Gevindhvirvling udmærker sig i forhold til gevindvalsning
Tribologiske kontakter tegner sig for omkring 12 % af det globale energiforbrug. Bornemann Gewindetechnik forsker i optimering af trapezformede gevind sammen med instituttet for produktionsteknik og værktøjsmaskiner ved Leibniz Universität Hannover.
Cirka 12 % af det samlede verdensenergiforbrug går til tribologiske kontakter. Heraf bruges 20 % til at overvinde friktion, og 3 % bruges til at reparere slidte komponenter eller erstatte enheder, der er blevet beskadiget på grund af slid [1]. Et eksempel på dette er tunge løfteanlæg til vedligeholdelse af tog eller lastbiler. Bornemann Gewindetechnik har specialiseret sig i fremstillingen af sådanne komplekse eller højt belastede gevindkomponenter. Sammen med Institut for Fremstillingsteknik og Værktøjsmaskiner (IFW) ved Leibniz Universitetet i Hannover undersøgte det familiedrevne firma den tribologiske optimering af trapezgevind gennem gevindhvirvlingsprocessen. Denne metode er særligt egnet til lange gevindkomponenter. Ved hjælp af de nyeste fremstillingsteknikker producerer Bornemann Gewindetechnik skruerprofiler på op til 12 m i længden.
Hvirvlede gevindespindler har bearbejdningsbetingede overflademikrostrukturer, der udgør et smøremiddelretentionsvolumen. Dette reducerer friktionen af de hvirvlede gevindespindler og forlænger deres levetid i forhold til konventionelt rullede spindler. Den præcise sammenhæng mellem bearbejdningsprocessen og den friktionsreducerende effekt undersøges af forskere inden for projektet „TopGewinde“.
Undersøgt bliver indflydelsen af de mikrostrukturer, der skabes gennem gevindhvirvling, på det tribologiske adfærd af højt belastede trapezgevindespindler i tunge løfteanlæg. Til dette formål betragtes en særligt udviklet hvirvelproces, der er designet til procesintegreret mikrostrukturering.
Denne artikel vil illustrere, hvordan overfladetopografien kan justeres målrettet gennem hvirvelprocessen, hvilket udgør en væsentlig fordel i forhold til gevindvalsning. Billede 2 viser overfladetopografierne af gevindflanken på en rullet trapezgevindespindel sammenlignet med en hvirvlet gevindflanke.
Gennem målrettet tilpasning af hvirvelprocessen kunne der, sammenlignet med rullede gevindespindler, skabes mere udtalte strukturer. For at karakterisere overfladestrukturerne blev strukturparametrene strukturhøjde „yf“ og strukturafstand „sf“ introduceret (Billede 1). Til den tribologiske optimering blev der gennem hvirvling skabt strukturer med en lavere spidsandel, hvilket minimerer den direkte faste kontakt mellem overfladerne på friktionens partnere. Den større afstand mellem strukturspidserne muliggør opbevaring af smøremidlet i dalene af ruhedsprofilen.
Karakterisering af de tribologiske egenskaber
For at undersøge indflydelsen af overfladetopografien af gevindflankerne på det tribologiske adfærd, anvendes den testbænk, der er vist i Billede 3. Testgevindespindler med gevindet Tr 80 x 10 mm blev oscilleret med en frekvens på f = 0,81 Hz over en vinkel på v = 15°. Rotation af en belastningscyklus svarer til et translatorisk løft på s = 0,42 mm af gevindet. Gennem denne opstilling blev gevindespindlen belastet ved hævning og sænkning med en vægtkraft på FG = 91,3 kN. Dette svarer til en kontakttryk på p = 5,0 N/mm², hvilket ligger inden for den maksimale belastning for trapezgevindetransmissioner (TGT) i tunge løfteanlæg. For denne anvendelsestilfælde blev materialet til gevindmøtrikken valgt som G-CuSn 7 ZnPb, og smøremidlet var DGM HTF 940. Smøringen i forsøgsforløbet svarer til et vedligeholdelsesinterval på en måned. Intervallet for smøring af spindel-møtrik-opstillingen sker således hver 167. cyklus. Testbænken blev opbygget af firmaet SincoTec, som samtidig er producent af kraftsensoren Interface 125 kN og drejningsmoment-sensoren SincoTec 1.200 Nm.
