СТАНОК ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ КОНИЧЕСКОЙ РЕЗЬБЫ ДЕТАЛЕЙ ТРУБ

Полезная модель относится к технологии обработки металлов с применением ультразвукового упрочнения резьбовых участков деталей и может быть использована при изготовлении, восстановлении или ремонте, например, нефтепромысловых труб или соединительных муфт к ним.
Уровень техники
Известно устройство для ультразвуковой обработки отверстий лезвийными инструментами, содержащее ультразвуковой преобразователь и инструментодержатель, поджимаемый к торцу волновода и не имеющий с ним жесткой связи (патент РФ 1038098, МКИ В23В, 37/00, 1980). Устройство позволяет нарезать резьбу с подводом ультразвуковых колебаний, но не позволяет повышать точность изготовленной резьбы и упрочнять ее наружную поверхность и предназначено только для обработки цилиндрических отверстий, причем малого диаметра, не имеет узлов развязки воздействия ультразвука от корпусных элементов устройства, отсутствие которых снижает эффективность обработки, особенно при обработке отверстий большого диаметра. Кроме того, данное устройство не позволяет вести обработку резьбовых деталей в автоматическом режиме.
Известен также станок с ЧПУ для обработки резьбы, позволяющий осуществлять нарезку как внутренней, так и наружной резьбы, цилиндрической и конической, содержащий станину, на которой смонтированы шпиндельная бабка с патроном и подвижная каретка с инструментом (патент США 4402120, кл. МКИ 29/40, 1983). Станок позволяет нарезать резьбу в автоматическом режиме, однако его возможности ограничены применением чисто механических (традиционных) средств воздействия на заготовку, при этом в станке не предусмотрены такие средства, как ультразвуковая обработка резьбы.
Наиболее близким аналогом является станок для восстановления и/или упрочнения резьбы на трубной заготовке (патент РФ 2191097, B23G 1/22, 2002).
Станок содержит станину, узел зажима и вращения заготовки и узел установки сменного инструмента. Для обеспечения возможности исправления в автоматическом режиме погрешностей и износа как наружной, так и внутренней резьбы в значительном диапазоне диаметров узел установки сменного инструмента выполнен в виде подвижной в продольном направлении каретки, в корпусе которой размещены ультразвуковая головка с вибратором, механизм подвески ультразвуковой головки и механизм фиксации осевого положения ультразвуковой головки. При этом сменный инструмент поджат к вибратору ультразвуковой головки с помощью подпружиненной в осевом направлении гильзы, фланец которой взаимодействует с фланцем сменного инструмента. Для повышения эффективности обработки за счет снижения рассеяния энергии ультразвуковых колебаний механизм подвески ультразвуковой головки может содержать, по крайней мере, два гибких элемента, один конец каждого из которых закреплен на ультразвуковой головке, а второй - подпружинен относительно корпуса каретки.
Недостатком данного технического решения является то, что ультразвуковые волны направлены вдоль оси трубы и воздействуют на обрабатываемую резьбовую поверхность детали под острым углом и поэтому не могут способствовать интенсивной обработке участка резьбы. Расположение в каретке ультразвукового инструмента, контактирующего при работе с поверхностью волновода, на плоском торце входного конца позволяет волноводу направлять ультразвуковые волны только в направлении оси инструмента, что позволяет применять в процессе обработки деталей только один магнитострикционный преобразователь. Однако мощность стандартного магнитострикционного преобразователя ограничена (она составляет не более 5 кВт). Указанная величина мощности недостаточна для интенсивной проработки приповерхностных слоев резьбового участка таких деталей как трубы большого диаметра (например, трубы диаметром более 89 мм). Кроме того, вследствие неплотного прилегания рабочей поверхности к ответной поверхности вибратора не всегда обеспечивается надежный контакт инструмента с вибратором и это затрудняет передачу ультразвуковых колебаний от инструмента к детали.
Подвижная в продольном направлении каретка, в корпусе которой размещены ультразвуковая головка с вибратором, механизм подвески ультразвуковой головки и механизм фиксации осевого положения ультразвуковой головки не обеспечивает достаточной интенсивности передачу ультразвуковых колебаний на инструмент из-за потерь при свободном контактировании инструмента и вибратора преобразователя. Кроме того, используемые в качестве направляющих каретки скалки с осевыми упорами, двумя подвижными втулками, поджатыми к осевым упорам пружинами и имеющих выступы для взаимодействия с закрепленным на ультразвуковой головке рычагом не обеспечивают точность перемещений каретки, что приводит к перекосам и заклиниванию.
Отмеченные недостатки приводят к снижению КПД станка до 0,2.
