Trapéz alakú menetes orsók felületének optimalizálása – tribológiai elemzés és alkalmazás

A trapéz alakú menetes orsók ideálisak nehéz terhekhez, és gyakran használják őket emelőrendszerekben. A Gyártástechnikai és Szerszámgépipari Intézet (IFW) és a Bornemann Gewindetechnik vállalat közötti együttműködési projekt részeként a menetes orsók tribológiai tulajdonságainak optimalizálása érdekében a menetkavarás módosítását kutatták. Az örvényezett mikroszerkezetek alkalmazásával 25,5%-kal csökkenthető a súrlódási veszteség és jelentősen mérsékelhető a tapadó kopás.

1 Bevezetés

Az emelőrendszerekben gyakran használt hosszú menetes orsók gyártására különböző gyártási eljárások állnak rendelkezésre, beleértve a menethengerlést és a menetforgácsolást [1]. A szabványosított gépelemek, például a trapéz alakú menetes orsók gyártási folyamatának tervezésekor nem veszik figyelembe az alkalmazási viselkedést és az élettartamot [2].

A csúszó súrlódásnak kitett felületek tervezésekor fontos figyelembe venni a súrlódási rendszereket – határsúrlódás, vegyes súrlódás és folyadéksúrlódás -, amelyeket a Stribeck-görbe [3] segítségével osztályoznak. Hidrodinamikai állapotban az erő a kenőanyagfilm révén kerül átvitelre, ahol a súrlódási erőt a kenőanyag belső súrlódása hozza létre [3-5]. Ez arányos az érintkezési felülettel, a kenőanyag viszkozitásával és a kenőfilm vastagságának nyírási sebességével. Vegyes súrlódás esetén a kenőfilmet bizonyos pontokon egyedi érdességi csúcsok szakítják meg, amelyek aztán hozzájárulnak a terhelés átviteléhez [4]. Ez különösen kis csúszási sebességeknél hátrányt jelent a hidrodinamikus kenési állapot kialakítása és fenntartása szempontjából [6].

A két háromelem közötti közvetlen érintkezés megnövekedett energiafogyasztáshoz vezethet [7]. A mikroszerkezetek különböző mechanizmusokon keresztül kedvezően hathatnak. A mikrostruktúrák például kenőanyag-tartályként szolgálhatnak [8], és a kenőanyagfilmben lévő lokális kiemelkedések a csapágynyomás növekedéséhez vezethetnek, amikor a kenőanyag átfolyik rajtuk [9]. A meghatározott mikrostruktúrákban hidrodinamikai nyomás alakulhat ki. Ebben mind a kavitációs hatások [4], mind a csapágynyomás felhalmozódása az egymást követő mikrostruktúrákban szerepet játszik [10, 11]. Ezek a vizsgálatok azt mutatják, hogy a trapéz alakú menetes orsók felületi topográfiája nagy lehetőséget kínál a mikrostruktúrákon keresztül a súrlódás csökkentésére a nagy terhelésű csúszó érintkezés miatt. A csúszó érintkezések súrlódási veszteségeinek csökkentésére szolgáló mikroszerkezeteket olyan gyártási eljárásokkal lehet előidézni, mint a síkbeli érdesítés vagy a lézeres jelölés [10, 12].

A pörgetés mint gyártási folyamat nagy lehetőségeket rejt magában a folyamatintegrált mikroszerkesztés szempontjából, mivel lényegesen nagyobb termelékenységet ér el, mint például a menetmarás [1, 13]. Az örvényléssel történő felületi strukturálással kapcsolatos vizsgálatokat eddig csak kiegészítő strukturálási folyamatként végeztek, és nem a felületi struktúra folyamatba integrált funkcionalizálásaként [14]. Különböző megközelítések léteznek a mikrostrukturálásra, mint különálló gyártási folyamatra [12, 15], de ezek a további folyamatlépés miatt nagy integrációs erőfeszítést igényelnek. Denkena és munkatársai egy tanulmányban kimutatták, hogy mikrostrukturálással javulnak a nagy termomechanikai terhelésnek kitett felületek, például hengerhüvelyek tribológiai tulajdonságai [12]. A pörgetési eljárás mint megmunkáló gyártási módszer a menetszárnyon létrehozott felületi struktúrák miatt különleges funkcionalizálási lehetőségeket kínál (1. ábra).

A fém triboelemek csúszó súrlódásban történő alkalmazásakor sajátos kihívást jelent a tapadás előfordulása elégtelen kenés vagy túlterhelés esetén. Ez az alacsonyabb keménységű súrlódási partner tapadó kopásához és a nagyobb keménységű súrlódási partnerre történő anyagátadáshoz vezethet a csúszó érintkezésben [7, 17]. A felületi topográfia és a tényleges érintkezési felület a csúszó érintkezésben döntő szerepet játszik a korábban leírt, elégtelen kenés esetén fellépő tapadási kockázatban [7, 16, 17]. A két súrlódási elem közötti közvetlen érintkezés az adhézió alapvető feltétele, amelyet a mikroérintkezések teljes száma határoz meg.

A nagy felületi nyomásnak kitett csúszó érintkezőkben a kenőanyagfilm vastagsága csökken, ami a vegyes súrlódásról a határsúrlódásra való áttéréshez vezet, és a súrlódási együttható növekedésével jár együtt [3]. Denkena és munkatársai azt is kimutatták, hogy a sekély mélységű felületi struktúrák a súrlódási együttható csökkenéséhez és a vegyes súrlódási rendszerbe való átmenethez vezethetnek, ahol a szilárd és a folyékony súrlódás együtt létezik [12]. Acélbronz trióelemek esetében csúszó súrlódás esetén a 2-5 μm mélységű felületi struktúra különösen kedvezőnek bizonyult a súrlódás csökkentésére [16]. Egy másik jelenség, amely elégtelen kenés vagy alacsony relatív sebességek esetén előfordulhat, a stick-slip hatás. Ez azt eredményezi, hogy a háromelemek rövid időre egymáshoz tapadnak, mielőtt ismét csúszómozgás jönne létre [18]. A kenőanyaghiány miatt gyakran előforduló stick-slip-effektus fokozott tapadási kopáshoz és ezáltal az alkatrészek korai meghibásodásához vezet [19].

A mikroszerkezetek hatását a trapéz alakú menetes orsók terhelt menetszárára nagy terhelés alatt még nem vizsgálták, de nagy lehetőségeket kínál a hatékonyság növelésére a súrlódási veszteségek csökkentése révén. A mikroszerkezeteknek az orsó-anya rendszer kopására gyakorolt hatásáról sincsenek még ismeretek. A dolgozat célja ezért ennek a hiányosságnak a pótlása, és a menetkavarodás által létrehozott felületi struktúrák hatásának vizsgálata a nagy terhelésű trapézmenetes orsók tribológiai viselkedésére nehéz teheremelő berendezésekben, valós körülmények között. A vizsgálat egy speciálisan kifejlesztett örvényesítési eljárást vizsgál a folyamatba integrált mikroszerkezet kialakítására. A tanulmány részeként különböző felületi struktúrákat mutatnak be, és értékelik a súrlódáscsökkentésre gyakorolt hatásukat a teljes rendszerben, valamint a kenőanyag felületén való megtartására és ezáltal az orsón lévő tapadó lerakódások és az anyán lévő tapadó kopás megelőzésére való képességüket.

2 Kísérleti elrendezés

2.1 Tribológiai vizsgálat

A 2. ábrán látható próbapadot arra használják, hogy megvizsgálják a menetszélek felületi topográfiájának hatását a tribológiai viselkedésre. A Tr80×10 mm-es menettel ellátott vizsgálati orsókat f = 0,81 Hz frekvenciával ν = 15°-os szögben rezgették. Egy terhelésváltás forgása a menetes orsó 0,42 mm-es transzlációs távolságának 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 alkalmazott trapézcsavaros hajtások maximális terhelési tartományán belül van. Ehhez az alkalmazáshoz a G-CuSn 7 ZnPb menetes anya anyagát választották. A kenőanyag a DGM HTF 940 kenőzsír volt, amely különösen alkalmas siklócsapágyas alkalmazásokhoz. A vizsgálati sorozatban a kenés egy hónapos karbantartási időközön alapult. Ez az intervallum megfelel a tengely-anya egység 167 ciklusonként történő kenésének. A tesztberendezést a Sincotec állította össze, amely az Interface 125 kN erőérzékelő és a SincoTec 1200 Nm nyomatékérzékelő gyártója is.

A különböző felületi topográfiák és a hozzájuk tartozó felületi struktúrák súrlódási tulajdonságainak jellemzése érdekében elemezték a felületek kopási állapotát. Ebből a célból az orsókat utólag vágócsiszolóval felvágták. Az elemzett menetes orsók esetében 20 000 terhelési ciklussal 10 éves élettartamot térképeztek fel kísérleti úton.

A tribológiai viselkedés vizsgálatához négy menetes orsót készítettek, amelyeknél különböző folyamatparamétereket hasonlítottak össze egy hengerelt orsóval, az örvénylési eljárás alkalmazásával (1. táblázat). Az örvényezett menetes orsók esetében a folyamatparamétereket úgy választották meg, hogy a menetek terhelt menetes oldalain a felületi struktúra magasságai között meghatározott gradációkat érjenek el. Az 1. vizsgálatsorozat folyamatos hengerlési eljárással gyártott hengerelt menetes orsókból áll. A konkrét folyamatparaméterek a Bornemann tapasztalatain alapulnak. A 2. tesztsorozatot a technika jelenlegi állásának megfelelő folyamatparaméterekkel sodorták, és további referenciaként szolgál az újonnan kifejlesztett felületi szerkezethez.

A 3. és 4. vizsgálatsorozatban az ebben a tanulmányban kifejlesztett felületi struktúrákat két lépésben állították elő, hogy növeljék mind az yf felületi struktúra magasságát, mind az sf felületi struktúra hosszát. E két szerkezeti paraméter növelése a felület kenőanyag-visszatartó térfogatának növekedéséhez vezet. A 3. vizsgálatsorozatban az elméleti szerkezeti magasság yf = 2,31 μm, a szerkezeti távolság sf = 3,67 μm. A 4. vizsgálatsorozatban a szerkezeti paraméterek még kifejezettebbek yf = 3,61 μm és sf = 4,59 μm értékkel. Ez egyértelműen mutatja a szerkezetek korlátozott alkalmazhatóságát az örvényfolyamat miatt: az yf szerkezetmagasság növelése elkerülhetetlenül az sf szerkezeti hossz növekedéséhez vezet.

2.2 A felületi struktúra mérése

A Confovis GmbH Duo Vario optikai mérőrendszerét a kísérletileg előállított 3D felületi topográfiák elemzésére használják. A felületi topográfiákat konfokális fehérfény-mikroszkópiával rögzítik. A konfokális mérést egy Nikon 20×/0,45-NA objektívvel végeztük. Az oldalfelületek elemzéséhez 0,20 μm-es laterális mérési felbontást alkalmaztunk. A 2,26 mm széles és 8,71 mm hosszúságú mért területet 0,28 μm felbontással rögzítettük. A kísérletileg előállított menetes orsókat a menetes szárnyra merőleges mérési pozícióban igazítottuk.

3 A felületi topográfia alkalmazása és jellemzése

A következő eredmények azt mutatják, hogy a menetszárny felületi topográfiája hogyan állítható be kifejezetten a pörgetési eljárással, és miben különbözik a menethengerlési eljárás korlátozott topográfiájától. A 3. ábra egy hengerelt trapéz alakú menetes orsó menetszárnyának felületi topográfiáját mutatja az örvényelt menetszárnyhoz képest.

Az 1. tesztsorozat felületi topográfiája azt mutatja, hogy a menetgördülési folyamat során nem keletkezik felületi textúra. A 2. vizsgálatsorozat pörgetett menetes orsója nem mutat jelentős különbségeket a felületi topográfiában az 1. vizsgálatsorozathoz képest, és nem ismerhető fel felületi textúra sem. A 3. és 4. tesztsorozatban az örvénylési folyamat speciális átalakításával lényegesen kifejezettebb felületi textúrát lehetett létrehozni. Ezekben a vizsgálatsorozatokban az yf textúramagasságot és az sf textúrahosszúságot egymás után növelték annak érdekében, hogy alacsony csúcsok arányával rendelkező felületi textúrákat hozzanak létre, ezáltal minimalizálva a közvetlen szilárd érintkezést a háromelemek felületei között. A felületi textúra csúcsai közötti nagyobb távolság lehetővé teszi a kenőanyag megtartását az érdességi profil völgyeiben.

A feldolgozás során fellépő sztochasztikus érdességhatások miatt, amelyek negyedfokú alaki eltérésként befolyásolják a műszaki felületet, a 2. vizsgálatsorozat kevésbé kifejezett felületi textúrája felülíródik. A textúra paramétereit e felülírás miatt nehéz meghatározni, és a textúra magassága yf = 0,82 μm és a textúra hossza sf = 1,63 mm. A 2. vizsgálatsorozat valójában nem különbözik a hengerelt mintától az alacsony felületi textúra miatt. A pörgetési folyamat során fellépő sztochasztikus érdességhatásokat elsősorban a pörgetőszerszám vágóélén keletkező érdesség, más néven forgácsolás okozza. Ez a megmunkálás során az újonnan keletkező felületen negatív formaként alakul ki [20]. A 3. és 4. vizsgálatsorozat topográfiája a forgácsolás által létrehozott jellegzetes, visszatérő barázdákat mutatja. Ha az yf textúramagasság kisebb, mint az Rz érdesség az örvénylő szerszám vágóélénél, akkor a textúra felülíródik, és nem alakul ki az örvénylés jellegzetes textúrája. Ez látható a menetszélek érdességi profiljain (4. ábra).

A mérést tovább torzítja az a tény, hogy a matematikailag közelített szálformát kivonják a felületi topográfiából, aminek következtében a mérési tartomány szélén lévő textúrák textúramagassága kissé alacsonyabb (3. és 4. ábra).

4 Tribológiai értékelés

A nagy teherbírású emelőrendszerek trapéz alakú csavarorsóiban a csavar és az anya tribológiai rendszerére gyakorolt hatását a 2.2. szakaszban ismertetett vizsgálati elrendezéssel elemeztük. A trapézcsavarok tervezése során a súrlódási együtthatót az egyszerűsítés miatt gyakran állandónak feltételezik. A súrlódási együtthatót azonban nem lehet anyagtulajdonságnak tekinteni, mivel a tribológiai rendszer valamennyi összetevője befolyásolja. A felületi topográfia e rendszerre gyakorolt hatásának jellemzése érdekében az összes befolyásoló változót állandó értéken tartjuk. A vizsgálatsorozatban csak a gyártási folyamat által kiváltott felületi textúrát változtatják.

4.1 Investigation of the coefficient of friction

A nagy teherbírású emelőrendszerekben a mozgócsavarok általában függőlegesen vannak elhelyezve, így egy terhelt menetszárnyat mind az emelő-, mind a süllyesztőmozgás során terhelnek. A ferde síkban fellépő súrlódás felhasználható a trapéz alakú menet súrlódási együtthatójának kiszámításához [21]. Az FN normálerő az FG súlyerőből, az FR súrlódási erő pedig a forgómozgáshoz szükséges súrlódási nyomatékból számítható ki a geometriai összefüggések segítségével. Ez lényegesen nagyobb szükséges súrlódási nyomatékot eredményez az emelés során. Mivel a súrlódási nyomatékot a vizsgálóberendezésben mérik, és az FG súlyerőt állandó értékre állítják be, a μ súrlódási együttható ezekből a változókból számítható. A μ súrlódási együtthatónak az emelésre és a leeresztésre vonatkozó külön meghatározása az erőösszetevők eltérő irányultságának figyelembevételével lehetséges. A súrlódási együttható e kétféle mozgásra vonatkozó példaértékű alakulását az 1. vizsgálatsorozatban szereplő hengerelt orsó esetében az 5. ábra mutatja. A különböző erőorientációk figyelembevételével mindkét mozgástípusnál hasonló súrlódási együtthatót mutat. Az emeléshez szükséges nagyobb meghajtónyomaték ellenére a súrlódási együttható jellegzetes viselkedése látható, amely a trapéz alakú vezetőcsavarral 20 000 terhelési cikluson keresztül jelentkezik. Az átlagos súrlódási együttható mindkét mozgástípus esetében jelentősen megnő a vizsgálat kezdetén, 2000 ciklus körül éri el a maximumot, majd 8000 ciklus körül állandó szintre csökken. Ezt a viselkedést nevezzük befutási fázisnak, és a tribológiai rendszertől függően a súrlódási együttható általános változását írja le a teljes vizsgálat során [22]. A kis szögtartományban végzett oszcilláló mozgás a terhelésváltás során bekövetkező rövid emelési és süllyesztési távolságot szimulálja. Az így kapott sebességprofil egy terhelésváltáson belül egy gyorsulási fázisból, egy állandó sebességű fázisból és egy lassulási fázisból áll, egy-egy emelési és süllyesztési fázisból. A kis sebességnél fellépő stick-slip hatás különösen az irányváltás fordulópontjánál érvényesül. Ez a hatás a felületek rövid ideig tartó tapadásában, majd a triboelemek hirtelen csúszásában nyilvánul meg. Ez a mozgás rezgésekhez vezethet, ami a súrlódási együttható nagyobb eltérésében mutatkozik meg [19]. Az 5. ábrán ez a hatás az első 5000 terhelési cikluson belüli nagyobb eltérés formájában figyelhető meg.