For at karakterisere friktionsegenskaberne ved de forskellige overfladetopografier og overfladestrukturer blev slidtilstanden af flankeoverfladerne analyseret. Til dette formål blev spindlerne adskilt ved hjælp af en skæresliber. Med 20.000 belastningscyklusser blev den forventede brugstid på ti år for de undersøgte gevindespindler eksperimentelt afbildet. For de hvirvlede gevindespindler blev procesindstillingerne valgt, så der opstod definerede trin i højden af mikrostrukturerne på belastningsflankerne af gevindet. Procesindstillingerne er baseret på erfaringer fra firmaet Bornemann. Derudover blev der også undersøgt rullede gevindespindler, der var valsede ved hjælp af gennemløbsprocessen.
Indflydelse af overfladestrukturerne på friktionskoefficienten
Gennem den oscillerende bevægelse over en lille vinkelafstand kan hævning og sænkning undersøges i et højt antal belastningscyklusser. På denne måde kan den samlede levetid af gevindespindlerne afbildes eksperimentelt. I Billede 4 er udviklingen af friktionskoefficienten for hævebevægelserne med trapezgevindetransmissionen vist. Her sammenlignes udviklingen af friktionskoefficienterne for en rullet og en hvirvlet gevindespindel. Den resulterende hastighedsprofil inden for en belastningscyklus består af en accelerationsfase, en fase med konstant hastighed samt en bremsefase – hver for hævning og sænkning. Især ved punktet for retningsændringen fremmes forekomsten af Stick-Slip-effekten, som viser sig ved lave hastigheder. Denne effekt udtrykkes i en kortvarig fastlåsning af overfladerne, efterfulgt af en pludselig glidebevægelse mellem friktionens partnere. Denne bevægelse kan føre til vibrationer, som viser sig i en stærkere variation af friktionskoefficienten [2]. Den gennemsnitlige friktionskoefficient stiger hurtigt i starten af forsøget, når den når et maksimum efter cirka 2.000 belastningscyklusser og falder derefter til et konstant niveau efter cirka 8.000 belastningscyklusser. Denne opførsel betegnes som indkøringsfase og beskriver den generelle ændring i friktionskoefficienten over forsøgets forløb, afhængig af det specifikke tribosystem [3].
En markant forbedring af de tribologiske egenskaber ses ved den hvirvlede trapezgevindespindel med den indførte overfladestruktur. Denne fører både til en reduktion af indkøringsadfærden med ca. 44 % samt en permanent reduktion af friktionskoefficienten til et lavere niveau på μm = 0,085. Dette svarer til en reduktion på 25,5 % sammenlignet med den rullede gevindespindel. En fuldstændig reduktion af indkøringsfasen var dog ikke muligt for dette gevind i det beskrevne tribologiske system.
Indflydelse af overfladestrukturerne på slid
For levetiden af trapezgevindespindlen er slid, der opstår ved kontakten mellem de to friktionens partnere, af afgørende betydning. For at identificere de opståede slidmekanismer på gevindespindlen blev overfladen på belastningsflanken undersøgt over de 20.000 belastningscyklusser med en regelmæssig smøremiddeltilførsel og derefter slidmønstret på belastningsflanken analyseret (Billede 5). Undersøgelsen viser efter forsøget et markant forskelligt slidmønster afhængigt af overfladestrukturerne på belastningsflanken. De rullede gevindespindler uden overfladestrukturer på belastningsflanken viser udtalte adhæsive aflejringer på belastningsflanken af gevindespindlen, som er forårsaget af betydeligt materialeafslag eller adhæsionsslid på møtrikmaterialet. Med den stigende strukturhøjde falder også andelen af den adhesive slid signifikant (Billede 5).
For levetiden af trapezgevindespindlen er slid, der opstår ved kontakten mellem de to friktionens partnere, af afgørende betydning. For at identificere de opståede slidmekanismer på gevindespindlen blev overfladen på belastningsflanken undersøgt over de 20.000 belastningscyklusser med en regelmæssig smøremiddeltilførsel og derefter slidmønstret på belastningsflanken analyseret (Billede 5). Undersøgelsen viser efter forsøget et markant forskelligt slidmønster afhængigt af overfladestrukturerne på belastningsflanken. De rullede gevindespindler uden overfladestrukturer på belastningsflanken viser udtalte adhæsive aflejringer på belastningsflanken af gevindespindlen, som er forårsaget af betydeligt materialeafslag eller adhæsionsslid på møtrikmaterialet. Med den stigende strukturhøjde falder også andelen af den adhesive slid signifikant (Billede 5).
