Overfladeoptimering af trapezformede gevindspindler – tribologisk analyse og anvendelse

Trapezformede gevindspindler er ideelle til tunge belastninger og bruges ofte i løftesystemer. Som en del af et samarbejdsprojekt mellem Institut for Produktionsteknik og Værktøjsmaskiner (IFW) og virksomheden Bornemann Gewindetechnik blev der forsket i en modifikation af gevindvirvling for at optimere de tribologiske egenskaber af gevindspindler. Brugen af hvirvlede mikrostrukturer kan reducere friktionstabet med 25,5 % og reducere klæbende slid betydeligt.

1 Introduktion

Der findes forskellige fremstillingsprocesser til produktion af lange gevindspindler, som ofte bruges i løftesystemer, herunder gevindrulning og gevindvirvling [1]. Når man designer fremstillingsprocessen for standardiserede maskinelementer som f.eks. trapezformede gevindspindler, tages der ikke hensyn til anvendelsesadfærd og levetid [2].

Når man designer overflader, der udsættes for glidende friktion, er det vigtigt at overveje friktionsregimerne – grænsefriktion, blandet friktion og væskefriktion – som klassificeres ved hjælp af Stribeck-kurven [3]. I den hydrodynamiske tilstand overføres kraften gennem smørefilmen, hvorved friktionskraften genereres af den indre friktion i smøremidlet [3-5]. Den er proportional med kontaktområdet, smøremidlets viskositet og forskydningshastigheden i smørefilmens tykkelse. I tilfælde af blandet friktion afbrydes smørefilmen på visse punkter af individuelle ruhedstoppe, som derefter bidrager til belastningsoverførsel [4]. Især ved lave glidehastigheder er dette en ulempe med hensyn til at etablere og opretholde den hydrodynamiske smøretilstand [6].

Den direkte kontakt mellem de to triboelementer kan føre til øget energiforbrug [7]. Mikrostrukturer kan have gunstige effekter gennem forskellige mekanismer. For eksempel kan mikrostrukturer fungere som smøremiddelreservoirer [8], og lokale forhøjninger i smøremiddelfilmen kan føre til en stigning i lejetrykket, når smøremidlet flyder hen over dem [9]. Hydrodynamisk tryk kan opbygges i de definerede mikrostrukturer. Både kavitationseffekter [4] og opbygning af lejetryk i efterfølgende mikrostrukturer spiller en rolle her [10, 11]. Disse undersøgelser viser, at overfladetopografien på trapezformede gevindspindler har et stort potentiale for at reducere friktionen gennem mikrostrukturer på grund af den højt belastede glidekontakt. Mikrostrukturer, der reducerer friktionstab i glidekontakter, kan frembringes ved hjælp af fremstillingsprocesser som f.eks. flad ruhed eller lasermærkning [10, 12].

Hvirvling som fremstillingsproces giver et stort potentiale for procesintegreret mikrostrukturering, da den opnår betydeligt højere produktivitet end f.eks. gevindfræsning [1, 13]. Undersøgelser af overfladestrukturering ved hjælp af hvirvling er hidtil kun blevet udført som en ekstra struktureringsproces og ikke som procesintegreret funktionalisering af overfladestrukturen [14]. Der er forskellige tilgange til mikrostrukturering som en separat fremstillingsproces [12, 15], men disse kræver en stor integrationsindsats på grund af et ekstra procestrin. I en undersøgelse viste Denkena et al. en forbedring af de tribologiske egenskaber af overflader, der udsættes for høje termomekaniske belastninger, som f.eks. i cylinderforinger, ved hjælp af mikrostrukturering [12]. Hvirvelprocessen som bearbejdningsproduktionsmetode giver et særligt potentiale for funktionalisering på grund af de overfladestrukturer, der skabes på gevindflanken (fig. 1).

En særlig udfordring ved brug af metalliske tribocouples i glidende friktion er forekomsten af vedhæftning i tilfælde af utilstrækkelig smøring eller overbelastning. Dette kan føre til klæbende slid på friktionspartneren med lavere hårdhed og en materialeoverførsel til friktionspartneren med højere hårdhed i glidekontakten [7, 17]. Overfladetopografien og det faktiske kontaktområde i glidekontakten spiller en afgørende rolle for den tidligere beskrevne risiko for vedhæftning med utilstrækkelig smøring [7, 16, 17]. Direkte kontakt mellem de to friktionselementer er en grundlæggende forudsætning for vedhæftning og defineres af det samlede antal mikrokontakter.

I glidende kontakter, der udsættes for et højt overfladetryk, reduceres smøremiddelfilmens tykkelse, hvilket fører til et skift fra blandet friktion til grænsefriktion og ledsages af en stigning i friktionskoefficienten [3]. Denkena et al. viste også, at overfladestrukturer med lav dybde kan føre til en reduktion af friktionskoefficienten og et skift til blandet friktion, hvor både fast og flydende friktion sameksisterer [12]. For stålbronze-trio-elementer i glidende friktion har en overfladestrukturdybde på 2-5 μm vist sig at være særlig gunstig for at reducere friktionen [16]. Et andet fænomen, der kan opstå ved utilstrækkelig smøring eller lave relative hastigheder, er stick-slip-effekten. Det resulterer i, at triboelementerne klæber til hinanden i kort tid, før der igen opstår en glidebevægelse [18]. Hyppig forekomst af stick-slip-effekten på grund af mangel på smøremiddel fører til øget klæbende slid og dermed til tidlig svigt af komponenterne [19].

Mikrostrukturers indflydelse på den belastede gevindflanke på trapezformede gevindspindler under høje belastninger er endnu ikke blevet undersøgt, men rummer et stort potentiale for at øge effektiviteten ved at reducere friktionstab. Der er heller ingen viden om mikrostrukturers indflydelse på slid i spindel-møtrik-systemet. Formålet med denne artikel er derfor at udfylde dette hul og undersøge indflydelsen af overfladestrukturer genereret af gevindhvirvler på den tribologiske adfærd af højt belastede spindler med trapezgevind i tungt løfteudstyr under virkelige forhold. Undersøgelsen vil se på en specielt udviklet hvirvelproces til procesintegreret mikrostrukturering. Som en del af undersøgelsen vil forskellige overfladestrukturer blive præsenteret, og deres indflydelse på friktionsreduktion i det samlede system og deres evne til at fastholde smøremiddel på overfladen og dermed forhindre klæbende aflejringer på spindlen og klæbende slid på møtrikken vil blive evalueret.

2 Eksperimentel opsætning

2.1 Tribologisk testning

Testriggen vist i figur 2 bruges til at undersøge indflydelsen af overfladetopografien på gevindflankerne med hensyn til tribologisk adfærd. Testspindlerne med et Tr80×10 mm gevind blev sat i svingninger med en frekvens på f = 0,81 Hz over en vinkel på ν = 15°. Rotationen af en belastningsændring svarer til en translationsafstand på 0,42 mm af gevindspindlen. Med denne opsætning blev gevindspindlen belastet med en vægtkraft på FG = 91,3 kN under løft og sænkning. Det svarer til et overfladetryk på p = 5,0 N/mm², hvilket er inden for det maksimale belastningsområde for trapezformede skruedrev i tunge løftesystemer. Gevindmøtrikmaterialet G-CuSn 7 ZnPb blev valgt til denne anvendelse. Det anvendte smøremiddel var DGM HTF 940-fedt, som er særligt velegnet til glidelejeanvendelser. Smøring i testsekvensen var baseret på et vedligeholdelsesinterval på en måned. Dette interval svarer til at smøre spindel-møtrik-enheden hver 167. cyklus. Testriggen blev opstillet af Sincotec, som også er producent af kraftsensoren Interface 125 kN og momentsensoren SincoTec 1200 Nm.

Overfladernes slidtilstand blev analyseret for at karakterisere friktionsegenskaberne for forskellige overfladetopografier og deres tilsvarende overfladestrukturer. Til dette formål blev spindlerne efterfølgende skåret op med en afkortersliber. Med 20.000 belastningscyklusser blev en levetid på 10 år kortlagt eksperimentelt for de analyserede gevindspindler.

For at undersøge den tribologiske adfærd blev der fremstillet fire gevindspindler, hvor forskellige procesparametre blev sammenlignet med en valset spindel ved hjælp af hvirvelprocessen (tabel 1). For de hvirvlede gevindspindler blev procesparametrene valgt på en sådan måde, at der blev opnået definerede gradueringer mellem højderne af overfladestrukturen på de belastede gevindflanker. Testserie 1 omfatter valsede gevindspindler fremstillet ved hjælp af den kontinuerlige valseproces. De specifikke procesparametre er baseret på Bornemanns erfaring. Testserie 2 blev valset med procesparametre, der svarer til det aktuelle tekniske niveau, og tjener som en yderligere reference for den nyudviklede overfladestruktur.

I testserie 3 og 4 blev de overfladestrukturer, der blev udviklet i denne undersøgelse, produceret i to trin for at øge både overfladestrukturens højde yf og overfladestrukturens længde sf. En forøgelse af disse to strukturparametre fører til en forøgelse af smøremidlets retentionsvolumen i overfladen. Testserie 3 viser en teoretisk strukturhøjde på yf = 2,31 μm med en strukturafstand på sf = 3,67 μm. I testserie 4 er de strukturelle parametre endnu mere udtalte med yf = 3,61 μm og sf = 4,59 μm. Dette viser tydeligt strukturernes begrænsede justerbarhed på grund af hvirvelprocessen: En forøgelse af strukturhøjden yf fører uundgåeligt til en forøgelse af strukturlængden sf.

2.2 Måling af overfladestrukturen

Det optiske målesystem Duo Vario fra Confovis GmbH bruges til at analysere eksperimentelt genererede 3D-overfladetopografier. Overfladetopografierne registreres ved hjælp af konfokal hvidlysmikroskopi. Den konfokale måling blev udført med et Nikon 20×/0,45-NA-objektiv. En lateral måleopløsning på 0,20 μm blev brugt til at analysere flankeoverfladerne. Det målte område med en bredde på 2,26 mm og en længde på 8,71 mm blev registreret med en opløsning på 0,28 μm. De eksperimentelt genererede gevindspindler blev justeret i en ortogonal måleposition i forhold til gevindflanken.

3 Anvendelse og karakterisering af overfladetopografi

De følgende resultater viser, hvordan gevindflankens overfladetopografi kan justeres specifikt ved hjælp af hvirvelprocessen, og hvordan den adskiller sig fra den begrænsede topografi i gevindvalseprocessen. Figur 3 viser overfladetopografien af gevindflanken på en valset trapezformet gevindspindel sammenlignet med en hvirvlet gevindflanke.

Overfladetopografien af testserie 1 viser, at der ikke skabes nogen overfladestruktur under gevindvalseprocessen. Den hvirvlede gevindspindel i testserie 2 viser ingen væsentlige forskelle i overfladetopografien sammenlignet med testserie 1, og der kan heller ikke genkendes nogen overfladestruktur. Ved specifikt at tilpasse hvirvelprocessen var det muligt at producere betydeligt mere udtalte overfladestrukturer i testserie 3 og 4. I disse testserier blev teksturhøjden yf og teksturlængden sf successivt øget for at generere overfladeteksturer med en lav andel af toppe og derved minimere den direkte faste kontakt mellem overfladerne på triboelementerne. Den større afstand mellem toppene i overfladeteksturen gør det muligt at holde på smøremidlet i dalene i ruhedsprofilen.

På grund af forekomsten af stokastiske ruhedseffekter under behandlingen, som påvirker den tekniske overflade som fjerdegradsformafvigelser, overlejres den mindre udtalte overfladetekstur i testserie 2. På grund af denne overlejring er teksturparametrene vanskelige at bestemme og har en lav teksturhøjde yf = 0,82 μm og en teksturlængde sf = 1,63 mm. Testserie 2 adskiller sig faktisk ikke fra den valsede prøve på grund af denne lave overfladetekstur. De stokastiske ruhedseffekter under hvirvelprocessen skyldes hovedsageligt ruheden på hvirvelværktøjets skærekant, også kendt som chipping. Dette dannes som en negativ form på den nyligt genererede overflade under bearbejdningen [20]. Topografien i testserie 3 og 4 viser karakteristiske, tilbagevendende riller, der er skabt af afskalning. Hvis teksturhøjden yf er mindre end ruheden Rz ved det hvirvlende værktøjs skærekant, overlejres teksturen, og den karakteristiske tekstur fra hvirvelprocessen opstår ikke. Dette kan ses i ruhedsprofilerne på gevindflankerne (fig. 4).

Målingen forvrænges yderligere af det faktum, at den matematisk tilnærmede trådform trækkes fra overfladetopografien, hvilket resulterer i, at teksturerne i kanten af måleområdet har en lidt lavere teksturhøjde (figur 3 og 4).

4 Tribologisk evaluering

Virkningerne af de hvirvlede overfladestrukturer på det tribologiske system af skrue og møtrik i trapezformede skruespindler til tunge løftesystemer blev analyseret ved hjælp af den testopstilling, der er beskrevet i afsnit 2.2. I designet af trapezskruer antages friktionskoefficienten ofte at være konstant af forenklingshensyn. Friktionskoefficienten kan dog ikke betragtes som en materialeegenskab, da den påvirkes af alle komponenter i det tribologiske system. For at karakterisere overfladetopografiens indflydelse på dette system holdes alle indflydelsesrige variabler konstante. Kun den overfladestruktur, der er fremkaldt af fremstillingsprocessen, varieres i testserien.

4.1 Undersøgelse af friktionskoefficienten

I tunge løftesystemer er bevægelsesskruerne normalt anbragt lodret, hvorved en belastet gevindflanke belastes under både løfte- og sænkebevægelserne. Friktionen på det skrå plan kan bruges til at beregne friktionskoefficienten i et trapezformet gevind [21]. Normalkraften FN kan beregnes ud fra vægtkraften FG og friktionskraften FR ud fra det friktionsmoment, der kræves til rotationsbevægelsen ved hjælp af de geometriske forhold. Dette fører til et betydeligt højere nødvendigt friktionsmoment under løft. Da friktionsmomentet måles i testopstillingen, og vægtkraften FG er sat til en konstant værdi, kan friktionskoefficienten μ beregnes ud fra disse variabler. Den separate bestemmelse af friktionskoefficienten μ for løft og sænkning er mulig ved at tage højde for kraftkomponenternes forskellige retninger. Det eksemplariske forløb af friktionskoefficienten for disse to typer bevægelse for den valsede spindel i testserie 1 er vist i figur 5. Når man tager højde for de forskellige kraftretninger, viser begge bevægelsestyper en lignende kurve for friktionskoefficienten. På trods af det højere drejningsmoment, der kræves til løft, kan man se en karakteristisk adfærd for friktionskoefficienten, som forekommer med en spindel med trapezformet gevind over 20.000 belastningscyklusser. Den gennemsnitlige friktionskoefficient for begge bevægelsestyper stiger markant i begyndelsen af testen, når et maksimum ved omkring 2000 cyklusser og falder derefter til et konstant niveau ved omkring 8000 cyklusser. Denne adfærd kaldes indkøringsfasen og beskriver den generelle ændring i friktionskoefficienten under hele testen, afhængigt af det tribologiske system [22]. Den oscillerende bevægelse over et lille vinkelområde simulerer en kort strækning med løft og sænkning under en belastningsændring. Den resulterende hastighedsprofil inden for en belastningsændring består af en accelerationsfase, en fase med konstant hastighed og en decelerationsfase, hver for løft og sænkning. Stick-slip-effekten, som opstår ved lave hastigheder, favoriseres især ved vendepunktet for retningsændringen. Denne effekt manifesterer sig i en kortvarig klæbning af overfladerne, efterfulgt af en pludselig glidning af triboelementerne. Denne bevægelse kan føre til vibrationer, som afspejles i en større afvigelse af friktionskoefficienten [19]. I figur 5 kan denne effekt observeres i form af en større afvigelse inden for de første 5000 belastningscyklusser.

