Víření závitů ve srovnání s válcováním závitů
Tribologické kontakty se na celosvětové spotřebě energie podílejí přibližně 12 %. Společnost Bornemann Gewindetechnik zkoumá optimalizaci trapézových závitů společně s Institutem výrobního inženýrství a obráběcích strojů na Leibniz Universität Hannover.
Tribologické kontakty představují přibližně 12 % celkové světové spotřeby energie. Z toho 20 % se používá k překonávání tření a 3 % k opravám opotřebovaných součástí nebo k výměně zařízení při poruchách souvisejících s opotřebením [1]. Příkladem jsou těžká zvedací zařízení pro údržbu vlaků nebo nákladních automobilů. Společnost Bornemann Gewindetechnik se specializuje na výrobu takových složitých nebo vysoce namáhaných závitových součástí. Společně s Institutem pro výrobní techniku a obráběcí stroje (IFW) na Leibnizově univerzitě v Hannoveru se tato rodinná firma zabývala výzkumem tribologické optimalizace trapézových závitů pomocí procesu víření závitů. Tento proces je vhodný zejména pro dlouhé závitové součásti. S využitím nejmodernějších výrobních postupů vyrábí společnost Bornemann Gewindetechnik šroubové profily dlouhé až 12 metrů.
Vířivá závitová vřetena mají povrchovou mikrostrukturu související s obráběním, která zajišťuje objem pro zadržování maziva. Tím se snižuje tření vířených závitových vřeten a zvyšuje se jejich životnost ve srovnání s konvenčně válcovanými vřeteny. Výzkumníci zkoumají přesný vztah mezi procesem obrábění a účinkem snižujícím tření v rámci projektu „TopThread“.
Zkoumá se vliv mikrostruktur vzniklých vířením závitů na tribologické chování vysoce zatížených trapézových závitových vřeten v těžkých zvedacích systémech. Za tímto účelem se analyzuje proces víření speciálně vyvinutý pro mikrostrukturování integrované do procesu.
V tomto článku bude ukázáno, jak lze pomocí procesu víření specificky upravit topografii povrchu, což představuje významnou výhodu oproti procesu válcování závitů. Obrázek 2 ukazuje topografii povrchu boku závitu válcovaného trapézového závitového vřetena v porovnání s vířeným bokem závitu.
Specifickým přizpůsobením procesu víření bylo možné vytvořit výraznější struktury ve srovnání s válcovanými závitovými vřeteny. Pro charakterizaci povrchových struktur byly zavedeny strukturní parametry výška struktury „yf“ a rozteč struktur „sf“ (obr. 1). Pro tribologickou optimalizaci bylo víření využito k vytvoření struktur s menším podílem vrcholů, které minimalizují přímý pevný kontakt mezi povrchy třecích partnerů. Větší vzdálenost mezi vrcholy struktury umožňuje ukládat mazivo v údolích profilu drsnosti.
Charakterizace tribologických vlastností
Ke zkoumání vlivu topografie povrchu boků závitů na tribologické chování se používá zkušební zařízení znázorněné na obrázku 3. Zkušební vřetena se závitem Tr 80 x 10 mm kmitala při frekvenci f = 0,81 Hz pod úhlem v = 15°. Otáčení při změně zatížení odpovídá translačnímu zdvihu s = 0,42 mm závitu. Při tomto uspořádání bylo závitové vřeteno při zvedání a spouštění zatíženo silou závaží FG = 91,3 kN. To odpovídá povrchovému tlaku p = 5,0 N/mm2 , což je v rozsahu maximálního zatížení pro trapézové šroubové pohony (TGT) v těžkých zvedacích systémech. Pro tuto aplikaci byl vybrán materiál závitové matice G-CuSn 7 ZnPb a mazivo DGM HTF 940. Mazání ve zkušebním sledu odpovídá intervalu údržby jeden měsíc. Interval mazání sestavy vřeteno-matka je tedy každých 167 cyklů. Zkušební zařízení sestavila společnost SincoTec. Společnost SincoTec je rovněž výrobcem snímače síly Interface 125 kN a snímače točivého momentu SincoTec 1 200 Nm.
Byl analyzován stav opotřebení bočních ploch, aby bylo možné charakterizovat třecí vlastnosti různých topografií a struktur povrchu. Za tímto účelem pak účastníci projektu vřetena brousili pomocí odrezovací brusky. Při 20 000 zatěžovacích cyklech byla experimentálně zmapována desetiletá životnost analyzovaných závitových vřeten. U vířených závitových vřeten byly procesní manipulované veličiny zvoleny tak, aby bylo dosaženo definovaných odstupňovaných výšek mikrostruktur na nosných bocích závitů. Parametry procesu vycházejí z Bornemannových zkušeností. Dále byla analyzována válcovaná závitová vřetena, která byla válcována kontinuálním procesem.
Vliv povrchových struktur na součinitel tření
Díky kmitavému pohybu na malé úhlové vzdálenosti lze zvedání a spouštění analyzovat ve vysokém počtu zatěžovacích cyklů. Tímto způsobem lze experimentálně zmapovat celou životnost závitových vřeten. Na obrázku 4 je znázorněn průběh součinitele tření pro zdvihový pohyb s lichoběžníkovým šroubovým pohonem. Jsou zde porovnány koeficienty tření válcovaného a vířivého olověného šroubu. Výsledný rychlostní profil v rámci změny zatížení se skládá z fáze zrychlení, fáze s konstantní rychlostí a fáze zpomalení – v každém případě pro zvedání a spouštění. V místě změny směru je zvýhodněn zejména efekt prokluzu, který se projevuje při nízkých rychlostech. Tento efekt se projevuje krátkým přilepením ploch, po němž následuje náhlé sklouznutí třecích partnerů. Tento pohyb může vést k vibracím, které se projevují větším kolísáním součinitele tření [2]. Průměrný součinitel tření na začátku zkoušky prudce stoupá, po přibližně 2 000 zatěžovacích cyklech dosahuje maxima a po přibližně 8 000 zatěžovacích cyklech klesá na konstantní úroveň. Toto chování se označuje jako fáze záběhu a popisuje obecnou změnu součinitele tření v průběhu zkoušky v závislosti na příslušném tribologickém systému [3].
Vřeteno s vířivým lichoběžníkovým závitem se zavedenou strukturou povrchu vykazuje výrazné zlepšení tribologických vlastností. To vede ke zkrácení záběhu o přibližně 44 % a také k trvalému snížení koeficientu tření na nižší úroveň μm = 0,085. To odpovídá snížení o 25,5 % ve srovnání s válcovaným závitovým vřetenem. Úplné snížení fáze záběhu nebylo u tohoto závitu v popsaném tribologickém systému možné.
Vliv povrchových struktur na opotřebení
Opotřebení, ke kterému dochází při kontaktu obou třecích partnerů, má rozhodující význam pro životnost vřetena s trapézovým závitem. Za účelem identifikace mechanismů opotřebení, k nimž dochází na závitovém vřetenu, byl povrch boku ložiska zkoumán po dobu 20 000 zatěžovacích cyklů s pravidelným přívodem maziva a následně byl analyzován průběh opotřebení boku ložiska (obr. 5). Po zkoušce šetření ukázalo zřetelně odlišný průběh opotřebení v závislosti na povrchových strukturách na boku ložiska. Válcovaná závitová vřetena bez povrchových struktur na boku ložiska vykazují výrazné adhezní usazeniny na boku ložiska závitového vřetena, které jsou způsobeny výrazným odstraněním nebo adhezním opotřebením materiálu matice. S rostoucí výškou struktury se výrazně zmenšuje i plocha adhezního opotřebení (obr. 5).
Vzhledem k nízké kluzné rychlosti a vysokému povrchovému tlaku v tribologickém kontaktu se tření v tribologickém systému klasifikuje jako tření v pevném stavu a smíšené tření. Díky výrazné struktuře povrchu (Obrázek 6, vpravo) lze snížit počet mikrokontaktů ve srovnání s nestrukturovanou topografií povrchu (Obrázek 6, vlevo). Výsledkem je nižší podíl tření v pevném stavu v důsledku povrchových struktur. Výraznější povrchová struktura na boku závitu je schopna absorbovat větší množství maziva. Díky povrchovým strukturám se adhezní opotřebení na boku závitu snížilo na 10,1 % ve srovnání s 36,3 % u válcovaného závitového vřetena.
Při kontaktu třecích partnerů z různých kovů dochází k přenosu materiálu ze soudržně slaběji spojeného třecího tělesa (v tomto případě matice) na soudržně silněji spojené základní těleso (v tomto případě závitové vřeteno) [4]. Dodatečné mazivo v třecím kontaktu má za následek nižší počet kontaktních vrcholů drsnosti. Postupné zatěžování styčné plochy matice se závitem vede k odtrhávání částic, které se usazují na styčných vrcholech drsnosti boku ložiska. Ty postupně vytvářejí vrstvu na styčných plochách boku ložiska a zabraňují přímému kontaktu mezi materiálem vřetena a matice. Tento proces pokračuje, dokud není dosaženo statického stavu a na boku ložiska se neusazují žádné další usazeniny. Tento proces určuje chování při záběhu, které se změní na statický stav, jakmile jsou kontaktní vrcholy drsnosti pokryty adhezními usazeninami. Tento stav také ovlivňuje součinitel tření. Během zdvihového pohybu nedochází k abrazivnímu opotřebení výchozího povrchu.
Výhled a možnosti využití
V konkurenci válcovaných závitových vřeten se ukázalo, že povrchové struktury na ložiskovém boku závitového vřetena pro těžké zvedací systémy nabízejí značnou přidanou hodnotu. Procesem víření lze vytvořit větší rozmanitost povrchových struktur. Dále bylo prokázáno, že povrch závitového vřetena podléhá velmi malému opotřebení, což znamená, že povrchové struktury na boku ložiska se z velké části zachovají i po experimentálně simulované životnosti 10 let. Obrázek 7 ukazuje tři hlavní potenciály mikrostrukturních boků ložisek pro návrh a konstrukci trapézových závitových vřeten.
Definovaným nastavením povrchových struktur na boku závitu lze dosáhnout snížení koeficientu tření o 25,5 %. Na příkladu těžkého zvedacího systému vede toto snížení koeficientu tření k úměrnému snížení spotřeby energie, přičemž se bere v úvahu příslušné ložisko zvedacího systému, protože třecí kontakt mezi vřetenem a maticí je pro účinnost rozhodující.
Dalším aspektem je snížení opotřebení závitové matice. Při těchto šetřeních bylo možné opotřebení závitové matice analyzovat pouze nepřímo na základě adhezních usazenin na boku ložiska. Vzhledem k redukci adhezních nánosů na přibližně 10 % boku ložiska lze předpokládat, že došlo k menšímu mikrokontaktu mezi třecími partnery, a tedy i k menšímu opotřebení závitové matice. Ze snížení adheze na boku ložiska lze usuzovat, že se snížilo i celkové opotřebení závitové matice. To může snížit náklady na údržbu a zvýšit životnost celého pohonu trapézového šroubu.
Třetí a rozhodující výhoda mikrostrukturovaných ložiskových boků olověného šroubu vyplývá z konstrukce hnacího motoru. Snížením součinitele tření o 25 % lze při konstrukci předpokládat nižší třecí moment.
To umožňuje zvolit motor menších rozměrů, což snižuje spotřebu energie celého systému a výrazně snižuje investiční náklady na celý zdvihací systém. Z tohoto hlediska je však nutné snížit záběhové charakteristiky a zajistit konstantní koeficient tření po celou dobu životnosti.
Dalším výzkumem lze optimalizovat strukturu povrchu v závislosti na geometrii vlákna. Proces generování těchto specificky upravených povrchových struktur je v současné době patentován partnery projektu.
To umožňuje ještě konkrétnější řešení jednotlivých tribologických systémů. Dalším aspektem pro budoucí výzkum a vývoj je úprava topografie povrchu závitové matice za účelem specifické kompenzace chování při záběhu. Trvale snížený součinitel tření by umožnil další zmenšení rozměrů při konstrukci hnacího motoru. Tyto body budou v budoucnu dále řešeny v rámci společně plánovaného výzkumného projektu s firmou Bornemann Gewindetechnik a IFW.
Poděkování
Autoři děkují společnosti ZIM za financování projektu „TopGewinde – Tribologicky optimalizovaná topografie povrchu pro zvýšení životnosti šroubových pohonů pomocí procesu víření“.
Rádi by také poděkovali Hansi Bornemannovi a Moritzovi von Sodenovi z výrobce Bornemann Gewindetechnik za vynikající spolupráci na výzkumném projektu.
Literatura
- Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
- Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
- Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015): Prediction of the 3D Sur-face Topography after Ball End Milling and its Influence on Aerodynamics, 15th CIRP Confer-ence on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP 31, S. 221 227
- Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.
Kontaktujte nás
Christian Wege, M. Eng.
Institute of Production Engineering and Machine Tools, Leibniz Univerzita Hanover
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de