Le tourbillonnage marque des points par rapport au roulage de filets
Les contacts tribologiques représentent environ 12 % de la consommation mondiale d’énergie. Bornemann Gewindetechnik étudie l’optimisation des filets trapézoïdaux en collaboration avec l’Institut d’ingénierie de la production et des machines-outils de l’Université Leibniz de Hanovre.
Les contacts tribologiques représentent environ 12 % de la consommation totale d’énergie dans le monde. Sur ce total, 20 % sont utilisés pour surmonter les frottements et 3 % pour réparer les pièces usées ou les équipements de remplacement en cas de panne due à l’usure [1]. Les installations de levage de charges lourdes pour l’entretien des trains ou des camions en sont un exemple. Bornemann Gewindetechnik s’est spécialisé dans la fabrication de ce type de pièces filetées complexes ou fortement sollicitées. En collaboration avec l’Institut pour la technique de fabrication et les machines-outils (IFW) de l’Université Leibniz de Hanovre, l’entreprise familiale a étudié l’optimisation tribologique des filets trapézoïdaux par le procédé de tourbillonnage. Ce procédé est particulièrement adapté aux pièces à filetage long. Grâce aux techniques de fabrication les plus modernes, Bornemann Gewindetechnik fabrique des profils de vis pouvant atteindre 12 mètres de long.
Les broches filetées tourbillonnées présentent des microstructures de surface dues à l’usinage, qui constituent un volume de rétention de lubrifiant. Cela permet de réduire le frottement des broches filetées tourbillonnées et d’augmenter leur durée de vie par rapport aux broches roulées conventionnelles. Les chercheurs du projet «TopGewinde» étudient la relation exacte entre le processus d’usinage et l’effet de réduction du frottement.
L’étude porte sur l’influence des microstructures générées par le tourbillonnage sur le comportement tribologique des vis à filet trapézoïdal fortement sollicitées dans les installations de levage de charges lourdes. Pour cela, un processus de tourbillonnage spécialement développé pour la microstructure intégrée dans le processus est étudié.
Cet article va illustrer comment la topographie de la surface peut être ajustée de manière ciblée par le processus de tourbillonnage, ce qui représente un avantage important par rapport au processus de roulage des filets. La figure 2 montre les topographies de surface du flanc de filet d’une vis trapézoïdale laminée par rapport à un flanc de filet tourbillonné.
Grâce à une adaptation ciblée du processus de tourbillonnement, il a été possible de produire des structures plus prononcées par rapport aux broches filetées roulées. Pour caractériser les structures de surface, on a introduit les paramètres de structure hauteur de structure «yf» et distance de structure «sf» (figure 1). Pour l’optimisation tribologique, le tourbillonnage a permis de créer des structures avec un pourcentage de pics plus faible, ce qui minimise le contact direct entre les solides et les surfaces des partenaires de friction. L’espacement plus important des pointes de la structure permet de stocker le lubrifiant dans les vallées du profil de rugosité.
Caractérisation des propriétés tribologiques
Pour étudier l’influence de la topographie de surface des flancs du filet sur le comportement tribologique, on utilise le banc d’essai illustré à la figure 3. Des broches d’essai avec un filetage Tr 80 x 10 mm ont été mises en oscillation à une fréquence de f = 0,81 Hz sur un angle de v = 15°. La rotation d’un changement de charge correspond à une course de translation de s = 0,42 mm du filetage. Grâce à cette structure, la tige filetée a été soumise à une force de poids de FG = 91,3 kN lors du levage et de l’abaissement. Cela correspond à une pression de surface de p = 5,0 N/mm2, ce qui se situe dans la plage de charge maximale pour les vis à filet trapézoïdal (TGT) dans les installations de levage pour charges lourdes. Le matériau de l’écrou fileté en G-CuSn 7 ZnPb et le lubrifiant DGM HTF 940 ont été choisis pour cette application. La lubrification au cours de l’essai correspond à un intervalle de maintenance d’un mois. L’intervalle de lubrification de l’ensemble vis-écrou s’effectue donc tous les 167 cycles. Le banc d’essai a été construit par la société SincoTec. SincoTec est en même temps le fabricant du capteur de force Interface 125 kN et du capteur de couple SincoTec 1.200 Nm.