En konstant friktionskoefficient for det analyserede trapezformede gevind Tr80×10 mm opnås efter ca. 8000 belastningscyklusser. Under indkøringsfasen er der en indledende stigning i friktionskoefficienten ved testning af de valsede trapezformede gevind, hvilket også er forbundet med en høj afvigelse i friktionskoefficienten. Den højeste friktionskoefficient er forbundet med den største afvigelse, hvilket indikerer en øget forekomst af stick-slip-effekten, som kan føre til øget klæbemiddelslitage. På grund af de lignende friktionskoefficientkurver for begge typer bevægelse er det kun den mere kraftintensive løftebevægelse, der betragtes nedenfor.

Der er en klar forskel i friktionskoefficientkurverne for de overflader, der er vist i figur 3. Mens testserie 1 og 2 adskiller sig i fremstillingsprocesserne – gevindrulning og gevindhvirvling – har begge prøver en lignende overfladetopografi med næsten ingen overfladestrukturer (fig. 3). Denne lighed afspejles også i friktionskoefficientkurverne (fig. 6). Mens friktionskoefficienten i testserie 1 viser et betydeligt maksimum, kan der ikke observeres noget maksimum over testvarigheden i testserie 2. I begge tests nås der dog et konstant niveau efter et lignende antal belastningscyklusser (L ≈ 8000).

Den gennemsnitlige friktionskoefficient μm over hele testens varighed antager også en lignende værdi for begge tests. Der forekommer en indkøringsfase med både den hvirvlede og den valsede gevindspindel, hvilket efterfølgende fører til en meget konstant friktionskoefficient med lille afvigelse på et niveau på μ = 0,1. I testserie 3, med en teksturhøjde på yf = 2,31 μm, observeres en betydeligt kortere indkøringsfase, som er afsluttet efter ca. 4500 belastningscyklusser. Den gennemsnitlige friktionskoefficient μm kan reduceres til μm = 0,098 i testserie 3 sammenlignet med den valsede (μm = 0,115) og den ikke-teksturerede, hvirvlede trådflanke (μm = 0,112), hvilket svarer til en reduktion i friktionskoefficienten på 14,6 %. En endnu mere markant reduktion kan ses i testserie 4 (yf = 3,61 μm), hvor den indførte overfladetekstur både reducerer indkøringsadfærden med ca. 44 % og permanent sænker friktionskoefficienten til et lavere niveau på μm = 0,085, hvilket svarer til en reduktion på 25,5 % sammenlignet med den valsede gevindspindel. En fuldstændig reduktion af indkøringsfasen var dog ikke mulig med dette gevind i det beskrevne tribologiske system.

4.2 Analyse af slid på klæbemiddel

Det slid, der opstår, når spindlen og møtrikken kommer i kontakt, er afgørende for trapezskruedrevets levetid. For at identificere de slidmekanismer, der opstår på styreskruen, blev overfladen på den belastede gevindflanke undersøgt efter 20.000 belastningscyklusser med en vægtkraft på FG = 91,3 kN og en regelmæssig tilførsel af smøremiddel (fig. 7). Efter testen viser testserierne et tydeligt forskelligt slidmønster, afhængigt af overfladestrukturen på den belastede gevindflanke. Testserie 1 og 2, som blev testet uden overfladestrukturer på den belastede gevindflanke, viser udprægede klæbeaflejringer på den belastede gevindflanke på gevindspindlen. Dette skyldes betydelig erosion eller klæbende slid på møtrikmaterialet. Efterhånden som strukturens højde øges fra testserie 3 til testserie 4, falder graden af klæbende slid mærkbart (fig. 7).

