Многофункциональная центробежно-планетарная обработка

Москва
ИНФРА-М
2018

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

ЦЕНТРОБЕЖНОЦЕНТРОБЕЖНОПЛАНЕТАРНАЯ
ПЛАНЕТАРНАЯ

ОБРАБОТКА
ОБРАБОТКА

À.Å. ÇÂÅÐÎÂ
À.Å. ÇÂÅÐÎÂЩÈÊÎÂ
ÈÊÎÂ

Монография
Монография

Зверовщиков А.Е. 
Многофункциональная центробежно-планетарная обработка : 
монография / А.Е. Зверовщиков. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 
176 с. — (Научная мысль). — www.dx.doi.org/10.12737/906.

ISBN 978-5-16-009253-9 (print)
ISBN 978-5-16-100186-8 (online)

Рассмотрена проблема повышения эффективности объемной центробежно-планетарной обработки и расширения ее технологических возможностей. Приведены новые способы отделочно-зачистной обработки 
мелко- и среднеразмерных деталей. Изложены результаты исследований 
движения гранулированных рабочих сред в поле переменных инерционных 
сил. Предложены количественные критерии для оценки технологических 
возможностей рабочих тел различной формы. Показана возможность применения технологии для обработки как тонкостенных пустотелых деталей, так 
и полимерных изделий при низкотемпературном воздействии. Разработана 
методология проектирования, позволяющая оценить производительность 
обработки и показатели качества  поверхностей при подготовке производства. 
Приведены технологические рекомендации и конструкции промышленного оборудования для центробежно-планетарной объемной обработки.
Монография предназначена для специалистов промышленных предприятий, научных работников, аспирантов и студентов технических вузов.

УДК 621(075.4)
ББК 34.5

З43

© Зверовщиков А.Е., 2013

УДК 621(075.4)
ББК 34.5
 
З43

Подписано в печать 25.08.2013.
Формат 60×90/16. Гарнитура Newton. 
Усл. печ. л. 10,78. ПТ10. 
Цена свободная.
ТК 241600-12657-250813

ISBN 978-5-16-009253-9 (print)
ISBN 978-5-16-100186-8 (online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Р е ц е н з е н т ы:
Червяков Л.М. — д-р техн. наук, проф., первый проректор ЮгоЗападного государственного университета;
Пахалин Ю.А. — д-р техн. наук, директор ООО «Инструментальное 
предприятие «ЮРПАХ»

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

ВВЕДЕНИЕ

Современный 
этап 
развития 
технологии 
машиностроения 

характеризуется тенденциями увеличения интенсивности обработки и 
стабилизации качественных характеристик изделий. Детали сложной 
пространственной конфигурации, к которым относятся мелкие изделия с 
криволинейными
поверхностями 
и 
небольшие 
корпусные 
детали 

машиностроения, элементы сантехнической арматуры, корпуса датчиков,  
изделия из полимерных материалов, часто изготавливаются методами 
литья, 
объемной 
и 
листовой 
штамповки. 
Подобные 
технологии

характеризуются наличием на деталях остатков литниковых систем, следов 
перемещения деформирующих и выталкивающих элементов прессформ, 
заусенцев от вырубных штампов. Предотвращение этих дефектов и
обеспечение 
качества 
поверхностей 
деталей 
сложной 
формы 

непосредственно на операциях формообразования сопровождается резким 
удорожанием технологического оснащения. Наиболее производительными 
и экономически эффективными методами обеспечения качественных 
характеристик деталей остаются методы объемной  отделочно-зачистной 
обработки 
(ОЗО).
Сущность объемной обработки заключается 
в 

погружении заготовок в гранулированную среду свободных абразивных 
или деформирующих тел и реализацией  их относительных перемещений 
воздействием гравитационных или инерционных сил. Наиболее широкое 
распространение  в машиностроении получили объемная галтовочная, 
вибрационная 
и 
центробежно-ротационная 
обработка. 
Эти 

технологические методы позволяют снизить трудоемкость и себестоимость  
ОЗО, трудоемкость которой в отдельных случаях достигает до 20 % общей 
трудоемкости изготовления деталей.

