A menetörvénylés pontokat szerez a menethengerléshez képest
A tribológiai kapcsolatok a globális energiafogyasztás mintegy 12%-át teszik ki. A Bornemann Gewindetechnik a trapézmenetek optimalizálását kutatja a Hannoveri Leibniz Egyetem Gyártástechnikai és Szerszámgépészeti Intézetével közösen.
A tribológiai érintkezések a világ teljes energiafogyasztásának mintegy 12 %-át teszik ki. Ennek 20 %-át a súrlódás leküzdésére, 3 %-át pedig kopott alkatrészek javítására vagy a kopással összefüggő meghibásodások miatt cserélendő berendezésekre használják [1]. Egy példa erre a vonatok vagy teherautók karbantartására szolgáló nehéz emelőberendezések. A Bornemann Gewindetechnik az ilyen összetett vagy nagy igénybevételnek kitett menetes alkatrészek gyártására specializálódott. A családi vállalkozás a hannoveri Leibniz Egyetem Gyártástechnikai és Szerszámgépipari Intézetével (IFW) közösen a trapéz alakú menetek tribológiai optimalizálását kutatta a menetkavaró eljárás segítségével. Ez az eljárás különösen alkalmas hosszú menetes alkatrészekhez. A Bornemann Gewindetechnik a legmodernebb gyártási technikák alkalmazásával akár 12 méter hosszú csavarprofilokat is gyárt.
Az örvényes menetes orsók megmunkálással kapcsolatos felületi mikrostruktúrákkal rendelkeznek, amelyek kenőanyag-visszatartó térfogatot biztosítanak. Ez csökkenti az örvényes menetes orsók súrlódását és növeli az élettartamot a hagyományos hengerelt orsókhoz képest. A kutatók a „TopThread” projekt keretében vizsgálják a megmunkálási folyamat és a súrlódáscsökkentő hatás közötti pontos összefüggést.
The influence of the microstructures generated by thread whirling on the tribological behavior of highly loaded trapezoidal threaded spindles in heavy-duty lifting systems is being investigated. For this purpose, a whirling process specially developed for process-integrated microstructuring is being examined.
Ez a cikk bemutatja, hogy a felületi topográfia hogyan állítható be célzottan a pörgetési eljárás segítségével, ami jelentős előnyt jelent a menethengerlési eljárással szemben. A 2. ábra egy hengerelt trapéz alakú menetes orsó menetszárának felületi topográfiáját mutatja egy örvényezett menetszárral összehasonlítva.
Az örvénylési eljárás speciálisan adaptálásával a hengerelt menetes orsókhoz képest kifejezettebb struktúrákat lehetett létrehozni. A felületi struktúrák jellemzésére az „yf” struktúramagasság és az „sf” struktúratávolság paramétereket vezették be (1. ábra). A tribológiai optimalizáláshoz az örvénylési eljárást arra használták, hogy kisebb arányú csúcsokkal rendelkező struktúrákat hozzanak létre, amelyek minimalizálják a súrlódási partnerek felületei közötti közvetlen szilárd érintkezést. A struktúracsúcsok közötti nagyobb távolság lehetővé teszi a kenőanyag tárolását az érdességi profil völgyeiben.
A tribológiai tulajdonságok jellemzése
A 3. ábrán látható próbapadot a menetszélek felületi topográfiájának a tribológiai viselkedésre gyakorolt hatásának vizsgálatára használják. A Tr 80 x 10 mm-es menettel rendelkező vizsgálati orsókat f = 0,81 Hz frekvenciával, v = 15°-os szögben rezgették. A terhelésváltozás forgása a menet s = 0,42 mm-es transzlációs lökésének felel meg. Ezzel a beállítással a menetes orsót FG = 91,3 kN súlyerővel terhelték a felemelés és a leengedés során. Ez p = 5,0 N/mm2 felületi nyomásnak felel meg, ami a nagy teherbírású emelőrendszerekben a trapézcsavaros hajtások (TGT) maximális terhelési tartományán belül van. Ehhez az alkalmazáshoz a G-CuSn 7 ZnPb menetes anya anyagát és a DGM HTF 940 kenőanyagot választották. A vizsgálati sorozatban a kenés egy hónapos karbantartási időköznek felel meg. Az orsó-anya szerelvény kenési intervalluma tehát 167 ciklusonként történik. A próbapadot a SincoTec állította össze. A SincoTec gyártja az Interface 125 kN erőérzékelőt és a SincoTec 1 200 Nm nyomatékérzékelőt is.
A különböző felületi topográfiák és felületi struktúrák súrlódási tulajdonságainak jellemzése érdekében elemeztük az oldalfelületek kopási állapotát. E célból a projekt résztvevői ezután a tengelyeket vágócsiszolóval vágták le. Az elemzett menetes orsók tízéves élettartamát 20 000 terhelési ciklussal kísérletileg feltérképezték. Az örvényezett menetes orsók esetében a folyamat manipulált változóit úgy választották ki, hogy a menetek teherviselő oldalain a mikroszerkezetek magassága között meghatározott gradációkat érjenek el. A folyamatparaméterek Bornemann tapasztalatain alapulnak. Továbbá hengerelt menetes orsókat elemeztek, amelyeket folyamatos eljárással hengereltek.
A felületi struktúrák hatása a súrlódási együtthatóra
A kis szögtávolságú oszcilláló mozgás miatt az emelés és a süllyesztés nagyszámú terhelési ciklusban elemezhető. Így a menetes orsók teljes élettartama kísérletileg feltérképezhető. A 4. ábra a súrlódási együttható alakulását mutatja a trapézcsavaros meghajtással végzett emelőmozgásnál. Itt egy hengerelt és egy pörgetett vezetőcsavar súrlódási együtthatóit hasonlítjuk össze. Az így kapott sebességprofil egy terhelésváltáson belül egy gyorsulási fázisból, egy állandó sebességű fázisból és egy lassulási fázisból áll – minden esetben az emelés és a süllyesztés esetében. A kis sebességeknél fellépő stick-slip hatás különösen az irányváltás helyén érvényesül. Ez a hatás a felületek rövid ideig tartó tapadásában, majd a súrlódási partnerek hirtelen csúszásában nyilvánul meg. Ez a mozgás rezgésekhez vezethet, ami a súrlódási együttható nagyobb ingadozásában nyilvánul meg [2]. Az átlagos súrlódási együttható a vizsgálat kezdetén meredeken emelkedik, körülbelül 2000 terhelési ciklus után éri el a maximumot, majd körülbelül 8000 terhelési ciklus után állandó szintre csökken. Ezt a viselkedést nevezik befutási fázisnak, és a súrlódási együttható általános változását írja le a vizsgálat során, az adott tribológiai rendszertől függően [3].
A bevezetett felületi struktúrával ellátott, pörgetett trapéz alakú menetes orsó jelentős javulást mutat a tribológiai tulajdonságok tekintetében. Ez a befutási viselkedés kb. 44 %-kal való lerövidüléséhez, valamint a súrlódási együttható tartós csökkenéséhez vezet μm = 0,085 értékre. Ez 25,5 %-os csökkenésnek felel meg a hengerelt menetes orsóhoz képest. A befutási fázis teljes csökkentése ezzel a menettel nem volt lehetséges a leírt tribológiai rendszerben.
A felületi struktúrák hatása a kopásra
A két súrlódási partner érintkezésekor fellépő kopás döntő jelentőségű a trapézmenetes orsó élettartama szempontjából. A menetes orsón fellépő kopási mechanizmusok azonosítása érdekében a csapágyszárny felületét 20 000 terhelési cikluson keresztül, rendszeres kenőanyag-utánpótlás mellett vizsgálták, majd elemezték a csapágyszárny kopási mintázatát (5. ábra). A vizsgálat után a vizsgálat egyértelműen eltérő kopási mintázatot mutatott a csapágyszárny felületi struktúrájától függően. A csapágyszárnyon lévő felületi struktúrák nélküli hengerelt menetes orsóknál a menetes orsó csapágyszárnyán kifejezett tapadó lerakódások láthatók, amelyeket az anya anyagának jelentős eltávolítása vagy tapadó kopása okoz. A szerkezet magasságának növekedésével a tapadó kopás területe is jelentősen csökken (5. ábra).
Az alacsony csúszási sebesség és a nagy felületi nyomás miatt a tribológiai érintkezésben a tribológiai rendszerben jelenlévő súrlódás a szilárdtest-súrlódás és a vegyes súrlódás közé sorolható. A kifejezett felületi struktúra miatt (6. ábra, jobbra) a mikroérintkezések száma csökkenthető a strukturálatlan felületi topográfiához képest (6. ábra, balra). Ez azt eredményezi, hogy a felületi struktúrák miatt kisebb a szilárdtest-súrlódás aránya. A szálszárnyon lévő kifejezettebb felületi struktúra nagyobb mennyiségű kenőanyagot képes felvenni. A felületi struktúrákkal a tapadó kopás a menetszárnyon 10,1 %-ra csökkent, szemben a hengerelt menetes orsó esetében mért 36,3 %-kal.
