Введение
Упорные резьбы нашли применение в технике для создания особо прочных резьбовых соединений, испытывающих преимущественно одностороннюю нагрузку. В частности, они используются для соединения труб нефтяного сортамента. Примерами таких резьб являются упорные резьбы обсадных труб по ГОСТ 632 (резьбы API Buttress) (рис. 1). Упорные резьбы при эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам. Например, резьбовые соединения API Buttress нагружены как статическими, так и динамическими силами, которые появляются при спуске колонн в скважину, а у обсадных труб – также нагрузками, возникающими в процессе цементирования скважины при затвердевании цементного раствора. Действие осевых растягивающих сил вызывает нарушение герметичности колонны и разрыв резьбовых соединений.
Рис. 1. Наружная резьба по ГОСТ 632 Примечание: составлен авторами на основе ГОСТ 632
Ситуацию усугубляют дополнительные изгибающие усилия, возникающие при искривлении или наклоне скважины. При этом длина спускаемого в нефтяную или газовую скважину лифта может достигать 2 км и более. Разрушение резьбового соединения в его составе приводит к авариям и требует проведения восстановительных работ, затраты на которые могут достигать нескольких миллионов рублей.
На сегодняшний день резьбы нефтяного сортамента получают путем многопроходного нарезания резьбовыми резцами или резьбовыми гребенками [1–3]. Данная технология имеет ряд существенных недостатков. Она отличается низкой производительностью и не способствует повышению прочности получаемой резьбы, в особенности усталостной. Так как нарезание резьбы резцами обычно осуществляется на незакаленных заготовках, после закалки точность и прочность резьбы значительно снижаются. Нарезанные резьбы также склонны при свинчивании-развинчивании к образованию задиров.
Определенный эффект по повышению эксплуатационных характеристик нарезанных резьб дает упрочнение их впадин поверхностным пластическим деформированием (обкаткой) [4–6], однако его все же следует признать недостаточным для тяжелонагруженных деталей [7]. Кроме того, введение дополнительных упрочняющих операций существенно повышает себестоимость изготовления изделий.
Многочисленными научными исследованиями [8, с. 63–79; 9, с. 638–654; 10, с. 137–150 и др.] и производственным опытом установлено, что высокое качество получаемой резьбы при высокой производительности обеспечивает метод обработки давлением – резьбонакатывание. Статическая и в особенности усталостная прочность накатанных резьб существенно выше, чем у нарезанных. По точности накатанные резьбы тоже превосходят нарезанные. Однако обработка накатыванием резьб нефтяного сортамента вызывает значительные технологические трудности [11–13]. Накатывание упорных резьб типа API Buttress традиционными методами практически невозможно из-за малого угла наклона одной из боковых сторон (3°), препятствующего течению металла в радиальном направлении из впадины в выступ.
Цель исследования – разработка нового метода обработки давлением, позволяющего накатывать упорные и прямоугольные резьбы на полых заготовках.
Материалы и методы исследования
При проведении исследований использовались основные положения теоретической механики, аналитической геометрии, теории пластичности и метод конечных элементов.
Результаты исследования и их обсуждение
Для получения наружных прямоугольных и упорных резьб пластическим деформированием ранее был предложен способ [14], основанный на принципе валковой штамповки. Валковая штамповка [15, с. 77–84] – это технология получения цилиндрических деталей, имеющих ступени различной формы, обработкой давлением. Формообразование деталей валковой штамповкой производится путем деформирования заготовки пуансоном в роликовой матрице, представляющей собой несколько вращающихся роликов.
Способ [14] осуществляется следующим образом.
Цилиндрическая заготовка, диаметр которой под резьбу равен внутреннему диаметру накатываемой резьбы, устанавливается в двух втулках между тремя или большим количеством роликов одного диаметра. Правый торец заготовки деформируется пуансоном с силой Р. Для того, чтобы компенсировать осевую силу Р, левый торец поджимается плавающим упором с силой Р1 = Р. Ролики вращаются со скоростью V. Одновременно в полости левого и правого гидроцилиндров подается жидкость под давлением p. Под действием сил Р и Р1 заготовка начинает деформироваться, увеличиваясь в диаметре. Выступы резьбы роликов препятствуют течению металла заготовки в радиальном направлении и формируют впадины резьбы на накатываемой заготовке. При этом за счет сил трения между заготовкой и вращающимися роликами ей также сообщается некоторое вращательное движение Vз. Таким образом, на заготовке формируется винтовой профиль накатываемой резьбы.
Способ [14] позволяет накатывать прямоугольные и упорные резьбы только на цельных заготовках. У полой заготовки при таком деформировании металл будет течь внутрь отверстия и формирования полного профиля резьбы не произойдет. Для полых деталей предлагается использовать новый способ, показанный на рис. 2. На верхней половине рис. 2. изображена заготовка до накатывания резьбы, а на нижней половине – после.
Рис. 2. Схема накатывания упорной резьбы на полой заготовке: 1 – деталь; 2 – оправка-дорн; 3 – резьбонакатные ролики; 4 – плавающий упор; 5, 6 – гидроцилиндры; 7, 8 – поршневые полости гидроцилиндров; 9 – клапан Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Предлагаемый технологический процесс осуществляется следующим образом:
В качестве заготовки используется цилиндрическая труба с наружным диаметром под резьбу, равным внутреннему диаметру получаемой резьбы. Заготовка устанавливается на оправку-дорн 2. Вокруг оправки находятся несколько цилиндрических резьбонакатных роликов 3. Оси вращения роликов и заготовки параллельны. Ролики вращаются с одинаковой скоростью с помощью привода станка (на схеме не показан).
Оправка-дорн состоит из двух ступеней. Диаметр меньшей базирующей ступени равен диаметру начального отверстия в заготовке dн. Диаметр большей деформирующей ступени равен диаметру отверстия в готовой детали d0. Между ступенями имеется деформирующий конус.
Перед началом обработки заготовка устанавливается на базирующей ступени оправки-дорна. Ее левый торец фиксируется с помощью плавающего упора 4.
Известно, что при накатывании резьб заготовка всегда получает осевое перемещение в связи с тем, что из-за подъема металла у нее будет меняться средний диаметр и, следовательно, угол подъема резьбы [16, с. 31–33]. Для заданных геометрических параметров получаемой резьбы регулировка направления осевого перемещения осуществляется за счет изменения диаметра резьбонакатных роликов. Диаметр роликов рассчитывается по формуле
Dнар = (kрол / kдет) dзаг , (1)
где kрол – количество заходов резьбы на ролике, определяется конструктивно, исходя из необходимой прочности роликов и параметров резьбонакатного оборудования;
kдет – количество заходов резьбы на накатываемой детали;
dзаг – наружный диаметр заготовки под резьбу. Для рассматриваемого способа равен внутреннему диаметру накатываемой резьбы, мм.
Благодаря этому заготовка будет вывинчиваться из роликов только в сторону плавающего упора. В противном случае заготовка упрется в деформирующий конус оправки-дорна и произойдет разрушение витков формируемой резьбы.
Оправка-дорн и плавающий упор работают как поршни гидроцилиндров 5 и 6. Полости 7 и 8 этих гидроцилиндров соединены с гидросистемой станка (на схеме не показана) таким образом, чтобы обеспечить в их равное давление масла. Так как внутренние диаметры гидроцилиндров одинаковы, силы Р и Р1, действующие на оправку-дорн и плавающий упор, также будут равны. Полость 8 имеет слив через клапан 9, который открывается, если давление в этой полости будет больше, чем значение:
р = P1 / F1 ζ, (2)
где F1 – площадь поперечного сечения полости 8 гидроцилиндра 6;
ζ – коэффициент полезного действия гидроцилиндра.
Заготовка, оправка-дорн и плавающий упор могут свободно вращаться вокруг своей оси.
При накатывании резьбы ролики, как было указано выше, вращаются с одинаковой скоростью V. С помощью гидросистемы станка в полости обоих гидроцилиндров подается масло под давлением p. В результате этого оправка-дорн внедряется в отверстие заготовки, деформируя его конусом с силой P. Как следствие, отверстие заготовки увеличивается от первоначального диаметра dн до окончательного d0. Увеличение внутреннего диаметра заготовки ведет к росту наружного, однако выступы резьбы роликов препятствуют радиальному течению металла. Таким образом, металл заготовки имеет возможность течь только под впадинами резьбы роликов. При этом ролики благодаря трению сообщают заготовке вращение со скоростью Vз. Вследствие этого за счет радиального течения металла на заготовке формируется винтовая резьба.
Так как диаметр роликов рассчитан по формуле (1), заготовка при формировании на ней резьбы будет постоянно вывинчиваться из них в сторону плавающего упора. В связи с этим давление масла в полости 8 станет больше, чем значение p. Клапан 9 откроется, и масло из полости 8 через него пойдет на слив, позволяя плавающему упору перемещаться влево на величину осевого смещения заготовки.
Когда оправка-дорн своей деформирующей частью пройдет все отверстие в заготовке, весь металл переместится в радиальном направлении и на заготовке будет сформирован полный профиль резьбы. На этом процесс получения резьбы завершается и заготовка снимается с оправки-дорна.
Так как окончательные размеры резьбы и диаметр отверстия в готовой детали задаются конструктором и известны заранее, объем деформируемого материала и, следовательно, степень заполнения металлом накатываемого резьбового профиля при рассматриваемом способе будет зависеть от начального размера отверстия в заготовке.
Рис. 3. Эквивалентные деформации при накатывании упорной резьбы на полой заготовке Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования
Начальный диаметр отверстия в заготовке до деформирования ориентировочно можно рассчитать по формуле
dн = 
(3)
где D2 – средний диаметр резьбы, мм;
D1 – внутренний диаметр резьбы, мм;
d0 –диаметр отверстия в готовой детали, мм.
Начальный диаметр отверстия в заготовке также зависит и от механических свойств ее материала и уточняется экспериментальным путем на основе анализа полноты профиля получаемой при накатывании резьбы. В случае неполного профиля начальный диаметр отверстия уменьшают. При переполнении профиля – увеличивают.
Если резьба занимает не всю наружную поверхность заготовки, отверстие в заготовке делается ступенчатым, где диаметр dн будет только у ступени под резьбой, а в остальных местах отверстие будет иметь диаметр d0.
При накатывании резьб предлагаемым способом могут использоваться модернизированные многороликовые машины для валковой штамповки [15, с. 79–80], тяжелые резьбонакатные станки [8, с. 79–107], имеющие дополнительные гидравлические цилиндры, а также гидравлические прессы, оснащенные специальными накатными устройствами.
Для оценки практической реализуемости предлагаемого способа получения упорных резьб на полых заготовках было проведено компьютерное моделирование процесса методом конечных элементов [17] в системе DEFORM 3D. Моделировалось накатывание одного витка резьбы шагом 6 мм на заготовке диаметром 50 мм из стали 45 тремя роликами диаметром 100 мм. Заготовка при моделировании оставалась неподвижной, а все движения сообщались инструментам.
Результаты моделирования представлены на рис. 3. С помощью моделирования установлено, что метод позволяет получать крупные упорные резьбы с полным заполнением профиля и без опасности их разрушения. Накатывание при этом целесообразно производить шестью роликами, так как при меньшем количестве роликов возможно возникновение огранки заготовки.
Заключение
Проведенные исследования показали возможность применения предлагаемого способа для накатывания упорных резьб на полых заготовках.
Поскольку предлагаемый способ требует применения сложного нестандартного оборудования, себестоимость получаемых с его помощью резьбовых изделий предположительно будет достаточно высока.
В связи с этим можно сделать вывод о том, что его целесообразно будет использовать для изготовления крупных тяжелонагруженных резьб на ответственных деталях, например на трубах и переходниках нефтяного сортамента.
Конфликт интересов
Финансирование
Библиографическая ссылка
Афонин А.Н., Слободянский М.А., Лозовая С.Ю. СПОСОБ НАКАТЫВАНИЯ НАРУЖНЫХ УПОРНЫХ РЕЗЬБ НА ПОЛЫХ ЗАГОТОВКАХ // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 7. С. 19-24;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=40855 (дата обращения: 12.08.2026).