Электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки Российский патент 2022 года по МПК B23H3/04 B23H9/00 

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, применяемых в винтовых героторных гидравлических двигателях для бурения нефтяных скважин.

Статоры с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall) повышают ресурс и надежность винтовых героторных гидравлических двигателей, используются для увеличения крутящего момента на выходном валу в режиме максимальной мощности, допустимой осевой нагрузки за счет увеличения перепада давления в режиме максимальной мощности, обеспечения равномерного натяга во всех фазах контакта зубьев обкладки и ротора, улучшения уплотнения по контактным линиям в зоне полюсов зацепления, снижения контактных нагрузок в зоне максимальных скоростей скольжения, а также за счет синхронизации работы многозаходных многошаговых винтовых камер между зубьями ротора и обкладки статора (RU2321767, RU2321768, RU2300617, RU2361997, RU2373364, RU2689014).

Основные преимущества статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall):

- повышается нагрузочная способность статора, снижаются гистерезисные потери в обкладке, повышаются энергетические характеристики и тормозной момент двигательной секции, что исключает вероятность торможения двигателя при изменении нагрузки и повышает управляемость бурения;

- снижается количество вырабатываемого и сохраняемого тепла, натяг в соединении ротор-обкладка статора меньше зависит от температуры и деструкции ("разбухания") эластомера, обеспечиваются высокие энергетические характеристики двигателя в увеличенном интервале глубины скважины, температуры и буровых растворов на нефтяной основе;

- улучшенные энергетические характеристики двигателя позволяют эффективно использовать его с долотами PDC (Polycrystalline Diamond Compakt) с поликристаллическими алмазами;

- за счет меньшей толщины эластомера при отрыве кусков обкладки не происходит закупорки промывочных отверстий долота, вследствие этого требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ (Журнал "Бурение и нефть", 11/2014, стр. 56÷59).

Известна установка для электрохимического фрезерования необработанной внутренней поверхности осевого отверстия трубчатой заготовки, содержащая устройство для удерживания заготовки, электрод, включающий множество смежных зубьев по окружности с канавками между ними, простирающихся между аксиально противоположными передним и задним его краями, устройство для перемещения электрода через отверстие заготовки между ближним и дальним краями заготовки, устройство для подключения заготовки и электрода в качестве анода и катода соответственно, устройство для направления электролита через отверстие для обволакивания электрода, электрохимической обработки необработанного отверстия и формирования винтового отверстия за задним краем электрода, и устройство для уплотнения заднего края электрода к заготовке для герметизации от потока электролита, предназначенного для изоляции электролита в необработанном отверстии при прохождении электрода через заготовку (US 6413407 В1, 02.07.2002).

В известной установке уплотнительное устройство для герметизации потока электролита прикреплено к заднему краю электрода для перемещения за ним в винтовом отверстии, включает устройство для направления жидкости за задним краем электрода с уплотнительным модулем, предназначенным для отделения жидкости от электролита, при этом уплотнительный модуль включает заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и множество смежных направляющих зубьев по окружности с канавками между ними, направляющие зубья для уплотнения винтового отверстия больше зубьев электрода, а также включает наружную направляющую, присоединенную к ближнему краю заготовки, и множество смежных внутренних зубьев по окружности с канавками между зубьями, при этом эти внутренние зубья дополняются зубьями задней направляющей для герметизации от потока электролита и жидкости между ними, зубья электрода и направляющая расположены спирально по окружности для электрохимической обработки спиральных зубьев, а зубья наружной направляющей расположены по спирали для вращения в винтовом отверстии при перемещении электрода вдоль оси через заготовку.

В известной установке электрод выполнен полым в передней части для направления электролита через него, включает винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода и подогнанную по размеру для герметизации винтового отверстия во время электрохимической обработки, и винтовую переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода и подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия, передняя и задняя направляющие поддерживают винтовой электрод аксиально между ними для центрирования внутри заготовки и обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью заготовки.

Недостатками известного электрода являются неполная возможность повышения ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Недостатки известного электрода объясняются неполной возможностью улучшения теплоотвода, предотвращения протекания токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, повышения точности центрирования электрода, а также недостаточной эффективностью уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Масса металлического шлама при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, например, длиной 6500 мм и диаметром до 245 мм, составляет 150÷250 кг.

Прокачка электролита с металлическим шламом осуществляется из межэлектродного промежутка через радиальные отверстия внутрь электрода, что не обеспечивает эффективности уноса и очистки металлического шлама потоком электролита, не предотвращает короткие замыкания.

Недостатком известного электрода является также высокая стоимость изготовления множества винтовых уплотнительных устройств каждого типа (числа зубьев) и размера (контурного диаметра), включающих заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и множество смежных направляющих зубьев по окружности с канавками между ними, при этом направляющие зубья больше зубьев электрода для уплотнения винтового отверстия, а также включающих наружную направляющую, присоединенную к ближнему краю заготовки, и множество смежных внутренних зубьев по окружности с канавками между собой, при этом эти внутренние зубья дополняются зубьями задней направляющей для герметизации от потока электролита и жидкости между ними.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что площадь поперечного сечения, которую удаляют во время электрохимического фрезерования необработанной внутренней поверхности осевого отверстия трубчатой заготовки, достаточно велика, постоянный ток составляет 30000 ампер при напряжении 25 вольт, при этом поток электролита, прокачиваемого против направления движения электрода, подающегося в межэлектродный промежуток и проходящего далее через отверстия электрода, не обеспечивает улучшения теплоотвода, что увеличивает вероятность потери устойчивости и возникновения неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается длительный (без износа) ресурс электрода, используемого в качестве катода.

Недостатком известного электрода является также недостаточная эффективность защиты от коротких замыканий и механических повреждений, что объясняется тем, что электрод, закрепленный на приводной штанге (из медного сплава, длиной до 5500 мм), вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения устройства уплотнения заднего края электрода в винтовом отверстии заготовки происходит потеря устойчивости приводной штанги, разрушение электрической изоляции и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается ресурс электрода и повышение точности обработки, а также возможность уменьшения расхода электроэнергии.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что процесс электрохимической обработки в известной установке предназначен для получения гладкого винтового зубчатого профиля внутренней поверхности в необработанном отверстии трубчатой заготовки, при этом для предотвращения ухудшения шероховатости обработанной поверхности при дальнейшем воздействии электролита после создания канала нужных размеров, задняя внутренняя направляющая, присоединенная к заднему краю электрода, образует уплотнение за электродом, а вода или другая жидкость затем прокачивается под давлением за задней направляющей электрода для обеспечения промывки оставшегося электролита.