Az elemzett Tr80× 10 mm-es trapéz alakú menet esetében a súrlódási együttható állandó, körülbelül 8000 terhelési ciklus után. A bejáratás során a hengerelt trapézszálak vizsgálatakor a súrlódási együttható kezdetben megnövekszik, ami a súrlódási együttható nagy eltérésével is együtt jár. A legmagasabb súrlódási együttható a legnagyobb eltéréssel jár együtt, ami a ragasztó-csúszás hatás fokozott előfordulását jelzi, ami a ragasztó fokozott kopásához vezethet. A kétféle mozgás hasonló súrlódási együttható görbéi miatt az alábbiakban csak a nagyobb erőigényű emelőmozgást vizsgáljuk.

A 3. ábrán látható felületek súrlódási együttható görbéi között egyértelmű különbség van. Míg az 1. és 2. vizsgálatsorozat gyártási folyamatai – a szálhengerlés és a szálpörgetés – különböznek, mindkét minta felületi topográfiája hasonló, szinte semmilyen felületi textúrával nem rendelkezik (3. ábra). Ez a hasonlóság a súrlódási együttható görbékben is tükröződik (6. ábra). Míg az 1. vizsgálatsorozat súrlódási együtthatója jelentős maximumot mutat, addig a 2. vizsgálatsorozatnál a vizsgálat időtartama alatt nem figyelhető meg maximum. Mindkét vizsgálatban azonban hasonló számú terhelési ciklus után (L ≈ 8000) egy állandó szintet ér el.

Az μm átlagos súrlódási együttható a vizsgálat teljes időtartama alatt szintén hasonló értéket vesz fel mindkét vizsgálat esetében. Mind az örvényelt, mind a hengerelt menetes orsónál bekövetkezik egy befutási fázis, amely ezt követően μ = 0,1 szinten nagyon állandó súrlódási együtthatót eredményez, kis eltéréssel. A 3. vizsgálatsorozatban, yf = 2,31 μm textúramagassággal, lényegesen rövidebb befutási fázis figyelhető meg, amely kb. 4500 terhelési ciklus után fejeződik be. Az átlagos μm súrlódási együttható a 3. vizsgálatsorozatban μm = 0,098-ra csökkenthető a hengerelt (μm = 0,115) és a textúrázatlan, örvényelt menetszárnyhoz (μm = 0,112) képest, ami a súrlódási együttható 14,6%-os csökkenésének felel meg. Még jelentősebb csökkenés tapasztalható a 4. vizsgálatsorozatban (yf = 3,61 μm), ahol a bevezetett felületi textúra egyrészt kb. 44%-kal csökkenti a befutási viselkedést, másrészt tartósan csökkenti a súrlódási együtthatót egy alacsonyabb szintre, μm = 0,085-re, ami 25,5%-os csökkenésnek felel meg a hengerelt menetes orsóhoz képest. A befutási fázis teljes csökkentése azonban nem volt lehetséges ezzel a menettel a leírt tribológiai rendszerben.

4.2 A ragasztóanyag kopásának elemzése

Az orsó és az anyacsavar érintkezésekor fellépő kopás döntő a trapézcsigás csavarhajtás élettartama szempontjából. A vezetőcsavaron fellépő kopási mechanizmusok azonosítása érdekében a terhelt menetszárny felületét 20 000 terhelési ciklus után FG = 91,3 kN súlyerővel és rendszeres kenőanyag-utánpótlással vizsgálták (7. ábra). A vizsgálat után a vizsgálatsorozat egyértelműen eltérő kopási mintázatot mutat a terhelt menetes szárny felületi szerkezetétől függően. Az 1. és 2. vizsgálatsorozat, amelyeket a terhelt menetszárny felületi struktúrája nélkül vizsgáltak, kifejezett tapadó lerakódásokat mutat a menetes orsó terhelt menetszárnyán. Ezt az anya anyagának jelentős eróziója vagy tapadó kopása okozza. A szerkezet magasságának növekedésével a 3. vizsgálatsorozattól a 4. vizsgálatsorozatig a tapadó kopás mértéke észrevehetően csökken (7. ábra).

Annak érdekében, hogy jellemezzük a terhelt szálszárny ragasztóanyag-lerakódásokkal borított részét, mikroszkópos felvételek színelemzését végeztük el a G-CuSn 7 ZnPb anyag réztartalma által okozott, túlnyomórészt vörös színű lerakódások számszerűsítése céljából. A terhelt menetszárnyon a területhez viszonyított tapadási százalékos arány értékelése azt mutatja, hogy a hengerelt trapéz alakú menetes orsón a legmagasabb a tapadási százalék, 36,3 % (8. ábra). A 2. vizsgálatsorozatban, a pörgetett menetes szárnyakkal a legnagyobb eltérést mutatja a lefedett terület 27,4 %-kal és 13,1 %-os szórással. A kísérletileg emulált működési idő után ennek a tesztsorozatnak a felületét egyes területeken akár 45,4 % tapadási maradék is borítja. A 4. tesztsorozat kopási mintázata azt mutatja, hogy az yf = 3,61 μm-es szerkezeti magasság csökkentette a tapadási kopás arányát, és azt az érdességi csúcsok területeire korlátozta (8a. ábra). 27,4 % és 13,1 %-os standard eltérés mellett a 2. tesztsorozatban, az örvényelt szálszárnyakkal a legnagyobb eltérés a lefedett felület tekintetében. A kísérletileg szimulált élettartam után ennek a tesztsorozatnak a felületét egyes területeken akár 45,4 % ragasztómaradvány is borítja. A 4. tesztsorozat kopási mintázata azt mutatja, hogy az yf= 3,61μm textúramagasság csökkenti a ragasztóanyag kopásának arányát és az érdességcsúcsok területein a csúcsokat (8a. ábra).

Az alacsony csúszási sebesség és a nagy felületi nyomás miatt a tribológiai érintkezésben a súrlódás a tribológiai rendszerben megkülönböztethető szilárd és vegyes súrlódás között.

A menetszárnyon a tapadásos kopás a 3. vizsgálatsorozatban 36,3 %-ról 13,6 %-ra, a 4. vizsgálatsorozatban pedig 10,1 %-ra csökkent az örvényelt szárnyfelületeken a hengerelt menetes orsóhoz képest. A határozottan kifejezett felületi textúrájú érdességcsúcsok között nem fordul elő tapadás. A tapadó bevonat tulajdonságai miatt feltételezhető, hogy a határsúrlódási rendszerből a vegyes súrlódási rendszerbe való átmenet következik be. Wang és társai szerint az érdességi csúcsok kisebb száma, illetve jelen esetben csak a felületi textúrák csúcsai a súrlódási együttható csökkenéséhez vezethetnek [4]. Ezeken a területeken az örvénylés által létrehozott eredeti felület érintetlen marad.

A mikrotextúrák egymás utáni elrendezése szintén elősegítheti a vékony kenőfilm kialakulását, ahogyan azt a [10] leírja. A teljes érintkezési felületen csökkentett szilárd súrlódás miatt a menetes orsó mozgatásához kisebb súrlódási nyomatékra van szükség. A kenőanyag a hangsúlyos felületi struktúrájú területeken tárolódhat, ami növeli a kenőfilm vastagságát, és olyan folyékony súrlódást hoz létre, amely megakadályozza a felületek közötti közvetlen érintkezést. A háromelemek érdességcsúcsai közötti közvetlen érintkezés a tapadó kopás egyik lehetséges oka [19].

A kifejezettebb felületi textúrák (9b. ábra) következtében a szilárdtest-súrlódás aránya csökken, szemben a strukturálatlan felületi topográfiával (9a. ábra). A kifejezettebb felületi textúra a menetszárnyon nagyobb mennyiségű kenőanyagot képes felszívni.

Amikor a különböző fémekből készült tribológiai elemek érintkeznek, a kevésbé összetartó súrlódó testből, jelen esetben az anyából, anyag kerül át a jobban összetartó alaptestbe, jelen esetben a menetes orsóba [3]. A súrlódási érintkezésben lévő kiegészítő kenőanyag az érintkezési érdességcsúcsok alacsonyabb számát eredményezi. A tapadó lerakódások kialakulását a terhelt menetes szárnyon a 9c. ábra mutatja be sematikusan. A menetes anya érintkező felületének fokozatos terhelése a terhelt menetes szárny érintkező érdességi csúcsain lerakódott részecskék leválásához vezet. Ezek egyre inkább réteget képeznek a terhelt menetes szárny érintkező felületein (10. ábra), és megakadályozzák a csavar és az anya anyaga közötti közvetlen érintkezést. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg egy stacionárius állapotot nem érünk el, és az anya felületi határrétegeiből nem kerül több anyag a terhelt menetszárnyra. Ez a folyamat befolyásolja a befutási viselkedést, és akkor változik stacionárius állapotba, amikor az érintkező érdességi csúcsokat ragasztó lerakódások borítják. Ez befolyásolja a súrlódási együtthatót. A 10. ábra azt mutatja, hogy a lerakódások kb. 2 μm magasak, és hogy a terhelt menetszárny kezdeti felületén nincs koptató kopás.

