Введение. Поиск эффективных путей отделочно-зачистной обработки длинномерных деталей [1–6] предопределил создание для решения этой задачи роторно-винтовой технологической системы проходного типа (рис. 1) [7–15] 1 2.

Основным рабочим элементом этого типа технологической системы является винтовой ротор. Его периметр выполнен в виде сочетания плоских элементов различной формы и типоразмеров, разнонаправленных по отношению к винтовым линиям по их наружной поверхности. Обрабатывающая гранулированная среда находится внутри вращающегося винтового ротора. Увлекаемая плоскими элементами, в определенный момент под действием силы тяжести она лавинообразно скатывается вниз. При этом верхние слои масс загрузки вращаются вокруг собственных осей, втягивая близлежащие слои частиц масс загрузки. В результате частицы масс загрузки перекатываются относительно друг друга. К тому же при скатывании лавиной по неровной поверхности нижележащих слоев происходят удары небольшой силы и скольжение частиц масс загрузки. Таким образом, деталь обрабатывается истиранием, царапаньем и в небольшой мере ударами. Технологический эффект обработки зависит от габаритов винтового ротора, масс частиц обрабатывающей среды, коэффициента заполнения рабочей камеры, скорости вращения, геометрии винтового ротора и ряда других факторов.

Цель представленного исследования — обоснование интенсивности процесса обработки в устройствах, оснащенных винтовым ротором.

Материалы и методы. В качестве основного параметра, определяющего интенсивность процесса обработки деталей в винтовых роторах, принят съем металла.

Для обработки использовали экспериментальную роторно-винтовую установку, изготовленную на базе токарно-винторезного станка модели 1К625 (рис. 2).

Обрабатывающая среда состояла из формованных абразивных гранул марки ПТ 10×10. Условия исследования:

Влияние режимов и условий обработки на интенсивность процесса рассматривалось на пластинчатых образцах с размерами 80×10×1 мм из алюминиевого сплава Д16Т. Из этого материала выполнены заготовки в виде длинномерного проката, требующего отделки и зачистки перед запуском в производство.

В рабочей зоне экспериментального винтового ротора по длине рабочей зоны определялись три сечения А, В, С (рис. 3), удаленные от левого торца винтового ротора на расстояния 𝑙0, 𝑙1, 𝑙2.

Образцы закреплялись на длинномерном четырехгранном полом стержне и устанавливались по схеме, представленной на рис. 3. Расстояния 𝑙0, 𝑙1, 𝑙2 соответствуют положению сечений рабочей зоны ротора. Для оценки характера воздействия обрабатывающей среды на различные поверхности оправки в каждом положении (сечении) обрабатывалось по 4 образца. Их закрепляли на гранях оправки таким образом, что образцы 1 и 2 находились в зоне активного воздействия обрабатывающей среды (со скользящим слоем), а образцы 3 и 4 — в пассивной зоне (рис. 4).

Оправка с образцами устанавливалась в резцедержателе суппорта токарного станка и вводилась в рабочую зону винтового ротора для обработки.

Для определения массового съема металла образцы взвешивали до и после обработки на аналитических весах Ohaus AX223. Данная модель предназначена для статических измерений массы веществ и материалов с точностью до 0,001 г. Съем металла контролировали после тщательной мойки и сушки образцов.

Удельный съем металла с единичной площади поверхности, равной площади квадрата упаковки гранул обрабатывающей среды, определялся из соотношения

где ∆𝑄 — съем металла с поверхности, г; 𝑡 — время обработки, с; 𝑆 — площадь обрабатываемой поверхности образцов, мм2; 𝑆уп — площадь квадрата упаковки гранул обрабатывающей среды, мм2.

Продолжительность обработки фиксировалась с помощью реле времени (таймер) модели ВЛ-45УХЛ41.

Результаты экспериментов определялись как среднеарифметическая разность соответствующих значений измерений образцов или партии образцов до и после обработки.

Результаты исследования. На рис. 5–7 приведены результаты экспериментальных исследований интенсивности процесса обработки в винтовом роторе.

Обсуждение и заключения. Результаты исследований позволяют сделать ряд утверждений.

1. Вид кривой, описывающей изменение величины съема металла с поверхности от продолжительности обработки, близок к линейному (рис. 5). Это не зависит от расположения образцов в рабочей зоне винтового ротора, его конструктивного исполнения и угла наклона по отношению к оси вращения.

2. Кинетика движения частиц и, как следствие, интенсивность съема металла в различных сечениях рабочей зоны винтового ротора определяются углом наклона пластин, создающих форму рабочих секций ротора. При их одинаковой форме (рис. 3) обеспечивается практически одинаковая интенсивность обработки. Разница величин съема в трех сечениях составила 3 %.

3. Интенсивность обработки (рис. 5–7) зависит от положения поверхности образцов по отношению к направлению движения гранул скользящего слоя (рис. 4). Сравнивались два случая съема металла. Первый: с образцов 1 и 2, установленных в активной зоне воздействия обрабатывающей среды. Второй: с образцов 3 и 4, установленных в пассивной зоне, характеризующейся слабым энергосиловым взаимодействием с обрабатываемой поверхностью. В первом случае съем металла вдвое выше.

4. Изменение угла наклона оси винтового ротора по отношению к оси его вращения увеличивает интенсивность процесса обработки образцов в среднем сечении (В–В) в 1,2 раза и снижает ее в рабочих зонах крайних секций (рис. 5–7). Это обусловлено изменением кинематики движения обрабатывающей среды в рабочей зоне винтового ротора. При каждом полном обороте обрабатывающая среда стремится переместиться в среднюю часть рабочей зоны ротора (сечение В–В). Так обеспечиваются:

Кроме того, при изменении угла наклона оси винтового ротора снижается осевое давление обрабатывающей среды на торцевые стенки. Это очень важно для установок проходного типа, т. к. исключает высыпание гранул из отверстий, предназначенных для прохождения длинномерных деталей через рабочую зону.

5. Скорость вращения винтового ротора — важный технологический фактор, определяющий интенсивность процесса обработки в роторно-винтовой установке. Из рис. 8 видно, что при различной степени загрузки величина съема материала со всех образцов растет с увеличением скорости вращения винтового ротора до 50 об/мин. При повышении скорости до 70 об/мин показатель снижается. Это вызвано усилением центробежных сил. Их действие приводит к тому, что некоторый объем частиц обрабатывающей среды постоянно находится у стенок ротора. В результате сокращается количество скользящих слоев обрабатывающей среды, и, следовательно, снижается интенсивность воздействия на поверхность образцов.

Установленные в ходе исследований закономерности и технологические возможности процесса обработки в винтовом роторе свидетельствуют о приемлемости и эффективности применения роторновинтовых технологических систем для решения задач, связанных с отделочной обработкой длинномерных деталей.

В проведенных изысканиях основными рассматриваемыми факторами были: скорость вращения винтового ротора, угол наклона его оси и форма периметра. Они обеспечивают управление отделочной обработкой в устройствах с винтовым ротором, влияют на его интенсивность, а значит, и на производительность процесса.

1. Устройство для вибрационной обработки длинномерных деталей : патент 2228252 Рос. Федерация : B24B 31/06 / А. П. Бабичев, И. А. Бабичев, Г. В. Серга. № 2002135225/02 ; заявл. 25.12.2002 ; опубл. 10.05.2004, Бюл. № 13. 7 с.2. Агрегат для отделочно-зачистной обработки длинномерных деталей : патент 2750922 Рос. Федерация : B 24B 31/06 / В. А. Лебедев, Л. М. Р. Аль-Обайди, Н. С. Коваль, Г. В. Серга. № 2020119703 ; заявл. 15.06.2020 ; опубл. 06.07.2021, Бюл. № 19. 27 с.