Одним 
из 
наиболее 
производительных 
методов 
объемного 

шлифования, полирования, зачистки и упрочнения деталей мелких и 
средних размеров сложной формы является центробежно-планетарная  
объемная обработка (ЦПОО).  Высокая эффективность  метода ЦПОО 
обусловлена значительными скоростями и контактными давлениями, 
которые обеспечиваются многократным утяжелением частиц загрузки в 
поле 
 
инерционных 
сил. 
Значения 
динамических 
параметров 

контактных взаимодействий рабочих тел с поверхностями заготовок 
создают предпосылки для эффективной обработки  деталей сложной 
формы небольшой массы и размеров, из материалов высокой твердости 
или вязкости, что зачастую представляет серьезную технологическую 
проблему для галтовочных, вибрационных и центробежно-ротационных 
методов объемной обработки. 

До настоящего времени в  научно-технической литературе  не 

представлена систематизированная теория, позволяющая оценить 
взаимосвязь технологических факторов ЦПОО с производительностью 
процесса и качественными характеристиками поверхностей деталей 
сложной формы, разработать методологию проектирования технологии 
ЦПОО и оборудования для ее реализации.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 
В ОБЛАСТИ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНОЙ ОБЪЕМНОЙ 
ОБРАБОТКИ 

1.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ 

ОБЪЕМНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

Общим для галтовочной, вибрационной, центробежно-ротационной 

и центробежной обработки в контейнерах с планетарным вращением 
является применение гранулированных сред, состоящих  из рабочих тел, 
которые 
выполняют 
роль 
универсального 
режущего 
или 

деформирующего инструмента. Гранулированные рабочие среды (ГРС) 
получают дроблением абразивных материалов или изготовляют 
прессованием в форме призм, цилиндров, конусов, пирамид, звездочек, 
шаров и т.п. Реже используют естественные органические  тела –
дерево, 
ореховая 
скорлупа, 
плодовые 
косточки, 
войлок 
или 

неабразивные рабочие тела в сочетании со свободным шлифовальным 
мелкодисперсным материалом. В качестве деформирующих рабочих тел 
используют металлические шары, реже ролики, иглы, тела специально 
разработанной формы и т.п. 

Для усиления абразивного действия ГРС, удаления шлама и 

предохранения 
деталей 
от 
коррозии 
применяют 
различные 

технологические жидкости в виде водных растворов с присадками 
химических соединений, обладающих моющими, антикоррозионными, 
окислительными или блескообразующими свойствами.

Каждому из рассмотренных выше методов объемной обработки 

присущи определенные достоинства и недостатки, они отличаются 
различным уровнем универсальности и
областью эффективного 

применения. Эффективность обработки, как правило, при этом 
оценивается интенсивностью съема металла, скоростью формирования 
требуемого качества поверхностного слоя, стабильностью качественных 
показателей в различных зонах поверхности как отдельной детали, так и 
в 
партии 
одновременно 
обрабатываемых 
деталей. 
Рассмотрим 

технологические особенности наиболее распространенных методов 
объемной обработки деталей ГРС.

1.1.1.
Галтовочная обработка деталей

Схемы обработки галтовочным методом разнообразны, но в 

основном это вращение цилиндрических или граненых барабанов 
вокруг вертикальной, горизонтальной или наклонной осей. При 
обработке 
галтовочным 
барабанам 
сообщают 
вращение, 

обеспечивающее окружную скорость движения стенки контейнера до 
0,5…1 м/с [4]. Детали в барабаны загружают, как правило, навалом, 
реже закрепляют в полости барабана на отдельной оси с возможностью 

дополнительного вращения. На стенках барабанов могут размещаться 
внутренние ребра для интенсификации перемешивания  и обработки.

Относительное движение деталей и рабочих тел, необходимое для 

любого объемного метода обработки, для галтовки  характеризуется  
невысоким контактным давлением на поверхность детали, поэтому 
интенсивность абразивного воздействия и съем металла невелики. В 
связи с этим для достижения требуемых показателей качества 
поверхности увеличивают длительность галтовочных операций. 

Процесс галтовки во вращающихся барабанах позволяет снизить 

шероховатость поверхности до Ra=0,8…0,2 мкм. Обработку часто 
применяют многопереходную и производят со сменой наполнителей и 
жидкостных рабочих сред. Средняя продолжительность обработки 
стальных 
незакаленных 
деталей 
составляет, 
в 
зависимости 
от 

требований к качеству поверхности, от 2 до 12 часов, а для цветных 
металлов от 2 до 8 часов. Продолжительность обработки обычно 
определяют опытным путем.

Преимуществом этого метода обработки, обусловившим  его 

широкое распространение в производстве, 
 является 
простота 

реализации.

К недостаткам галтовочного метода следует отнести проблемный 

характер обработки тонкостенных и хрупких деталей. Кроме того, 
увеличение угловой скорости галтовочного барабана ограничено 
величиной, при которой ускорение частиц рабочей загрузки превысит 
ускорение свободного падения. Зона интенсивной обработки составляет 
небольшую 
часть 
объема 
рабочей 
загрузки, 
что 
приводит 
к 

формированию 
нестабильных 
качественных 
характеристик 

поверхностей деталей в обрабатываемой партии [4]. Метод позволяет 
обрабатывать только наружные поверхности, так как  рабочие тела, 
попавшие в полости детали, не могут обеспечить  требуемое контактное 
давление и интенсивность абразивного воздействия. Перечисленные 
недостатки 
ограничивают 
область 
эффективного 
применения

галтовочной технологии. 

1.1.2. Объемная вибрационная обработка

Объемная 
вибрационная 
обработка 
(ОВО)
основана 
на 

использовании колебательных движений рабочей камеры, в которую 
загружают обрабатываемые детали, гранулированные рабочие среды и 
заливают технологическую жидкость (рисунок 1.1). Камере от 
вибропривода сообщают колебательное движение, в результате чего 
ГРС и детали интенсивно перемещаются по сложным траекториям, 
зависящим от формы рабочей камеры и степени ее загрузки, 
характеристик ГРС и параметров вибраций.

Вибрации 
реализуются 
при 
помощи 
механических 
или 

электромагнитных  устройств.

Циркуляционное движение  ГРС в объеме камеры создает 

предпосылки для равномерной обработки поверхностей деталей и 

сопровождается ударным воздействием тел ГРС на обрабатываемые 
поверхности деталей. Это приводит к съему металла, формированию 
нового поверхностного слоя и износу абразивных рабочих тел. 
Основными 
технологическими 
факторами, 
определяющими 

формирование 
качественных 
характеристик 
поверхности 
и 

производительность обработки при ОВО являются: амплитуда Ао,
частота fк колебаний, время t обработки, характеристики ГРС и физикомеханические 
свойства 
материала 
обрабатываемых 
деталей. 

Исследованиями [8] установлено, что скорости движения гранул в 
процессе обработки могут достигать 0,3…1 м/с при ускорении до 
20…150 м/с2, при этом сила воздействия единичной гранулы составляет 
1,5…30 Н. Средняя температура в рабочей камере может повышаться до 
30…40°С.

Рис 1.1. Принципиальная схема вибрационной обработки: 1 –

рабочая камера, 2 – элементы подвески, 3 – источник вибраций, 4 –

основание, 5 – рабочая загрузка

Давление ГРС при ОВО зависит от плотности среды, размеров 

рабочей 
камеры, 
скорости 
движения 
гранул 
и 
определяет 

производительность обработки. Поэтому длительность цикла обработки 
при невысоком контактном давлении ГРС на поверхности деталей 
достигает нескольких часов [7]. При вибрационном взаимодействии 
деталей и ГРС со стенкой камеры происходит соударение деталей, что 
может привести к появлению забоин на обрабатываемых поверхностях. 
Поэтому 
массивные 
детали 
обычно 
закрепляют 
в 
камере 
на 

неподвижных 
кронштейнах, 
что 
дополнительно 
увеличивает 

неравномерность съема металла по обрабатываемому профилю детали 
[6]. 
Установлено 
что 
динамическое 
воздействие 
ГРС 
на 

обрабатываемые 
поверхности 
детали 
пропорционально 
глубине 

погружения детали и зависит от расстояния до стенок рабочей камеры, 
параметров осциллирующих движений камеры, размеров и плотности 
используемых ГРС. Поэтому в различных зонах рабочей камеры имеет 

место неравномерный съем металла и отсутствует стабильность 
формирования качественных характеристик поверхности, формируемых 
на различных участках профиля деталей.