Ved kontakten mellem friktionens partnere fra forskellige metaller finder der et materialetransport sted fra den kohæsivt svagere bundne friktionskrop (her møtrikken) til den kohæsivt stærkere bundne grundkrop (her gevindespindlen) [4]. På grund af den ekstra smøring i friktionen opstår der færre kontaktpunkter mellem ruhedens spidser. Ved den fortsatte belastning af kontaktfladen på gevindmøtrikken sker der en afskalning af partikler, som aflejres på de kontaktende ruhedspidser på belastningsflanken. Disse danner gradvist et lag på de kontaktende områder af belastningsflanken og forhindrer direkte kontakt mellem spindel- og møtrikmaterialet. Denne proces fortsætter, indtil en statisk tilstand opnås, og der ikke længere dannes aflejringer på belastningsflanken. Gennem denne proces bestemmes indkøringsadfærden, som, når de kontaktende ruhedspidser er dækket af adhæsionsaflejringer, går over i en statisk tilstand. Denne tilstand påvirker også friktionskoefficienten. Den oprindelige overflade oplever ikke abrasivt slid under hævebevægelsen.
Udsigt og anvendelsesmuligheder
I konkurrencen med rullede gevindespindler kunne det påvises, at overfladestrukturer på belastningsflanken af en gevindespindel til tunge løfteanlæg giver en væsentlig merværdi. Ved hjælp af wirbelprocessen kan der skabes et større udvalg af overfladestrukturer. Desuden blev det påvist, at overfladen på gevindespindlen oplever meget lidt slid, hvilket betyder, at overfladestrukturerne på belastningsflanken i stort omfang forbliver intakte efter en eksperimentelt simuleret driftstid på 10 år. Billede 7 viser de tre væsentligste potentialer af mikrostrukturerede belastningsflanker til design og konstruktion af trapezgevindespindler.
Gennem den definerede justering af overfladestrukturerne på gevindflanken kan der opnås en reduktion af friktionskoefficienten med 25,5 %. For eksemplet med en tungt løfteanlæg resulterer denne reduktion af friktionskoefficienten, under hensyntagen til den respektive lagring af løfteanlægget, i et proportionalt fald i energiforbruget, da friktionen mellem spindel og møtrik har stor indflydelse på anlæggets effektivitet.
En anden faktor er reduktionen af slid på gevindmøtrikken. I disse undersøgelser kunne slid på gevindmøtrikken kun indirekte vurderes ud fra de adhæsive aflejringer på belastningsflanken. På grund af reduktionen af de adhæsive aflejringer til ca. 10 % af belastningsflanken, kan det antages, at der var færre mikrokontakter mellem friktionens partnere, og dermed mindre slid på gevindmøtrikken. Den reducerede adhæsion på belastningsflanken indikerer, at det samlede slid på gevindmøtrikken også er blevet reduceret. Dette kan føre til lavere vedligeholdelsesomkostninger og en længere levetid for hele trapezgevindsystemet.
Den tredje og afgørende fordel ved de mikrostrukturerede belastningsflanker i et gevindedrev opstår ved dimensioneringen af drivmotoren. Ved at reducere friktionskoefficienten med 25 % kan der ved dimensioneringen regnes med et lavere friktionsmoment.
Dette muliggør valget af en motor i en mindre størrelse, hvilket reducerer strømforbruget for hele systemet og væsentligt sænker investeringsomkostningerne for hele løfteanlægget. Dog skal der for denne faktor sikres, at indkøringsadfærden reduceres, og at en konstant friktionskoefficient opretholdes over hele levetiden.
Gennem yderligere forskning kan der, afhængigt af gevindgeometrien, foretages en optimering af overfladestrukturen. Processen til at generere disse målrettet indstillede overfladestrukturer bliver i øjeblikket patenteret af projektpartnerne.
Dette vil muliggøre en endnu mere målrettet tilgang til det individuelle tribologiske system. Et andet aspekt for fremtidig forskning og udvikling er modifikationen af overfladetopografien af gevindmøtrikken for målrettet at kompensere for indkøringsadfærden. Ved en konstant reduceret friktionskoefficient ville det være muligt at reducere motorens størrelse yderligere ved dimensioneringen af drivmotoren. Disse punkter vil i fremtiden blive videreudviklet i et fælles forskningsprojekt mellem Bornemann Gewindetechnik og IFW.
Anerkendelse
Forfatterne takker ZIM for finansieringen af projektet „TopGewinde – Tribologisk optimerede overfladetopografier til forlængelse af levetiden for gevinddrivværker gennem virvelprocessen“.
De takker også Hans Bornemann og Moritz von Soden fra producenten Bornemann Gewindetechnik for det gode samarbejde i forskningsprojektet.
Litteratur
- 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.
Kontakt os
Christian Wege, civilingeniør
Institut for produktionsteknik og værktøjsmaskiner ved Leibniz Universität Hannover
Telefon: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de