Na povrchu záleží

Závitové šrouby představují konstrukční prvek, který je ve strojírenství široce rozšířený. Vysoce namáhané závitové šrouby se používají například ve zvedácích a zejména také ve zvedací technice s velkou nosností. Zde se primárně používají závitové šrouby vyrobené okružováním. Závitové šrouby vyrobené válcováním mají často příliš hladký povrch, který podporuje tzv. stick-slip efekt a má negativní vliv na životnost celého systému.

Topografie povrchu závitových šroubů, která vzniká při okružování, může sloužit pro zadržování maziva, a snižovat tak tření v místě kontaktu šroubu a matice. V Ústavu výrobní techniky a obráběcích strojů (Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, IFW) na Leibnizově univerzitě v Hannoveru se zkoumá cílené nastavení topografií povrchu u okružovaných závitů. Společně se středně velkou firmou Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG (www.bornemann.de) se na příkladu trapézových závitů zkoumá funkce boku závitu pro optimalizaci tření.

Cílem projektu Špičkový závit (TopGewinde) ústavu IFW a firmy Bornemann je vyvinout inovativní okružovací proces pro vytvoření mikrostruktur na bocích závitů, které minimalizují tření (obrázek 1). Pro virtuální předpověď mikrostruktury povrchu se pomocí vlastního softwaru ústavu IFW CutS (Cutting Simulation) vytvoří v rámci projektu simulační model pro okružování. Kinematický model na obrázku 1 byl vytvořen analogicky podle okružovacího procesu firmy Bornemann.

Křivka materiálového podílu popisuje zadržování maziva

Provedení těchto obráběcích značek je třeba nastavit tribologicky optimálně pro kontakt mezi šroubem a maticí trapézového závitu. V prohlubních profilu povrchu se může zachycovat mazivo, které zabraňuje nedostatečnému mazání, a tedy s tím souvisejícím problémům, jako je např. stick-slip efekt (obrázek 2).

Pro kvantitativní určení podílu zachycování maziva na boku závitu je zapotřebí parametr. Pro posouzení tribologicky zatížených povrchů lze použít křivku materiálového podílu. Ta rozděluje profil drsnosti na redukovanou výšku výstupků Rpk, výšku jádra Rk a redukovanou výšku prohlubní Rvk. Výška jádra Rk popisuje oblast profilu drsnosti, která zůstane zachovaná po záběhové fázi životního cyklu závitu a obroušení výstupků (vyjádřené pomocí redukované výšky výstupků Rpk) při tribologickém kontaktu. Redukovaná výška prohlubní Rvk popisuje oblast počátečního povrchu, která je k dispozici pro zadržování maziva. Ekvivalentně existují plošné parametry drsnosti Spk, Sk a Svk. Tyto parametry povrchu se v probíhajícím projektu používají při vývoji inovativního okružovacího procesu. Kromě toho budou parametry použity pro posouzení povrchů v budoucí sériové výrobě pomocí inovativního okružování ve firmě Bornemann.

Experimentální optimalizace topografie

Pro zkoumání vlivu okružování na topografii povrchu se nejprve měnily procesní veličiny při výrobě trapézového šroubu. Tato řada zkoušek byla zaměřená na otáčky nástroje nwz a otáčky obrobku nws (obrázek 3). Protože při okružování se otáčí jak obrobek, tak i nástroj, vzniká poměr otáček r mezi otáčením nástroje a obrobku, který je zohledněný při posouzení topografií povrchu. Zkoumané trapézové šrouby byly vyrobeny sousledným frézováním pomocí okružovacího obráběcího stroje vlastní konstrukce firmy Bornemann Gewindetechnik z oceli C45. Následující zkoumání topografií vytvořených na bocích závitů bylo provedeno v IFW pomocí konfokálního mikroskopu od výrobce Confovis GmbH. Vytvořené topografie a příslušné parametry podle Abbottovy křivky jsou znázorněné na obrázku 3. Obě horní měření ukazují vliv otáček nástroje na topografii povrchu. Dolní měření topografie znázorňují vyplývající topografie při různých otáčkách obrobku. Cílem zkoumání bylo dosáhnout vysoké hodnoty redukované výšky prohlubně Svk, aby se vytvořil co možná největší objem zadrženého maziva na povrchu. Nejvyšší hodnoty Svk bylo dosaženo u zkoušky 1 se Svk = 0,442 µm. Tento závit dosahuje zároveň také nejmenšího poměru otáček. Trend klesající hodnoty Svk při vzrůstajícím poměru otáček lze konstatovat u všech zkoušek. Při snížení poměru otáček stoupá vzdálenost mezi strukturami a zvětšuje se redukovaná výška prohlubně Svk.

Virtuální předpověď topografie

Experimentálně zjištěná souvislost se aktuálně simulačně zkoumá v IFW. K tomu se používá simulace úběru materiálu pro zkoumání vzniku topografie. Pomocí softwaru CutS se vytvoří simulační model pro okružování závitových šroubů a předpoví se povrchy, které vzniknou (obrázek 4). Používá se to jednak pro lepší pochopení vzniku povrchu při okružování, a jednak pro snížení nákladů na zkoušky. Na obrázku 4 je znázorněné porovnání změřené topografie a výsledku simulace. Simulace znázorňuje kinematiku okružovacího procesu firmy Bornemann. Maximální drsnost na bocích okružovaného trapézového závitu je v rozmezí Rz = 3–7 µm. Pro vytvoření spolehlivého modelu pro tuto řádovou hodnotu pro předpověď topografie povrchu se zohledňují další vlivy na proces. Při zde znázorněné simulaci (obrázek 1) byla kromě kinematických podmínek záběru zohledněna také ostrost výměnných břitových destiček. Pro zohlednění ostrosti byl do simulace úběru materiálu zahrnut CAD model břitu s profilem drsnosti generujícím povrch. Zvláštností okružovacího procesu je, že více řezných hran výměnné břitové destičky vytváří různé oblasti profilu trapézového závitu. Byla změřena ostrost pro sadu výměnných břitových destiček a zahrnuta do modelu, aby se zohlednil vliv mikrogeometrie výměnných břitových destiček na simulovaný povrch:

Strukturu povrchu okružovaného závitového šroubu lze v zásadě vymodelovat pomocí simulace úběru materiálu. Na povrchu vytvořeném pomocí simulace jsou zřetelně patrné struktury prohlubní v pravidelné vzdálenosti, které jsou charakteristické pro okružování. Odchylky mezi simulovaným a změřeným povrchem jsou patrné u charakteru prohlubní. Procentuální odchylka mezi charakteristikami drsnosti měření a simulace činí v současné době cca 25 %. Tyto rozdíly mezi oběma povrchy jsou způsobené například stochastickými povrchovými efekty a odtlačováním nástroje při procesu. Pro zvýšení přesnosti simulace se plánuje zohlednit další vlivy na proces. V současné době je pozornost zaměřena na vibrace obráběcího stroje. Dále se plánuje zkoumání procesních sil, které působí na břity nástroje. Zde se na základě excentrického rotačního pohybu a různých průřezů třísky při okružování očekává vliv na odtlačování okružovacího nástroje. Poznatky získané při simulaci procesu budou v budoucnu použity při vývoji nástrojů, aby bylo možné okružováním cíleně vyrábět tribologicky optimalizované závitové šrouby.

Závěr a budoucí vývoj

V dalším průběhu projektu budou použité nástroje a příslušné procesní veličiny modifikovány tak, aby bylo možné dosáhnout povrchu s optimálním třením. Pro posouzení účinku těchto povrchů pro snížení tření budou nejprve provedeny tribometrické zkoušky. Na základě těchto zkoušek budou vybrány různé koncepty nástrojů, které budou použity pro výrobu tribologicky optimalizovaných závitů. Poté se bude u vybraných závitů testovat životnost s cílem ověřit nashromážděné poznatky. Cílem společnosti Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG je definovat mikrostrukturu minimalizující tření, kterou bude možné používat zejména v oblasti zvedací techniky s velkou nosností, aby se výrazně prodloužila životnost zvedacích zařízení.

Další informace k optimalizaci struktury povrchů závitů jsou k dispozici na www.bornemann-gewindetechnik.de/cs a www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik.