Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы

Инструмент может быть использован при восстановлении и/или упрочнении конических резьбовых поверхностей бывших в эксплуатации деталей и изделий, а также при подготовке к эксплуатации конических резьбовых поверхностей новых деталей и изделий, преимущественно бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб и муфт к ним. Инструмент представляет собой волновод. На выходном четвертьволновом участке полой части волновода расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, с фаской на заходном витке и, по меньшей мере, с одним пазом, пересекающим направление ниток резьбы рабочей поверхности. По меньшей мере, один паз выполнен с глубиной больше рабочей высоты профиля резьбы. Рабочие кромки паза, соответствующие профилю резьбы рабочей резьбовой поверхности в ее пересечении с плоскостями сторон паза, целиком либо по участкам выполнены острыми и/или притупленными. Длина полой части волновода составляет целое нечетное число четвертей волны с точностью до одной десятой длины волны. 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. Технический результат состоит в повышении производительности процесса и доли восстановленных резьбовых элементов, признанных годными к эксплуатации, при сохранении эффективности отвода тепла от волновода и вывода стружки и загрязнений из зоны обработки. 17 з.п. ф-лы.

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, резьбы бурильных, обсадных, насосно-компрессорных труб и муфт к ним, а также при подготовке к эксплуатации резьбовых поверхностей новых деталей и изделий.

Известен инструмент для восстановления конических резьбовых соединений, например, нефтепромысловых труб, содержащий резьбовую рабочую поверхность, ответную обрабатываемой резьбе, с пазами, расположенными на рабочей поверхности и пересекающими направления ниток резьбы, с упрочняющим износостойким покрытием, нанесенным на рабочую поверхность полосами определенной толщины и ширины вдоль пазов на передние, задние контактные поверхности резьбы, на ее вершины и впадины. При этом инструмент может быть выполнен в виде метчика или плашки (патент РФ №2141890).

Известен также инструмент для ультразвуковой обработки, используемый в устройстве для восстановления резьбовых элементов нефтепромысловых труб. Инструмент расположен на четвертьволновом участке волновода и выполнен резьбовым, ответным обрабатываемому резьбовому элементу трубы, с пазами, расположенными на его рабочей поверхности симметрично относительно витка, соответствующего по исходным размерам витку в центре зоны наиболее интенсивного изнашивания обрабатываемой резьбы (патент РФ №2270744).

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является известный инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы, представляющий собой волновод, на выходном (полом или сплошном) четвертьволновом участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, с фаской на заходном витке

и, по меньшей мере, с одним пазом, пересекающим направление ниток резьбы рабочей поверхности, причем, по меньшей мере, один паз выполнен с глубиной больше рабочей высоты профиля резьбы, рабочие кромки паза, соответствующие профилю резьбы рабочей резьбовой поверхности в ее пересечении с плоскостями сторон паза, целиком либо по участкам выполнены острыми и/или притупленными (патент РФ №42459).

Инструментом предлагаемого профиля обеспечивается повышенная надежность обрабатываемого резьбового соединения за счет увеличения его длительной, в том числе, усталостной прочности и герметичности посредством избирательного воздействия ультразвуковым поверхностным пластическим деформированием и/или ультразвуковой лезвийной обработкой.

Размер полости (при полом, целиком трубчатом, инструменте - его длина) в патенте не оговаривается. Выполнение инструмента трубчатым (полым) 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. 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.

Техническая задача полезной модели - устранение указанных недостатков.

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 конической резьбы, представляющем собой волновод, на выходном четвертьволновом участке полой части которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, с фаской на заходном витке и, по меньшей мере, с одним пазом, пересекающим направление ниток резьбы рабочей поверхности, в котором, по меньшей мере, один паз выполнен с глубиной больше рабочей высоты профиля резьбы, рабочие кромки паза, соответствующие профилю резьбы рабочей резьбовой поверхности в ее пересечении с плоскостями сторон паза, целиком либо по участкам выполнены острыми и/или притупленными, длина полой части волновода 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 полой части инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы.

Инструмент может быть выполнен с возможностью сменного крепления непосредственно к электроакустическому преобразователю ультразвуковых колебаний или к собственному волноводу блока электроакустического преобразователя, или к волноводу промежуточному, подводящему колебания от блока электроакустического преобразователя.

Инструмент может быть выполнен с возможностью центрального осевого резьбового крепления или снабжен узловым пояском для обеспечения возможности крепления в виде стяжки узловых поясков.

Инструмент, предпочтительно, выполнен составным. При этом его составные части могут быть снабжены узловыми поясками, а соединение

составных частей - выполнено в виде стяжки узловых поясков. Соединение составных частей также может быть выполнено резьбовым или пайкой.

Предпочтительно, рабочие кромки, по меньшей мере, одного паза выполнены притупленными, по крайней мере, на участках закругленных вершин профиля.

Рабочие кромки, по меньшей мере, одного паза могут быть выполнены притупленными на прямолинейных участках профиля. При этом рабочая кромка, по меньшей мере, одного паза рабочей резьбовой поверхности инструмента, расположенная при заходах в нитки резьбы для свинчивания инструмента с деталью, может быть выполнена острой, а вторая кромка паза - притупленной или рабочая кромка, по меньшей мере, одного паза рабочей резьбовой поверхности инструмента, расположенная при заходах в нитки резьбы для свинчивания инструмента с деталью, может быть выполнена притупленной, а вторая кромка паза - острой.

По меньшей мере, один паз может быть выполнен между фаской и основанием конуса рабочей резьбовой поверхности.

По меньшей мере, один паз может быть выполнен пересекающим фаску инструмента.

По меньшей мере, один паз на участке между фаской и основанием конуса рабочей резьбовой поверхности может иметь, по крайней мере, одно сквозное отверстие, проникающее внутрь полой части.

Инструмент может быть выполнен в виде метчика, а, по меньшей мере, один паз выполнен параллельно оси инструмента или под углом к оси в правовинтовом направлении. Кроме того, инструмент может быть выполнен в виде плашки, а, по меньшей мере, один паз выполнен параллельно оси инструмента или под углом к оси в левовинтовом направлении.

Количество пазов, предпочтительно, составляет от одного до девяти.

Инструмент имеет особенности формы профиля резьбовой поверхности рабочей зоны такие, как показано на фиг.1-8 в описании патента РФ №42459.

Когда длина полой части составляет целое нечетное число четвертей волны, тогда близки к балансу реактивные составляющие механического сопротивления в зоне стыка полой части со сплошной, доля активной составляющей передаваемой через стык акустической мощности относительно повышается, т.е. увеличивается производительность ультразвуковой обработки при той же мощности преобразователя. Тогда же полая часть 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, 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. Тогда же реализуются наиболее благоприятные условия применения преобразователей, имеющих под нагрузкой процессом обработки уровень амплитуды колебаний на выходе, ниже рекомендуемого в прототипе, близкого к 3-7 мкм, для создания оптимизированных режимов обработки (допустимые значения амплитуды колебаний находятся в диапазоне от 1 до 15 мкм).

Когда в торце инструмента средний диаметр полой части имеет величину, обеспечивающую с точностью до 20% равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, доля акустической энергии источника, передаваемая в изделие, максимальна, что соответствует согласованию полных волновых сопротивлений волноводов инструмента и изделия, т.е. производительность имеет предпосылки получить максимально возможное значение. При использовании волноводов

указанной конструкции вектор ультразвуковых колебаний сложен, но более устойчив, чем в прототипе, что стабильно увеличивает путь трения, снижая шероховатость обработанной поверхности при повышении точности обработки, что увеличивает долю восстановленных резьбовых элементов, признаваемых 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. Благодаря выбору среднего диаметра, обеспечивающего равенство площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы, потеря мощности при переходе от полой части частично сплошного инструмента к трубчатому изделию существенно снижается, начиная от разницы в площадях в 20%, вплоть до ничтожной при приближении к абсолютному равенству.

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 и 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 и по нагрузкой ниже требуемого уровня 5±2 мкм.

Пример 1.

Инструмент-плашку с двумя пазами, выполненными параллельно оси инструмента (двумя диаметрально расположенными пазами), при этом обе рабочие кромки паза острые, используют при восстановлении конической наружной резьбы трубы (бывшая в эксплуатации труба из числа насосно-компрессорных нефтегазовых, прошедшая

газодинамическую очистку от смолопарафинов в струе газов реактивного двигателя). Инструмент представляет собой волновод в виде частично сплошного цилиндра, имеющей полую часть, длина которой равна трем четвертям длины волны, а средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую равенство, с избытком +20%, площади торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. Инструмент выполнен с возможностью сменного крепления к волноводу-концентратору, подводящему ультразвуковые колебания от внешнего источника, стяжкой и имеет узловые пояски.

Трубу подводят ниппельным концом вперед посредством механизма вращательно-поступательного перемещения труб к ультразвуковой установке. Ввинчивают ниппельный резьбовой элемент трубы в обрабатывающий инструмент (в зависимости от конструкции установки возможно также вращательно-поступательное движение узла установки, включающего инструмент, при неподвижном изделии), включают источник ультразвуковых колебаний, производят лезвийную ультразвуковую обработку трубной резьбы ниппельного конца трубы острыми кромками. При этом в процессе ввинчивания после установления контакта как между вставными, так и между нагрузочными (тыльными) гранями резьбы систематически увеличивается толщина снимаемого слоя металла. Обработку ведут до упора с заданным моментом ввинчивания резьбовых элементов друг в друга. При этом происходит, преимущественно, коррекция формы профиля резьбы, а продукты обработки в форме удаленных загрязнений и микростружки с поверхности обрабатываемой резьбы выводятся через паз. В фазе перемещения в сторону вывинчивания вступают в работу острые кромки на противоположной стороне паза, производя аналогичную вышеописанной обработку резьбы по обеим ее граням, но при систематическом уменьшении толщины снимаемого слоя металла. Этим повышают

геометрическую точность линейных и угловых параметров профиля резьбы и, до определенной степени, одновременно упрочняют ее контактные поверхности.

