CC BY
8Машиностроение и машиноведение
УДК 621.9.048
DOI: 10.30987/article_5d2d92312d1863.53149771
В.А. Лебедев, Г.В. Серга
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВИНТОВЫХ РОТОРОВ С ВОЛНООБРАЗНОЙ
ПОВЕРХНОСТЬЮ ПО ПЕРИМЕТРУ
Представлены результаты исследований по совершенствованию процесса отделочно-упрочняющей обработки. Предложены рабочие органы станков в виде комбинированных винтовых роторов с волнообразной поверхностью по периметру. Конструкция и принцип работы станков на базе рабочих органов в виде комбинированных
винтовых роторов с волнообразной поверхностью по периметру показаны на примере станка для от-делочно-упрочняющей обработки.
Ключевые слова: отделочно-упрочняющая обработка, комбинированный ротор, рабочий орган, волнообразная поверхность, периметр, масса загрузки.
Lebedev, Serga
FINISH-STRENGTHENING EFFECTIVENESS INCREASE BASED ON USE OF SCREW ROTORS WITH WAVE SURFACE ON PERIMETER
The paper reports the results of investigations on finish-strengthening improvement. There are offered labor bodies in the form of screw rotors with a wave surface on the perimeter of combined screw rotors in which a rotation axis is located at an acute angle to a symmetry axis. The search of designs of screw rotors with a wave surface on the perimeter was carried out through the methods of descriptive geometry and engineering graphics with the aid of "Compass-3D" program complex.
Введение
Комбинированные винтовые роторы с волнообразной поверхностью по периметру позволяют придавать обрабатываемым предметам (деталям и средам) движение с большой амплитудой за счет своей оригинальной формы. В результате их применения обеспечивается повышение производительности, уменьшение энергозатрат и расходов на единицу готовой про-
The design and operating principle of machines based on labor bodies in the form of combined screw rotors with a wave surface on a perimeter are shown by the example of the finish-strengthening machine. In the developed classification of machine labor bodies there are presented various forms of their surface on the perimeter.
Key words: finish-strengthening, combined rotor, operation body, wave surface, perimeter, loading weight.
дукции. Следует отметить, что все представленные в статье образцы оборудования, созданные методами начертательной геометрии и инженерной графики, относятся к машинам четвертого класса, т.е. к машинам и технологиям будущего, в которых, согласно классификации академика Л.Н. Кошкина, предметы обработки обрабатываются пространством [1-12].
Методы и пути совершенствования рабо
В результате выполненных исследований предлагается классификация рабочих органов станков в виде комбинированных винтовых роторов (рис. 1).
За счет оформления наружных поверхностей комбинированных винтовых роторов по периметру волнообразными создаются условия для придания предметам обработки (обрабатываемым деталям,
1х органов станков
сыпучим средам) колебаний с большой амплитудой (500-1000 мм и выше). Это позволяет расширить технологические возможности технологических процессов.
Для наглядности на рис. 2 представлены выполненные с помощью программного комплекса «Компас-3D» комбинированные винтовые роторы с разнообразной формой поверхности по периметру.
Рис. 1. Классификация рабочих органов станков в виде комбинированных винтовых роторов с разнообразной формой поверхности по периметру
Рис. 2. Примеры наглядного изображения комбинированных винтовых роторов с разнообразной формой поверхности по периметру
На рис. 3 представлен станок для отделочно-упрочняющей обработки, состоящий из комбинированного винтового ротора 1, средства для загрузки 2, средства для выгрузки 3 обработанных деталей, средства для выгрузки отходов производства 4 (облой, окалина, заусенцы) и привода (на чертежах не показан). Комбинированный винтовой ротор
1 снабжен цапфами 5 и 6 с возможностью вращения в подшипниковых опорах 7 и 8. Носок 9 средства для загрузки
2 входит в отверстие цапфы 5 комбинированного винтового ротора 1. Средство для загрузки 2, подшипниковые опоры 7 и 8 со смонтированным в них комбинированным винтовым ротором 1 закреп-
лены на платформе 10. Платформа 10 подвешена на четырех пружинах 11, которые закреплены на основании 12. Для увеличения скорости продольного перемещения обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред от загрузки к выгрузке устройство для отделочно-упрочняющей обработки снабжено приспособлением (на чертеже не показано) для придания наклона оси вращения комбинированного винтового ротора 1 относительно горизонта. По всей длине загрузочной цапфы 5 и разгрузочной цапфы 6 закреплены конические пружины 13 и 14 с круглым сечением витков.
Рис. 3. Станок для отделочно-упрочняющей обработки
Комбинированный винтовой ротор 1 (рис. 4) выполнен коническим, в виде винтового наклонного усеченного
конуса с волнообразной боковой поверхностью по периметру и плоскими основаниями в виде торцевых щек эллиптиче-
ской формы 15 и 16, смонтированных под острым углом в одна к другой и под разными острыми углами у и ф к оси вращения комбинированного винтового ротора. При этом комбинированный винтовой ротор 1 установлен под острым углом а к оси его вращения и снабжен загрузочной и разгрузочной цапфами 5 и 6 конической формы с уклоном в сторону выгрузки и жестко закрепленными по их внутренним диаметрам коническими пружинами 13 и 14 с витками круглого сечения и уклоном в сторону выгрузки. Большие
оси ц-ц и i2-i2 (рис. 5) торцевых щек 15 и 16 комбинированного винтового ротора 1 повернуты по оси его вращения друг относительно друга на острый угол ю, при этом волнообразная боковая поверхность по его периметру сгибается с образованием винтовых поверхностей. По периметру выгрузной цапфы 6 выполнены отверстия 17, позволяющие отделять в средство для отходов 4 отходы производства (заусенцы, облой, окалину) от обработанных деталей, которые выгружаются в емкость 3.
Рис. 4. Комбинированный винтовой ротор с волнообразной поверхностью по периметру
Рис. 5. Наглядное изображение комбинированного винтового ротора с волнообразной поверхностью по периметру
При вращении комбинированного винтового ротора 1 массы загрузки (обрабатываемые детали и частицы рабочих сред) совершают движение по различным эллиптическим траекториям, разме-
ры которых меняются по длине ротора в каждом поперечном сечении (рис. 3-5). При этом центры симметрии внутренней поверхности комбинированного винтового ротора 1 в каждом его элементе по-
перечного сечения смещены относительно оси вращения ротора, что не только нарушает скорость и направление движения масс загрузки, но и способствует созданию эксцентриситета. Массам загрузки сообщаются низкочастотные колебания с большой амплитудой. Этому способствуют волнообразная боковая поверхность комбинированного винтового ротора 1 и карманы криволинейной формы по внутреннему периметру ротора, которые захватывают порции масс загрузки при вращении ротора, поднимают выше угла естественного откоса и бросают на противоположные стенки ротора, навстречу его вращающейся боковой поверхности, увеличивая частоту и энергоемкость взаимодействия обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред.
За счет дебаланса масс комбинированного винтового ротора 1, размещенных внутри него обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред, платформы 9, упруго установленной на станине 11 , создаются высокочастотные колебания с малой амплитудой.
Совместное воздействие на обрабатываемые детали и частицы рабочих сред высокочастотных колебаний с малой амплитудой и низкочастотных колебаний с большой амплитудой, а также нарушения скорости и направления движения масс загрузки повышают производительность и расширяют технологические возможности.
Массы загрузки совершают сложное пространственное движение в вертикальной плоскости (по эллиптическим траекториям, так как боковая поверхность комбинированного винтового ротора 1 выполнена по периметру волнообразной, а плоские торцевые стенки эллиптической формы 15 и 16 размещены под острым углом друг к другу и к оси вращения ротора), а в горизонтальной плоскости - возвратно-поступательное. На эти движения накладываются низкочастотные колебания, возбуждаемые асимметричным положением комбинированного винтового ротора 1, при одновременном воздействии колебаний в
трех взаимно перпендикулярных направлениях.
Поток движущихся деталей и частиц рабочих сред нестационарен, а размеры и расположение зоны активного их смешивания заметно меняются за время одного оборота ротора. В результате нарушения упорядоченности процесса движения масс загрузки движение их становится более активным, ликвидируются зоны малоподвижности, возрастает энергоемкость соударений потоков обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред между собой и со стенками ротора, а также торцевыми стенками 15 и 16, что обеспечивает повышение производительности обработки и расширение технологических возможностей. Нестационарность процесса движения масс загрузки усугубляется расположением торцевых стенок 15 и 16, большие оси эллипсов которых повернуты относительно друг друга на острый угол ю, что существенно меняет направление движения масс загрузки вдоль оси вращения комбинированного винтового ротора 1 и создает зоны различного давления торцевых стенок 15 и 16 на обрабатываемые детали и частицы рабочих сред. Поэтому массы загрузки имеют возможность (под воздействием геометрического уклона ротора и разности давления торцевых стенок 15 и 16) не только двигаться по сложным траекториям, но и перемещаться в осевом направлении от загрузки к выгрузке. Усложнению траекторий перемещения масс загрузки способствуют витки пружин 13 и 14 конусной формы и карманы волнообразной формы по внутреннему периметру комбинированного винтового ротора 1.
Скорость перемещения масс загрузки от загрузки к выгрузке можно регулировать изменением угла наклона всего станка для отделочно-упрочняющей обработки деталей машин.
Экспериментальные исследования подтвердили эффективность выполнения отделочно-упрочняющей обработки деталей в рабочих органах станков в виде комбинированных винтовых роторов.
Время обработки при этом ограничивает-Обсуждение результатов
Проведенная работа по созданию инновационного оборудования для отде-лочно-упрочняющей обработки позволила создать станки, содержащие упруго установленный на станине со средствами для загрузки и выгрузки рабочий орган в виде комбинированного винтового ротора с торцевыми стенками эллиптической формы. Ротор установлен под острым углом а к оси его вращения и снабжен по внутреннему периметру винтовыми карманами различной формы (треугольной, полукруглой, много-
Заключение
Технико-экономические преимущества от внедрения предлагаемых новых конструкций станков для отделочно-упрочняющей обработки деталей - с рабочими органами в виде комбинированных роторов с волнообразной поверхностью по периметру - возникают не только за счет
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2672974 Российская Федерация, МПК В24В 31/023. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки / В.А. Лебедев, Г.В. Серга, И.В. Давыдова, С.Ю. Штынь; Донской государственный технический университет. - № 2017144229; заявл. 18.12.17; опубл. 21.11.18, Бюл. № 33.
2. Пат. 2519398 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Станок для химико-отделочно-упрочняющей обработки деталей / Г.В. Серга, В.В. Иванов, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2013106597/02; заявл. 14.12.13; опубл. 10.06.14, Бюл. № 16.
3. Пат. 2528291 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки / Г.В. Серга, В.А. Лебедев, В.В. Иванов; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2013106599/02; заявл. 14.02.13; опубл. 10.09.14, Бюл. № 25.
4. Пат. 2572685 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Устройство для отделочно-зачистной обработки / А.Ю. Марченко, А.Н. Иванов, В.А. Лебедев, В.В. Иванов, Г.В. Серга; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2014129160/02; заявл. 15.07.14; опубл. 20.01.16, Бюл. № 2.
5. Пат. 2613517 Российская Федерация, МПК В0№ 13/08. Аппарат вихревого слоя непрерывного действия / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебе-
ся 4-5 минутами.
угольной, волнообразной), а по наружному периметру выполнен с чередующимися винтовыми выступами (треугольной, полукруглой, многоугольной, волнообразной формы). При этом плоские торцевые стенки комбинированного винтового ротора смонтированы под острым углом в одна к другой и под разными острыми углами у и ф к горизонтальной оси вращения ротора, а также повернуты относительно оси вращения и друг друга на угол ю.
повышения производительности и надежности их работы, а также бесперебойной подачи, дозировки и надежности поступления обрабатываемых деталей и их вывода за пределы станка, но и за счет расширения технологических возможностей обработки.
дев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2016110382/02; заявл. 21.03.16; опубл. 16.03.17, Бюл. № 8.
6. Пат. 2614009 Российская Федерация, МПК B01F 13/08. Аппарат вихревого слоя / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2015153707; заявл. 14.12.15; опубл. 22.03.17, Бюл. № 9.
7. Пат. 2614013 Российская Федерация, МПК B01F 13/08. Аппарат слоя вихревого / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2016110238; заявл. 21.03.16; опубл. 22.03.17, Бюл. № 9.
8. Пат. 2618568 Российская Федерация, МПК В0№ 13/08. Аппарат трубный вихревого слоя / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2016108190; заявл. 09.03.16; опубл. 04.05.17, Бюл. № 13.
9. Серга, Г.В. Внедрение идеологии Л.Н. Кошкина в виброупрочняющей технологии на примере винтовых роторов / Г.В. Серга, В.А. Лебедев // Вестник РГТУ им. П.А. Соловьева. - Рыбинск, 2017. - № 2 (41). - С. 126-132.
10. Lebedev, VA. Increase of efficiency of finishing-cleaning and hardening processing of details based on rotor-screw technological systems / VA. Lebedev, G.V. Serga, AV. Khandozhko //
IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2018. - № 327. - 042062. 1 1. Lebedev, V.A. Method for calculating the power of a rotor-screw machines / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, I.G. Ko-
1. Pat. 2672974 the Russian Federation, IPC B24B 31/023. Device for Finish-strengthening / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, S.Yu. Shtyn; Don State Technical University. - No. 2017144229; claimed.: 18.12.17.; published: 21.11.18, Bull. No. 33.