Для достижения гладкой поверхности винтового зубчатого профиля в осевом отверстии трубчатой заготовки, увеличено время окончательной обработки внутренней стенки трубчатой заготовки в отдельной камере под действием электролита, вследствие этого в указанной отдельной камере имеются неизолированные поверхности, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, что не позволяет уменьшить расход электроэнергии и увеличить производительность обработки, изображено на фиг. 2, 3, 5 патента US 6413407.

Недостатком известного электрода является также то, что гладкий винтовой зубчатый профиль внутренней поверхности в отверстии трубчатой заготовки, получаемый в результате электрохимической обработки, не обеспечивает требуемую адгезионную прочность привулканизованной затем обкладки из эластомера к профилю внутренней винтовой поверхности трубчатой заготовки.

Вследствие этого не обеспечиваются свойства материала в конструкции, по существу, усталостная выносливость эластомера при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ10952-75), остаточная деформация и усталостная выносливость при многократном сжатии (ГОСТ20418-75), температурный предел хрупкости (ГОСТ7912-74), истирание при скольжении (ГОСТ426-77).

Известна установка для электрохимической обработки геликоидального зубчатого профиля внутренней поверхности трубчатой детали для изготовления статора винтового двигателя или насоса, включающая электрод зубчатой формы, приводную штангу для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории таким образом, чтобы электрод мог электрохимическим методом обрабатывать геликоидальный зубчатый профиль внутренней поверхности трубчатой детали, а устройство для создания траектории потока и направления электролита в первоначальном пространстве между электродом и деталью выполнено таким образом, чтобы электропитание обеспечивало электрический ток через электролит на первоначальном пространстве между электродом и деталью, где траектория потока также включает в себя зону за электродом, в то время как электрод движется вдоль прямолинейной траектории, и электролит может использоваться для создания шероховатости на внутренней поверхности детали после обработки электродом, при этом электрод удерживается внутри детали в течение продолжительного времени для достижения шероховатости внутренней поверхности детали (US 7192260 В2, 20.03.2007).

Известная установка включает электрод для формирования винтовых зубьев в трубчатой детали, приводную штангу для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории, электропитание, соединенное с электродом и имеющее соединение с трубчатой деталью, расположенной вдоль прямолинейной траектории и установленной таким образом, что электрод может проходить в осевом положении внутри трубчатой детали, посредством чего электропитание может обеспечивать электрический ток через электрод (катод) и деталь (анод), при этом траектория потока для направления электролита между электродом и деталью включает зону, обозначенную между частью приводной штанги и деталью за электродом, и включает электрический проводник, соединенный с электропитанием и воздействующий на зону, где электрический ток установлен через электролит внутри зоны между проводником и деталью, при этом содержит зону значительного размера в направлении прямолинейной траектории, причем электрический ток, проведенный в зону, может травить, и тем самым увеличивать шероховатость окончательно обработанной внутренней поверхности детали после обработки электродом, а электрод удерживается внутри трубчатой детали в течение продолжительного времени, достаточного для достижения шероховатости внутренней поверхности детали.

В известной установке электрод соединен с приводной штангой при помощи инструментального конуса, наружная поверхность которого имеет форму усеченного конуса и соединяется с внутренней поверхностью в форме усеченного конуса в приводной штанге и электроде, при этом пространство определяется уплотнением на приводной штанге, контактирующим с винтовыми каналами детали.

В известной установке часть приводной штанги покрыта изолирующей муфтой, а электрический проводник воздействует на зону между частью приводной штанги и деталью, которая является частью приводной штанги, не покрытой изолирующей муфтой.

В известной установке содержится, по меньшей мере, один канал для прохождения электролита мимо направляющей, созданный на наружной поверхности приводной штанги, между приводной штангой и деталью, при этом задняя направляющая образована для создания зоны, где электролит проходит между задней направляющей и приводной штангой для отвода тепла от электрода и передачи на соединение приводной штанги, при этом задняя направляющая содержит множество каналов для прохождения электролита между задней направляющей и приводной штангой с целью отвода тепла от электрода и передачи на соединение приводной штанги.

Отличием упомянутого изобретения от описанного в патенте US 6413407, является то, что для достижения шероховатости поверхности внутренней стенки трубы статора увеличено время окончательной обработки внутренней стенки трубы под действием электролита, и тогда электрический ток может продолжать травление внутренней обработанной поверхности, посредством этого достигается шероховатость поверхности, что обеспечивает требуемую адгезионную прочность привулканизованной затем обкладки из эластомера к профилю внутренней поверхности трубчатой заготовки.

Электролит вводится через канал 42 в камеру на входе (приближенную к месту крепления) 44, при этом во время электрохимической обработки детали 46 электролит проходит по длине приводной штанги 48 между приводной штангой и обработанной частью 47 детали 46, и через канавки 49 в стенке центрального отверстия направляющей детали 50, где проходит приводная штанга, изображено на фиг. 7, 8 патента US 7192260.

Предпочтительное расположение канавок - параллельно друг другу с интервалами по окружности центрального отверстия задней направляющей детали 50, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Поток электролита через эти канавки обеспечивает охлаждение зоны контакта электрода и приводной штанги, при этом электролит проходит затем через электрод 52 в направлении от входа к выходу, т.е. по направлению движения электрода мимо передней направляющей 80 и ниже длины необработанного отверстия 56 детали 46, в камеру, где электролит выпускается и отправляется на повторное использование, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Камера 44 имеет внутренний диаметр в соответствии с размером обработанного профиля детали, чтобы удержать вес электрода, перед тем как задняя направляющая входит в деталь, при этом задняя направляющая 50 направляет поток электролита и удерживает вес электрода, установленного на приводной штанге 48, но она не выполняет функции уплотнения, при этом электролит остается в положении за электродом во время процесса обработки, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Изолирующая трубка 60 приводной штанги смещена в положение 62, чтобы открыть кольцевую площадь 64 приводной штанги достаточной длины, тогда электрический ток между направляющим стержнем и деталью будет оказывать травление окончательно обработанной внутренней стенки трубчатой детали, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Недостатками известного электрода являются неполная возможность повышения ресурса при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Недостатки известного электрода объясняются неполной возможностью улучшения теплоотвода, предотвращения протекания токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке, повышения точности центрирования электрода, а также недостаточной эффективностью уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий электрода.

Во время электрохимической обработки детали 46 электролит проходит по длине приводной штанги 48 между приводной штангой и обработанной частью 47 детали 46 и через канавки 49 в стенке центрального отверстия направляющей детали 50, при этом металлический шлам накапливается между задней стенкой направляющей 80 и передним торцом электрода 52, что не обеспечивает эффективного уноса металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Масса металлического шлама при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, например, длиной 6500 мм и диаметром до 245 мм, составляет 150÷250 кг.