Вибрационная 
отделочно-упрочняющая 
обработка 
(ВОУО) 

производится аналогично с использованием деформирующих рабочих 
тел. Её преимуществом является возможность обработки крупных 
деталей за счет увеличения размеров рабочей камеры. Однако 
относительно невысокая энергия взаимодействия рабочих тел и 
поверхности во многих случаях не позволяет получить требуемую 
степень 
упрочнения. 
Следует 
учитывать, 
что 
виброобработка  

малоэффективна при малых размерах рабочей камеры.

Для уменьшения этих недостатков увеличивают размеры рабочей 

камеры,  придают ей тороидальную или спиральную форму, используют 
несколько пространственно разделенных источников колебаний, в том 
числе в виде площадок внутри  рабочей камеры, нагревают объём 
рабочей загрузки контактным способом или электромагнитным полем, 
что позволяет повысить равномерность обработки и сократить ее время 
на 25-30%. Однако это приводит к значительному усложнению 
конструкции оборудования и ухудшению условий эксплуатации [7, 9].

Для интенсификации обработки широко используют различные 

химические составы, позволяющие рассматривать ОВО как химикомеханический процесс.

В работах [82, 65] приведены данные о применении вибрационной 

технологии для зачистной обработки деталей из резины и пластмасс, 
охлажденных в среде жидкого азота до охрупчивания облоя. В 
установках для реализации подобной технологии предусматривают 
теплоизоляцию рабочей камеры, систему подачи хладагента, а в ряде 
случаев используют дополнительно камеры для предварительного 
охлаждения загрузки. Небольшие силы контактных взаимодействий 
полимерных деталей с наполнителем приводят к высокой длительности 
цикла обработки – не менее 10-20 мин [65]. Длительное глубокое 
охлаждение деталей из пластмасс, необходимое для качественного 
удаления облоя, сопровождается температурными деформациями  
деталей и изменением прочностных свойств полимерного материала. 
Необходимость охлаждения полимерных деталей в предварительной 
камере и дополнительная загрузка жидкого азота в рабочую камеру 
вибрационной 
установки 
сопровождается 
большим 
расходом 

хладагента, что повышает затраты на обработку.

Технология вибрационной обработки достаточно полно исследована, 

серийно 
выпускается 
технологическое 
оборудование 
для 
её 

промышленного использования. К недостаткам,  ограничивающим 
широкое распространение этой технологии, относятся:

- высокая длительность цикла обработки  деталей (до 2…4-х часов);
- неравномерность съема металла и качественных характеристик  

поверхностей деталей сложной формы;

- низкая эффективность обработки мелких деталей;

- технологические вибрации снижают надежность оборудования из
за усталостного разрушения сварных конструкций камер и несущих 
элементов оборудования.

1.1.3. Центробежно-ротационная обработка

Центробежно-ротационная обработка (ЦРО) является более  

производительным технологическим процессом объемной обработки 
гранулированными средами. Принципиальная схема ЦРО приведена на 
рисунке 1.2. Рабочую загрузку помещают в неподвижную камеру 1
(граненую или цилиндрическую), ротору 2, выполненному в виде 
тарели 
с 
коническими 
стенками, 
сообщают 
вращение 
вокруг 

вертикальной оси с угловой скоростью ω. Центробежные силы, 
возникающие при вращении ротора 2, вызывают перемещение гранул 3 
и деталей 4 вверх по стенке камеры, а затем под действием силы 
тяжести рабочая загрузка падает на поверхность тарели ротора и 
камеры. Это приводит к образованию сплошного тороидального потока 
рабочей загрузки, движущегося по спиральной траектории с высокой 
скоростью [87, 88]. Детали и рабочие тела движутся в потоке с разными 
скоростями, что обусловлено различием плотности их материала. 
Давление ГРС на детали превышает давление, возникающее при 
вибрационной обработке, до 7-10 раз, что создает предпосылки для 
более эффективной абразивной обработки или деформационного 
упрочнения поверхности деталей. 

