ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ 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, внутренней резьбы 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 сплошным, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №34106).
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.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является известный инструмент для ультразвуковой обработки резьбы, выполненный в форме метчика и представляющий собой волновод, на выходном четвертьволновом полом участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ №2270744).
Выполнение инструмента трубчатым 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.
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 резьбы, выполненном в форме метчика и представляющем собой волновод, на выходном четвертьволновом полом участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, длина полого участка составляет целое нечетное 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.
Равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы решает задачу согласования инструмента и обрабатываемого изделия по их полным волновым сопротивлениям, поскольку материалы изделия и инструмента обладают практически одинаковым удельным волновым сопротивлением.
Когда длина полого участка составляет целое нечетное число четвертей волны, тогда близки к балансу реактивные составляющие механического
сопротивления 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 полый участок становится начинающейся в узловой плоскости второй ступенью ступенчатого концентратора, трансформирующего в сторону повышения амплитуду колебаний по сравнению со входным сечением сплошного участка и имеющего, в общем случае, одно- или многополуволновое резонансное продолжение трубчатым волноводом равного сечения. В последнем дальнейшей трансформации амплитуды колебаний не происходит и усиленные, при необходимости, по амплитуде, колебания передаются в зону обработки.
Например, тогда же реализуются наиболее благоприятные условия применения преобразователей, имеющих уровень амплитуды колебаний на выходе, ниже номинального, близкого к 3-7 мкм, для создания оптимизированных режимов обработки, известных из прототипа.
Инструмент может быть выполнен с возможностью сменного крепления непосредственно к электроакустическому преобразователю ультразвуковых колебаний или к собственному волноводу блока электроакустического преобразователя, или волноводу, промежуточному, подводящему колебания от электроакустического преобразователя. Крепление может быть выполнено в виде стяжки или в виде центрального осевого резьбового крепления, в том числе, с помощью резьбовых приспособлений, например, шпильки. Для обеспечения возможности крепления в виде стяжки с узловым пояском собственного волновода блока электроакустического преобразователя ультразвуковых колебаний или волновода, промежуточного, подводящего колебания от электроакустического преобразователя, инструмент может быть снабжен узловым пояском. Сменное крепление целесообразно использовать для
монтажа быстро и часто заменяемых типов недолговечного инструмента на ультразвуковой головке.
Инструмент может быть выполнен составным, что позволяет варьировать длину волновода. Так, если обрабатываемая деталь - муфта содержит элемент (юбку), выходящий в сборе с инструментом за плоскость узла функции распределения смещений стоячей волны в инструменте, то не удается узловое крепление инструмента с минимальной резонансной длиной. В этом случае применяют цельный многополуволновый или составной метчик, где для крепления инструмента используют свободное узловое сечение. Удлинение инструмента и применение составных инструментов бывает актуальным по компоновке узлов станка.
При этом составные части могут быть снабжены узловыми поясками, а соединение составных частей выполнено в виде стяжки узловых поясков. Такое крепление позволяет сохранить возможность использования всей поверхности торца каждого из звеньев для передачи акустической энергии от источника в зону обработки, получить возможность плавной однородной по периметру торца регулировки плотности сжатия звеньев и с этим однородности уровня амплитуды по периферии торца инструмента при использовании в узловых поясках звеньев фланцев и стяжки их множеством шпилек. При таком креплении стабильно достигается высокое качество акустического контакта инструмента при длительной эксплуатации ультразвуковой головки.
В другом варианте соединение составных частей может быть выполнено резьбовым, например, центральным осевым. Кроме того, соединение составных частей может быть выполнено пайкой.
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, достигается согласование полных волновых сопротивлений в зоне обработки и доля акустической энергии
электроакустического преобразователя, передаваемая в изделие, максимальна, т.е. производительность имеет максимальное значение. При использовании волноводов указанной конструкции с полым участком вектор ультразвуковых колебаний многонаправлен, что увеличивает путь трения, снижая шероховатость обработанной поверхности, повышая при этом долю восстановленных резьбовых элементов, признанных годными к эксплуатации. Очевидно, что даже в случае частично сплошного, частично полого инструмента тепло эффективнее отводится от волновода, имеющего полость, приближаясь к показателям трубчатого волновода. Кроме того, по сравнению с полностью сплошным волноводом, стружка одинаково легко выводится из зоны обработки благодаря наличию полости как при выполнении волновода трубчатым, так и частично сплошным, с полым выходным участком, не разлетаясь по рабочему помещению. Но при этом благодаря выбору среднего диаметра, обеспечивающего равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, улучшается согласование волновых сопротивлений коэффициент отражения при переходе от полой части инструмента к трубчатому изделию существенно снижается. Доля уменьшения мощности бегущей волны мала и примерно сопоставима с долей рассогласования полных волновых сопротивлений волноводов, начиная от совпадения площадей, до их разницы в 20%.
При выполнении волновода трубчатым или частично сплошным, когда, согласно предлагаемой полезной модели, полая часть (в случае трубчатого волновода - длина инструмента) имеет длину, кратную нечетному числу четвертьволновых участков, можно обеспечить работу 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.
Пример 1
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, в виде частично сплошного цилиндра, имеющего полый участок, длина которого равна трем четвертям длины волны, а средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство с предельно допустимым избытком в +20% площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. Инструмент выполнен составным с возможностью сменного крепления к собственному волноводу-концентратору электроакустического преобразователя стяжкой, для чего он и собственный волновод преобразователя имеют узловые пояски.
При замедлении относительного вращения в конце свинчивания по сигналу акселерометра включают обработку резьбы потоком ультразвуковых колебаний, 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 потоком ультразвуковых колебаний. 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 резьб 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. 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.
Ускорению такого формоизменения способствует то, что при выборе среднего диаметра полой части в торце инструмента имеющего величину, обеспечивающую площадь торца инструмента, 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), реализуется в чистом виде «режим бегущих волн», а при указанном 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 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 полой части инструмента, кроме того, в связи со снижением шероховатости обработанной резьбы повышается доля обрабатываемых резьбовых элементов, признаваемых годными к эксплуатации.
Окончив свинчивание, продолжают обработку, вводя поток ультразвуковых колебаний в пятно контакта резьб.
Пример 2
Осуществляют по примеру 1, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство с предельно допустимым недостатком 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.
Испытания работы 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 мод. УЗГЗ-4 и два преобразователя ПМС15А-18, подключаемые к генератору поочередно
- рабочий крутящий момент свинчивания-развинчивания 120-150 Нм
- частота возбуждения ультразвука (режим автоподстройки частоты включен) 18-22 кГц
- амплитуда ультразвуковых колебаний 3-7 мкм
- мощность возбуждения 2-3 кВт.
Результаты испытаний, представленные в таблице, показали достижение технического результата.
Таблица
Показатели
Примеры
1
2
3
Прототип
Производительность, резьбовых элементов в смену
115
114
118
103
Восстановлено до годности к дальнейшейэксплуатации, % резьбовых элементов
75
75
80
70