Недостатком известного электрода является также высокая стоимость изготовления множества винтовых уплотнительных устройств каждого типа (числа зубьев) и размера (контурного диаметра), включающих заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и множество смежных направляющих зубьев по окружности с канавками между ними, при этом направляющие зубья больше зубьев электрода для уплотнения винтового отверстия, а также включающих наружную направляющую, присоединенную к ближнему краю заготовки, и множество смежных внутренних зубьев по окружности с канавками между собой, при этом эти внутренние зубья дополняются зубьями задней направляющей для герметизации от потока электролита и жидкости между ними.

Недостатки известного электрода объясняются также тем, что площадь поперечного сечения, которую удаляют во время обработки, достаточно велика, постоянный ток составляет 30000 ампер при напряжении 25 вольт, передача электрического тока с таким высоким значением между электродом и приводной штангой не обеспечивает надежной защиты от коротких замыканий электрода и обрабатываемой детали, а поток электролита 30, прокачиваемого в межэлектродный промежуток и проходящего через каналы 49 электрода 52 или через каналы 91 электрода 88, не обеспечивает улучшения теплоотвода, увеличивает вероятность возникновения неизолированных поверхностей (частиц металлического шлама в электролите), через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается форма и размеры электрода, имеющего винтовую зубчатую форму наружной поверхности, не обеспечивается форма и размеры винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, а также не обеспечивается длительный (без износа) ресурс электрода.

Недостаточная эффективность защиты электрода от механических повреждений и коротких замыканий объясняется также тем, что приводная штанга с закрепленным на ней электродом вдвигается в отверстие трубчатой заготовки, расположенной перед электродом, при этом из-за трения уплотнительных элементов 86, 92 относительно геликоидального зубчатого профиля внутренней поверхности трубчатой детали происходит потеря устойчивости приводной штанги и возникновение неизолированных поверхностей, через которые протекают значительные токи, шунтирующие рабочий ток в межэлектродном промежутке, вследствие этого не обеспечивается ресурс электрода, изображено на фиг. 7, 9, 10 патента US 7192260.

Известен электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, а также содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, при этом передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор, выполненный из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода (RU 2586365 С1, 10.06.2016).

Недостатками известного электродного блока являются неполная возможность повышения ресурса для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижения расхода электроэнергии, а также повышения точности обработки.

Неполная возможность повышения ресурса электродного блока при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки и снижения расхода электроэнергии объясняется отсутствием плотного контакта по торцам токопроводящих деталей - электрода 5 и оправки 11 при затяжке болта 66 на торце 59 оправки 11 вследствие того, что между электродом 5 и оправкой 11 размещен центратор 51 из диэлектрического материала, при этом не предотвращается протекание токов, шунтирующих рабочий ток в межэлектродном промежутке 16, а также в зоне контакта электрода 2 и оправки 11 - по внутреннему диаметру электрода 5 и диаметру оправки 11, при этом возникают короткие замыкания в зоне контакта электрода 5 и оправки 11, а также в резьбовом соединении болта 66 с оправкой 11 и в резьбовом соединении оправки 11 и приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2, 7 патента RU 2586365.

Неполная возможность повышения точности электрохимической обработки объясняется гидроабразивным размывом внутренних зубьев 62 в отверстии трубчатой заготовки 4 вследствие неравномерности эпюры скоростей и давлений потока электролита на основе хлорида натрия на водной основе (Na Cl) под давлением в системе - 4,0 МПа на выходе каждого из двух дополнительных каналов 35 и 35 для электролита, а также неполной возможностью повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий электрода 5 на выходе 45 и 46 каждого из двух дополнительных каналов 34, 35 для электролита 23, образованных вкладышем 31 из диэлектрического материала с поперечным сечением в форме двутаврового профиля, разделенного ребром 32 двутаврового профиля, перед тупиковой стенкой задней направляющей 47, выполненной в виде зубчатого диска (во впадинах между зубьями зубчатого диска), что приводит к образованию внутренних зубьев 62 в отверстии трубчатой заготовки 4 с уменьшенной толщиной головки зуба (в форме "заостренного" зуба), изображено на фиг. 1, 2, 7 патента RU 2586365.

Известен электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, а также содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, каждый винтовой зуб электрода снабжен рядом поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, при этом электрод выполнен в виде комплекта шлицевых дисков, установленных на оправке с обеспечением плотных контактов по их торцам и фиксации шлицевых дисков в окружном направлении относительно центральной продольной оси оправки, при этом в шлицевых дисках электрода теоретический профиль каждого винтового зуба электрода образован множеством винтовых шлиц, вершины которых сопряжены с огибающей теоретического профиля винтового зуба электрода, высота винтовых шлиц в шлицевых дисках электрода выполнена уменьшающейся в направлении заднего края электрода, шлицы и впадины шлиц в смежных шлицевых дисках электрода перекрыты между собой вдоль винтовой поверхности зубьев электрода таким образом, что за шлицами шлицевого диска в направлении заднего края электрода вдоль винтовой поверхности зубьев электрода расположены впадины шлиц смежного шлицевого диска, а за впадинами шлиц шлицевого диска вдоль винтовой поверхности зубьев электрода в направлении заднего края электрода расположены шлицы смежного шлицевого диска, при этом задний край электрода образован шлицевым диском, выполненным с профилем, совпадающим с профилем винтовых зубьев задней направляющей (RU 2709881 С1, 23.12.2019).

Недостатком известного электрода является высокая стоимость изготовления электродного блока, в котором электрод выполнен в виде комплекта шлицевых дисков, установленных на оправке с обеспечением плотных контактов по их торцам и фиксации шлицевых дисков в окружном направлении относительно центральной продольной оси оправки, при этом в шлицевых дисках электрода теоретический профиль каждого винтового зуба электрода образован множеством винтовых шлиц разного размера (контурного диаметра), вершины которых сопряжены с огибающей теоретического профиля винтового зуба электрода разного размера (контурного диаметра), высота винтовых шлиц в шлицевых дисках электрода выполнена уменьшающейся в направлении заднего края электрода, шлицы и впадины шлиц в смежных шлицевых дисках электрода перекрыты между собой вдоль винтовой поверхности зубьев электрода.