For at karakterisere den andel af den belastede gevindflanke, der er dækket af klæbeaflejringer, blev der udført en farveanalyse af mikroskopbilleder for at kvantificere de overvejende røde aflejringer forårsaget af kobberindholdet i materialet G-CuSn 7 ZnPb. Evalueringen af den arealrelaterede vedhæftningsprocent på den belastede gevindflanke viser, at den valsede trapezformede gevindspindel har den højeste vedhæftningsprocent på 36,3 % (fig. 8). Testserie 2 med de hvirvlede gevindflanker viser den største afvigelse i det dækkede område med 27,4 % og en standardafvigelse på 13,1 %. Efter den eksperimentelt efterlignede levetid er overfladen på denne testserie dækket af op til 45,4 % vedhæftningsrester i nogle områder. Slidmønsteret for testserie 4 viser, at en strukturhøjde på yf = 3,61 μm reducerede andelen af klæbende slid og begrænsede det til områderne med ruhedstoppe (fig. 8a). Med 27,4 % og en standardafvigelse på 13,1 % viser testserie 2 med de hvirvlede gevindflanker den største afvigelse i det dækkede overfladeareal. Efter den eksperimentelt simulerede levetid er overfladen på denne testserie dækket af op til 45,4 % klæberester i nogle områder. Slidmønsteret for testserie 4 viser, at en teksturhøjde på yf = 3,61 μm reducerer andelen af klæbemiddelslid og toppe i områderne med ruhedstoppe (fig. 8a).

På grund af den lave glidehastighed og det høje overfladetryk i tribologisk kontakt skelnes der mellem faststoffriktion og blandet friktion i det tribologiske system.

Klæbemiddelslid på gevindflanken faldt fra 36,3 % til 13,6 % i testserie 3 og yderligere til 10,1 % i testserie 4 for de hvirvlede flankeoverflader sammenlignet med den valsede gevindspindel. Der opstår ingen vedhæftning mellem de udprægede ruhedstoppe med en klart udtalt overfladetekstur. På grund af den klæbende belægnings egenskaber kan det antages, at der sker et skift fra grænsefriktionsregimet til det blandede friktionsregime. Ifølge Wang et al. kan det lavere antal ruhedstoppe, eller i dette tilfælde kun toppene i overfladestrukturen, føre til en reduktion i friktionskoefficienten [4]. I disse områder forbliver den oprindelige overflade, der er skabt af hvirvelprocessen, intakt.

Den successive placering af mikrostrukturerne kan også fremme dannelsen af en tynd smørefilm, som beskrevet i [10]. På grund af den reducerede faste friktion over hele kontaktfladen kræves der et lavere friktionsmoment til bevægelse af gevindspindlen. Smøremidlet kan oplagres i områderne med den udprægede overfladestruktur, hvilket øger smørefilmens tykkelse og skaber væskefriktion, der forhindrer direkte kontakt mellem overfladerne. Direkte kontakt mellem triboelementernes ruhedstoppe er en mulig årsag til klæbende slid [19].

Som følge af de mere udtalte overfladestrukturer (fig. 9b) falder andelen af faststoffriktion i modsætning til den ustrukturerede overfladetopografi (fig. 9a). En mere udtalt overfladestruktur på gevindflanken kan absorbere en større mængde smøremiddel.

Når tribologiske elementer lavet af forskellige metaller kommer i kontakt, overføres materiale fra det mindre sammenhængende friktionslegeme, i dette tilfælde møtrikken, til det mere sammenhængende basislegeme, i dette tilfælde gevindspindlen [3]. Det ekstra smøremiddel i friktionskontakten fører til et lavere antal toppe i kontaktens ruhed. Dannelsen af klæbeaflejringer på den belastede gevindflanke er vist skematisk i fig. 9c. Den gradvise belastning af kontaktfladen på gevindmøtrikken fører til aflejring af partikler, der er aflejret på kontaktruhedstoppene på den belastede gevindflanke. Disse danner i stigende grad et lag på kontaktfladerne på den belastede gevindflanke (fig. 10) og forhindrer direkte kontakt mellem skrue- og møtrikmaterialet. Denne proces fortsætter, indtil en stationær tilstand er nået, og der ikke overføres mere materiale fra møtrikkens overfladegrænselag til den belastede gevindflanke. Denne proces påvirker indkøringsadfærden og skifter til en stationær tilstand, når de kontaktende ruhedstoppe er dækket af klæbeaflejringer. Dette påvirker friktionskoefficienten. Figur 10 viser, at aflejringerne er omkring 2 μm høje, og at der ikke er noget slibende slid på den indledende overflade af den belastede gevindflanke.

5 Konklusion og fremtidsudsigter

Som en del af denne undersøgelse blev tre forskellige overfladetopografier justeret ved hjælp af hvirvelmetoden og undersøgt for deres tribologiske egenskaber på trapezformede gevindspindler. Ud over at måle friktionskoefficienten blev slidmønsteret på de belastede gevindflanker på gevindspindlen analyseret, og de klæbende aflejringer blev kvantificeret.

Sammenlignet med valsede gevindspindler har det vist sig, at overfladestrukturer på den belastede gevindflanke på en gevindspindel, der bruges i tunge løftesystemer, giver en betydelig merværdi. Hvirvelprocessen gør det muligt at fremstille en større variation af overfladestrukturer, hvilket resulterer i en reduktion af friktionskoefficienten på 25,5 %. Denne reduktion i friktionskoefficienten fører til en proportional reduktion i det samlede systems energiforbrug, når løftesystemets specifikke leje tages i betragtning, da effektiviteten er væsentligt påvirket af friktionskontakten mellem spindlen og møtrikken. Desuden kunne det vises, at den oprindelige overflade på en gevindspindel, der er struktureret af hvirvelprocessen, stadig er stort set intakt, selv efter en eksperimentelt simuleret levetid på 10 år. Dette indikerer, at andelen af faststoffriktion, hvor spindelens og møtrikkens ruhedstoppe er i direkte kontakt, kan reduceres. Med de præsenterede overfladestrukturer blev det klæbende slid på gevindflanken reduceret til 10,1 % i testserie 4 sammenlignet med 36,3 % med en valset gevindspindel.

Selvom hele den 10-årige levetid for en gevindspindel blev efterlignet i testen, er levetiden for gevindmøtrikken ikke vist. Mens kun en del af spindlen er udsat for tribologisk kontakt, er møtrikkens indvendige gevind udsat for en kontinuerlig belastning, hvilket fører til en betydeligt længere eksponering for tribologiske interaktioner. Fremtidige undersøgelser kunne fokusere mere på dette aspekt af friktionssystemet, især i betragtning af udfordringen med at måle sliddet på møtrikken. En anden positiv effekt af en gevindspindel med en udpræget overfladestruktur kunne være reduktionen af slid på modfriktionslegemet, i dette tilfælde møtrikken.

Referencer

1. Langsdorff W (1969) Gewindefertigung und Herstellung von Schnecken, 6th edn. Springer, Berlin, Heidelberg
2. Gereke-Bornemann H, von Soden M (2010) Wie man den Stickslip-Effekt bei Gewindespindeln vermeidet
3. Stribeck R (1902) Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager
4. Wang X, Kato K, Adachi K et al (2003) Loads carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water. Tribol Int 36(3):189–197. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00145-7
5. Touche T, Cayer-Barrioz J, Mazuyer D (2016) Friction of textured surfaces in EHL and mixed lubrication: effect of the groove topography. Tribol Lett 63:25. https://doi.org/10.1007/s11249-016-0713-8
6. Flores G, Abeln T, Klink U (2007) Functionally adapted final machining for cylinder bores made of cast iron. MTZ Worldw 68:6–9. https://doi.org/10.1007/BF03226811
7. Buckley DH (1981) Surface effects in adhesion, friction, wear and lubrication. Elsevier, Amsterdam
8. Etsion I (2004) Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing. Tribol Lett 17:733–737. https://doi.org/10.1007/s11249-004-8081-1
9. Hamilton DB, Walowit JA, Allen CM (1966) A theory of lubrication by microirregularities. ASME J Basic Eng 88(1):177–185. https://doi.org/10.1115/1.3645799
10. Brizmer V, Kligerman Y, Etsion I (2003) A laser surface textured parallel thrust bearing. Tribol Transact 46(3):397–403. https://doi.org/10.1080/10402000308982643
11. Kovalchenko A, Ajayi O, Erdemir A, Fenske G, Etsion I (2005) The effect of laser surface texturing on transitions in lubrication regimes during unidirectional sliding contact. Tribol Int 38(3):219–225. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2004.08.004
12. Denkena B, Köhler J, Kästner J, Göttsching T, Dinkelacker F, Ulmer H (2013) Efficient machining of microdimples for friction reduction. ASME J Micro Nano Manuf 1(1):11003. https://doi.org/10.1115/1.4023757
13. Stender W (1954) Schälen von Gewindespindeln: Die zeitgemäße Lösung eines alten Problems. Werkstatttechnik Maschinenbau 44:531–538
14. Matsumura T, Serizawa M, Ogawa T, SasakiM(2015) Surface dimple machining in whirling. JManuf Syst 37(2):487–493. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2014.07.008
15. Denkena B, Bergmann B, Keitel M, Wege C, Poll G, Kelley J, Pape F (2023) Process strategies for milling of dimples on tapered roller bearings. Prod Eng Res Devel 17:893–905. https://doi.org/10.1007/s11740-023-01208-416.
16. Steinert P (2017) Fertigung und Bewertung deterministischer Oberflächenmikrostrukturen zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens von Stahl-Bronze-Gleitpaarungen. Technischen Universität Chemnitz
17. Greenwood JA, Tripp JH (1967) The elastic contact of rough spheres. ASME J Appl Mech 89:153
18. Haessig DA, Friedland B (1990) On the modeling and simulation of friction. American Control Conference, San Diego
19. Aurégan G, Fridrici V, Kapsa P, Rodrigues F (2015) Experimental simulation of rolling—sliding contact for application to planetary roller screw mechanism. Wear 332–333:1176–1184. https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.047
20. Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015) Prediction of the 3D surface topography after ball end milling and its influence on aerodynamics. Procedia CIRP 31:221–227. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.049
21. Böge G, Böge W (2021) Statik starrer Körper in der Ebene. In: Böge A, Böge W(eds) Handbuch Maschinenbau. Springer Vieweg, Wiesbaden
22. Blau PJ (2006) On the nature of running-in. Tribol Int 38(11):1007–1012. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.07.020

Anerkendelse

Forfatterne vil gerne takke Forbundsministeriet for Økonomi og Klimabeskyttelse (BMWK) for finansiering og projektpartneren Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG for det konstruktive og tætte samarbejde.

Forfremmelse

Undersøgelserne blev finansieret af forbundsministeriet for økonomi og klimabeskyttelse (BMWK) som en del af det centrale innovationsfremmeprogram.

Forfatternes bidrag

B. Denkena gennemgik og redigerede manuskriptet sammen med B. Bergmann. C. Wege udviklede konceptet for dette arbejde, udførte eksperimenterne, analyserede dataene og skrev manuskriptet. M. von Soden og H. Gereke-Bornemann producerede værktøjerne og sørgede for den eksperimentelle opsætning.

Forfremmelse

Open access-finansieringen blev muliggjort og organiseret af Project DEAL.

Interessekonflikt

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden og H. Gereke-Bornemann erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikter.

Open Access

Denne artikel er licenseret under Creative Commons Attribution 4.0 International-licensen, som tillader brug, deling, tilpasning, distribution og reproduktion i ethvert medie eller format, forudsat at de oprindelige forfattere og kilder krediteres på passende vis, at der gives et link til Creative Commons-licensen, og at eventuelle ændringer anerkendes. Billeder eller andet materiale fra tredjeparter, der er inkluderet i denne artikel, er omfattet af artiklens Creative Commons-licens, medmindre andet er angivet i en kreditering af materialet. Hvis materialer ikke er inkluderet i artiklens Creative Commons-licens, og din planlagte brug ikke er tilladt ved lov eller overskrider den tilladte brug, skal du indhente tilladelse direkte fra rettighedshaveren. For at se en kopi af denne licens, besøg venligst http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Note fra udgiveren

Springer Nature forholder sig neutralt i forhold til juridiske tvister om geografiske betegnelser på publicerede kort og institutionelle tilhørsforhold.

• Springer Nature, 24.05.2024