Modvirkning af slip-stick-fænomenet: Gevindprofiler med mikroskopiske smøremiddelreservoirer

Gevindprofilerne på snekkegearskruer, der udsættes for et overfladetryk på > 20 N/mm2 under belastning, og som arbejder ved lave omkredshastigheder, kræver konstant smøring. Bornemanns præcisionsgevind er en del af løsningen.

Tråde, der pludselig skriger, udløser alarmer hos erfarne maskinførere. Erfaringen har vist, at der ikke går meget længere tid, før et system svigter. Den skrigende lyd er et tegn på slitage og forekommer især på lejer, føringer og gevindspindler inden for tung løfteteknik. Årsagen: manglende smøring. Resultatet: stick-slip. To faste legemer – i tilfældet med et gevind, spindlen og møtrikken – kommer i kontakt med hinanden i en rykkende bevægelse. I værste fald kan det resultere i mikrosvejsning eller koldsvejsning. Er det så smøremiddelproducentens skyld?

»Nej«, siger Moritz von Soden, administrerende direktør hos Bornemann Gewindetechnik. “Det er ikke så enkelt. Årsagerne til stick-slip-fænomenet er mange. Det er ofte en kombination af en række forskellige påvirkninger. Men efter min mening ligger grundlaget for at sikre en optimal levetid for et gevind i dets design. Kvaliteten af gevindoverfladen er en vigtig faktor.”

Optimal smøring af gevindflankerne – smørelommer, der modvirker stick-slip-fænomenet

Stick-slip-fænomenet, eller blot stick-slip, forsvinder normalt, så snart et mellemliggende materiale eller smøremiddel adskiller kontaktfladerne. Effekten afhænger også af smøremidlets kompatibilitet med elastomermaterialer, tilbagestrømningsadfærd, oliens levering og niveauet af korrosionsbeskyttelse.

En anden afgørende faktor er materialekombinationen i spindel/møtrik-systemet. I en kombination af sfæroidt støbejern og stål kan jernindholdet i begge materialer f.eks. fremme koldsvejsning.

I stedet for at fokusere på smøremiddelforsyning, smøremiddelkompatibilitet og materialekombinationer lægger Bornemann Gewindetechnik vægt på præcision i udviklingen af overfladetopografien på gevindspindler og møtrikker. Præcision på mikroskopisk niveau: Mikroskopiske smørelommer – udsparinger på gevindoverfladen – hjælper med at holde på smøremidlet, hvor der er brug for det (figur 1a og b), selv under de højeste overfladebelastninger.

De gevind, der produceres af Bornemann, udviser pålideligt disse vigtige smørelommer. Gevindvalsemetoden kan ikke producere udsparinger på gevindoverfladen og tilbyder derfor ikke et sådant alternativ. Derfor er Bornemanns gevindspindler særligt populære inden for tung løfteteknologi. Værktøjet til fremstilling af gevindspindler består af en drivring med et sæt profilbakker. Under bearbejdningen foretager den profileringsskæringer, mens emnet roterer inden i matriceringen.

Et matricesæt består af flere individuelle skærekanter, der arbejder efter hinanden for at lave et afbrudt snit. Under denne proces opstår der mikroskopiske udsparinger i emnets overflade mellem de enkelte snit, og de danner polygonale, konkave affasninger på blot nogle mikrometer. Ved første øjekast virker disse fordybninger som produktionsfejl. Faktisk forbedrer disse bearbejdningsmærker gevindspindlernes driftsegenskaber. Mikroskopiske udsparinger kan fungere som mikrolommer med smøring under smurt friktionskontakt. Disse lommer fyldes med smøremiddel og modvirker derfor eventuelle brud på smørefilmen. Som du kan se i figur 2a, forårsager mikrolommerne af smøremiddel en hydrodynamisk opbygning af tryk under smurt glidekontakt mellem to faste legemer. Denne trykopbygning virker vinkelret på overfladen og forhindrer faststoffriktion.

Test på tribometerskiver udstyret med mikrolommer med smøring viser, at mikrolommer med smøring har potentiale til at reducere friktionskoefficienten og dermed friktionstabet ved lave relative hastigheder på mindre end 1,5 m/s ved at forbedre tilførslen af smøremiddel under friktionskontakt (figur 2b).

Disse mikrolommer med smøring er allerede genstand for forskellige forskningsprojekter inden for andre områder (f.eks. i friktionskontakten mellem cylinderbøsninger og stempler). I forbrændingsmotorer bruges disse udsparinger til at forhindre smøremiddel i at løbe væk fra kontaktpunktet og reducere friktionstab og slid forårsaget af mekanisk slid. Udsparingerne giver også tilsvarende fordele på gevindstøtteflanken på Bornemann-gevindspindler. Især hjælper deres orientering, som er vinkelret på friktionsbevægelsen, med at holde smøremidlet på plads under friktionskontakt og sikre den rette smøreeffekt.

»Naturligvis giver andre fremstillingsprocesser også specifikke fordele«, forklarer Moritz von Soden, «men vores gevind har bevist deres værd inden for heavy duty engineering, især i stærkt belastede trapezformede skruedrev. Meget mindre smøremiddel presses ud. De smørelommer, vi indfører, fungerer som smøremiddelreservoirer.«

Den almindelige opfattelse af, at valsede gevindspindler har en længere levetid, er ikke noget, som Bornemanns administrerende direktør har set bekræftet i praksis. »Den hårdere overflade på valsede spindler fører ikke til en længere levetid. I løfteteknologi bruges der generelt bronzemøtrikker som sliddele. Spindlernes hårdhed er derfor teknisk set ikke en væsentlig faktor med hensyn til slitage. Desuden har tidligere udholdenhedstest vist, at vores gevindspindler kun viser minimale tegn på slitage, selv efter mange års drift.«

Ud over trådkvaliteten er det overordnede system afgørende

Kun den optimale kombination af gevind, smøremiddel og vedligeholdelse af anlægget kan modvirke slip-stick-fænomenet. Rengøring af overfladen før påføring af smøremidlet er en af de vigtigste forberedende opgaver. Vi anbefaler også på det kraftigste flydende fedt med konsistensklasse NLGI 00. Mængden af fedt skal være mindst 30 % af volumenet mellem spindlen og bælgen. Et andet krav til smøremidlet er afledt af systemets tæthed: Da bælgene normalt ikke er hermetisk lukkede, kan det ikke udelukkes, at der dannes kondens i dem. Smøremidlet skal derfor have en høj grad af vandbestandighed og skal give en meget effektiv korrosionsbeskyttelse.

Om Bornemann

Bornemann Gewindetechnik (www.bornemann-gewindetechnik.de) fremstiller gevind i alle specielle former og størrelser. Vi producerer skræddersyede løsninger til løfteteknologi og hydraulisk stålarbejde samt platformudstyr og skydeventiler til dæmninger, for blot at nævne nogle få. Ud over udfordrende højpræcisionsarbejde med stødgevind, fremføringsskruer og flergangsgevind fokuserer vi også på produktion af store, monteringsklare trapezgevindspindler og møtriksæt. Enhver form for bearbejdeligt materiale kan bruges som udgangsmateriale. Standardstørrelserne for gevindspindler varierer i diameter fra 10 til 180 mm og op til 10 m i længden. Bornemanns optimerede fremstillingsproces producerer gevindoverflader, der opnår en kvalitet, der svarer til slebne gevind.

Stick-slip og konsekvenserne: Forfærdelige lyde og øget slid

Stick-slip-fænomenet er også almindeligt i hverdagen. Når døre knirker, når hjul skriger på skinner, eller når vinduesviskere knirker på forruden, er den statiske friktion større end den glidende friktion. Men især i tekniske anvendelser i industrielle miljøer bliver stick-slip-fænomenet hurtigt et problem: Det er en indikation på øget slid og manglende smøring af gevindprofiler (figur 3). I ekstreme tilfælde kan det endda forårsage koldsvejsning i hele spindel/møtrik-systemet.