Amikor különböző fémekből készült súrlódási partnerek érintkeznek, anyagátadás történik a kohéziósan gyengébb kötésű súrlódási testről (jelen esetben az anyáról) a kohéziósan erősebb kötésű alaptestre (jelen esetben a menetes orsóra) [4]. A súrlódási érintkezésben lévő kiegészítő kenőanyag az érintkezési érdességcsúcsok alacsonyabb számát eredményezi. A menetes anya érintkezési felületének fokozatos terhelése a csapágyszár érintkező érdességcsúcsain lerakódó részecskék leválását eredményezi. Ezek fokozatosan réteget képeznek a csapágyszárny érintkezési felületein, és megakadályozzák a közvetlen érintkezést az orsó és az anya anyaga között. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg egy statikus állapotot nem ér el, és nem rakódik le további lerakódás a csapágyszárnyon. Ez a folyamat határozza meg a befutási viselkedést, amely statikus állapotba vált, amint az érintkező érdességi csúcsokat tapadó lerakódások fedik. Ez az állapot a súrlódási együtthatót is befolyásolja. A kezdeti felületen az emelőmozgás során nem jelentkezik koptató kopás.
Kilátások és felhasználási lehetőségek
A hengerelt menetes orsókkal való versenyben bebizonyosodott, hogy a nagy teherbírású emelőrendszerekhez használt menetes orsó csapágyazott szárán lévő felületi struktúrák jelentős hozzáadott értéket képviselnek. Az örvénylési eljárással a felületi struktúrák nagyobb változatossága hozható létre. Továbbá kimutatták, hogy a menetes orsó felülete nagyon kis mértékben kopik, ami azt jelenti, hogy a csapágyszárnyon lévő felületi struktúrák nagyrészt megmaradnak a kísérletileg szimulált 10 éves élettartam után is. A 7. ábra mutatja a mikroszerkezetű csapágyszárnyak három fő lehetőségét a trapéz alakú menetes orsók tervezésénél és kivitelezésénél.
A menetszárny felületi struktúráinak meghatározott beállítása 25,5 %-kal csökkentheti a súrlódási együtthatót. Egy nagy teherbírású emelőrendszer példáján ez a súrlódási együttható csökkenés az energiafogyasztás arányos csökkenését eredményezi, figyelembe véve az emelőrendszer megfelelő csapágyazását, mivel a tengely és az anya közötti súrlódási kapcsolat döntő a hatékonyság szempontjából.
Egy másik szempont a menetes anya kopásának csökkentése. Ezekben a vizsgálatokban a menetes anya kopását csak közvetve lehetett elemezni a csapágyszárnyon lévő ragasztólerakódások alapján. Mivel a ragasztórétegek a csapágyszárny kb. 10 %-ára csökkentek, feltételezhető, hogy a súrlódási partnerek között kisebb volt a mikroérintkezés, és ezért kisebb volt a menetes anya kopása. A csapágyszárnyon lévő csökkent tapadásból arra lehet következtetni, hogy a menetes anya általános kopása is csökkent. Ez csökkentheti a karbantartási költségeket és növelheti a teljes trapézcsavaros csavarhajtás élettartamát.
Az ólomcsiga mikroszerkezetű csapágyperemének harmadik és döntő előnye a hajtómotor kialakításából adódik. A súrlódási együttható 25 %-os csökkentésével alacsonyabb súrlódási nyomatékot lehet feltételezni a tervezés során.
Ez lehetővé teszi egy kisebb méretű motor kiválasztását, ami csökkenti a teljes rendszer energiafogyasztását és jelentősen csökkenti a teljes emelőrendszer beruházási költségeit. Ehhez a szemponthoz azonban csökkenteni kell a befutási viselkedést, és a teljes élettartam alatt állandó súrlódási együtthatót kell biztosítani.
További kutatások révén a felületi struktúra a szálgeometriától függően optimalizálható. A projektpartnerek jelenleg szabadalmaztatják az ilyen speciálisan beállított felületi struktúrák létrehozásának folyamatát.
Ez lehetővé teszi az egyedi tribológiai rendszer még specifikusabb kezelését. A jövőbeli kutatás és fejlesztés másik szempontja a menetes anya felületi topográfiájának módosítása a befutási viselkedés specifikus kompenzálása érdekében. A folyamatosan csökkentett súrlódási együttható lehetővé tenné a méret további csökkentését a hajtómotor tervezésekor. Ezekkel a pontokkal a jövőben a Bornemann Gewindetechnik és az IFW közösen tervezett kutatási projektje keretében foglalkozunk tovább.
Visszaigazolás
A szerzők köszönetet mondanak a ZIM-nek a „TopGewinde – Tribológiailag optimalizált felületi topográfiák a csigahajtások élettartamának növelése érdekében a pörgetési eljárás alkalmazásával” című projekt finanszírozásáért.
A szerzők szeretnék megköszönni a ZIM-nek a „TopGewinde – Tribológiailag optimalizált felületi topográfiák a csigakerekek élettartamának növelésére az áramlásformázási folyamatban” projekt finanszírozását.
Irodalom
- 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.
Kapcsolatfelvétel
Christian Wege, M. Eng.
Leibniz Universität Hannover, Gyártástechnikai és Szerszámgépek Intézete
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de