокусирующая головка устройства [4] может перемещаться только в одном (вертикальном) направлении, при реализации этого технического решения возможно образование отверстия в цилиндрической заготовке, но получение резьбы на ее внутренней и наружной поверхностях невозможно.
Из описания изобретения к патенту RU 2443534, кл. B23Q 39/02, В23К 26/36, В23Р 23/04, опубл. 24.02.2010 г [5], известен металлообрабатывающий многоцелевой станок с числовым программным управлением, лазерной оптической головкой и автоматической сменой инструмента. Лазерная оптическая головка станка предназначена для сверления и резки металла. Кроме того, при помощи расфокусировки предлагается проводить лазерное полирование и лазерное упрочнение металла. Однако конструкция станка [5] не позволяет осуществлять с помощью лазерного луча нанесение резьбы на концевые участки труб.
Известно устройство для лазерной обработки материала, раскрытое в описании к патенту US 4797532, кл В23К 26/06, опубл. 10.01.1989 г [6], которое содержит основание с установленными на нем средствами закрепления и перемещения обрабатываемой заготовки, а также лазерный генератор и лазерную оптическую систему, позволяющую концентрировать лазерный луч в заданной точке обрабатываемой поверхности материала и изменять положение этой точки на этой поверхности. Как следует из описания [6], устройство дает возможность перемещать упомянутую точку по спирали внутри цилиндрической полости цилиндрической обрабатываемой детали (см. фиг.5 описания [6]). Однако с помощью этого устройства нельзя выполнить спиральные вершины и канавки резьбы, т.е. нельзя выполнить нарезку резьбы в цилиндрической полости цилиндрической детали и тем более нельзя выполнить резьбу на наружной ее поверхности.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату можно принять трубонарезной станок, раскрытый в описании к патенту на полезную модель RU 48841 U1, кл. В23В 5/08, B23Q 11/00, опубл. 10.11.2005 г [7], который содержит станину, установленные на станине средства зажима и вращения труб, выполненные в виде шпиндельной бабки и переднего и заднего патрона для зажима обрабатываемой трубы, инструментальный узел, снабженный средствами продольного перемещения относительно станины, и пульт управления.
Недостатками данного труборезного станка являются низкая точность нарезаемой резьбы на нефтепроводных трубах из-за недостаточной жесткости системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД), низкая производительность нарезки из-за быстрого износа гребенки для нарезания резьбы, смена которой приводит к простоям станка из-за осуществления как минимум двух проходов для формирования профиля резьбы (увеличенное машинное время обработки из-за невозможности снять стружку за один проход).
В процессе разработки предлагаемого технического решения перед авторами стояла задача разработать устройство, обеспечивающее возможность нанесения на концевые участки труб наружной резьбы высокой точности. Одновременно стояла задача придания высокой прочности поверхностному слою резьбового участка труб. При этом учитывалось желание минимизировать затраты времени и расход инструмента.
Технический результат полезной модели - повышение точности резьбы и упрочнение поверхностных слоев резьбовых концевых участков труб.
Указанный технический результат достигается при использовании трубонарезного станка, содержащего станину, установленные на станине средства зажима и вращения труб, инструментальный узел, снабженный средствами продольного перемещения относительно станины, и пульт управления, отличающегося тем, что станок снабжен системой автоматического управления с электронным вычислительным устройством, средства зажима и вращения труб выполнены в виде шпинделя с зажимным устройством, средства продольного перемещения инструментального узла относительно станины выполнены в виде каретки, снабженной приводом перемещения и смонтированной на направляющих станины, которые параллельны оси шпинделя, а инструментальный узел выполнен виде стружкосъемника и лазерного генератора, связанного волоконным кабелем с установленной на лазерном генераторе лазерной оптической головкой, которые смонтированы на каретке, причем лазерная оптическая головка установлена на лазерном генераторе с возможностью поворота под действием привода в плоскости, проходящей через ось шпинделя, и поворота под действием дополнительного привода в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя, а стружкосъемник установлен на каретке с возможностью поворота под действием привода в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя, при этом система автоматического управления связана с приводом шпинделя, с приводом перемещения каретки, с приводами поворота лазерной оптической головки, с приводом поворота стружкосъемника и с лазерным генератором.
В частном случае исполнения полезной модели, который является наиболее предпочтительным, трубонарезной станок включает установленный на лазерной оптической головке датчик приближения, предназначенный для измерения ее расстояния до поверхности обрабатываемой трубы и снабженный приводом механизм вертикального перемещения лазерной оптической головки относительно каретки, причем и датчик приближения, и привод упомянутого механизма вертикального перемещения лазерной оптической головки относительно каретки связаны с системой автоматического управления станком.
Существо полезной модели поясняется следующими чертежами, на которых представлен наиболее предпочтительный вариант выполнения полезной модели.
Фиг.1. Общий вид трубонарезного станка (схема).
Фиг.2. Расположение лазерной оптической головки и стружкосъемника относительно трубы во время обратного хода каретки.
Узлы и детали предлагаемого станка в тексте описания и на чертежах обозначены следующими номерами:
1. Станина.
2. Шпиндель.
3. Зажимное устройство шпинделя.
4. Направляющие станины.
5. Каретка.
6. Стружкосъемник.
7. Лазерный генератор.
8. Лазерная оптическая головка.
9. Электронное вычислительное устройство.
10. Обрабатываемая труба.
11. Отделяемая от трубы стружка.
Как показано на фиг.1, основанием трубонарезного станка служит станина 1. На станине 1 установлен шпиндель 2 с зажимным устройством 3 для труб. На станине 1 также смонтирована на направляющих 4, параллельных оси шпинделя 2, каретка 5, которая снабжена приводом перемещения вдоль направляющих 4 (привод перемещения каретки на чертежах не показан). На каретке 5 установлены стружкосъемник 6, снабженный приводом поворота в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя 2, и лазерный генератор 7, связанный волоконным кабелем с лазерной оптической головкой 8. Станок имеет систему автоматического управления с электронным вычислительным устройством 9. Лазерная оптическая головка 8 установлена на лазерном генераторе 7 с возможностью поворота под действием привода в плоскости, проходящей через ось шпинделя 2, и под действием дополнительного привода в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя 2 (на чертежах приводы поворота лазерной оптической головки 8 не показаны). Станок снабжен пультом управления, а система автоматического управления связана с пультом управления, с приводом шпинделя 2, с приводом перемещения каретки 5, с приводами поворота лазерной оптической головки 8 и с лазерным генератором 7.
Предлагаемый трубонарезной станок может иметь установленный на лазерной оптической головке 8 датчик приближения, предназначенный для измерения расстояния лазерной оптической головки 8 до поверхности обрабатываемой трубы 10 и снабженный приводом механизм вертикального перемещения лазерной оптической головки 8 относительно каретки 5, причем и датчик приближения, и привод упомянутого механизма вертикального перемещения лазерной оптической головки 8 относительно каретки 5 связаны с системой автоматического управления станком.
Предлагаемый станок работает следующим образом.
В зажимное устройство 3 шпинделя 2 подают конец обрабатываемой трубы 10, на который необходимо нарезать резьбу. Зажимают конец обрабатываемой трубы 10 так, чтобы геометрическая ее ось совпадала с геометрической осью шпинделя 2, и приводят посредством шпинделя 2 обрабатываемую трубу 10 во вращение. Одновременно автоматическая система управления посредством привода перемещает каретку 5 в положение, когда лазерная оптическая головка 8 находится над тем местом конца обрабатываемой трубы 10, где должна заканчиваться резьба. При этом оптическая ось лазерной оптической головки 8 находится в плоскости, проходящей через геометрическую ось обрабатываемой трубы 10, и наклонена к плоскости, перпендикулярной оси трубы 10, на угол, равный половине угла профиля при вершине. После этого одновременно включаются приводы вращения шпинделя 2 и перемещения каретки 5, а также включается лазерная оптическая головка 8. Под действием направленного на трубу лазерного луча, инициируемого лазерным генератором 7, на концевом участке обрабатываемой трубы 10 образуется спиральный надрез. После выхода лазерной оптической головки 8 за торец обрабатываемой трубы 10 лазерная оптическая головка 8 повертывается на угол профиля при вершине в плоскости, проходящей через ось трубы 10, каретка 5 осуществляет реверс движения, подводя лазерную оптическую головку 8 к торцу трубы 10, и производится второй спиральный надрез на концевом участке обрабатываемой трубы 10 (см. фиг.2). На этой стадии стружкосъемник 6 приводят в рабочее положение, устанавливая его рабочий конец в канавку образуемой резьбы так, чтобы обеспечить отделение от трубы стружки 11. В том месте, где должна заканчиваться резьба, для возможности окончательного отделения стружки лазерную оптическую головку 8 поворачивают в плоскости, проходящей через ось обрабатываемой трубы 10, на угол профиля резьбы, при этом одновременно с помощью дополнительного привода лазерную оптическую головку 8 поворачивают в плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой трубы 10, образуя в конце резьбовой канавки конический переход от боковой поверхности одного гребня к боковой поверхности другого (соседнего с ним) гребня резьбы. После этого, отведя стружкосъемник 6 в исходное положение, отводят каретку 5 от конца обрабатываемой трубы 10, разжимают зажимное устройство 3 шпинделя 2 и извлекают обрабатываемую трубу 10 из станка. Станок готов к приему следующей трубы для нанесения резьбы на ее концевую часть.
В том случае, когда осуществляется нарезка конической резьбы, по сигналу от установленного на лазерной оптической головке 8 датчика приближения, автоматическая система управления с помощью привода вертикального перемещения лазерной оптической головки 8 корректирует ее расстояние до поверхности обрабатываемой трубы 10, обеспечивая высокую точность резьбы.
Изготовленный опытно-промышленный образец предлагаемого станка при испытаниях показал возможность получения на трубах нефтяного сортамента резьбы высокой точности при значительном упрочнении поверхностных слоев материала концевых участков труб.