2. Pat. 2519398 the Russian Federation, IPC B24B 31/02. Machine for Parts Chemical-Finish-Strengthening / G.V. Serga, V.V. Ivanov, V.A. Lebedev; Kuban State Agricultural University. -No. 2013106597/02; claimed: 14.12.13; published: 10.06.14, Bull. No.16.
3. Pat. 2528291 the Russian Federation, IPC B24B 31/02. Device for Finish-Strengthening / G.V. Serga, V.A. Lebedev, V.V. Ivanov; Kuban State Agricultural University. - No. 2013106599/02; claimed: 14.02.13; published: 10.09.14, Bull. No.21.
4. Pat. 2572685 the Russian Federation, IPC B24B 31/02. Device for Finish-Cleaning / A.Yu. Marchenko, A.N. Ivanov, V.A. Lebedev, V.V. Ivanov, G.V. Serga; Kuban State Agricultural University. - No. 2014129160/02; claimed: 15.07.14; published: 20.01.16, Bull. No.2.
5. Pat. 2613517 the Russian Federation, IPC B01F 13/08. Device of Vortex Layer with Continuous Action / G.V. Serga, A.A. Kochubey, V.A. Lebedev; Kuban State Agricultural University. - No. 2016110382/02; claimed: 21.03.16.; published: 16.03.17, Bull. No.8.
6. Pat. 2614009 the Russian Federation, IPC B01F 13/08. Device of Vortex Layer / G.V. Serga, A.A. Kochubey, V.A. Lebedev; Kuban State Agricultural University. - No. 2015153707; claimed: 14.12.15; published: 22.03.17, Bull. No.9.
shlyakova, A.V. Gordienko // MATEC Web Conf. -226 (2018) 01007.
1 2. Lebedev, V.A. Main trends in intensification of rotor-screw processing of parts / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, I.G. Ko-shlyakova, A.V. Gordienko // MATEC Web Conf. -226 (2018) 01008.
7. Pat. 2614013 the Russian Federation, IPC B01F 13/08. Device of Vortex Layer / G.V. Serga, A.A. Kochubey, V.A. Lebedev; Kuban State Agricultural University. - No. 2016110238; claimed:21.03.16; published: 22.03.17, Bull. No.9.
8. Pat. 2618568 the Russian Federation, IPC B01F 13/08. Device of Tube Vortex Layer / G.V. Serga, A.A. Kochubey, V.A. Lebedev; Kuban State Agricultural University. - No. 2016108190; claimed: 09.03.16; published: 04.05.17, Bull. No.13.
9. Serga, G.V. Koshkin ideology introduction in vi-bro-strengthening technology by example of screw rotors / G.V. Serga, V.A. Lebedev // Bulletin of Soloviyov RSTU. - Rybinsk, 2017. - No.2 (41). -pp. 126-132.
10. Lebedev, V.A. Increase of efficiency of finishing-cleaning and hardening processing of details based on rotor-screw technological systems / V.A. Lebedev, G.V. Serga, A.V. Khandozhko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2018. - № 327. - 042062.
11. Lebedev, V.A. Method for calculating the power of a rotor-screw machines / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, I.G. Ko-shlyakova, A.V. Gordienko // MATEC Web Conf. -226 (2018) 01007.
12. Lebedev, V.A. Main trends in intensification of rotor-screw processing of parts / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, I.G. Ko-shlyakova, A.V. Gordienko // MATEC Web Conf. -226 (2018) 01008.
Статья поступила в редакцию 20.05.19 Рецензент: д.т.н., профессор Брянского государственного
технического университета, член редсовета журнала «Вестник БГТУ»
Хандожко А.В. Статья принята к публикации 7. 06. 19.
Сведения об авторах:
Серга Георгий Васильевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой начертательной геометрии и графики Кубанского государственного аграрного университета им. И.Т. Трубилина, е-mail: [email protected].
Lebedev Valery Alexandrovich, Can. Sc. Tech., Prof. of the Dep. "Engineering Technique", Don State Technical University, е-mail: [email protected].
Лебедев Валерий Александрович, к.т.н., профессор кафедры «Технология машиностроения» Донского государственного технического университета, г. Ростов-на- Дону, е-таП: [email protected].
Serga Georgy Vasilievich, Dr. Sc. Tech., Prof., Head of the Dep. "NG&G", Trubilin State Agricultural University of Kuban, e-mail: [email protected].