Задача, стоявшая перед авторами настоящей полезной модели, заключалась в значительном повышении КПД станка (до 0,6) за счет снижения потерь и максимальной концентрации ультразвуковых колебаний на обрабатываемом участке резьбы. Это позволяет экономить электроэнергию и одновременно интенсифицировать обработку поверхностных и приповерхностных слоев материала упрочняемой резьбы. Последнее обстоятельство способствует улучшению служебных характеристик труб и соединительных муфт. Кроме того стояла задача распространения технологии ультразвукового упрочнения резьбовой поверхности на трубы больших диаметров (более 89 мм).
Технический результат полезной модели - повышение КПД станка, повышение эффективности передачи ультразвуковых колебаний, расширение технологических возможностей для обработки деталей с большими диаметрами за счет снижения потерь при передаче и увеличения мощности ультразвуковых колебаний.
Указанный технический результат достигается в станке для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей, содержащем станину, узел зажима и вращения заготовки, узел установки сменного инструмента, подвижную в продольном направлении каретку, на которой смонтирован упор, снабженную дисковым волноводом, имеющим коническое отверстие, в которое устанавливается сменный ультразвуковой инструмент.
Каретка состоит из корпуса, в котором смонтированы направляющие модули с линейными подшипниками с высокой точностью, которые обеспечивают поступательное перемещение каретки по направляющим.
Дисковый волновод выполнен с размером диаметра кратным четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале волновода, для обеспечения резонанса. На периферии дискового волновода смонтированы пьезоэлектрические преобразователи, которые подключены к ультразвуковому генератору.
Размеры диаметра диска зависят от количества пьезоэлектрических преобразователей, которые на нем монтируются для обеспечения достаточной мощности ведения процесса ультразвуковой обработки.
Дисковый волновод имеет плавающее крепление, позволяющее ему одновременно перемещаться как в вертикальных, так и в горизонтальных плоскостях.
Существо полезной модели поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1. Станок для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей труб.
Фиг. 2. Узел перемещения каретки.
Элементы предлагаемого станка в тексте описания и на чертеже обозначены следующими номерами.
Изображенный на фиг. 1 станок состоит из станины 1, на которой смонтированы механизм зажима и вращения трубы 2, каретка 3. В каретке 3 на подвесках 4 подвешен дисковый волновод 5, в который крепится сменный ультразвуковой инструмент 6. На дисковом волноводе 5 установлены пьезоэлектрические преобразователи 7. Источником ультразвуковых колебаний служит ультразвуковой генератор 8. Для подачи электроэнергии и управления станком от контроллера (на рисунке не показан) используется электрошкаф управления 9. На каретке 3 смонтирован узел перемещения каретки 10 и поворотный упор 11. Труба 12 подается с помощью транспортной системы 13.
На фиг. 2 изображен узел перемещения каретки, состоящий из основания 14 и корпуса 15. На основании смонтированы круглые направляющие 16, по которым перемещаются колеса 17, установленные на осях 18. Корпус 15 крепится на осях 18 с помощью кронштейнов 19.
Примеры использования предлагаемого станка.
Пример 1. Станок для ультразвуковой обработки конической резьбы деталей труб.
Изображенный на фиг. 1 станок оснащается инструментом 6, который выполнен в виде плашки (для обработки наружной резьбы) или метчика (для обработки внутренней резьбы). Труба 12 подается до упора 11 и зажимается в механизме вращения и зажима 2. К трубе 12 с помощью узла перемещения (фиг. 2) подводится каретка 3 с ультразвуковым инструментом 6, который и навинчивается на резьбу трубы 12. После навинчивания инструмента 6 на резьбу трубы 12 включается ультразвук, который от ультразвукового генератора 8 (его КПД составляет 82%) подается на пьезоэлектрические преобразователи 7 (его КПД составляет 74%) и производится ультразвуковая обработка резьбы трубы 12. После окончания ультразвуковой обработки, ультразвуковой инструмент 6 отвинчивается, ультразвук отключается, каретка 3 возвращается в исходное положение. Труба 12 разжимается в механизме вращения и зажима 2. С помощью транспортной системы 13 труба извлекается из зоны обработки. Затем подается следующая труба и цикл повторяется.
Конструкция узла перемещения каретки позволяет перемещать каретку по круглым направляющим, предотвращающими заклинивание.
При реализации полезной модели за счет использования более эффективных элементов ультразвуковой колебательной системы с использованием ультразвукового генератора 8, пьезоэлектрических преобразователей 7 и дискового концентратора 5 КПД станка составляет не менее 60%.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса на 2014-2020 гг.» при поддержке субсидией по соглашению с Минобрнауки № 14.576.21.0030 от 30.06.2014. Уникальный идентификатор проекта RFMEF157614X0030.