Resultados del torbellinado de roscas en comparación con el laminado de roscas
Los contactos tribológicos representan alrededor del 12% del consumo mundial de energía. Bornemann Gewindetechnik está investigando la optimización de roscas trapezoidales junto con el Instituto de Ingeniería de Producción y Máquinas-Herramienta de la Universidad Leibniz de Hannover.
Los contactos tribológicos representan alrededor del 12 % del consumo total de energía en el mundo. De este porcentaje, el 20 % se utiliza para superar la fricción y el 3 % para reparar componentes desgastados o sustituir equipos por averías relacionadas con el desgaste [1]. Un ejemplo de ello son los equipos de elevación de cargas pesadas para el mantenimiento de trenes o camiones. Bornemann Gewindetechnik está especializada en la fabricación de este tipo de componentes roscados complejos o sometidos a grandes esfuerzos. Junto con el Instituto de Ingeniería de Producción y Máquinas-Herramienta (IFW) de la Universidad Leibniz de Hannover, la empresa familiar ha investigado la optimización tribológica de roscas trapezoidales mediante el proceso de torbellinado de roscas. Este proceso es especialmente adecuado para componentes roscados largos. Utilizando las técnicas de producción más modernas, Bornemann Gewindetechnik fabrica perfiles roscados de hasta 12 metros de longitud.
Los husillos roscados giratorios tienen microestructuras superficiales relacionadas con el mecanizado que proporcionan un volumen de retención de lubricante. Esto reduce la fricción de los husillos roscados giratorios y aumenta su vida útil en comparación con los husillos laminados convencionales. Los investigadores están estudiando la relación exacta entre el proceso de mecanizado y el efecto reductor de la fricción en el marco del proyecto «TopGewinde».
Se está investigando la influencia de las microestructuras generadas por el torbellinado de roscas en el comportamiento tribológico de husillos de rosca trapezoidal sometidos a grandes cargas en sistemas de elevación de cargas pesadas. Para ello, se está analizando un proceso de torbellinado especialmente desarrollado para la microestructuración integrada en el proceso.
Este artículo ilustrará cómo puede ajustarse específicamente la topografía superficial mediante el proceso de torbellinado, lo que representa una ventaja significativa sobre el proceso de laminado de roscas. La figura 2 muestra las topografías superficiales del flanco de rosca de un husillo de rosca trapezoidal laminado en comparación con un flanco de rosca torbellinado.
Adaptando específicamente el proceso de torbellinado, se pudieron producir estructuras más pronunciadas en comparación con los husillos roscados laminados. Para caracterizar las estructuras superficiales se introdujeron los parámetros de estructura altura de estructura «yf» y separación de estructura «sf» (Fig. 1). Para la optimización tribológica, se utilizó el proceso de torbellinado para crear estructuras con una menor proporción de picos, que minimizan el contacto sólido directo entre las superficies de los socios de fricción. La mayor distancia entre los picos de la estructura permite almacenar el lubricante en los valles del perfil de rugosidad.
Caracterización de las propiedades tribológicas
Para investigar la influencia de la topografía superficial de los flancos de rosca en el comportamiento tribológico se utilizó el banco de pruebas representado en la figura 3. Los husillos de prueba con la rosca Tr 80 x 10 mm se hicieron oscilar a una frecuencia de f = 0,81 Hz a través de un ángulo de v = 15°. La rotación de un cambio de carga corresponde a una carrera de traslación de s = 0,42 mm de la rosca. Con esta configuración, el husillo roscado se cargó con una fuerza de peso de FG = 91,3 kN durante la elevación y el descenso. Esto corresponde a una presión superficial de p = 5,0 N/mm2, que se encuentra dentro del rango de carga máxima para husillos de rosca trapezoidal (TGT) en sistemas de elevación de cargas pesadas. Para esta aplicación se seleccionó el material de tuerca roscada de G-CuSn 7 ZnPb y el lubricante DGM HTF 940. La lubricación en la secuencia de prueba corresponde a un intervalo de mantenimiento de un mes. El intervalo de lubricación del conjunto husillo-tuerca es, por tanto, cada 167 ciclos. El banco de pruebas fue instalado por SincoTec. SincoTec es también el fabricante del sensor de fuerza Interface 125 kN y del sensor de par SincoTec 1.200 Nm.
Se analizó el estado de desgaste de las superficies de los flancos para caracterizar las propiedades de fricción de las distintas topografías y estructuras superficiales. Para ello, los participantes en el proyecto cortaron los husillos con una amoladora de corte. Con 20.000 ciclos de carga, se trazó experimentalmente la vida útil de diez años para los husillos roscados analizados. En el caso de los husillos roscados torneados, las variables manipuladas del proceso se seleccionaron de forma que se consiguieran gradaciones definidas entre las alturas de las microestructuras en los flancos de carga de las roscas. Los parámetros del proceso se basan en la experiencia de la empresa Bor-nemann. Además, se analizaron husillos roscados laminados mediante el proceso continuo.
Influencia de las estructuras superficiales en el coeficiente de fricción
Debido al movimiento oscilante a lo largo de una pequeña distancia angular, la elevación y el descenso pueden analizarse en un elevado número de ciclos de carga. De este modo, se puede cartografiar experimentalmente toda la vida útil de los husillos. La figura 4 muestra la evolución del coeficiente de fricción para el movimiento de elevación con el accionamiento de husillo trapezoidal. Aquí se comparan los coeficientes de fricción de un husillo laminado y de un husillo girado. El perfil de velocidad resultante en un cambio de carga consta de una fase de aceleración, una fase con velocidad constante y una fase de deceleración, en cada caso para la elevación y el descenso. El efecto stick-slip, que se produce a bajas velocidades, se ve especialmente favorecido en el punto de inversión de la dirección. Este efecto se manifiesta en una breve adherencia de las superficies, seguida de un deslizamiento repentino de las parejas de fricción. Este movimiento puede provocar vibraciones, que se reflejan en una mayor fluctuación del coeficiente de rozamiento [2]. El coeficiente medio de fricción aumenta bruscamente al comienzo de la prueba, alcanza un máximo después de unos 2.000 ciclos de carga y desciende a un nivel constante después de unos 8.000 ciclos de carga. Este comportamiento se denomina fase de rodaje y describe la evolución general del coeficiente de fricción a lo largo del ensayo, en función del sistema tribológico de que se trate [3].
El husillo de rosca trapezoidal girado con la estructura superficial introducida muestra una mejora significativa de las propiedades tribológicas. Esto conduce a un acortamiento del comportamiento de rodaje en aprox. un 44 %, así como a una reducción permanente del coeficiente de fricción a un nivel inferior de μm = 0,085. Esto corresponde a una reducción del 25,5 % en comparación con el husillo de rosca laminada. Una reducción completa de la fase de rodaje no fue posible con esta rosca en el sistema tribológico descrito.
Influencia de las estructuras superficiales en el desgaste
Para la vida útil del husillo de rosca trapezoidal, el desgaste generado en el contacto entre las dos superficies de fricción es de vital importancia. Para identificar los mecanismos de desgaste que ocurren en el husillo roscado, se analizó la superficie de la cara de apoyo durante los 20.000 ciclos de carga con un suministro regular de lubricante, y posteriormente se examinó el patrón de desgaste en la cara de apoyo (Fig. 5). El análisis posterior al ensayo muestra una diferencia claramente notable en el patrón de desgaste según las estructuras superficiales presentes en la cara de apoyo. Los husillos roscados laminados sin estructuras superficiales en la cara de apoyo presentan acumulaciones adhesivas pronunciadas en dicha superficie, causadas por un desgaste significativo o desgaste adhesivo del material de la tuerca. A medida que aumenta la altura de la estructura, el porcentaje de área afectada por el desgaste adhesivo disminuye significativamente (Fig. 5).
Debido a la baja velocidad de deslizamiento y la alta presión de contacto en el sistema tribológico, la fricción presente en el sistema tribológico se clasifica entre la fricción seca y la fricción mixta. Gracias a la estructura superficial pronunciada (Fig. 6, derecha), se puede reducir el número de microcontactos en comparación con la topografía superficial no estructurada (Fig. 6, izquierda). Esto resulta en una menor proporción de fricción seca debido a las estructuras superficiales. Una estructura superficial más pronunciada en la cara de la rosca puede contener una mayor cantidad de lubricante. Con estas estructuras superficiales, el desgaste adhesivo en la cara de la rosca se logró reducir al 10,1 %, en comparación con el 36,3 % en un husillo roscado laminado.
En el contacto entre superficies de fricción de metales diferentes, se produce una transferencia de material desde el cuerpo de fricción con menor cohesión (en este caso, la tuerca) hacia el cuerpo base con mayor cohesión (en este caso, el husillo roscado) [4]. Gracias al lubricante adicional en el contacto de fricción, se reduce la cantidad de picos de rugosidad que entran en contacto. A medida que aumenta la carga en la superficie de contacto de la tuerca, se desprenden partículas que se depositan en los picos de rugosidad de la cara de apoyo en contacto. Estas partículas forman gradualmente una capa en las áreas de contacto de la cara de apoyo, evitando el contacto directo entre los materiales del husillo y de la tuerca. Este proceso continúa hasta que se alcanza un estado estacionario en el que no se producen más depósitos en la cara de apoyo. Este fenómeno determina el comportamiento de rodaje, que pasa a un estado estacionario una vez que los picos de rugosidad en contacto están cubiertos por depósitos adhesivos. Este estado también afecta el coeficiente de fricción. La superficie inicial no experimenta desgaste abrasivo durante el movimiento de elevación.
Perspectivas y opciones de utilización
En la competencia con husillos roscados laminados, se ha demostrado que las estructuras superficiales en la cara de apoyo de un husillo roscado para equipos de elevación de cargas pesadas ofrecen un valor añadido significativo. Mediante el proceso de torneado por vórtice, se puede generar una mayor variedad de estructuras superficiales. Además, se demostró que la superficie del husillo roscado experimenta un desgaste mínimo, lo que permite que las estructuras superficiales en la cara de apoyo se mantengan en gran medida después de una vida útil simulada experimentalmente de 10 años. La Figura 7 muestra los tres principales beneficios de las caras de apoyo microestructuradas para el diseño y la construcción de husillos roscados trapezoidales.
Mediante el ajuste definido de las estructuras superficiales en la cara de la rosca, se puede lograr una reducción del coeficiente de fricción del 25,5 %. En el caso de una instalación de elevación de cargas pesadas, esta reducción del coeficiente de fricción, teniendo en cuenta la disposición de los rodamientos de la instalación, resulta en una disminución proporcional del consumo de energía, ya que el contacto de fricción entre el husillo y la tuerca es un factor clave para la eficiencia.
Otro aspecto es la reducción del desgaste en la tuerca roscada. En estos estudios, el desgaste de la tuerca roscada solo se pudo investigar de manera indirecta a través de los depósitos adhesivos en la cara de apoyo. Debido a la reducción de los depósitos adhesivos a aproximadamente el 10 % de la cara de apoyo, se puede suponer que hubo menos microcontactos entre los cuerpos de fricción y, por lo tanto, menos desgaste en la tuerca roscada. A partir de la reducción de la adhesión en la cara de apoyo, se puede concluir que el desgaste total de la tuerca roscada también se ha reducido. Esto permite reducir los costos de mantenimiento y aumentar la vida útil de todo el sistema de rosca trapezoidal.
El tercer y decisivo beneficio de las caras de apoyo microestructuradas de un sistema de rosca se da en el diseño del motor de transmisión. Debido a la reducción del coeficiente de fricción en un 25 %, se puede partir de un par de fricción menor en el diseño.
Esto permite la elección de un motor de menor tamaño, lo que reduce el consumo de energía del sistema completo y disminuye significativamente los costos de inversión de toda la instalación de elevación. Sin embargo, para este aspecto, es necesario reducir el comportamiento de rodaje y garantizar un coeficiente de fricción constante durante toda la vida útil.
A través de más investigaciones, se podrá realizar una optimización de la estructura superficial en función de la geometría de la rosca. El proceso para generar estas estructuras superficiales específicamente ajustadas está siendo patentado actualmente por los socios del proyecto.
Esto permitirá abordar de manera aún más específica el sistema tribológico individual. Otro aspecto para futuras investigaciones y desarrollos es la modificación de la topografía superficial de la tuerca roscada, con el fin de compensar de manera controlada el comportamiento de rodaje. Mediante un coeficiente de fricción constantemente reducido, sería posible reducir aún más el tamaño del motor de transmisión en el diseño. Estos puntos serán abordados en el futuro en un proyecto de investigación conjunto entre Bornemann Gewindetechnik y el IFW.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la ZIM por el financiamiento del proyecto «TopGewinde – Topografías superficiales tribológicamente optimizadas para la mejora de la vida útil de los sistemas de rosca mediante el proceso de torneado por vórtice».
Asimismo, agradecen a Hans Bornemann y Moritz von Soden, del fabricante Bornemann Gewindetechnik, por la excelente colaboración en el proyecto de investigación.
Literatura
- 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
Contacto
Christian Wege, M. Eng.
Institute of Production Engineering and Machine Tools, Leibniz University Hannover
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