Det kommer an på overfladen

Gevindspindler er et konstruktionselement, som er meget udbredt i maskinkonstruktion. Kraftigt belastede gevindspindler anvendes for eksempel i donkrafte og især også kraftige løfteanlæg. Her anvendes der primært gevindspindler, der blev fremstillet med hvirvlingsprocessen. Gevindspindler, som fremstilles med rullemetoden, har tit for glatte overflader, som fremmer stick-slip-effekten og påvirker hele systemets levetid negativt.

Gevindspindlernes overfladetopografi, der opstår på grund af hvirvlingsprocessen, kan virke som smøremiddelreservoir og dermed sænke friktionen ved spindel-møtrik-kontakten. På instituttet for produktionsteknik og værktøjsmaskiner (IFW) på Leibniz Universität Hannover forskes der i den målrettede indstilling af overfladetopografierne ved hvirvlede gevinddrev. Sammen med den mellemstore virksomhed Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG (www.bornemann.de) forskes der i funktionaliseringen af gevindflanken med gevindspindler med trapezgevind som eksempel for at optimere friktionsforholdet.

IFW og Bornemann forfølger i projektet TopGewinde målet at udvikle en innovativ hvirvlingsproces til at skabe friktionsminimerende mikrostrukturer på gevindspindlers flanker (billede 1). For at forudsige overflademikrostrukturen virtuelt opbygges der i forbindelse med projektet en simulationsmodel til hvirvlingen med IFWs egen software CutS (Cutting Simulation). Den kinematiske model på billede 1 blev opbygget analogt med hvirvlingsprocessen fra firmaet Bornemann.

Materialeandelskurve beskriver smøremiddelreservoir

Udformningen af disse bearbejdningsmærker skal indstilles tribologisk optimalt for trapezgevindets spindel-møtrik-kontakt. I overfladeprofilens dale kan der optages smøremiddel, der undgår en manglende smøring og dermed problemer, der er forbundet hermed, som f.eks. stick-slip-effekten (billede 2).

Der er brug for en parameter for at kvantificere andelen af smøremiddelreservoiret på gevindflanken. Materialeandelskurven kan anvendes til analysen af tribologisk belastede overflader. Den opdeler ruhedsprofilen i den reducerede spidshøjde Rpk, kernehøjden Rk og den reducerede dalhøjde Rvk. Kernehøjden Rk beskriver ruhedsprofilens område, som bibeholdes i gevindspindlens produktlivscyklus efter indkøringsfasen og sliddet på ruhedsspidserne (beskrevet med den reducerede spidshøjde Rpk) i den tribologiske kontakt. Den reducerede dalhøjde Rvk beskriver området i initialoverfladen, der står til rådighed til at lagre smøremiddel. Ækvivalent hertil er de fladerelaterede ruhedsparametre Spk, Sk og Svk. Disse overfladeparametre anvendes i det løbende projekt ved udviklingen af den nye hvirvlingsmetode. Derudover skal parametrene til analysen af overfladerne anvendes i en fremtidig serieproduktion med den nye hvirvlingsmetode hos firmaet Bornemann.

Eksperimentel topografioptimering

For at undersøge hvirvlingsbearbejdningens indflydelse på overfladetopografien blev procesparametrene først varieret ved produktionen af en trapezgevindspindel. I denne forsøgsrække blev der fokuseret på værktøjsomdrejningstallet nwz og emneomdrejningstallet nws (billede 3). Da både emnet og værktøjet roterer ved hvirvlingen, dannes omdrejningstalforholdet r mellem værktøjs- og emnerotationen og integreres også i analysen af overfladetopografier. De undersøgte trapezgevindspindler blev produceret med en hvirvlingsværktøjsmaskine, som firmaet Bornemann Gewindetechnik selv har konstrueret af C45-stål med synkronmetoden. Efterfølgende undersøgelser af topografierne, der blev skabt på gevindflankerne, blev gennemført på IFW med et konfokalt mikroskop fra producenten Confovis GmbH. Skabte topografier og de tilhørende Abbott-parametre er vist på billede 3. De øverste to målinger viser værktøjsomdrejningstallets indflydelse på overfladetopografien. De nederste topografimålinger viser de resulterende topografier ved forskellige emneomdrejningstal. Målet med undersøgelsen var at opnå en høj værdi for den reducerede dalhøjde Svk for at skabe et så stort volumen som muligt til smøremiddelreservoiret på overfladen. Den højeste Svk-værdi blev opnået i forsøg 1 med Svk = 0,442 µm. Denne gevindspindel har samtidig også det laveste omdrejningsforhold. Trenden for den faldende Svk-værdi ved et tiltagende omdrejningstalforhold kan konstateres over hele forsøgsrækken. Med reduktionen af omdrejningstalforholdet stiger afstanden mellem strukturerne, og den reducerede dalhøjde Svk tiltager.