Pour caractériser les propriétés de frottement des différentes topographies de surface et des structures de surface, l’état d’usure des surfaces des flancs a été analysé. Pour ce faire, les participants au projet ont ensuite séparé les broches à l’aide d’une tronçonneuse. Avec 20.000 cycles de charge, la durée d’utilisation de dix ans a été représentée expérimentalement pour les broches filetées examinées. Pour les broches filetées tourbillonnaires, les grandeurs de réglage du processus ont été choisies de manière à obtenir des gradations définies entre les hauteurs des microstructures sur les flancs porteurs des filets. Les grandeurs de réglage du processus se basent sur l’expérience de la société Bornemann. En outre, des broches filetées laminées ont été analysées avec le procédé de laminage en continu.
Influence des structures de surface sur le coefficient de frottement
Grâce au mouvement oscillant sur une faible distance angulaire, il est possible d’étudier les montées et les descentes avec un nombre élevé de changements de charge. De cette manière, il est possible de reproduire expérimentalement la durée de vie totale des broches filetées. La figure 4 représente l’évolution du coefficient de frottement pour le mouvement de levage avec la vis trapézoïdale. On compare ici l’évolution des coefficients de frottement d’une broche filetée laminée et d’une broche filetée tourbillonnée. Le profil de vitesse résultant au cours d’un changement de charge se compose d’une phase d’accélération, d’une phase à vitesse constante et d’une phase de décélération – respectivement pour le levage et l’abaissement. C’est surtout au point d’inversion de la direction que l’on favorise l’apparition de l’effet stick-slip, qui se manifeste à faible vitesse. Cet effet se traduit par une adhérence momentanée des surfaces, suivie d’un glissement soudain des partenaires de friction. Ce mouvement peut entraîner des vibrations qui se traduisent par une variation plus importante du coefficient de frottement [2]. Le coefficient de frottement moyen augmente fortement au début de l’essai, atteint un maximum après environ 2.000 cycles de charge, puis redescend à un niveau constant après environ 8.000 cycles de charge. Ce comportement est appelé phase de rodage et décrit la variation générale du coefficient de frottement au cours de l’essai, en fonction du système tribologique concerné [3].
La vis à filet trapézoïdal tourbillonnée avec la structure de surface introduite présente une nette amélioration des propriétés tribologiques. Celle-ci entraîne à la fois une réduction de la phase de rodage d’environ 44 % et une réduction durable du coefficient de frottement à un niveau plus bas de μm = 0,085, ce qui correspond à une réduction de 25,5 % par rapport à la broche filetée laminée. Une réduction complète de la phase de rodage n’était pas possible pour ce filet dans le système tribologique décrit.
Influence des structures de surface sur l’usure
L’usure qui se produit lors du contact entre les deux partenaires de friction est d’une importance décisive pour la durée de vie de la vis à filet trapézoïdal. Afin d’identifier les mécanismes d’usure qui se produisent sur la broche filetée, la surface du flanc porteur a été examinée sur les 20.000 cycles de charge avec un apport régulier de lubrifiant, puis l’image d’usure du flanc porteur a été analysée (figure 5). Après l’essai, l’analyse montre une image d’usure nettement différente en fonction des structures de surface sur le flanc porteur. Les vis roulées sans structures de surface sur le flanc porteur présentent des dépôts adhésifs prononcés sur le flanc porteur de la vis, causés par une usure nette ou une usure par adhérence du matériau de l’écrou. Avec l’augmentation de la hauteur de la structure, la part de surface de l’usure adhésive diminue également de manière significative (figure 5).
En raison de la faible vitesse de glissement et de la pression de surface élevée dans le contact tribologique, le frottement présent dans le système tribologique est classé entre le frottement à l’état solide et le frottement mixte. La structure de surface prononcée (image 6, à droite) permet de réduire le nombre de microcontacts par rapport à la topographie de surface non structurée (image 6, à gauche). Il en résulte, en raison des structures de surface, une part plus faible de frottement solide. Une structure de surface plus prononcée sur le flanc du filet est en mesure d’absorber une plus grande quantité de lubrifiant. Les structures de surface ont permis de réduire l’usure par adhérence sur le flanc du filet à 10,1 %, contre 36,3 % pour une broche filetée laminée.
Lors du contact de partenaires de friction en métaux différents, il se produit un transfert de matière du corps de friction à cohésion plus faible (ici l’écrou) vers le corps de base à cohésion plus forte (ici la tige filetée) [4]. Le lubrifiant supplémentaire dans le contact de friction entraîne une diminution du nombre de pics de rugosité en contact. La sollicitation progressive de la surface de contact de l’écrou fileté entraîne le détachement de particules qui se déposent sur les pointes de rugosité en contact du flanc porteur. Celles-ci forment progressivement une couche sur les zones de contact du flanc porteur et empêchent un contact direct entre le matériau de la vis et de l’écrou. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que l’on arrive à un état statique et qu’aucun autre dépôt ne se dépose sur le flanc porteur. Ce processus détermine le comportement de rodage qui, une fois que les pointes de rugosité en contact sont recouvertes de dépôts d’adhérence, passe à un état statique. Cet état influence également le coefficient de frottement. La surface initiale ne subit pas d’usure abrasive lors du mouvement de levage.
Perspectives et possibilités d’utilisation
En concurrence avec les broches filetées laminées, il a été démontré que les structures de surface sur le flanc porteur d’une broche filetée pour les installations de levage de charges lourdes offrent une valeur ajoutée considérable. Le processus de tourbillonnement permet de créer une plus grande variété de structures de surface. En outre, il a été démontré que la surface de la broche filetée subit une très faible usure, ce qui permet de conserver en grande partie les structures de surface sur le flanc porteur après une durée d’utilisation de 10 ans simulée expérimentalement. La figure 7 montre les trois principaux potentiels des flancs porteurs microstructurés pour la conception et la construction de vis à filet trapézoïdal.
Le réglage défini des structures de surface sur le flanc du filetage permet d’obtenir une réduction du coefficient de frottement de 25,5 %. Pour l’exemple d’une installation de levage pour charges lourdes, cette réduction du coefficient de frottement, compte tenu du palier respectif de l’installation de levage, résulte en une diminution proportionnelle de la consommation d’énergie, car le contact par frottement entre la vis et l’écrou est déterminant pour le rendement.
Un autre aspect est la réduction de l’usure de l’écrou fileté. Dans ces études, l’usure de l’écrou fileté n’a pu être étudiée qu’indirectement à l’aide des dépôts adhésifs sur le flanc porteur. En raison de la réduction du dépôt adhésif à environ 10 % du flanc porteur, on peut supposer qu’il y a eu moins de micro-contacts entre les partenaires de friction et donc moins d’usure sur l’écrou fileté. La réduction de l’adhérence sur le flanc porteur permet de conclure que l’usure globale de l’écrou fileté diminue également. Cela permet de réduire les coûts de maintenance et d’augmenter la durée de vie de l’ensemble du filetage trapézoïdal.
Le troisième avantage, décisif, des flancs porteurs microstructurés d’une vis à billes apparaît lors de la conception du moteur d’entraînement. Grâce à la réduction du coefficient de frottement de 25 %, il est possible de partir d’un couple de frottement plus faible lors de la conception.
Cela permet de choisir un moteur d’un ordre de grandeur plus petit, ce qui réduit la consommation électrique de l’ensemble du système et diminue considérablement les coûts d’investissement pour l’ensemble de la station de relevage. Toutefois, pour cet aspect, il faut réduire le rodage et garantir un coefficient de frottement constant pendant toute la durée de vie du système.
Des recherches supplémentaires permettront d’optimiser la structure de surface en fonction de la géométrie du filetage. Le processus de création de ces structures de surface ciblées est actuellement breveté par les partenaires du projet.
Cela permet de répondre de manière encore plus ciblée au système tribologique individuel. Un autre aspect pour la recherche et le développement futurs est la modification de la topographie de la surface de l’écrou fileté afin de compenser de manière ciblée le comportement de rodage. Grâce à un coefficient de frottement constamment réduit, il serait possible de réduire encore la taille lors de la conception du moteur d’entraînement. Ces points seront abordés à l’avenir dans le cadre d’un projet de recherche planifié en commun avec Bornemann Gewindetechnik et l’IFW.
Remerciements
Les auteurs remercient la ZIM d’avoir soutenu le projet « TopGewinde – Topographies de surface optimisées sur le plan tribologique pour augmenter la durée de vie des vis à billes grâce au procédé de tourbillonnage ».
Ils remercient également Hans Bornemann et Moritz von Soden du fabricant Bornemann Gewindetechnik pour leur bonne collaboration dans le cadre du projet de recherche.
Littérature
- 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.
Contact
Christian Wege, M. Eng.
Institut de technique de fabrication et de machines-outils de l’université Leibniz de Hanovre
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de