La filettatura a vortice si distingue rispetto alla rullatura delle filettature

I contatti tribologici rappresentano circa il 12% del consumo energetico globale. Bornemann Gewindetechnik sta conducendo ricerche sull’ottimizzazione delle filettature trapezoidali in collaborazione con l’Istituto per la Tecnologia di Produzione e le Macchine Utensili della Leibniz Universität Hannover.

Circa il 12% del consumo energetico globale è attribuibile ai contatti tribologici. Di questa quota, il 20% viene impiegato per superare l’attrito e il 3% per la riparazione di componenti usurati o la sostituzione di apparecchiature a causa di guasti legati all’usura [1]. Un esempio di applicazione sono i sistemi di sollevamento per carichi pesanti utilizzati nella manutenzione di treni o camion. Bornemann Gewindetechnik si è specializzata nella produzione di questi componenti filettati complessi e altamente sollecitati. In collaborazione con l’Istituto per la Tecnologia di Produzione e le Macchine Utensili (IFW) della Leibniz Universität Hannover, l’azienda a conduzione familiare ha studiato l’ottimizzazione tribologica delle filettature trapezoidali attraverso il processo di filettatura a vortice. Questo metodo è particolarmente adatto per componenti filettati di grande lunghezza. Grazie alle più moderne tecnologie di produzione, Bornemann Gewindetechnik realizza profili a vite fino a 12 metri di lunghezza.

Le viti filettate ottenute mediante il processo di filettatura a vortice presentano microstrutture superficiali derivanti dalla lavorazione, che fungono da serbatoi per la ritenzione del lubrificante. Questo effetto riduce l’attrito delle viti filettate a vortice e ne aumenta la durata rispetto alle viti realizzate con la laminazione convenzionale. All’interno del progetto TopGewinde, i ricercatori stanno studiando nel dettaglio la correlazione tra il processo di lavorazione e l’effetto di riduzione dell’attrito.

L’influenza delle microstrutture generate dalla filettatura a vortice sul comportamento tribologico delle viti trapezoidali altamente sollecitate nei sistemi di sollevamento per carichi pesanti è oggetto di studio. A tal fine, viene analizzato un processo di filettatura a vortice appositamente sviluppato per la microstrutturazione integrata nel processo produttivo.

Questo contributo illustrerà come la topografia superficiale possa essere regolata in modo mirato attraverso il processo di filettatura a vortice, offrendo un vantaggio significativo rispetto al processo di rullatura delle filettature. L’immagine 2 mostra la topografia superficiale del fianco filettato di una vite trapezoidale rullata rispetto a quella di una vite ottenuta mediante filettatura a vortice.

Attraverso un’adeguata regolazione del processo di filettatura a vortice, è stato possibile generare strutture superficiali più pronunciate rispetto alle viti filettate rullate. Per caratterizzare queste strutture, sono stati introdotti i parametri altezza della struttura (yf) e distanza della struttura (sf) (Immagine 1). Nell’ottimizzazione tribologica, il processo di filettatura a vortice ha permesso di creare superfici con una minore percentuale di picchi, riducendo così il contatto diretto tra i corpi solidi delle superfici in attrito. Inoltre, la maggiore distanza tra i picchi della struttura consente di trattenere il lubrificante nelle depressioni del profilo di rugosità.

Caratterizzazione delle proprietà tribologiche

Per studiare l’influenza della topografia superficiale dei fianchi della filettatura sul comportamento tribologico, viene utilizzato il banco di prova mostrato nell’Immagine 3. Le viti di prova con filettatura Tr 80 x 10 mm sono state fatte oscillare con una frequenza di f = 0,81 Hz su un angolo di v = 15°. La rotazione di un ciclo di carico corrisponde a una corsa traslazionale della filettatura di s = 0,42 mm. Con questa configurazione, la vite filettata è stata sottoposta a una forza peso di FG = 91,3 kN durante le fasi di sollevamento e abbassamento. Ciò corrisponde a una pressione di contatto di p = 5,0 N/mm², che rappresenta il limite massimo di carico per le trasmissioni a vite trapezoidale (TGT) nei sistemi di sollevamento per carichi pesanti. Per questa applicazione, il materiale della madrevite scelto è G-CuSn 7 ZnPb, mentre il lubrificante utilizzato è DGM HTF 940. La lubrificazione durante l’esperimento è stata impostata per simulare un intervallo di manutenzione di un mese, il che significa che il sistema vite-madrevite è stato lubrificato ogni 167 cicli. Il banco di prova è stato progettato dalla società SincoTec, che è anche il produttore del sensore di forza Interface 125 kN e del sensore di coppia SincoTec 1.200 Nm.

Per caratterizzare le proprietà di attrito delle diverse topografie superficiali e strutture, è stato analizzato lo stato di usura delle superfici dei fianchi. A questo scopo, i partecipanti al progetto hanno sezionato le viti utilizzando un troncatrice dopo il test. Con 20.000 cicli di carico, è stata riprodotta sperimentalmente una durata d’uso di dieci anni per le viti filettate analizzate. Per le viti filettate con il processo di filettatura a vortice, i parametri di processo sono stati scelti in modo da generare gradazioni definite nelle altezze delle microstrutture sui fianchi portanti delle filettature. I parametri di processo si basano sull’esperienza della società Bornemann. Inoltre, sono state esaminate anche viti filettate rullate, prodotte con il metodo di laminazione in continuo.

Influenza delle strutture superficiali sul coefficiente di attrito

Grazie al movimento oscillatorio su un breve angolo di rotazione, è possibile analizzare il comportamento di sollevamento e abbassamento in un numero elevato di cicli di carico. In questo modo, l’intera durata di vita delle viti filettate può essere riprodotta sperimentalmente. Nell’Immagine 4 è mostrato l’andamento del coefficiente di attrito durante il movimento di sollevamento con la trasmissione a vite trapezoidale. Qui viene confrontato il comportamento del coefficiente di attrito tra una vite filettata rullata e una filettata a vortice. Il profilo di velocità risultante all’interno di un ciclo di carico è composto da una fase di accelerazione, una fase a velocità costante e una fase di decelerazione – sia per il sollevamento che per l’abbassamento. In particolare, nel punto di inversione della direzione, si favorisce l’insorgere dell’effetto stick-slip, che si manifesta a basse velocità. Questo fenomeno si verifica quando le superfici in attrito si bloccano temporaneamente per poi scivolare improvvisamente, causando vibrazioni che si traducono in una maggiore variazione del coefficiente di attrito [2]. Il valore medio del coefficiente di attrito aumenta significativamente all’inizio del test, raggiunge un massimo dopo circa 2.000 cicli di carico e poi diminuisce dopo circa 8.000 cicli fino a stabilizzarsi su un livello costante. Questo comportamento è noto come fase di rodaggio e descrive la variazione generale del coefficiente di attrito nel corso del test, a seconda del sistema tribologico in esame [3].

Un netto miglioramento delle proprietà tribologiche è stato osservato nella vite trapezoidale filettata a vortice con la struttura superficiale integrata. Questa ha permesso sia di ridurre la fase di rodaggio di circa il 44% sia di abbassare in modo permanente il coefficiente di attrito a un livello inferiore di μm = 0,085. Ciò corrisponde a una riduzione del 25,5% rispetto alla vite filettata rullata. Tuttavia, in questo sistema tribologico, non è stato possibile eliminare completamente la fase di rodaggio per questa tipologia di filettatura.

Influenza delle strutture superficiali sull’usura

La durata di vita della vite trapezoidale è fortemente influenzata dall’usura che si verifica nel contatto tra le due superfici in attrito. Per identificare i meccanismi di usura presenti sulla vite filettata, la superficie del fianco portante è stata analizzata nel corso di 20.000 cicli di carico con un’alimentazione regolare di lubrificante e successivamente è stato esaminato il quadro dell’usura sul fianco portante (Immagine 5). L’analisi ha rivelato differenze significative nel comportamento dell’usura in relazione alle strutture superficiali presenti sul fianco portante. Le viti filettate rullate, prive di microstrutture superficiali sul fianco portante, mostrano accumuli adesivi pronunciati, causati da un evidente asportazione di materiale per usura adesiva della madrevite. Con l’aumento dell’altezza delle microstrutture, la percentuale di superficie interessata dall’usura adesiva si riduce significativamente (Immagine 5).

A causa della bassa velocità di scorrimento e dell’elevata pressione di contatto nel sistema tribologico, l’attrito presente in questo contesto si colloca tra l’attrito solido e l’attrito misto. Grazie alla struttura superficiale pronunciata (Immagine 6, destra), il numero di microcontatti può essere ridotto rispetto alla topografia superficiale non strutturata (Immagine 6, sinistra). Di conseguenza, la presenza delle strutture superficiali comporta una minore percentuale di attrito solido. Una struttura superficiale più marcata sulla flangia della filettatura è in grado di trattenere una maggiore quantità di lubrificante. Grazie a queste strutture, l’usura adesiva sulla flangia della filettatura è stata ridotta al 10,1%, rispetto al 36,3% registrato su una vite filettata rullata.

Nel contatto tra superfici di materiali metallici diversi, si verifica un trasferimento di materiale dal corpo con minore coesione (in questo caso la madrevite) al corpo con maggiore coesione (in questo caso la vite filettata) [4]. La presenza di lubrificante nel contatto tribologico riduce il numero di asperità che entrano in contatto diretto. Con il progredire del carico sulla superficie di contatto della madrevite, si verifica il distacco di particelle, che si depositano sulle asperità della superficie del fianco portante della filettatura. Queste particelle formano gradualmente uno strato sui punti di contatto del fianco portante, impedendo un contatto diretto tra il materiale della vite e quello della madrevite. Questo processo continua fino a raggiungere uno stato stazionario, in cui non si verificano ulteriori depositi sulla superficie del fianco portante. Questo meccanismo determina il comportamento di rodaggio, che termina quando le asperità di contatto sono completamente coperte da strati di adesione, portando a una condizione statica. Questo stato influisce anche sul valore del coefficiente di attrito. La superficie iniziale non subisce usura abrasiva durante il movimento di sollevamento.

Prospettive e possibilità di applicazione

Nel confronto con le viti filettate rullate, è stato dimostrato che le strutture superficiali sul fianco portante di una vite filettata per sistemi di sollevamento per carichi pesanti offrono un valore aggiunto significativo. Grazie al processo di filettatura a vortice, è possibile generare una maggiore varietà di strutture superficiali. Inoltre, è stato dimostrato che la superficie della vite filettata subisce un’usura estremamente ridotta, permettendo alle microstrutture sulla flangia portante di rimanere pressoché intatte anche dopo una durata d’uso simulata di 10 anni. L’Immagine 7 illustra i tre principali vantaggi delle flangie portanti microstrutturate per la progettazione e la costruzione di viti trapezoidali.

Grazie alla regolazione mirata delle strutture superficiali sulla flangia della filettatura, è possibile ottenere una riduzione del coefficiente di attrito del 25,5%. Nell’esempio di un sistema di sollevamento per carichi pesanti, questa riduzione del coefficiente di attrito comporta, considerando il tipo di supporto della struttura di sollevamento, una diminuzione proporzionale del consumo energetico, poiché il contatto d’attrito tra la vite e la madrevite è un fattore determinante per il rendimento complessivo.

Un altro aspetto rilevante è la riduzione dell’usura della madrevite. In queste analisi, l’usura della madrevite è stata valutata indirettamente attraverso le deposizioni adesive sulla flangia portante. Poiché la quantità di deposizioni adesive si è ridotta a circa il 10% della superficie del fianco portante, si può dedurre che il numero di microcontatti tra le superfici in attrito e, di conseguenza, l’usura della madrevite siano diminuiti. La riduzione dell’adesione sulla flangia portante suggerisce quindi una diminuzione complessiva dell’usura della madrevite. Questo comporta una riduzione dei costi di manutenzione e un aumento della durata dell’intero sistema a vite trapezoidale.

Il terzo e decisivo vantaggio delle flangie portanti microstrutturate in una trasmissione a vite riguarda la progettazione del motore di azionamento. Grazie alla riduzione del coefficiente di attrito del 25%, è possibile considerare un minor momento d’attrito nella fase di progettazione.

Ciò consente la scelta di un motore di dimensioni inferiori, riducendo il consumo energetico dell’intero sistema e abbassando significativamente i costi di investimento per l’intera unità di sollevamento. Tuttavia, per ottenere questo vantaggio, è necessario ridurre la fase di rodaggio e garantire un coefficiente di attrito costante per l’intera durata operativa.

Ulteriori ricerche permetteranno di ottimizzare la struttura superficiale in funzione della geometria della filettatura. Il processo per la creazione di queste strutture superficiali mirate è attualmente in fase di brevetto da parte dei partner del progetto.

In questo modo sarà possibile adattare ancora meglio la struttura superficiale alle specifiche esigenze del sistema tribologico. Un ulteriore aspetto per la futura ricerca e sviluppo è la modifica della topografia superficiale della madrevite per compensare in modo mirato la fase di rodaggio. Con un coefficiente di attrito costantemente ridotto, sarebbe possibile diminuire ulteriormente le dimensioni del motore di azionamento in fase di progettazione. Questi aspetti saranno affrontati in un futuro progetto di ricerca congiunto tra Bornemann Gewindetechnik e l’IFW.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il ZIM per il finanziamento del progetto TopGewinde – Topografie superficiali ottimizzate tribologicamente per l’aumento della durata dei sistemi filettati attraverso il processo di filettatura a vortice.

Inoltre, ringraziano Hans Bornemann e Moritz von Soden dell’azienda Bornemann Gewindetechnik per l’ottima collaborazione nel progetto di ricerca.

Letteratura

1. Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
2. Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
3. 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
4. Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.

Contatto

Christian Wege, M. Eng.
Istituto per la Tecnologia di Produzione e le Macchine Utensili della Leibniz Universität Hannover
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de

• Konstruktion, 12/2024