Недостатком известного электродного блока является также неполная возможность повышения скорости электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижения расхода электроэнергии, а также создания дополнительной турбулентности и эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, присоединенную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и в дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, при этом электродный блок снабжен резьбовым модулем и внутренней втулкой, скрепленной с центратором из диэлектрического материала, выполненной из токопроводящего материала и установленной коаксиально на оправке, при этом край приводной штанги, направленный к электроду, выполнен с наружным центрирующим поясом, а оправка выполнена со сквозным центральным отверстием и внутренним центрирующим поясом и установлена коаксиально на центрирующем поясе приводной штанги, резьбовой модуль прикреплен к приводной штанге сквозь центральное отверстие оправки и имеет резьбовые элементы на открытом краю оправки с возможностью плотных контактов переднего торца электрода с задним торцом внутренней втулки в центраторе из диэлектрического материала, переднего торца внутренней втулки в центраторе из диэлектрического материала с упорным торцом оправки, и торцов оправки и приводной штанги, при этом со стороны контактирующего с задним торцом электрода торца задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, в плоскости каждой впадины между зубьями выполнена кавитационная каверна с возможностью образования собственных щелевых каналов для электролита, соединенных с выходом дополнительных каналов для электролита, образованных вкладышем из диэлектрического материала с поперечным сечением в форме двутаврового профиля, а стенка задней направляющей, выполненной в виде зубчатого диска, имеет минимальную толщину в плоскости каждой впадины между зубьями (RU 2663789, 09.08.2018).

Недостатком известного электродного блока является неполная возможность повышения скорости электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижения расхода электроэнергии, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродных промежутков потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Неполная возможность повышения скорости электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки объясняется неполной возможностью образования дополнительных зон электрохимической обработки, улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Другим недостатком известного электродного блока является неполная возможность повышение ресурса и надежности гидравлических забойных двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых корпус двигателя выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера и прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора.

Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении скорости электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижении расхода электроэнергии, увеличении точности обработки путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Другой технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности гидравлических забойных двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера и прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора.

Сущность технического решения заключается в том, что в электродном блоке для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащем электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, включающий винтовую заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, установленной на оправке, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и снабжена каналами для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода и дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, согласно изобретению наружные винтовые зубья электрода, а также винтовые зубья винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, образованы множеством наружных винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения, а вершины наружных винтовых шлиц сопряжены с огибающей упомянутых наружных винтовых шлиц, идентичной теоретическому профилю поперечного сечения наружных винтовых зубьев электрода, а также винтовых зубьев винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, при этом высота наружных винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения выполнена уменьшающейся в направлении заднего края электрода, а также содержит обтекатель, размещенный внутри тупиковой полости оправки на выходе электролита из приводной штанги в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом.

Радиус r окружности каждого наружного винтового шлица с круговым профилем поперечного сечения и радиус R окружности теоретического профиля поперечного сечения каждого винтового зуба на наружной поверхности электрода и каждого винтового зуба винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, связаны соотношением: r=(0,1÷0,2)R.

Гильза из диэлектрического материала, установленная на оправке, выполнена съемной и фиксируется относительно оправки при помощи винтов с возможностью упора головок винтов в оправку и обеспечения плотного контакта головок винтов с отверстиями для головок винтов в гильзе, а отверстия для головок винтов в гильзе герметично закрыты с наружной поверхности гильзы заглушками из диэлектрического материала.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что наружные винтовые зубья электрода, а также винтовые зубья винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, образованы множеством наружных винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения, а вершины наружных винтовых шлиц сопряжены с огибающей упомянутых наружных винтовых шлиц, идентичной теоретическому профилю поперечного сечения наружных винтовых зубьев электрода, а также винтовых зубьев винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, при этом высота наружных винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения выполнена уменьшающейся в направлении заднего края электрода, а также содержит обтекатель, размещенный внутри тупиковой полости оправки на выходе электролита из приводной штанги в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, обеспечивает повышение скорости электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижение расхода электроэнергии, увеличение точности обработки путем образования дополнительных зон электрохимической обработки между передней поверхностью шлиц в зубьях электрода и материалом трубчатой заготовки, улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом уменьшает потери давления потока электролита - хлорида натрия на водной основе (NaCl) под давлением в системе - 4,0 МПа и гидроабразивный "размыв" за счет выравнивания скоростей и давлений потока электролита между выходами чередующихся пазов на круглой боковой поверхности кольцевого центратора и входами в камеры внутри каждого винтового зуба электрода, а также между входами в дополнительные камеры электрода, образованные вкладышами в форме двутаврового профиля, установленными в пазах между зубьями электрода, обеспечивает изотермические условия с минимально возможным градиентом плотности тока на его рабочей поверхности, повышает эффективность уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий, а также уменьшает шламование электролитом внутренней тупиковой полости оправки на выходе электролита из приводной штанги в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, что повышает также ресурс электрода.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом обеспечивает также повышение ресурса и надежности гидравлических забойных двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера и прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора, что предотвращает отслоение обкладки из эластомера на рабочей длине корпуса, а также растрескивание, отслоение и вырывы кусков обкладки из эластомера по краям, со стороны входа и выхода текучей среды (бурового раствора), в напряженных условиях работы (при бурении в твердых породах): при наличии в рабочей паре между ротором и обкладкой трубчатого корпуса необходимого натяга контактное давление составляет 2,5÷3 МПа, скорость скольжения составляет 0,5÷2,5 м/с, гидростатическое давление может достигать 50 МПа, а момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности может достигать 30 кН⋅м, причем в условиях высокой турбулентности бурового раствора, который имеет плотность до 1500 кг/м³, содержит до 2% песка и до 5% нефтепродуктов.

Вследствие этого повышаются свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ426-77), что предотвращает закупорку промывочного узла бурового долота, по существу, предотвращает основной отказ компоновки низа бурильной колонны (КНБК) при бурении скважины по причине - "резина в долоте", при этом требуемый интервал скважины может быть добурен до конца, повышается наработка на отказ, обеспечиваются существенные экономические преимущества заявляемой конструкции.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что радиус r окружности каждого наружного винтового шлица с круговым профилем поперечного сечения и радиус R окружности теоретического профиля поперечного сечения каждого винтового зуба на наружной поверхности электрода и каждого винтового зуба винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, связаны соотношением: r=(0,1÷0,2)R, обеспечивает лучшие свойства эластомера в конструкции, например, усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением (ГОСТ 10952-75), остаточной деформации и усталостной выносливости при многократном сжатии (ГОСТ20418-75), температурного предела хрупкости (ГОСТ7912-74), истирания при скольжении (ГОСТ 426-77).

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки таким образом, что гильза из диэлектрического материала, установленная на оправке и используемая в качестве передней направляющей электрода, выполнена съемной и фиксируется относительно оправки при помощи винтов с возможностью упора головок винтов в оправку и обеспечения плотного контакта головок винтов с отверстиями для головок винтов в гильзе, а отверстия для головок винтов в гильзе герметично закрыты с наружной поверхности гильзы заглушками из диэлектрического материала, обеспечивает быструю замену поврежденной или изношенной гильзы, повышает точность центрирования электрода в необработанном отверстии трубчатой заготовки, а также точность получаемой в результате электрохимической обработки формы и размеров винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки.

Ниже изображен электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, предназначенной для изготовления статора (R-Wall) двигательной секции винтового героторного гидравлического двигателя для бурения нефтяных скважин, например, опубликованного в патенте RU2723595.

На фиг. 1 изображен электродный блок, скрепленный с приводной штангой, в процессе электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 2 изображен электродный блок, скрепленный с приводной штангой.

На фиг. 3 изображен разрез А-А на фиг. 2 поперек края приводной штанги, оправки и гильзы.

На фиг. 4 изображен разрез Б-Б на фиг. 2 поперек электрода с вкладышами из диэлектрического материала в форме двутаврового профиля в канавках между винтовыми зубьями электрода.

На фиг. 5 изображен элемент В на фиг. 4 - теоретический профиль винтового зуба электрода, образованный множеством винтовых шлиц, вершины которых сопряжены с огибающей теоретического профиля винтового зуба электрода.

На фиг. 6 - изометрическое изображение электродного блока со стороны заднего края электрода.

На фиг. 7 - изометрическое изображение электродного блока со стороны переднего края электрода.

На фиг. 8 изображен электродный блок, скрепленный с приводной штангой, при завершении электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки.

На фиг. 9 изображено поперечное сечение одной из трубчатых заготовок (остова статора), получаемой после электрохимической обработки.

На фиг. 10 изображено поперечное сечение статора винтового героторного гидравлического двигателя, в котором статор выполнен с винтовым зубчатым профилем и равномерной толщиной обкладки из эластомера.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 содержит электрод 5 (из латуни Л-63 ГОСТ15527-70), имеющий наружные винтовые зубья 6, включающий винтовую заднюю направляющую 7, прикрепленную к заднему краю (торцу) 8 электрода 5, и переднюю направляющую 9, прикрепленную к переднему краю (торцу) 10 электрода 5 с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием 3 трубчатой заготовки 4, а также содержит оправку 11 для установки на ней электрода 5, предназначенную для соединения с приводной штангой 12 для продвижения электрода 5 вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода 5 вокруг своей оси 13 параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного межэлектродного зазора 14 между зубьями 6 электрода 5 и винтовым зубчатым профилем 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 в межэлектродном промежутке 15, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Передняя направляющая 9 электрода 5 выполнена в виде гильзы 16 из диэлектрического материала, установленной на оправке 11, содержит уплотнители 17, 18, 19, 20 из эластомера для герметизации гильзы 16 относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, и снабжена каналами 21, 22 в оправке 11 и гильзе 16 для направления электролита 23 в полость 24 внутри необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4 между торцом 25 гильзы 16 и передним краем 10 электрода 5, при этом поз. 26 - экран из диэлектрического материала, охватывающий наружную поверхность 27 приводной штанги 12, которая является проводником тока к электроду 5, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Электрод 5 образует внутри каждого винтового зуба 6 камеру 28 для электролита 23, в стенке каждого винтового зуба 6 электрода 5 выполнен ряд поперечных щелевых каналов 29 для направления электролита 23 в межэлектродный промежуток 15, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

В пазах 30 между винтовыми зубьями 6 электрода 5 установлены вкладыши 31 из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш 31 выполнен в форме двутаврового профиля, а ребро 32 двутаврового профиля расположено в радиальной плоскости, например, 33 относительно центральной продольной оси 13 электрода 5, и образует две смежные дополнительные камеры 34, 35 для электролита 23, разделенные ребром 32 двутаврового профиля, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Входы 36, 37 каждой дополнительной камеры 34, 35 электрода 5, образованной вкладышами 31 из диэлектрического материала, а также входы 38 каждый камеры 28 внутри каждого винтового зуба 6 для электролита 23, расположены со стороны переднего края (торца) 10 электрода 5, изображено на фиг. 1, 4, 5, 6, 7.

Каждый торец 39, 40 полки 41 двутаврового профиля вкладыша 31, расположенной на максимальном радиальном расстоянии 42, образует с поверхностью 43, 44 электрода 5 винтовой канал 45, 46 для направления электролита 23 в межэлектродный промежуток 15, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Наружные винтовые зубья 6 электрода 5 образованы множеством наружных винтовых шлиц 47 с круговым профилем 48 поперечного сечения, а вершины 49 наружных винтовых шлиц 47 сопряжены с огибающей 50 упомянутых наружных винтовых шлиц 47, идентичной теоретическому профилю 51 поперечного сечения наружных винтовых зубьев 6 электрода 5, при этом высота 52 наружных винтовых шлиц 47 с круговым профилем 48 поперечного сечения выполнена уменьшающейся в направлении заднего края (торца) 8 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Винтовая задняя направляющая 7 выполнена в виде зубчатого диска 53, контактирующего с задним краем (торцом) 8 электрода 5, и экрана 54 из диэлектрического материала, скрепленных при помощи винтов 55 с задним краем (торцом) 8 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2.

Винтовые зубья 56 винтовой задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 53, прикрепленного к заднему краю 8 электрода 5, также образованы множеством наружных винтовых шлиц 57 с круговым профилем 48 поперечного сечения, а вершины 58 наружных винтовых шлиц 57 сопряжены с огибающей 59 упомянутых наружных винтовых шлиц 57, идентичной теоретическому профилю 60 поперечного сечения винтовых зубьев 56 винтовой задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 53, прикрепленного к заднему краю 8 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 содержит обтекатель 61, размещенный внутри тупиковой полости 62 оправки 11 на выходе электролита 23 из приводной штанги 12 в полость 24 внутри необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 1 между гильзой 16 из диэлектрического материала и электродом 5, изображено на фиг. 1, 2.

Радиус 63, r окружности каждого наружного винтового шлица 47 с круговым профилем 48 поперечного сечения и радиус 64, R окружности теоретического профиля 51 поперечного сечения каждого винтового зуба 6 на наружной поверхности электрода 5 связаны соотношением: r=(0,1÷0,2)R, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Радиус 65, r окружности каждого наружного винтового шлица 57 с круговым профилем поперечного сечения и радиус 66, R окружности теоретического профиля 60 поперечного сечения каждого винтового зуба 56 задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 53, прикрепленного к заднему краю 8 электрода 5, также связаны соотношением: r=(0,1÷0,2)R, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Гильза 16 из диэлектрического материала, установленная на оправке 11 и используемая в качестве передней направляющей 9 электрода 5, выполнена съемной и фиксируется относительно оправки 11 при помощи винтов 67, скрепленных с оправкой 11 с возможностью упора головок 68 винтов 67 в оправку 11 и обеспечения плотного контакта головок 68 винтов 67 с отверстиями 69 для головок 68 винтов 67 в гильзе 16, а отверстия 69 для головок 68 винтов 67 герметично закрыты с наружной поверхности 70 гильзы 16 заглушками 71 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

На оправке 11 между передней частью 10 электрода 5 и задней частью 72 гильзы 17 установлен центратор 73, выполненный из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность 74, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, два торца 75 и 76, чередующиеся выступы 77 и пазы 78 на круглой боковой поверхности 74, выполненные с возможностью направления электролита 23 в камеры 28 внутри каждого винтового зуба 6 электрода 5 и в дополнительные камеры 34, 35 электрода 5, образованные вкладышами 31 из диэлектрического материала, установленными в пазах 30 между зубьями 15 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2, 4, 5, 6.

Центратор 73 из диэлектрического материала, расположенный на оправке 11 между передней частью 10 электрода 5 и задней частью 79 гильзы 16 из диэлектрического материала, снабжен втулкой 80, выполненной из токопроводящего материала, край 81 приводной штанги 12, направленный к электроду 5, выполнен с центрирующим поясом 82, а оправка 11 выполнена со сквозным центральным отверстием 83, центрирующим поясом 84 и установлена на центрирующем поясе 82 приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2

Электродный блок 1 скреплен с приводной штангой 12 резьбовым модулем 85, выполненным в виде резьбовой шпильки 86 и контргайки 87, скрепленных при помощи резьбы 88 в приваренной внутри отверстия 89 на краю 81 штанги 12 цапфой 90, при этом шпилька 86 расположена внутри центрального отверстия 83 оправки 11 и содержит резьбовые элементы 91, 92 с возможностью плотных контактов по торцам электрода 5, втулки 80, оправки 11 и приводной штанги 12 при затяжке резьбовых элементов 91, 92 на открытом торце 93 оправки 11, изображено на фиг. 1, 2, 8.

На центрирующем поясе 82 приводной штанги 12 установлена центрирующая втулка 94 из диэлектрического материала, подогнанная по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, контактирующая задним торцом 95 с передним торцом 96 гильзы 16 из диэлектрического материала, при этом центрирующая втулка 94 содержит уплотнители 97, 98, 99, 17 для герметизации относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, приводной штанги 12 и переднего торца 96 гильзы 16, изображено на фиг. 1, 2, 8.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки снабжен устройством 100 фиксации (шпоночным соединением) углового положения электрода 5 относительно оправки 11 и втулки 80, скрепленной с центратором 73, изображено на фиг. 1, 2, 4, 8.

Кроме того поз. 101 - заглушка (число заглушек 101 равно числу зубьев 6 электрода 5) на заднем торце 8 электрода 5, скрепленная с электродом 5 при помощи пайки (вариант изготовления электрода 5); поз. 102 - шайба из диэлектрического материала, имеющая наружную резьбу 103; поз. 104 - кожух из диэлектрического материала, имеющий внутреннюю резьбу 105 для крепления кожуха 101 и экрана 54, изображено на фиг. 1, 2, 6, 7, 8.

Электродный блок 1 для электрохимической обработки снабжен устройством 106 фиксации (шпоночным соединением) углового положения оправки 11 с закрепленным на оправке 11 электродным блоком 1 относительно приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2, 4.

Кроме того, на фиг. 9 изображено поперечное сечение трубчатой заготовки 4, получаемое после электрохимической обработки: внутренние винтовые зубья 2 на внутренней поверхности трубчатой заготовки 4 образованы множеством внутренних винтовых шлиц 107 с круговым профилем поперечного сечения.

Кроме того, на фиг. 10 изображено поперечное сечение статора винтового героторного гидравлического двигателя, в котором статор выполнен с винтовым зубчатым профилем и равномерной толщиной обкладки 108 из эластомера, привулканизованной к внутренним винтовым зубьям 2 трубчатой заготовки 4, образованным множеством внутренних винтовых шлиц 107 с круговым профилем поперечного сечения.

Электродный блок используют в установке ЭХО (RU2578895, RU2710092, ООО "Фирма "Радиус-Сервис") для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall).

Предварительно собирают электродный блок 1.

В пазы 30 (в форме трапеции) между винтовыми зубьями 6 электрода 5 устанавливают вкладыши 31 из диэлектрического материала, входы 36, 37 каждой дополнительной камеры 34, 35 электрода 5, образованной вкладышами 31 из диэлектрического материала, располагают со стороны переднего края 10 электрода 5, изображено на фиг. 1, 4, 5, 6, 7.

Заднюю направляющую 7, выполненную в виде зубчатого диска 53 и экрана 54 из диэлектрического материала, скрепляют при помощи винтов 55 с задним торцом 8 электрода 5, изображено на фиг. 1, 2.

На оправку 11 устанавливают гильзу 16 из диэлектрического материала, используемую в качестве передней направляющей 9 электрода 5, совмещают отверстия 21, 22 в гильзе 16 и оправке 11, фиксируют гильзу 16 относительно оправки 11 при помощи винтов 67, скрепляют винты 67 с оправкой 11 с возможностью упора головок 68 винтов 67 в оправку 11 и обеспечения плотного контакта головок 68 винтов 67 с отверстиями 69 для головок 68 винтов 67 в гильзе 16, а отверстия 69 для головок 68 винтов 67 герметично закрывают с наружной поверхности 70 гильзы 16 заглушками 71 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2.

На оправку 11 устанавливают шпонку для обеспечения шпоночного соединения 100, устанавливают центратор 73 из диэлектрического материала, скрепленный с втулкой 80, и электродный блок 1, затем устанавливают шайбу 102 из диэлектрического материала и закрепляют при помощи гайки 91 на открытом краю 93 оправки 11 для обеспечения плотных контактов переднего торца 10 электрода 5 с задним торцом внутренней втулки 80 в центраторе 73, а также переднего торца внутренней втулки 80 в центраторе 73 с упорным торцом 79 оправки 11, изображено на фиг. 1, 2.

Устанавливают кран-балкой трубчатую заготовку 4 в люнеты: ближний край трубчатой заготовки 4 устанавливают на ролики неподвижно скрепленного с рамой установки регулируемого люнета, а дальний край трубчатой заготовки 4 устанавливают на ролики скрепленного с рамой установки, перемещаемого на раме установки в продольном направлении, вдоль отверстия 3 трубчатой заготовки 4 второго люнета (не показано).

На приводной штанге 12 с трубчатым экраном 26 из диэлектрического материала, в резьбу 88 внутри резьбового отверстия в цапфе 90 с ребрами, которая скреплена с краем 81 приводной штанги 12 при помощи сварки, заворачивают резьбовую шпильку 86 и затягивают гайку 87 для крепления резьбовой шпильки 86 с цапфой 90 приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2, 8.

Устанавливают приводную штангу 12 с экраном 26 из диэлектрического материала на собственные люнеты, скрепляют болтами фланец приводной штанги 12 с приводом вращения приводной штанги 12, установленном на суппорте, соединенном с приводом продольного перемещения суппорта (не показано).