5 Következtetés és kilátások

E tanulmány részeként három különböző felületi topográfiát állítottak be örvénylési módszerrel, és vizsgálták tribológiai tulajdonságaikat trapéz alakú menetes orsókon. A súrlódási együttható mérése mellett elemezték a menetes orsó terhelt menetes oldalain a kopásképet, és számszerűsítették a tapadó lerakódásokat.

A hengerelt menetes orsókhoz képest kimutatták, hogy a nagy teherbírású emelőrendszerekben használt menetes orsók terhelt menetes szárán lévő felületi struktúrák jelentős hozzáadott értéket képviselnek. A pörgetési eljárás lehetővé teszi a felületi struktúrák nagyobb változatosságának előállítását, ami a súrlódási együttható 25,5 %-os csökkenését eredményezi. Ez a súrlódási együttható csökkenés a teljes rendszer energiafogyasztásának arányos csökkenéséhez vezet, ha figyelembe vesszük az emelőrendszer sajátos csapágyazását, mivel a hatékonyságot jelentősen befolyásolja az orsó és az anya közötti súrlódási kapcsolat. Továbbá, ki lehetett mutatni, hogy a menetes orsó eredeti, a pörgetési folyamat által texturált felülete még a kísérletileg szimulált 10 éves élettartam után is nagyrészt érintetlen marad. Ez azt jelzi, hogy a szilárd súrlódás aránya, amelyben az orsó és az anya érdességcsúcsai közvetlenül érintkeznek, csökkenthető. A bemutatott felületi textúrákkal a 4. vizsgálatsorozatban a menetes száron a tapadó kopás 10,1 %-ra csökkent, szemben a hengerelt menetes orsó esetében mért 36,3 %-kal.

Bár a vizsgálatban egy menetes orsó teljes 10 éves élettartamát szimulálták, a menetes anya élettartamát nem mutatják. Míg az orsónak csak egy része van kitéve tribológiai érintkezésnek, addig az anya belső menete folyamatos terhelésnek van kitéve, ami lényegesen hosszabb kitettséget eredményez a tribológiai kölcsönhatásoknak. A jövőbeli tanulmányok jobban összpontosíthatnának a súrlódási rendszernek erre az aspektusára, különösen az anya kopásának mérése jelentette kihívást figyelembe véve. A kifejezett felületi struktúrával rendelkező menetes orsó másik pozitív hatása az ellensúrlódó test, jelen esetben az anya kopásának csökkenése lehet.

