Устройство для ультразвуковой обработки резьбы

Полезная модель относится к области ультразвуковой обработки материалов, предназначена для ультразвуковой обработки резьбы и может быть использована, в частности, для восстановления и упрочнения резьбовых элементов бывших в эксплуатации труб и муфт, например, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб, муфт, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых элементов новых труб, муфт, трубных заготовок. Устройство содержит проточную камеру его принудительного охлаждения, пьезоэлектрический преобразователь и инструмент. Инструмент представляет собой волновод. На выходном участке инструмента расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе. Преобразователь выполнен составным. Преобразователь включает, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку. Преобразователь снабжен кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью с постоянной электрической прочности не ниже 0,6 МВ/см, не менее чем до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента, причем. Проточная камера содержит, по меньшей мере одну, стенку, контактирующую с диэлектрической жидкостью. Технический результат заключается в повышении и эксплуатационной надежности работы устройства. 1 табл. 2 з.п. ф-лы.

Полезная модель относится к области ультразвуковой обработки материалов, предназначена для ультразвуковой обработки резьбы и может быть использована, в частности, для восстановления и упрочнения резьбовых элементов бывших в эксплуатации труб и муфт, например, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб, муфт, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых элементов новых труб, муфт, трубных заготовок.

Известно устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее ультразвуковую колебательную систему, включающую магнитострикционный преобразователь, трансформатор колебательной скорости, волновод и инструмент, размещенный на его выходном участке, причем волновод выполнен сменным трубчатым, а рабочий инструмент расположен на четвертьволновом его участке и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу, со спиральными пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания резьбы (патент РФ 2270744).

Устройство позволяет осуществлять обработку с высокой производительностью, поскольку инструмент выполнен ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, т.е. обработка принципиально может осуществляться одновременно по всей поверхности, что обеспечивает высокий класс формообразования. Недостатком устройства является его низкий коэффициент полезного действия.

Известно также устройство для ультразвуковой обработки резьбы, содержащее электроакустический преобразователь и инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе (патент РФ 34106). Тип преобразователя в формуле полезной модели по патенту РФ 34106 не указывается, однако в описании упоминается об использовании только магнитострикционного преобразователя. Магнитострикционные преобразователи считаются более надежными, чем пьезоэлектрические, в связи с известным растрескиванием материала пьезоэлектрического элемента вплоть до его разрушения, причиной которого является перегрев в локальных зонах фактической площади контакта торцов пьезоэлектрических элементов и блоков-накладок или волноводных звеньев колебательной системы ультразвуковой головки.

Однако использование в составе устройства магнитострикционного преобразователя приводит к повышению энергоемкости процесса обработки резьбы, причиной чему является то, что сначала электрическая энергия преобразуется в магнитную, а затем магнитная энергия преобразуется в механическую, которая создает звуковую волну. Вследствие энергетических потерь за счет нагревания обмотки и эффекта магнитного гистерезиса, эффективность магнитных систем обычно не превышает 50%. Генераторы, даже при условии хорошей настройки, в основном, имеют эффективность не более 70%. А это означает, что энергия, затрачиваемая на выполнение полезной функции, используется с эффективностью не более 40%. При этом особенно важным является то, что устройства для ультразвукового восстановления и упрочнения резьбы труб и муфт являются весьма энергоемкими. Кроме того, магнитострикционные преобразователи имеют большие массогабариты, что, в свою очередь, увеличивает массогабариты всей инструментальной головки устройства (преобразователь + инструмент) и, как следствие, снижает точность самоориентирования инструмента по оси обрабатываемой резьбы, что отрицательно сказывается на точности обработки резьбы труб и муфт.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является известное устройство для ультразвуковой обработки резьбы, включающее ультразвуковую головку, содержащую пьезоэлектрический преобразователь, выполненный составным, включающим, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, а также проточную камеру принудительного охлаждения ультразвуковой головки (патент РФ 79479).

Недостатком известного устройства-прототипа является его низкая производительность и низкая эксплуатационная надежность.

Технической задачей полезной модели являлось создание устройства, лишенного указанных недостатков.

Технический результат полезной модели заключается в повышении производительности и эксплуатационной надежности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ультразвуковой обработки резьбы, включающем ультразвуковую головку, содержащую пьезоэлектрический преобразователь, выполненный составным, включающим, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, а также проточную камеру принудительного охлаждения ультразвуковой головки, пьезоэлектрический преобразователь снабжен кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью, имеющей электрическую прочность не ниже 0,6 МВ/см, не менее чем до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента, а проточная камера содержит, по крайней мере, одну стенку, контактирующую с диэлектрической жидкостью.

Проточная камера принудительного охлаждения может быть расположена внутри кожуха и произвольно там закреплена или снаружи - закреплена непосредственно на его наружной стенке.

Проточная камера может быть выполнена в форме тонкостенной рубашки, коаксиальной кожуху, или в форме змеевика-теплообменника.

Проточная камера может быть снабжена патрубком для подключения к напорной магистрали системы воздушного охлаждения или патрубками для подключения к напорной и сливной магистралям системы жидкостного (водяного) охлаждения ультразвуковой головки.

Кожух может быть выполнен непроточным с водомерным стеклом или с прозрачным наливным или сливным патрубком как средством визуального контроля уровня жидкости.

В качестве диэлектрической жидкости, имеющей электрическую прочность не ниже 0,6 МВ/см, заполняющей кожух, охватывающий преобразователь, могут быть использованы, например, масла, такие как силиконовое или трансформаторное

Пьезоэлектрический элемент может быть выполнен тонкостенным, в частности, в виде полого цилиндра, кольца, в виде пластины, например, имеющей форму диска.

Преобразователь может включать прокладки, в том числе, токоподводящие элементы, из фольги, как правило, мягкого металла, (например, в виде шайб), расположенные между пьезоэлектрическими элементами и/или накладками, что увеличивает фактическую площадь контакта, улучшает теплоотвод, чем позволяет снизить энергонапряженность зон контакта, скорость «старения» и поверхностного растрескивания пьезоэлектрического элемента и дополнительно повысить долговечность работы преобразователя.

Преобразователь включает, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, которая, выполненная из пьезоэлекрически пассивного материала (например, металла), позволяет скорректировать его резонансную частоту в соответствии с требованиями к диапазону рабочих ультразвуковых частот установки.

По крайней мере, одна частотопонижающая накладка (отражающая и/или излучающая) может быть выполнена содержащей крепежный элемент, например, в виде внутренней резьбы.

По крайней мере, одна частотопонижающая накладка (отражающая и/или излучающая) может содержать центральный осевой армирующий болт.

В случае необходимости улучшения согласования преобразователя с нагрузкой, функцию согласующего устройства может выполнить дополнительно включаемый в состав устройства концентратор, волновод или сам инструмент (цельный или составной), выполненный как соответственно неоднородный волновод.

Соединение отдельных частей составного (композитного) преобразователя между собой может осуществляться различно: склеиванием; центральным осевым скреплением (например, с использованием армирующего болта); посредством фланцевого крепления пьезоэлектрика между блоками-накладками, снабженными фланцами; скреплением пьезоэлектрика и блоков их стяжкой системой резьбовых шпилек через посредство скрепленных с блоками волноводных звеньев с узловыми поясками, где шпильки опираются на узловые пояски; соединением, подобным последнему, но со стяжкой узловых поясков между собой посредством резьбовой втулки, например, типа «Боуден»; возможны варианты сборки с комбинированием различных упомянутых типов соединения.

Соединение отдельных узлов устройства может также осуществляться различно, например: стяжкой узловых поясков, пайкой, резьбовым соединением и т.п.

Источником электрической энергии в предлагаемом устройстве может служить генератор, например, типа серийного УЗУ-0,25. Согласование акустических сопротивлений элементов устройства, в случае необходимости, осуществляется с помощью вариации линейных размеров блоков-накладок, роль которых, в частности, могут выполнять, как указано выше, функциональные детали устройства (инструмент, волновод-концентратор, резонансный опорный изолятор или другие крепежные детали).

Энергетические потери в пьезоэлектрических материалах, причиной которых служит внутреннее трение и нагрев от диэлектрических потерь, обычно составляют менее 5%. Это означает, что 95% энергии, подаваемой к преобразователю, используется для выполнения полезной функции. Современные генераторы, которые используются в устройствах с пьезоэлектрическими преобразователями, имеют эффективность порядка 75%, что обеспечивает эффективность энергопотребления всей системы в 70% и выше.

Материалом пьезоэлектрического элемента, предпочтительно, является пьезокерамика типа ЦТС-19 и ей подобные.

Работа в условиях высокого локализованного разогрева (как это имеет место в ультразвуковых установках по упрочнению и восстановлению резьбы) приводит к снижению электроакустических свойств материала и прочности самого пьезоэлектрического элемента вплоть до его разрушения. В связи с этим теплоотвод от пьезоэлектрического элемента является, при прочих равных условиях, определяющим долговечность его работы, а следовательно, надежность работы всего устройства.

За счет наличия «пленок» жидкости улучшается контакт торцов пьезоэлектрических элементов, блоков и волноводных звеньев колебательной системы ультразвуковой головки, т.к. реализуется, так называемый, «звукокапиллярный эффект» - жидкость сама транспортируется (за счет активированных сил молекулярного сцепления) в труднодоступные пустоты зоны контакта. При этом, теплоотводом, повышенным за счет теплопроводности жидкости (которая на четыре порядка выше, чем у газов), практически исключается местный перегрев, опасный растрескиванием материала пьезоэлектрического элемента. Это действует как в локальных зонах фактической площади контакта торцов пьезоэлектрических элементов между собой, так и в контактах их с блоками или с волноводными звеньями колебательной системы ультразвуковой головки. Кроме того, присутствие иммерсионной жидкости, как известно, уменьшает переходной импеданс, увеличивается передаваемая от источника акустическая мощность и, в конечном итоге, производительность обработки.

Совместное применение проточного теплообменника, постепенно отводящего тепло, аккумулируемое в масляной бане, и быстродействующего масляного средства локального контактного теплоотвода от пьезоэлектрика через диэлектрическую жидкость приводит к исключению как локальных тепловых разрушений, так и общего перегрева материала пьезоэлектрических элементов головки при длительной ее эксплуатации, что дает технический результат, выражающийся в увеличении допустимой длительности непрерывной работы устройства.

В таблице приведены результаты сравнительных испытаний устройств для ультразвуковой обработки резьбы на примере восстановления бывших в эксплуатации труб насосно-компрессорных с гладкими концами Г-73×5 Д ГОСТ Р 52203-2004. Испытания проводились при амплитуде ультразвуковых колебаний 5±2 мкм, частоте 18±2 кГц, что не исчерпывает возможных диапазонов параметров процесса.

За основу принят международно признанный критерий сравнения эффективности различных электрофизических технологий «удельная производительность на единицу мощности» - часовая производительность на единицу мощности.

В контрольном примере 1 устройство содержит магнитострикционный преобразователь ПМС 15А-18 с последовательно присоединенным к нему собственным волноводом-концентратором (масса узла преобразователя 14 кг) и инструментом, на выходном четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой.

В контрольном примере 2 устройство содержит проточную камеру принудительного охлаждения ультразвуковой головки, воздушно-охлаждаемый составной преобразователь (масса узла преобразователя около 1 кг) с одним пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде трубчатого цилиндра (Ф70; Ф50; Н60) из пьезокерамического материала ЦТС-19, с центральной армирующей шпилькой, стальной частотопонижающей накладкой на одном ее конце и непосредственно присоединенным к другому ее концу и к кольцевому торцу пьезоэлектрического элемента инструментом, на выходном четвертьволновом участке которого расположена резьба, ответная обрабатываемой. Инструмент одновременно выполняет функцию частотопонижающей накладки составного преобразователя.

Частотопонижающее действие обеих накладок обеспечивает работу преобразователя на резонансной частоте, близкой к рабочей ультразвуковой частоте установки (18 кГц).

Контрольный пример 3 повторяет условия и оборудование контрольного примера 2, но пьезоэлектрический преобразователь снабжен кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью (трансформаторным маслом) до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента. Кожух выполнен непроточным с прозрачным наливным патрубком как средством визуального контроля уровня жидкости.

Пример 4 (по предлагаемой полезной модели) повторяет контрольный пример 3, но при этом проточная камера принудительного охлаждения ультразвуковой головки расположена непосредственно на наружной стенке кожуха, выполнена в форме рубашки, коаксиальной ему, и снабжена патрубками для подключения к напорной и сливной магистралям системы водяного охлаждения ультразвуковой головки.

Результаты исследования восстановленных резьбовых элементов показывают, что во всех 4-х примерах резьба после обработки соответствует нормативным значениям натяга по резьбовому и гладкому калибрам, а также достигается повышение микротвердости поверхности резьбы в 1,5-1,6 раза, что свидетельствует не только о восстановлении геометрии резьбы, но и о контактном упрочнении поверхностного слоя металла, в том числе, в результате образования наклепа.

Энергоемкость обработки устройствами по контрольным примерам 2 и 3 значительно ниже, чем по контрольному примеру 1. Однако при этом устройства по контрольным примерам 1 и 2 имеют более низкую производительность, а устройство по контрольному примеру 2 и более низкую надежность.

Точность обработки резьбы по примерам 2, 3 и 4 примерно одинакова и, в среднем, в соответствии со снижением дисперсии размеров на 20%, выше, чем в контрольном примере 1, поскольку массогабариты пьезоэлектрического преобразователя значительно ниже массогабаритов магнитострикционного преобразователя, что снижает момент инерции инструментальной головки и повышает точность самоориентирования инструмента по оси обрабатываемой резьбы.

Таким образом, результаты примеров 1-4 свидетельствуют о том, что устройство по примеру 4 позволяет значительно повысить производительность и эксплуатационную надежность работы устройства.

1. Устройство для ультразвуковой обработки резьбы, включающее ультразвуковую головку, содержащую пьезоэлектрический преобразователь, выполненный составным, включающим, по крайней мере, один пьезоэлектрический элемент и, по крайней мере, одну частотопонижающую накладку, инструмент, представляющий собой волновод, на выходном участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, а также проточную камеру принудительного охлаждения ультразвуковой головки, отличающееся тем, что пьезоэлектрический преобразователь снабжен кожухом, заполненным диэлектрической жидкостью, имеющей электрическую прочность не ниже 0,6 МВ/см, не менее чем до уровня, покрывающего боковые поверхности пьезоэлектрического элемента, а проточная камера содержит, по крайней мере, одну стенку, контактирующую с диэлектрической жидкостью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проточная камера принудительного охлаждения расположена внутри кожуха.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проточная камера принудительного охлаждения расположена непосредственно на наружной стенке кожуха.