السطح هو المهم

المغازل الملولبة هي عنصر تصميم يستخدم على نطاق واسع في الهندسة الميكانيكية. تُستخدم المغازل الملولبة عالية التحميل، على سبيل المثال، في رافعات الرفع، وعلى وجه الخصوص، أنظمة الرفع للخدمة الشاقة. وتستخدم هنا بشكل أساسي المغازل الملولبة المصنعة باستخدام عملية الدرفلة. غالبًا ما يكون للبراغي الملولبة المصنعة باستخدام عملية الدرفلة أسطح ملساء للغاية، مما يساعد على تأثير الانزلاق اللاصق وله تأثير سلبي على عمر خدمة النظام الكلي.

يمكن أن تعمل طبوغرافية سطح المغازل الملولبة الناتجة عن عملية الدوران كخزان مواد تشحيم وبالتالي تقليل الاحتكاك في تلامس المغزل والصامولة. يبحث معهد هندسة الإنتاج وأدوات الماكينات (IFW) في جامعة لايبنتس هانوفر في التعديل المستهدف لطبوغرافيات سطح البراغي الملولبة. بالتعاون مع شركة Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG (www.bornemann.de)، يتم البحث في التهيئة الوظيفية لجناح اللولب لتحسين سلوك الاحتكاك باستخدام مثال المغازل الملولبة ذات اللولب شبه المنحرف.

في مشروع TopGewinde، يسعى كل من IFW وBornemann إلى تحقيق هدف تطوير عملية دوران مبتكرة لتوليد بنى مجهرية مبتكرة لتقليل الاحتكاك على جوانب المغازل الملولبة (الشكل 1). من أجل التنبؤ الفعلي بالبنية المجهرية السطحية، يتم تطوير نموذج محاكاة للدوران كجزء من المشروع باستخدام برنامج محاكاة القطع (CutS) الخاص بشركة IFW. وقد تم تطوير النموذج الحركي في الشكل 1 نظيرًا لعملية دوران بورنيمان.

منحنى نسبة المواد يصف خزان مواد التشحيم

يجب أن يكون تشكيل علامات التشحيم هذه محسّنًا من الناحية الترايبولوجية لملامسة صامولة المغزل للسن اللولب شبه المنحرف. يمكن امتصاص مادة التشحيم في وديان المظهر الجانبي للسطح، مما يمنع التشحيم غير الكافي والمشاكل المرتبطة به مثل تأثير الانزلاق اللاصق (الشكل 2).

يلزم وجود قيمة مميزة لتحديد نسبة مستودعات مواد التشحيم على جانب اللولبة. يمكن استخدام منحنى المحتوى المادي لتقييم الأسطح المحملة ترايبولوجيًا. يقسم هذا منحنى الخشونة إلى ارتفاع الذروة المنخفض Rpk، والارتفاع الأساسي Rk وارتفاع الوادي المنخفض Rvk. يصف ارتفاع اللب Rk منطقة ملف الخشونة التي تبقى في تلامس ترايبولوجي بعد مرحلة التشغيل في دورة حياة المنتج في المغزل الملولب وتآكل قمم الخشونة (الموصوفة بارتفاع الذروة المخفض Rpk). يصف ارتفاع الوادي المخفض Rvk ارتفاع الوادي المخفض المساحة في السطح الأولي المتاح لتخزين مادة التشحيم. تعادل معاملات الخشونة المتعلقة بالسطح Spk وSk وSvk معاملات الخشونة المتعلقة بالسطح. يتم استخدام هذه المعلمات السطحية في المشروع الحالي لتطوير عملية القاع المميع المبتكرة. كما سيتم استخدام المعلمات لتقييم الأسطح في سلسلة الإنتاج المستقبلي باستخدام عملية الدوران المبتكرة في بورنيمان.

تحسين الطوبوغرافيا التجريبية

للتحقق من تأثير الدوران على تضاريس السطح، تم تغيير متغيرات العملية أولاً أثناء تصنيع مغزل ملولب شبه منحرف. تم التركيز في هذه السلسلة من الاختبارات على سرعة الأداة nwz وسرعة قطعة العمل nws (الشكل 3). نظرًا لأن كلاً من الشغلة والأداة تدور أثناء الدوران، تتشكل نسبة السرعة r بين دوران الأداة والشغلة ويتم تضمينها في تقييم طبوغرافيات السطح. تم تصنيع المغازل الملولبة شبه المنحرفة التي تم فحصها من الفولاذ C45 باستخدام أداة ماكينة دوارة مصممة داخليًا من قبل شركة Bornemann Gewindetechnik باستخدام عملية متزامنة. تم إجراء تحليلات لاحقة للطوبوغرافيات التي تم إنشاؤها على جوانب الخيط في IFW باستخدام مجهر متوافق البؤرة من الشركة المصنعة Confovis GmbH. تظهر الطوبوغرافيات المولدة ومعلمات أبوت المقابلة في الشكل 3. يوضح القياسان العلويان تأثير سرعة الأداة على طوبوغرافيا السطح. تُظهر قياسات الطبوغرافيا أدناه التضاريس الناتجة عند سرعات مختلفة لقطعة العمل. كان الهدف من التحقيق هو تحقيق قيمة عالية لارتفاع الوادي المنخفض Svk من أجل إنشاء أكبر حجم ممكن لخزانات مواد التشحيم على السطح. تم تحقيق أعلى قيمة Svk في الاختبار 1 مع Svk = 0.442 ميكرومتر. يحتوي هذا المغزل الملولب أيضًا على أقل نسبة سرعة. يمكن ملاحظة اتجاه انخفاض قيمة Svk مع زيادة نسبة السرعة خلال سلسلة الاختبارات بأكملها. من خلال تقليل نسبة السرعة، تزداد المسافة بين الهياكل ويزداد ارتفاع الوادي المنخفض Svk.

توقعات الطوبوغرافيا الافتراضية

ويجري حاليًا تحليل الارتباط المحدد تجريبيًا عن طريق المحاكاة في IFW. لهذا الغرض، يتم استخدام محاكاة إزالة المواد للتحقق من تشكيل الطبوغرافيا. يتم استخدام برنامج CutS لإعداد نموذج محاكاة للمغازل الملولبة الدوارة والتنبؤ بالأسطح الناتجة (الشكل 4). يُستخدم هذا من ناحية لتوليد فهم أفضل لتكوين السطح أثناء الدوران ومن ناحية أخرى لتقليل كمية الاختبارات المطلوبة. يقارن الشكل 4 بين التضاريس المقاسة والنتيجة من المحاكاة. في المحاكاة، يتم نمذجة حركية عملية دوران بورنيمان. يكون الحد الأقصى للخشونة على أجنحة الخيوط شبه المنحرفة الدوارة في نطاق Rz = 3-7 ميكرومتر. من أجل تطوير نموذج موثوق به للتنبؤ بتضاريس السطح لهذا الحجم، يتم أخذ تأثيرات العملية الإضافية في الاعتبار. في المحاكاة الموضحة هنا (الشكل 1)، لم تؤخذ في الاعتبار ظروف الاشتباك الحركية فحسب، بل أيضًا حدة الإدخالات القابلة للفهرسة. تم دمج نموذج CAD لحافة القطع مع ملف تعريف الخشونة المولدة للسطح في محاكاة إزالة المواد لأخذ التقطيع في الاعتبار. الميزة الخاصة لعملية الدوران هي أن العديد من حواف القطع للإدخال القابل للفهرسة تولد مناطق مختلفة من شكل الخيط شبه المنحرف. تم قياس الخشونة لمجموعة من الإدخالات وتم دمجها في النموذج من أجل مراعاة تأثير الهندسة الدقيقة للإدخالات على السطح المحاكي:

يمكن محاكاة بنية سطح المغزل الملولب الدوّار بشكل عام باستخدام محاكاة إزالة المواد. يمكن التعرف بوضوح على هياكل الوديان على فترات منتظمة التي تتميز بالدوران على السطح الذي تم إنشاؤه في المحاكاة. يمكن التعرف على الانحرافات بين السطح الذي تمت محاكاته والسطح المقاس في شكل الوديان. تبلغ النسبة المئوية للانحراف بين قيم الخشونة في القياس والمحاكاة حالياً حوالي 25%. تحدث هذه الاختلافات بين السطحين، على سبيل المثال، بسبب تأثيرات السطح العشوائية وإزاحة الأداة أثناء العملية. من أجل زيادة دقة المحاكاة، من المخطط أخذ المزيد من تأثيرات العملية في الاعتبار. ينصب التركيز هنا حاليًا على سلوك اهتزاز أداة الماكينة. ومن المخطط أيضًا دراسة قوى العملية المؤثرة على حواف قطع الأداة. من المتوقع أن تؤثر الحركة الدورانية غير المركزية والمقاطع العرضية المتغيرة للبُرادة أثناء الدوران على إزاحة أداة الدوران. سيتم استخدام المعرفة المكتسبة في محاكاة العملية في المستقبل لتطوير الأداة من أجل إنتاج مغازل ملولبة محسنة ترايبولوجيًا عن طريق الدوران.

الخاتمة والتوقعات

في المسار الإضافي للمشروع، يتم تعديل الأدوات المستخدمة ومعلمات العملية المرتبطة بها بطريقة يمكن من خلالها ضبط السطح المحسّن للاحتكاك. يتم إجراء اختبارات مقياس التريبومتر أولاً لتقييم تأثير تقليل الاحتكاك لهذه الأسطح. وبناءً على هذه الاختبارات، يتم اختيار مفاهيم مختلفة للأدوات التي يتم استخدامها لتصنيع المغازل المحسّنة قبليًا. وأخيرًا، يتم إخضاع مجموعة مختارة من المغازل لاختبار عمر الخدمة من أجل التحقق من النتائج. الهدف من شركة Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG هو تحديد بنية مجهرية لتقليل الاحتكاك يمكن استخدامها بشكل خاص في مجال أنظمة الرفع الثقيلة لإطالة عمر خدمة أنظمة الرفع بشكل كبير.

يتوفر أيضًا مزيد من المعلومات حول تحسين بنية أسطح الخيوط على www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik.