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. Инструмент для ультразвуковой обработки резьбы выполнен в форме метчика и представляет собой волновод. На выходном четвертьволновом полом участке волновода расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе. Длина полого участка 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 свободного торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы. Технический результат состоит в повышении производительности процесса и доли обработанных резьбовых элементов, признаваемых после обработки годными к эксплуатации. 7 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, 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.

1. Инструмент для ультразвуковой обработки резьбы, выполненный в форме метчика и представляющий собой волновод, на выходном полом четвертьволновом участке которого расположена рабочая резьбовая поверхность, ответная обрабатываемой резьбе, отличающийся тем, что 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 свободного торца инструмента и поперечного сечения обрабатываемого изделия в месте окончания обрабатываемой резьбы.

2. Инструмент для ультразвуковой обработки 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 волноводу, промежуточному, подводящему колебания от электроакустического преобразователя.

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

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

6. Инструмент для ультразвуковой обработки 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 резьбы по п.6, отличающийся тем, что соединение составных частей выполнено резьбовым.

8. Инструмент для ультразвуковой обработки резьбы по п.6, отличающийся тем, что соединение составных частей выполнено пайкой.