Hivatkozások

1. Langsdorff W (1969) Gewindefertigung und Herstellung von Schnecken, 6th edn. Springer, Berlin, Heidelberg
2. Gereke-Bornemann H, von Soden M (2010) Wie man den Stickslip-Effekt bei Gewindespindeln vermeidet
3. Stribeck R (1902) Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager
4. Wang X, Kato K, Adachi K et al (2003) Loads carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water. Tribol Int 36(3):189–197. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00145-7
5. Touche T, Cayer-Barrioz J, Mazuyer D (2016) Friction of textured surfaces in EHL and mixed lubrication: effect of the groove topography. Tribol Lett 63:25. https://doi.org/10.1007/s11249-016-0713-8
6. Flores G, Abeln T, Klink U (2007) Functionally adapted final machining for cylinder bores made of cast iron. MTZ Worldw 68:6–9. https://doi.org/10.1007/BF03226811
7. Buckley DH (1981) Surface effects in adhesion, friction, wear and lubrication. Elsevier, Amsterdam
8. Etsion I (2004) Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing. Tribol Lett 17:733–737. https://doi.org/10.1007/s11249-004-8081-1
9. Hamilton DB, Walowit JA, Allen CM (1966) A theory of lubrication by microirregularities. ASME J Basic Eng 88(1):177–185. https://doi.org/10.1115/1.3645799
10. Brizmer V, Kligerman Y, Etsion I (2003) A laser surface textured parallel thrust bearing. Tribol Transact 46(3):397–403. https://doi.org/10.1080/10402000308982643
11. Kovalchenko A, Ajayi O, Erdemir A, Fenske G, Etsion I (2005) The effect of laser surface texturing on transitions in lubrication regimes during unidirectional sliding contact. Tribol Int 38(3):219–225. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2004.08.004
12. Denkena B, Köhler J, Kästner J, Göttsching T, Dinkelacker F, Ulmer H (2013) Efficient machining of microdimples for friction reduction. ASME J Micro Nano Manuf 1(1):11003. https://doi.org/10.1115/1.4023757
13. Stender W (1954) Schälen von Gewindespindeln: Die zeitgemäße Lösung eines alten Problems. Werkstatttechnik Maschinenbau 44:531–538
14. Matsumura T, Serizawa M, Ogawa T, SasakiM(2015) Surface dimple machining in whirling. JManuf Syst 37(2):487–493. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2014.07.008
15. Denkena B, Bergmann B, Keitel M, Wege C, Poll G, Kelley J, Pape F (2023) Process strategies for milling of dimples on tapered roller bearings. Prod Eng Res Devel 17:893–905. https://doi.org/10.1007/s11740-023-01208-416.
16. Steinert P (2017) Fertigung und Bewertung deterministischer Oberflächenmikrostrukturen zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens von Stahl-Bronze-Gleitpaarungen. Technischen Universität Chemnitz
17. Greenwood JA, Tripp JH (1967) The elastic contact of rough spheres. ASME J Appl Mech 89:153
18. Haessig DA, Friedland B (1990) On the modeling and simulation of friction. American Control Conference, San Diego
19. Aurégan G, Fridrici V, Kapsa P, Rodrigues F (2015) Experimental simulation of rolling—sliding contact for application to planetary roller screw mechanism. Wear 332–333:1176–1184. https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.047
20. Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015) Prediction of the 3D surface topography after ball end milling and its influence on aerodynamics. Procedia CIRP 31:221–227. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.049
21. Böge G, Böge W (2021) Statik starrer Körper in der Ebene. In: Böge A, Böge W(eds) Handbuch Maschinenbau. Springer Vieweg, Wiesbaden
22. Blau PJ (2006) On the nature of running-in. Tribol Int 38(11):1007–1012. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.07.020

Visszaigazolás

A szerzők köszönetet mondanak a Szövetségi Gazdasági és Éghajlatvédelmi Minisztériumnak (BMWK) a finanszírozásért, valamint a projektpartner Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG-nek a konstruktív és szoros együttműködésért.

Promóció

A tanulmányokat a Szövetségi Gazdasági és Éghajlatvédelmi Minisztérium (BMWK) finanszírozta a központi innovációt támogató program keretében.

A szerzők hozzájárulása

B. Denkena B. Bergmannal együtt átnézte és szerkesztette a kéziratot. C. Wege kidolgozta a munka koncepcióját, elvégezte a kísérleteket, elemezte az adatokat és megírta a kéziratot. M. von Soden és H. Gereke-Bornemann elkészítették az eszközöket és biztosították a kísérleti elrendezést.

Promóció

A nyílt hozzáférésű finanszírozást a Project DEAL tette lehetővé és szervezte meg.

Összeférhetetlenség

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden és H. Gereke-Bornemann kijelentik, hogy nincsenek összeférhetetlenségi okok.

Open Access

Ez a cikk a Creative Commons Attribution 4.0 International licenc alatt áll, amely engedélyezi a felhasználást, megosztást, adaptációt, terjesztést és sokszorosítást bármilyen médiumban vagy formátumban, feltéve, hogy az eredeti szerzők és a forrás megfelelő módon feltüntetésre kerülnek, a Creative Commons licencre mutató hivatkozás szerepel, és minden változtatás feltüntetésre kerül. A cikkben szereplő, harmadik féltől származó képek vagy egyéb anyagok a cikk Creative Commons licencének hatálya alá tartoznak, kivéve, ha az anyagra vonatkozó hivatkozásban másként nem szerepel. Ha az anyagok nem szerepelnek a cikk Creative Commons licencében, és az Ön által tervezett felhasználás nem engedélyezett a törvény által, vagy meghaladja az engedélyezett felhasználási módot, akkor közvetlenül a jogtulajdonostól kell engedélyt kérnie. A licenc egy példányának megtekintéséhez látogasson el a http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ weboldalra.

A kiadó megjegyzése

A Springer Nature semleges marad a közzétett térképeken szereplő földrajzi jelzésekkel és az intézményi hovatartozással kapcsolatos jogviták tekintetében.

• Springer Nature, 24.05.2024