ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ

Полезная модель относится к оборудованию для ультразвуковой обработки резьбы нефтепромысловых труб и может быть использована, в частности, для восстановления и/или упрочнения резьбовых поверхностей бывших в эксплуатации деталей и изделий, например, резьбовых элементов бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб и муфт к ним, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых поверхностей новых деталей и изделий.
Конструкция инструмента, как составной части станка для ультразвуковой обработки резьбы, хорошо известна (см., например, Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка. Лениздат, 1973, с.41-70, Муханова И.И Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом М., Машиностроение, 1978, патент РФ №2141890).
Известен инструмент для ультразвуковой обработки резьбы, представляющий собой волновод, выполненный цельным, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №34106).
Выполнение инструмента цельным (несоставным) из одного материала, не позволяет варьировать свойства инструмента по его длине, а отсутствие разъемного крепления частей инструмента не позволяет варьировать длину волновода.
Использование в ультразвуковых установках составных волноводов, в том числе, составных инструментов, является известным технологическим приемом, позволяющим менять общую длину волновода от рабочего участка до преобразователя ультразвуковых колебаний.
Наиболее близким к предлагаемому является инструмент для ультразвуковой обработки резьбы нефтепромысловых труб, представляющий собой волновод, выполненный составным, имеющим, по крайней мере, две части, в том числе, выходной четвертьволновый участок, имеющий рабочую резьбовую поверхность, ответную обрабатываемой резьбе (патент РФ №2270744).
Инструмент по ближайшему аналогу выполнен на базе муфт и отрезков труб. Выполнение всех частей инструмента из непрочных металлов (материал муфт и отрезков труб) приводит к быстрому износу рабочей поверхности инструмента, что снижает надежность работы всей установки и долговечность самого инструмента.
Техническая задача полезной модели состоит в создании инструмента, лишенного указанных недостатков.
Технический результат полезной модели состоит в повышении долговечности и надежности инструмента.
Указанный технический результат достигается тем, что в инструменте для ультразвуковой обработки резьбы нефтепромысловых труб, представляющем собой волновод, выполненный составным, имеющим, по крайней мере, две части, в том числе, выходной четвертьволновый участок, имеющий рабочую резьбовую поверхность, ответную обрабатываемой резьбе, выходной участок выполнен из сплава, имеющего красностойкость выше, чем у материала обрабатываемой трубы, не менее чем на 100°С.
Сведений о прямой зависимости твердости сплава, стойкости к абразивному износу и стойкости к циклическим нагрузкам от показателя его красностойкости в литературе не описаны. Однако нами экспериментально было установлено, что сплавы, имеющие красностойкость не менее чем на 100°С более высокую, чем материал, из которого выполнен обрабатываемый резьбовой элемент, обеспечивают инструментам, выполненным из них и подвергающимся специфическим циклическим нагрузкам, высокую надежность в эксплуатации и увеличенный срок службы.
Предпочтительно, выходной участок выполнен из инструментальной стали, более предпочтительно, из быстрорежущей стали. При этом другая или другие составные части инструмента могут быть выполнены из отрезков труб, или специально изготовлены.
Инструмент может быть выполнен с возможностью сменного крепления, например, к блоку активных элементов первичного электроакустического преобразователя, к волноводу и, в том числе, к собственному волноводу преобразователя. Крепление может быть выполнено резьбовым, в том числе, с помощью шпилечного соединения. Инструмент может быть снабжен узловым пояском для обеспечения возможности его крепления в виде стяжки с узловым пояском других, смежных элементов установки.
Соединение частей инструмента может быть выполнено разъемным, что дополнительно позволяет варьировать общую длину волновода: например, в тех случаях, когда обрабатываемая деталь - муфта содержит безрезьбовой элемент, выходящий своим торцом в сборе с инструментом за плоскость узла функции распределения смещений стоячей волны в инструменте. При этом предпочтительно, чтобы, по крайней мере, две составные части инструмента были снабжены узловыми поясками, а соединение, по крайней мере, двух составных частей инструмента было выполнено в виде стяжки узловых поясков. Возможно также, чтобы соединение, по крайней мере, двух составных частей было выполнено резьбовым.
Кроме того, соединение, по крайней мере, двух составных частей инструмента может быть выполнено пайкой, что не позволяет менять длину инструмента по мере необходимости, но обеспечивает наилучший акустический контакт между составными частями.
На рабочую часть инструмента может быть нанесен слой любого покрытия, обладающего необходимыми для каждого конкретного случая свойствами. Виды и способы нанесения таких покрытий на обрабатывающие инструменты хорошо известны. Так, рабочая часть инструмента, представляющая собой резьбовой обрабатывающий элемент, может иметь слой износостойкого покрытия, которое может быть нанесено на всю резьбовую поверхность или отдельные ее части, например, как указано в патенте РФ №2312201. При этом сам резьбовой обрабатывающий элемент, ответный обрабатываемой резьбе, может иметь конструктивные особенности, например, указанные в описаниях изобретения по патентам РФ №42458, 42459 или 42460, позволяющие в зависимости от поставленной задачи варьировать интенсивность воздействия ультразвуковых колебаний на отдельные участки обрабатываемой резьбы.
Инструмент может быть выполнен полым со стороны выходного участка, при этом длина полости составляет целое четное или целое нечетное число четвертей волны с точностью до одной десятой длины волны.