Основными факторами, определяющими эффективность обработки, 

являются угловая скорость ωр вращения ротора (6...40 рад/с), угол αт
наклона стенок тарели ротора, степень заполнения рабочей камеры 
загрузкой (50…70%), масса рабочих тел, материал связки и зернистость 
абразивного материала ГРС.

При исходной шероховатости поверхности обрабатываемых деталей 

Ra=0,8…1,2 
мкм 
наиболее 
интенсивное 
снижение 
выступов 

неровностей 
происходит 
в 
первые 
30…40 
минут 
обработки. 

Дальнейшее снижение шероховатости поверхности при неизменных 
условиях не зависит от длительности цикла обработки. После обработки 
достигается шероховатость Ra=0,3…0,35 мкм. 

Рис 1.2. Схема центробежно-ротационной обработки

Для низкотемпературной обработки [71] деталей из пластмасс или 

резин в центробежно-ротационных станках используют камеры 
предварительного 
охлаждения 
деталей. 
В 
качестве 
хладагента 

используют жидкий азот. К преимуществам этого метода относятся: 
конструктивная 
простота 
применяемого 
технологического 

оборудования 
и 
возможность 
автоматизации 
вспомогательных 

операций. При необходимости камеру предварительного охлаждения 
выполняют отдельно от базового станка, поэтому не требуется вносить 
изменения в его конструкцию. Возможна обработка с непрерывной 
подачей жидкого азота в рабочую камеру установки. 

Недостатками центробежно-ротационной обработки являются: 
- интенсивное воздействие рабочей среды  на неподвижные стенки 

камеры, имеющее ударный характер, что ограничивает максимальную 
массу и склонность к деформации обрабатываемых деталей; 

- ограничение величины контактного давления гранулированного 

абразивного наполнителя в связи с особенностями формирования 
тороидального потока в рабочей камере. 

Существенным конструктивным недостатком оборудования является 

проблемный 
характер 
уплотнения 
зазора 
[88] 
в 
сопряжении 

вращающегося ротора с неподвижной камерой. При абразивной и 
упрочняющей обработке это ограничивает размер рабочих тел и 
деталей, а
при низкотемпературной обработке это приводит к 

дополнительному расходу жидкого азота из-за утечки его через зазор. 

Поэтому 
при 
центробежно-ротационной 
обработке 
не 

рекомендуется применять ГРС с размерами тел менее 4…5 мм, а также 
обрабатывать мелкоразмерные детали. 

1.1.4. Центробежно-планетарная объемная обработка

Объемная 
центробежно-планетарная 
обработка 
основана 
на 

действии центробежных сил, возникающих при переносном вращении  
контейнеров, заполненных  гранулированной средой и заготовками, 
вокруг центральной оси и относительном вращении контейнеров вокруг 
собственных осей [63, 83, 95]. 

Исследованиями [55] установлено, что движение уплотненной 

загрузки в рабочих камерах может происходить в нескольких режимах: 

либрационном (рисунок 1.3,
а),
который характеризуется 

проскальзыванием 
всей 
массы 
загрузки 
относительно 
стенки 

контейнера;

- каскадном (рисунок 1.3,б), при котором происходит разделение 

массива загрузки на 3 зоны: твердотельную 1 (зону подъема рабочих 
тел),  скользящий слой 2 и зону малых скоростей перемещений,
расположенную между ними;

- каскадно-водопадном (рисунок 1.3,в), при котором рабочие тела 

часть пути 3 пролетают, а часть движутся в режиме скольжения;

- водопадном (рисунок 1.3,г), при котором рабочие тела пролетают 

весь путь 3 по хорде и  ударяются о стенку контейнера;

- самофутеровки (рисунок 1.3,д), сопровождающимся равномерным 

распределением загрузки по стенке контейнера с образованием 
концентрического кольца, вращающегося синхронно со стенкой 
контейнера. 

а)
б)
в)
г)
д)

Рис. 1.3. Режимы  движения загрузки: 1 – твердотельная зона, 

2 – скользящий слой, 3 – зона полета