Операции свиничивания-развинчивания 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, главным образом, формоизменение резьбы.

Ускорению такого формоизменения способствует то, что при выборе среднего диаметра полой части в ее торце, 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 близкого к абсолютному равенства площадей (показано в примере 3), реализуется, практически, в чистом виде «режим бегущих волн», а при указанном избытке - «режим колебательной скорости», где амплитуда последней, соответственно, на 20% больше, чем при «режиме бегущих волн». В 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 резьбы 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.

Для инструмента-метчика технический результат аналогичен результату, полученному для инструмента-плашки.

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.

Пример 4 (контрольный, по прототипу)

Осуществляют по примеру 1, но средний диаметр полой части в торце инструмента имеет величину, обеспечивающую разницу в 35% площадей торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. При этом длина полой части волновода составляет две четверти длины волны с точностью до одной десятой длины волны.

Пример 5 (контрольный, по прототипу)

Осуществляют по примеру 4, 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. При этом инструмент представляет собой волновод, имеющий полую часть, длина которой равна 0,63 длины волны.

Испытания работы предлагаемого инструмента осуществлялись в следующих условиях:

- базовое ультразвуковое оборудование генератор мод. УЗГЗ-4 и два преобразователя ПМС15А-18, подключаемые к генератору поочередно для обработки резьбовых элементов на разных концах трубы,

- рабочий крутящий момент ввинчивания-вывинчивания 120-150 Нм,

- частота возбуждения ультразвука (режим автоподстройки частоты включен) 18-22 кГц.

- амплитуда ультразвуковых колебаний 3-7 мкм.

- мощность возбуждения 2-3 кВт.

Обработку прошли бывшие в эксплуатации трубы НКТ 73 гл. Д, ГОСТ 633 80, прошедшие газодинамическую очистку от асфальтенов и смолопарафинов в струе газов реактивного двигателя.

Результаты испытаний, представленные в таблице, показали достижение технического результата. Для инструмента-метчика технический результат аналогичен результату, полученному для инструмента-плашки.

1. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы, представляющий собой волновод, на выходном четвертьволновом участке полой части которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, с фаской на заходном витке и, по меньшей мере, с одним пазом, пересекающим направление ниток резьбы рабочей поверхности, причем, по меньшей мере, один паз выполнен с глубиной больше рабочей высоты профиля резьбы, рабочие кромки паза, соответствующие профилю резьбы рабочей резьбовой поверхности в ее пересечении с плоскостями сторон паза, целиком либо по участкам выполнены острыми и/или притупленными, отличающийся тем, что длина полой части волновода 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.

2. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью сменного крепления непосредственно к электроакустическому преобразователю ультразвуковых колебаний или к собственному волноводу блока электроакустического преобразователя, или к волноводу промежуточному, подводящему колебания от блока электроакустического преобразователя.

3. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью центрального осевого резьбового крепления.

4. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.2, отличающийся тем, что он снабжен узловым пояском для обеспечения возможности крепления в виде стяжки узловых поясков.

5. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что он выполнен составным.

6. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.5, отличающийся тем, что составные части снабжены узловыми поясками, а соединение составных частей выполнено в виде стяжки узловых поясков.

7. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.5, отличающийся тем, что соединение составных частей выполнено резьбовым.

8. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.5, отличающийся тем, что соединение составных частей выполнено пайкой.

9. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что рабочие кромки, по меньшей мере, одного паза выполнены притупленными, по крайней мере, на участках закругленных вершин профиля.

10. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что рабочие кромки, по меньшей мере, одного паза выполнены притупленными на прямолинейных участках профиля.

11. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.10, отличающийся тем, что рабочая кромка, по меньшей мере, одного паза рабочей резьбовой поверхности инструмента, расположенная при заходах в нитки резьбы для свинчивания инструмента с деталью, выполнена острой, а вторая кромка паза выполнена притупленной.

12. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.10, отличающийся тем, что рабочая кромка, по меньшей мере, одного паза рабочей резьбовой поверхности инструмента, расположенная при заходах в нитки резьбы для свинчивания инструмента с деталью, выполнена притупленной, а вторая кромка паза выполнена острой.

13. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один паз выполнен между фаской и основанием конуса рабочей резьбовой поверхности.

14. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один паз выполнен пересекающим фаску инструмента.

15. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.13 или 14, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один паз на участке между фаской и основанием конуса рабочей резьбовой поверхности имеет, по крайней мере, одно сквозное отверстие.

16. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде метчика, а, по меньшей мере, один паз выполнен параллельно оси инструмента или под углом к оси в правовинтовом направлении.

17. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде плашки, а, по меньшей мере, один паз выполнен параллельно оси инструмента или под углом к оси в левовинтовом направлении.

18. Инструмент для ультразвуковой обработки конической резьбы по п.1, отличающийся тем, что количество пазов составляет от одного до девяти.