Когда длина полого участка составляет целое четное число четвертей волны, полый участок 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 близко к нулю реактивное механическое сопротивление в зоне стыка полой части со сплошной, 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 5±2 мкм, для создания оптимизированных режимов обработки. Допустимый же уровень амплитуды колебаний составляет 25 мкм.
.Когда полая часть имеет длину, кратную нечетному числу четвертьволновых участков, обеспечивается возможность работы ультразвукового инструмента как ступенчатого концентратора с его возможностями согласующего звена трансформатора колебательной скорости или звена усилительного - для повышения амплитуды колебаний инструмента по сравнению с амплитудой источника колебаний, когда последняя, согласно типу источника, на холостом ходу ниже требуемого уровня 5±2 мкм.
Предпочтительно, чтобы средний диаметр полой части в торце инструмента имел величину, обеспечивающую с точностью до 20% равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы.
При среднем диаметре полой части в торце инструмента, имеющем величину, обеспечивающую с точностью до 20% равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, доля акустической энергии электроакустического преобразователя, передаваемая в изделие, максимальна, т.е. производительность имеет максимально возможное значение. При использовании инструментов указанной конструкции вектор ультразвуковых колебаний сложен, что увеличивает путь трения, снижая шероховатость обработанной поверхности, повышая при этом долю восстановленных резьбовых элементов, признанных годными к эксплуатации.
Пример
Процесс ультразвуковой обработки осуществляют в условиях прототипа (патент РФ №2270744).
Трубу (бывшая в эксплуатации труба из числа насосно-компрессорных нефтегазовых, прошедшая газодинамическую очистку от смолопарафинов в струе газов реактивного двигателя) с обрабатываемым резьбовым муфтовым элементом, подводят посредством механизма вращательно-поступательного перемещения труб к ультразвуковой установке, свинчивают с обрабатывающим инструментом. Инструмент представляет собой волновод с цилиндрической наружной поверхностью, составной из двух полых частей, одна из которых, имеющая резьбовую обрабатывающую поверхность -выходной участок инструмента, выполнена из инструментальной стали марки Р6М5 с красностойкостью 620°С, что на 100°С выше красностойкости стали, из которой выполнено обрабатываемое изделие. Другая часть инструмента выполнена из отрезка трубы. Части инструмента снабжены узловыми поясками, а их соединение выполнено в виде стяжки узловых поясков. Рабочая обрабатывающая поверхность инструмента - без напыления.
При замедлении относительного вращения в конце свинчивания по сигналу акселерометра включают обработку резьбы ультразвуковыми колебаниями, подключая магнитострикционный преобразователь к ультразвуковому генератору со стабилизатором амплитуды ультразвуковых колебаний на уровне 5±2 мкм и блоком автоматического поддержания резонанса, при этом частоту ультразвуковых колебаний регулируют в соответствии с резонансом для основного тона собственных колебаний обрабатываемой муфты.
Продолжая свинчивать резьбовые элементы с переменной угловой скоростью до достижения заданного датчиком крутящего момента, выполняют совмещенную обработку резьбы муфты 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 резьбы при эксплуатации.
Затем, реверсируя привод механизма, переходят к развинчиванию обрабатываемого изделия и обрабатывающего инструмента. Развинчивание прерывают по сигналу датчика при достижении минимально необходимого 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, в частности образующей муфтового резьбового элемента, по кривой, имитирующей кривую эксплуатационного износа.
Испытания предлагаемого устройства в составе ультразвукового станка автоматизированной установки ультразвуковой диагностики и восстановления резьбовых элементов насосно-компрессорных труб в технологическом потоке цеха трубной базы осуществлялись в следующих условиях:
базовое ультразвуковое оборудование: генератор и два магнитострикционных преобразователя, подключаемые к генератору поочередно,
- рабочий крутящий момент свинчивания-развинчивания 135±15 Нм,
- частота возбуждения ультразвука (режим автоподстройки частоты включен) 20±2 кГц,
- амплитуда ультразвуковых колебаний 5±2 мкм,
- мощность возбуждения 2,5±0,5 кВт.
Результаты испытаний, представленные в таблице, показали достижение технического результата.
Из таблицы следует, что выполнение выходного участка инструмента из инструментальной стали, т.е. из сплава, имеющего красностойкость на 100°С выше, чем у стали обрабатываемого изделия, позволяет повысить надежность работы (исключаются частые поломки инструмента в связи с хрупким разрушением как резьбовой поверхности, так и стенок выходного, рабочего, участка) и долговечность инструмента.
В результате испытаний инструментов с выходными участками, выполненными из различных сплавов, было обнаружено следующее.
Использование в качестве материала выходного участка сплава с красностойкостью, большей красностойкости сплава обрабатываемого изделия менее чем на 100°С, не позволяет значимо повысить надежность и долговечность работы инструмента. При этом максимальное значение красностойкости сплава, из которого можно выполнить выходной участок инструмента, не ограничено. В этом случае выбор материала выходного участка инструмента определяется только экономическими соображениями.
Таблица
Показатели
Примеры
Предлагаемое
Прототип
Производительность, резьбовых элементов в смену
117
103
Восстановлено до годности к дальнейшей эксплуатации, % резьбовых элементов
78
70
Продолжительность работы инструмента без поломок, число обработанных резьбовых элементов
5000
400