Включают привод продольного перемещения суппорта и вдвигают приводную штангу 12, снабженную трубчатым экраном 26 из диэлектрического материала и закрепленной резьбовой шпилькой 86 в отверстие 3 трубчатой заготовки 4, установленной в собственных люнетах, при этом край 81 приводной штанги 12 располагают с "вылетом" из отверстия 3 трубчатой заготовки 4 таким образом, чтобы край экрана 26 на приводной штанге 12 располагался на дальнем от привода вращения приводной штанги 12 крае трубчатой заготовки 4, чтобы было удобно монтировать электродный блок 1 с оправкой 11 на краю 81 приводной штанги 12, изображено на фиг. 1, 2.

На центрирующий пояс 82 приводной штанги 12 устанавливают центрирующую втулку 94 из диэлектрического материала, подогнанную по размеру для подвижного зацепления необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, при этом устанавливают уплотнители 97, 98, 99, 17 для герметизации относительно необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 4, приводной штанги 12 и переднего торца 96 гильзы 16 из диэлектрического материала, изображено на фиг. 1, 2.

На приводную штангу 12 устанавливают шпонку для обеспечения шпоночного соединения 106, в тупиковую полость 62 оправки 11 устанавливают обтекатель 61, на наружный центрирующий пояс 82 приводной штанги 12 устанавливают оправку 11 по внутреннему центрирующему поясу 84, при этом на оправе 11 закреплены: гильза 16 из диэлектрического материала, центратор 73 с втулкой 80, электрод 5 с задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого (калибрующего) диска 53 и экрана 54 из диэлектрического материала, скрепленных при помощи винтов 55 с задним торцом 8 электрода 5, а также шайба 102 из диэлектрического материала, скрепляют оправку 11 с приводной штангой 12 при помощи резьбовой шпильки 86 и резьбового модуля 85, выполненного в виде резьбовых элементов 92 на открытом торце 93 оправки 11, изображено на фиг. 1, 2, 8.

Перемещают вдоль направляющей рамы на второй край трубчатой заготовки 4 камеру для электролита 23, снабженную устройством для поддержания избыточного давления электролита 23 в межэлектродном промежутке 15, (не показано).

В начале электрохимической обработки приводная штанга 12 с экраном 26 из диэлектрического материала, которая является проводником тока к электроду 5, расположена внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, электродный блок 1, скрепленный с приводной штангой 12, расположен в камере для электролита 23 (не показанной), при этом передняя направляющая 9 электрода 5, выполненная в виде гильзы 16 из диэлектрического материала, скрепленной с оправкой 11, содержащей уплотнители 17, 18, 19 из эластомера, установлена в необработанном отверстии 3 трубчатой заготовки 4.

Присоединяют источник электрического тока, например, выпрямитель KRAFT 12000/24 (DE), для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и с токосъемником для подключения вращающейся приводной штанги 12 и электрода 5 в виде катода, через поток электролита 23 в межэлектродном промежутке 15, а также соединяют блок управления с электрическими выходными сигналами параметров установки с компьютером.

Включают блок управления, соединенный с компьютером, при этом автоматически включаются насосы, электрооборудование, источник электрического тока - выпрямитель, привод продольного перемещения суппорта, приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, привод вращения приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 13 приводной штанги 12, при этом сила технологического тока составляет 12000 А, напряжение составляет 24 В.

При помощи привода продольного перемещения суппорта, приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, и привода вращения приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 13 приводной штанги 12, электрод 5, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности 6, включающий винтовую заднюю направляющую 7, прикрепленную к заднему краю 8 электрода 5, и переднюю направляющую 9, прикрепленную к переднему краю 10 электрода 5 с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием 3 трубчатой заготовки 4, совершает продольное и вращательное движение, и образует винтовой зубчатый профиль внутренней поверхности 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4, изображено на фиг. 1, 2, 8.

Электролит 23 в процессе электрохимической обработки циркулирует по гидравлической схеме: бак рабочий с электролитом 23, бак промежуточный с электролитом 23, бак промывки с электролитом 23, насосы, модули фильтров, а также арматура (теплообменники, фильтры, вентили, затворы дисковые, датчики давления, температуры, расхода, рукав высокого давления и гибкий рукав сливной) и устройства для регулирования параметров электролита, управляемых выходными сигналами блока управления, при этом максимальное давление электролита в системе - 4,0 МПа.

В электрохимическом процессе используют электролит 23 на основе хлорида натрия на водной основе (Na Cl), при осуществлении указанного процесса вода разлагается, а ионы ОН соединяются с ионами железа, образуя FOH, который выпадает в осадок и подвергается фильтрованию в модуле фильтров, при этом концентрация электролита 18÷20%, температура электролита 40C°, водородный показатель электролита 7÷9 рН, максимально допустимое количество продуктов анодного растворения в электролите 50 г/л.

Скорость рабочей подачи электродного блока 1 (бесступенчатое регулирование) составляет 15+35 мм/мин, частота вращения приводной штанги 12 (бесступенчатое регулирование) составляет 0÷0,75 об/мин.

Масса металлического шлама при электрохимической обработке винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 для изготовления статора с равномерной толщиной обкладки из эластомера, например, длиной 6500 мм и диаметром 240 мм, составляет 250 кг.

Выполнение электродного блока для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля таким образом, что наружные винтовые зубья 6 электрода 5 образованы множеством наружных винтовых шлиц 47 с круговым профилем 48 поперечного сечения, а вершины 49 наружных винтовых шлиц 47 сопряжены с огибающей 50 упомянутых наружных винтовых шлиц 47, идентичной теоретическому профилю 51 поперечного сечения наружных винтовых зубьев 6 электрода 5, при этом высота 52 наружных винтовых шлиц 47 с круговым профилем 48 поперечного сечения выполнена уменьшающейся в направлении заднего края 8 электрода 5, при этом винтовые зубья 56 винтовой задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 53, прикрепленного к заднему краю 8 электрода 5, также образованы множеством наружных винтовых шлиц 57 с круговым профилем 48 поперечного сечения, а вершины 58 наружных винтовых шлиц 57 сопряжены с огибающей 59 упомянутых наружных винтовых шлиц 57, идентичной теоретическому профилю 60 поперечного сечения винтовых зубьев 56 винтовой задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого (калибрующего) диска 53, прикрепленного к заднему краю 8 электрода 5, при этом электродный блок 1 для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля 2 в отверстии 3 трубчатой заготовки 4 содержит обтекатель 61, размещенный внутри тупиковой полости 62 оправки 11 на выходе электролита 23 из приводной штанги 12 в полость 24 внутри необработанного отверстия 3 трубчатой заготовки 1 между гильзой 16 из диэлектрического материала и электродом 5, при этом радиус 63, r окружности каждого наружного винтового шлица 47 с круговым профилем 48 поперечного сечения и радиус 64, R окружности теоретического профиля 51 поперечного сечения каждого винтового зуба 6 на наружной поверхности электрода 5 связаны соотношением: r=(0,1÷0,2)R, а радиус 65, r окружности каждого наружного винтового шлица 57 с круговым профилем поперечного сечения и радиус 66, R окружности теоретического профиля 60 поперечного сечения каждого винтового зуба 56 задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 53, прикрепленного к заднему краю 8 электрода 5, также связаны соотношением: r=(0,1÷0,2)R, обеспечивает надежный контроль межэлектродного зазора 14 в межэлектродном промежутке 15 за счет использования электронных датчиков давления, температуры и расхода электролита, а также блока управления с электрическими выходными сигналами параметров установки, соединенного с компьютером.

По истечении времени технологического процесса отключают блок управления, соединенный с компьютером, насосы, электрооборудование, источник электрического тока - выпрямитель, привод продольного перемещения суппорта, приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вдоль прямолинейной траектории внутри отверстия 3 трубчатой заготовки 4, привод вращения приводной штанги 12 и скрепленного с ней электродного блока 1 вокруг оси 13 приводной штанги 12.

Отключают токосъемник для подключения неподвижной трубчатой заготовки 4 в виде анода, и токосъемник для подключения вращающейся приводной штанги 12 и электрода 5 в виде катода.

Для этого отводят две полумуфты токосъемника с колодками от неподвижной трубчатой заготовки 4, отсоединяют устройство для удерживания заготовки 4 в местах крепления его крепление с рамой, перемещают вдоль направляющей рамы камеру для электролита 23 вместе с устройством для удерживания заготовки 4, отворачивают защитный кожух из диэлектрического материала, снимают электрод 5 вместе с задней направляющей 7, выполненной в виде зубчатого диска 53, контактирующего с задним торцом 8 электрода 5, и экрана 54 из диэлектрического материала, скрепленных при помощи винтов 55 с задним торцом 8 электрода 5, и размещают их в технологическом месте хранения.

Устанавливают технологические заглушки, производят промывку винтового зубчатого профиля внутренней поверхности 2 трубчатой заготовки 4 специальным раствором.

Изобретение повышает скорость электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижает расход электроэнергии, увеличивает точность обработки путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий.

Изобретение повышает также ресурс и надежность гидравлических забойных двигателей для бурения нефтяных скважин, в которых корпус выполнен с равномерной толщиной обкладки из эластомера (R-Wall), за счет повышения усталостной выносливости обкладки из эластомера и прочности скрепления обкладки из эластомера с корпусом статора.

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки для изготовления статоров с равномерной толщиной обкладки из эластомера, применяемых в винтовых героторных гидравлических двигателях для бурения нефтяных скважин. Изобретение обеспечивает повышение скорости электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, снижение расхода электроэнергии. Также изобретение позволяет увеличить точность обработки путем улучшения теплоотвода, создания дополнительной турбулентности и повышения эффективности уноса и очистки металлического шлама из межэлектродного промежутка потоком электролита для предотвращения коротких замыканий. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электродный блок для электрохимической обработки винтового зубчатого профиля в отверстии трубчатой заготовки, содержащий электрод, имеющий винтовую зубчатую форму наружной поверхности, винтовую заднюю направляющую, прикрепленную к заднему краю электрода, и переднюю направляющую, прикрепленную к переднему краю электрода с возможностью подвижного соединения с необработанным отверстием трубчатой заготовки, и содержащий оправку для установки на ней электрода, предназначенную для соединения с приводной штангой для продвижения электрода вдоль прямолинейной траектории и одновременного вращения электрода вокруг своей оси параллельно прямолинейной траектории для обеспечения равномерного зазора между зубьями электрода и внутренней поверхностью трубчатой заготовки, передняя направляющая выполнена в виде гильзы из диэлектрического материала, установленной на оправке, содержит уплотнители для герметизации гильзы относительно необработанного отверстия трубчатой заготовки и имеет каналы для направления электролита в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом, при этом электрод образует внутри каждого винтового зуба камеру для электролита, в стенке каждого винтового зуба электрода выполнен ряд поперечных щелевых каналов для направления электролита в межэлектродный промежуток, в пазах между зубьями электрода установлены вкладыши из диэлектрического материала, в поперечном сечении каждый вкладыш выполнен в форме двутаврового профиля и образует две дополнительные камеры для электролита, разделенные ребром двутаврового профиля, вход каждой дополнительной камеры расположен со стороны переднего края электрода, каждый торец полки двутаврового профиля, расположенной на максимальном радиальном расстоянии, образует с поверхностью электрода винтовой канал для направления электролита в межэлектродный промежуток, а винтовая задняя направляющая выполнена в виде зубчатого диска, контактирующего с задним торцом электрода, и экрана из диэлектрического материала, скрепленных с задним краем электрода, при этом на оправке между передней частью электрода и задней частью гильзы установлен центратор из диэлектрического материала, имеющий круглую боковую поверхность, подогнанную по размеру для подвижного зацепления с поверхностью необработанного отверстия трубчатой заготовки, два торца, чередующиеся выступы и пазы на круглой боковой поверхности, выполненные с возможностью направления электролита в камеры внутри каждого винтового зуба электрода, и дополнительные камеры, образованные вкладышами из диэлектрического материала, установленными в пазах между зубьями электрода, отличающийся тем, что наружные винтовые зубья электрода и винтовые зубья винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, образованы множеством наружных винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения, а вершины наружных винтовых шлиц сопряжены с огибающей упомянутых наружных винтовых шлиц, идентичной теоретическому профилю поперечного сечения наружных винтовых зубьев электрода, а также винтовых зубьев винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, при этом высота наружных винтовых шлиц с круговым профилем поперечного сечения выполнена уменьшающейся в направлении заднего края электрода, и содержит обтекатель, размещенный внутри тупиковой полости оправки на выходе электролита из приводной штанги в полость внутри необработанного отверстия трубчатой заготовки между гильзой и электродом.

2. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что радиус r окружности каждого наружного винтового шлица с круговым профилем поперечного сечения и радиус R окружности теоретического профиля поперечного сечения каждого винтового зуба на наружной поверхности электрода и каждого винтового зуба винтовой задней направляющей, прикрепленной к заднему краю электрода, связаны соотношением r=(0,1-0,2)R.

3. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что гильза из диэлектрического материала, установленная на оправке, выполнена съемной с возможностью фиксации относительно оправки при помощи винтов с упором головок винтов в оправку и плотным контактом головок винтов с отверстиями для головок винтов в гильзе, а отверстия для головок винтов в гильзе герметично закрыты с наружной поверхности гильзы заглушками из диэлектрического материала.