A felszín az, ami számít
A menetes orsók a gépgyártásban széles körben használt tervezési elemek. A nagy terhelésű menetes orsókat például emelőemelőkben és különösen nagy teherbírású emelőrendszerekben használják. Itt elsősorban az örvénylési eljárással gyártott menetes orsókat használják. A hengerlési eljárással gyártott menetes csavarok felülete gyakran túlságosan sima, ami kedvez a ragadós-csúszós hatásnak, és negatív hatással van a teljes rendszer élettartamára.
A menetes orsók felületi topográfiája, amelyet a pörgetési folyamat hoz létre, kenőanyag-tartályként működhet, és így csökkentheti a súrlódást az orsó-anyák érintkezésében. A Leibniz Universität Hannover Gyártástechnikai és Szerszámgépipari Intézete (IFW) a pörgetett menetes csigák felületi topográfiájának célzott beállítását kutatja. A Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG-vel (www.bornemann.de) közösen a menetszárny funkcionalizálását kutatják a súrlódási viselkedés optimalizálása érdekében, trapéz alakú menetes orsók példáján.
A TopGewinde projektben az IFW és a Bornemann egy innovatív örvénylési eljárás kifejlesztését tűzte ki célul, amelynek segítségével súrlódáscsökkentő mikrostruktúrákat lehet létrehozni a menetes orsók peremén (1. ábra). A felületi mikroszerkezet virtuális előrejelzése érdekében a projekt részeként az IFW saját CutS (Cutting Simulation) szoftverének felhasználásával szimulációs modellt dolgoznak ki az örvényesítésre. Az 1. ábrán látható kinematikai modellt a Bornemann-féle örvénylési folyamat analógiájára fejlesztették ki.
Az anyagarány-görbe leírja a kenőanyag-tartályt
E megmunkálási nyomok kialakulását tribológiailag optimalizálni kell a trapézmetszetű menet orsó-anyák közötti érintkezéséhez. A kenőanyagot a felületi profil völgyeiben lehet felszívni, ami megakadályozza az elégtelen kenést és az ezzel járó problémákat, mint például a stick-slip hatás (2. ábra).
A menetes szárnyon lévő kenőanyag-tartályok arányának számszerűsítéséhez egy jellemző értékre van szükség. Az anyagtartalomgörbe felhasználható a tribológiailag terhelt felületek értékelésére. Ez az érdességi profilt a csökkentett csúcsmagasság Rpk, a magmagasság Rk és a csökkentett völgymagasság Rvk részekre osztja. Az Rk magmagasság az érdességi profilnak azt a területét írja le, amely a menetes orsó termékéletciklusában a befutási fázis és az érdességi csúcsok kopása után (amelyet az Rpk csökkentett csúcsmagasság ír le) tribológiai érintkezésben marad. Az Rvk csökkentett völgymagasság azt a területet írja le a kezdeti felületen, amely a kenőanyag tárolására rendelkezésre áll. A felülettel kapcsolatos érdességi paraméterek Spk, Sk és Svk ezzel egyenértékűek. Ezeket a felületi paramétereket használják a jelenlegi projektben az innovatív fluidágyas eljárás kifejlesztésére. A paramétereket a Bornemann-nál alkalmazott innovatív örvénykeverési eljárással történő jövőbeli sorozatgyártás során a felületek értékelésére is használják majd.
Kísérleti topográfiai optimalizálás
Az örvénylésnek a felületi topográfiára gyakorolt hatásának vizsgálatához először egy trapéz alakú menetes orsó gyártása során változtattuk a folyamatváltozókat. Ebben a vizsgálatsorozatban a szerszám nwz sebességére és a munkadarab nws sebességére helyeztük a hangsúlyt (3. ábra). Mivel az örvénylés során mind a munkadarab, mind a szerszám forog, a szerszám és a munkadarab forgása között kialakul az r sebességarány, amelyet a felületi topográfiák kiértékelésénél figyelembe veszünk. A vizsgált trapéz alakú menetes orsókat C45 acélból gyártották a Bornemann Gewindetechnik saját tervezésű örvénylő szerszámgépén, szinkronizált eljárással. A menetes szárnyakon keletkezett topográfiák utólagos elemzését az IFW-nél a Confovis GmbH gyártó cég kofokális mikroszkópjával végezték. A létrehozott topográfiákat és a megfelelő Abbott-paramétereket a 3. ábra mutatja. A felső két mérés a szerszámsebesség hatását mutatja a felületi topográfiára. Az alsó topográfiai mérések a különböző munkadarab-sebességeknél kapott topográfiákat mutatják. A vizsgálat célja az Svk csökkentett völgymagasság nagy értékének elérése volt, hogy a felületen a lehető legnagyobb térfogatú kenőanyag-tartályok jöjjenek létre. A legmagasabb Svk értéket az 1. vizsgálatban értük el Svk = 0,442 µm értékkel. Ez a menetes orsó rendelkezik a legalacsonyabb fordulatszám-aránnyal is. A teljes vizsgálatsorozatban megfigyelhető az a tendencia, hogy az Svk érték a fordulatszám-arány növekedésével csökken. A fordulatszám-arány csökkentésével a szerkezetek közötti távolság nő, és a csökkentett völgymagasság Svk növekszik.
Virtuális topográfiai előrejelzés
A kísérletileg meghatározott összefüggést jelenleg szimulációval elemzik az IFW-nél. Ehhez egy anyageltávolítási szimulációt használnak a topográfia kialakulásának vizsgálatára. A CutS szoftver segítségével felállítanak egy szimulációs modellt a menetes orsók pörgetésére és a keletkező felületek előrejelzésére (4. ábra). Ez egyrészt arra szolgál, hogy jobban megértsük a felület kialakulását a pörgetés során, másrészt pedig arra, hogy csökkentsük a szükséges vizsgálatok számát. A 4. ábra összehasonlítja a mért topográfiát és a szimuláció eredményét. A szimulációban a Bornemann-féle örvénylési folyamat kinematikáját modellezik. Az örvényelt trapézszálak oldalainak maximális érdessége Rz = 3-7 µm tartományban van. Annak érdekében, hogy megbízható modellt dolgozzunk ki a felületi topográfia előrejelzésére erre a nagyságrendre, további folyamatbefolyásokat veszünk figyelembe. Az itt bemutatott szimulációban (1. ábra) a kinematikai beékelési körülmények mellett a megmunkálható betétek forgácsolását is figyelembe vettük. A forgácsolás figyelembevételéhez a forgácsolás figyelembevételéhez a forgácsoló él CAD-modelljét a felületet létrehozó érdességi profillal vezették be az anyagleválasztási szimulációba. A pörgetési eljárás különlegessége, hogy a megmunkálható betét több vágóéle a trapéz alakú menetprofil különböző területeit hozza létre. Az élességet egy sor betét esetében megmértük, és bevezettük a modellbe, hogy figyelembe vegyük a betétek mikrogeometriájának hatását a szimulált felületre:
A pörgetett menetes orsó felületi szerkezete általában szimulálható anyageltávolítás-szimulációval. A szimuláció során létrehozott felületen jól felismerhetők a szabályos időközönként megjelenő völgyszerkezetek, amelyek a pörgetésre jellemzőek. A völgyek alakjában felismerhetők a szimulált és a mért felület közötti eltérések. A mérés és a szimuláció érdességértékei közötti százalékos eltérés jelenleg 25 % körül van. A két felület közötti eltéréseket például a sztochasztikus felületi hatások és a folyamat során bekövetkező szerszámeltolódás okozza. A szimuláció pontosságának növelése érdekében a tervek szerint további folyamatbefolyásolásokat is figyelembe vesznek. Itt jelenleg a szerszámgép rezgési viselkedésére összpontosítunk. Tervezik továbbá a szerszám vágóéleire ható folyamaterők vizsgálatát is. Az excentrikus forgómozgás és az örvénylés során változó forgácskeresztmetszetek várhatóan befolyásolják az örvénylő szerszám elmozdulását. A folyamatszimulációból nyert ismereteket a jövőben a szerszámfejlesztés során fogják felhasználni, hogy tribológiailag optimalizált, pörgetéses menetes orsókat állítsanak elő.
Következtetés és kilátások
A projekt további szakaszában az alkalmazott szerszámokat és a kapcsolódó folyamatparamétereket úgy módosítják, hogy a súrlódásra optimalizált felületet lehessen beállítani. Először tribométeres vizsgálatokat végeznek, hogy felmérjék e felületek súrlódáscsökkentő hatását. E tesztek alapján választják ki a különböző szerszámkoncepciókat, amelyeket a tribológiailag optimalizált orsók gyártásához használnak. Végül az eredmények ellenőrzése érdekében az orsók egy részét élettartam-vizsgálatnak vetik alá. A Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG célja egy olyan súrlódásminimalizáló mikroszerkezet meghatározása, amely különösen a nagy teherbírású emelőrendszerek területén alkalmazható az emelőrendszerek élettartamának jelentős meghosszabbítására.
A szálfelületek szerkezetének optimalizálásáról további információ a www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik oldalon is elérhető.