Virtuel topografiprognose

Den eksperimentelt beregnede sammenhæng undersøges aktuelt simulativt på IFW. Dertil anvendes der en materialeslidsimulation for at undersøge dannelsen af topografien. Med softwaren CutS opbygges der en simulationsmodel for hvirvlingen af gevindspindler, og de resulterende overflader forudsiges (billede 4). Det anvendes på den ene side til at generere en bedre forståelse af dannelsen af en overflade og på den side at til reducere forsøgsarbejdet. På billede 4 er den målte topografi og resultatet af simulationen sammenlignet. I simulationen afbildes kinematikken i hvirvlingsprocessen fra firmaet Bornemann. Den maksimale ruhed på det hvirvlede trapezgevinds flanker befinder sig i et område på Rz = 3–7 µm. Der tages højde for andre procesindflydelser for at opbygge en pålidelig model til prognose af overfladetopografien til denne størrelsesorden. I simulationen, der er vist her (billede 1), blev der ud over de kinematiske indgrebsbetingelser også taget højde for vendeskærepladernes skåregenskaber. For at tage højde for skåregenskaberne blev der integreret en CAD-model for skærene med den overfladegenererende ruhedsprofil i materialeslidsimulationen. Hvirvlingsprocessens særlige egenskaber består i, at flere skærekanter på en vendeskæreplade skaber forskellige områder af trapezgevindprofilen. Skåregenskaberne blev målt for et sæt vendeskæreplader og integreret i modellen for at tage højde for indflydelsen af vendeskærepladernes mikrogeometri på den simulerede overflade:

En hvirvlet gevindspindels overfladestruktur kan grundlæggende rekonstrueres med materialeslidsimulationen. De dalstrukturer med en regelmæssig afstand, der er karakteristiske for hvirvlingen, kan ses tydeligt på overfladen, der er lavet i simulationen. Afvigelser mellem simuleret og målt overflade kan ses på dalenes udformning. Den procentuelle afvigelse mellem målingens og simulationens ruhedsparametre beløber sig aktuelt til ca. 25 %. Disse forskelle mellem de to overflader forårsages for eksempel af stokastiske overfladeeffekter og i værktøjsfortrængningerne, der virker i processen. For at øge simulationens præcision er det tiltænkt at tage højde for andre procespåvirkninger. Her fokuseres der aktuelt på værktøjsmaskinens svingningsforhold. Undersøgelsen af proceskræfterne, der virker på værktøjsskærene, er fortsat planlagt. Her forventes der en indflydelse på fortrængningen af hvirvlingsværktøjet på grund af den excentriske rotationsbevægelse og de variable spændingstværsnit ved hvirvlingen. Den viden, der blev vundet i processimulationen, anvendes i fremtiden til en værktøjsudvikling for målrettet at fremstille tribologisk optimerede gevindspindler på grund hvirvlingen.

Facit og udblik

I det videre projektforløb modificeres anvendte værktøjer og tilhørende procesparametre, så der kan indstilles en friktionsoptimeret overflade. Ved analysen af disse overfladers friktionsreducerende virkning gennemføres der først tribometerforsøg. På grundlag af disse forsøg vælges der forskellige værktøjskoncepter, der anvendes til fremstillingen af de tribologisk optimerede spindler. Et udvalg af spindler gennemgår til sidst en levetidsundersøgelse for at verificere den opnåede viden. For Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG er målet at definere en friktionsminimerende mikrostruktur, der især kan anvendes på området kraftige løfteanlæg for at forlænge løfteanlægs levetid betydeligt.

Yderligere informationer om optimering af strukturen på gevindoverflader findes også under www.bornemann-gewindetechnik.de/da og www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik.