Ottimizzazione superficiale delle viti trapezoidali – analisi tribologica e applicazione

Le viti filettate trapezoidali sono ideali per sostenere carichi pesanti e vengono spesso impiegate nei sistemi di sollevamento. Nell’ambito di un progetto di cooperazione tra l’Istituto per la Tecnologia di Produzione e le Macchine Utensili (IFW) e l’azienda Bornemann Gewindetechnik, è stata studiata una modifica del processo di filettatura a vortice per ottimizzare le proprietà tribologiche delle viti filettate. L’impiego di microstrutture realizzate mediante filettatura a vortice può ridurre le perdite per attrito del 25,5% e diminuire significativamente l’usura adesiva.

1 Introduzione

Per la produzione di viti filettate lunghe, spesso utilizzate nei sistemi di sollevamento, sono disponibili vari procedimenti di fabbricazione, tra cui la rullatura delle filettature e la filettatura a vortice [1]. Nella progettazione del processo di produzione per elementi meccanici standardizzati come le viti trapezoidali, il comportamento in esercizio e la durata non vengono presi in considerazione [2].

Nella progettazione di superfici soggette ad attrito radente, è importante tenere in considerazione i regimi di attrito – attrito limite, attrito misto e attrito fluido – classificati tramite la curva di Stribeck [3]. In condizioni idrodinamiche, la forza viene trasmessa dal film di lubrificante, mentre la forza d’attrito è generata dall’attrito interno del lubrificante stesso [3–5]. Tale attrito è proporzionale all’area di contatto, alla viscosità del lubrificante e al tasso di taglio dello spessore del film lubrificante. Nel caso dell’attrito misto, il film lubrificante è interrotto in alcuni punti da singole asperità, che contribuiscono così alla trasmissione del carico [4]. In particolare, alle basse velocità di scorrimento, ciò rappresenta uno svantaggio in termini di instaurazione e mantenimento del regime di lubrificazione idrodinamica [6].

Il contatto diretto tra i due elementi tribologici può portare ad un aumento del consumo energetico [7]. Le microstrutture possono avere effetti vantaggiosi attraverso diversi meccanismi. Ad esempio, esse possono fungere da riserve di lubrificante [8] e le elevazioni localizzate nel film lubrificante possono portare ad un aumento della pressione di cuscinetto quando il lubrificante le attraversa [9]. Nelle microstrutture definite può infatti formarsi una pressione idrodinamica. Sia gli effetti di cavitazione [4] sia la formazione di pressione di cuscinetto in microstrutture successive giocano un ruolo in questo contesto [10, 11]. Queste ricerche indicano che la topografia superficiale delle viti trapezoidali offre un grande potenziale per la riduzione dell’attrito grazie alle microstrutture, considerato il contatto radente ad alto carico. Le microstrutture per ridurre le perdite d’attrito nei contatti radenti possono essere indotte tramite processi produttivi quali la fresatura a scorrimento o la marcatura laser [10, 12].

Il processo di filettatura a vortice, in quanto metodo di fabbricazione per asportazione di truciolo, offre un notevole potenziale per una microstrutturazione integrata nel processo, raggiungendo ad esempio una produttività nettamente superiore rispetto alla fresatura delle filettature [1, 13]. Studi sulla strutturazione superficiale mediante filettatura a vortice sono stati finora condotti solo come processo di strutturazione aggiuntivo e non come funzionalizzazione integrata della topografia superficiale [14]. Esistono diversi approcci per la microstrutturazione come processo produttivo separato [12, 15], tuttavia essi richiedono un notevole sforzo di integrazione a causa di una fase di processo supplementare. In uno studio, Denkena et al. hanno evidenziato un miglioramento delle proprietà tribologiche di superfici soggette a elevate sollecitazioni termomeccaniche, come ad esempio nei cilindri di scorrimento, grazie alla microstrutturazione [12]. Il processo di filettatura a vortice, in quanto procedura di fabbricazione per asportazione di truciolo, offre un potenziale specifico per la funzionalizzazione grazie alle strutture superficiali generate sul fianco della filettatura (Immagine 1).

Una sfida specifica nell’impiego di elementi tribologici metallici in contatto radente è l’insorgenza di adesione in presenza di una lubrificazione insufficiente o di sovraccarico. Ciò può portare ad un’usura adesiva della controparte di attrito con minore durezza e ad un trasferimento di materiale verso la controparte di attrito con maggiore durezza nel contatto radente [7, 17]. La topografia superficiale e l’area di contatto reale nel contatto radente giocano un ruolo decisivo nel rischio di adesione descritto in presenza di lubrificazione insufficiente [7, 16, 17]. Il contatto diretto tra i due elementi in attrito è una condizione fondamentale per l’adesione e viene definito dal numero totale di microcontatti.

Nei contatti radenti sottoposti ad alta pressione superficiale, lo spessore del film lubrificante si riduce, causando una transizione dall’attrito misto a quello limite, con conseguente aumento del coefficiente di attrito [3]. Denkena et al. hanno inoltre dimostrato che microstrutture di ridotta profondità possono ridurre il coefficiente di attrito e favorire il passaggio al regime di attrito misto, in cui coesistono attrito solido e attrito fluido [12]. Per elementi tribologici in bronzo per acciai, una profondità della struttura superficiale compresa tra 2 e 5 μm si è rivelata particolarmente vantaggiosa per la riduzione dell’attrito [16]. Un ulteriore fenomeno che può verificarsi in presenza di una lubrificazione insufficiente o a basse velocità relative è l’effetto stick-slip, il quale porta ad un’adesione temporanea dei componenti tribologici seguita da un successivo scorrimento [18]. L’insorgenza frequente dell’effetto stick-slip, dovuta a carenza di lubrificante, comporta un aumento dell’usura adesiva e, conseguentemente, un precoce cedimento dei componenti [19].

L’influenza delle microstrutture sul fianco portante delle viti trapezoidali sottoposte a elevati carichi non è ancora stata studiata, sebbene offra un grande potenziale per aumentare l’efficienza mediante la riduzione delle perdite per attrito. Al momento, non sono disponibili conoscenze sull’effetto delle microstrutture sull’usura nel sistema vite-madrevite. L’obiettivo di questo articolo è quindi di colmare tale lacuna e di indagare l’influenza delle strutture superficiali, generate mediante filettatura a vortice, sul comportamento tribologico di viti trapezoidali soggette a elevati carichi in sistemi di sollevamento per carichi pesanti in condizioni reali. Lo studio prenderà in esame un processo di filettatura a vortice appositamente sviluppato per una microstrutturazione integrata nel processo. Nell’ambito dell’indagine verranno presentate diverse strutture superficiali, valutandone l’influenza sulla riduzione dell’attrito nell’intero sistema e la capacità di trattenere il lubrificante sulla superficie, impedendo così la formazione di depositi adesivi sulla vite e l’usura adesiva della madrevite.

2 Setup sperimentale

2.1 Prova tribologica

Il banco di prova mostrato nell’Immagine 2 è utilizzato per studiare l’influenza della topografia superficiale sui fianchi della filettatura in relazione al comportamento tribologico. Le viti di prova con filettatura Tr80×10 mm sono state fatte oscillare con una frequenza di f = 0,81 Hz su un angolo di ν = 15°. La rotazione di un ciclo di carico corrisponde ad una corsa traslazionale della vite filettata di 0,42 mm. Con questa configurazione, la vite filettata è stata sottoposta ad una forza peso di FG = 91,3 kN durante le fasi di sollevamento e abbassamento. Questo corrisponde ad una pressione superficiale di p = 5,0 N/mm², che rientra nell’intervallo di carico massimo per le trasmissioni a vite trapezoidale nei sistemi di sollevamento per carichi pesanti. Per questa applicazione è stato scelto il materiale della madrevite G-CuSn 7 ZnPb. Come lubrificante è stato utilizzato il grasso DGM HTF 940, particolarmente adatto per applicazioni in cuscinetti a scorrimento. La lubrificazione durante il test è stata effettuata in base ad un intervallo di manutenzione di un mese, corrispondente alla lubrificazione della struttura vite-madrevite ogni 167 cicli. Il banco di prova è stato allestito da Sincotec, che è anche il produttore del sensore di forza Interface 125 kN e del sensore di coppia SincoTec 1200 Nm.

Lo stato di usura delle superfici è stato analizzato per caratterizzare le proprietà di attrito di diverse topografie superficiali e delle relative strutture. A tale scopo, le viti sono state successivamente sezionate con un troncatrice. Con 20.000 cicli di carico, è stata riprodotta sperimentalmente una durata di 10 anni per le viti filettate esaminate.

Per lo studio del comportamento tribologico sono state preparate quattro viti filettate, con le quali sono stati confrontati diversi parametri di processo nel metodo di filettatura a vortice rispetto a una vite filettata rullata (Tabella 1). Per le viti filettate a vortice, i parametri di processo sono stati scelti in modo da ottenere gradazioni definite nelle altezze della struttura superficiale sui fianchi filettati sottoposti a carico. La serie di test 1 comprende viti filettate rullate, prodotte mediante il processo di laminazione continuo. I parametri di processo specifici si basano sull’esperienza di Bornemann. La serie di test 2 è stata condotta con parametri di processo filettati a vortice che corrispondono allo stato dell’arte e funge da ulteriore riferimento per la nuova struttura superficiale sviluppata.

Nelle serie di test 3 e 4 sono state prodotte le strutture superficiali sviluppate in questo studio in due fasi, al fine di aumentare sia l’altezza della struttura superficiale (yf) che la lunghezza della struttura superficiale (sf). Un aumento di questi due parametri strutturali porta a una maggiore capacità di trattenere il lubrificante sulla superficie. La serie di test 3 mostra un’altezza teorica della struttura di yf = 2,31 μm con una distanza strutturale di sf = 3,67 μm. Nella serie di test 4, i parametri strutturali sono ulteriormente accentuati, con yf = 3,61 μm e sf = 4,59 μm. Ciò evidenzia in modo netto la limitata possibilità di regolazione delle strutture imposta dal processo di filettatura a vortice: un aumento dell’altezza della struttura yf porta inevitabilmente ad un aumento della lunghezza della struttura sf.

2.2 Misurazione della struttura superficiale

Il sistema di misurazione ottico Duo Vario della Confovis GmbH viene utilizzato per l’analisi delle topografie superficiali 3D generate sperimentalmente. Le topografie superficiali vengono rilevate tramite microscopia confocale a luce bianca. La misurazione confocale è stata eseguita con un obiettivo Nikon 20×/0,45 NA. Per l’analisi delle superfici laterali è stata impiegata una risoluzione laterale di 0,20 μm. L’area misurata, con una larghezza di 2,26 mm e una lunghezza di 8,71 mm, è stata acquisita a una risoluzione di 0,28 μm. Le viti filettate generate sperimentalmente sono state allineate in una posizione di misura ortogonale rispetto al fianco della filettatura.

3 Applicazione e caratterizzazione della topografia superficiale

I seguenti risultati mostrano come la topografia superficiale del fianco della filettatura possa essere regolata in modo mirato mediante il processo di filettatura a vortice e come essa si differenzi dalla topografia limitata ottenuta con il processo di rullatura. L’Immagine 3 mostra le topografie superficiali del fianco di una vite filettata trapezoidale rullata in confronto a quella di una vite filettata a vortice.

La topografia superficiale della serie di test 1 mostra che durante la filettatura a rullatura non viene prodotta alcuna texture superficiale. La vite filettata a vortice della serie di test 2 non presenta differenze significative nella topografia superficiale rispetto alla serie di test 1 e non è riconoscibile alcuna texture. Adattando specificamente il processo di filettatura a vortice, è stato possibile ottenere texture superficiali notevolmente più marcate nelle serie di test 3 e 4. In queste serie, l’altezza della texture (yf) e la lunghezza della texture (sf) sono state aumentate progressivamente per produrre texture con una bassa percentuale di picchi, minimizzando così il contatto solido diretto tra le superfici degli elementi tribologici. La maggiore distanza tra i picchi delle texture consente di trattenere il lubrificante nelle depressioni del profilo di rugosità.

A causa dell’insorgenza di effetti di rugosità stocastica durante la lavorazione, che influenzano la superficie tecnica come deviazioni di forma di quarto grado, la texture superficiale meno marcata della serie di test 2 risulta sovrapposta. A causa di questa sovrapposizione, i parametri di texture sono difficili da determinare e presentano una bassa altezza della texture (yf = 0,82 μm) e una lunghezza della texture (sf = 1,63 mm). In pratica, la serie di test 2, a causa di questa ridotta texture superficiale, non si differenzia dal campione rullato. Gli effetti di rugosità stocastica durante il processo di filettatura a vortice sono principalmente causati dalla rugosità presente sul bordo tagliente dell’utensile per filettatura a vortice, noto anche come scheggiatura, che si forma come una forma negativa sulla superficie appena creata durante la lavorazione [20]. La topografia delle serie di test 3 e 4 mostra caratteristici solchi ricorrenti, generati dalle scheggiature. Se l’altezza della texture (yf) è inferiore alla rugosità Rz presente sul bordo tagliente dell’utensile, la texture risulta sovrapposta e la caratteristica texture del processo di filettatura a vortice non si manifesta. Ciò si osserva nei profili di rugosità sui fianchi della filettatura (Immagine 4).

La misurazione risulta inoltre distorta dal fatto che la forma filettata, approssimata matematicamente, viene sottratta dalla topografia superficiale, con il risultato che le texture ai margini dell’area misurata presentano un’altezza leggermente inferiore (Immagine 3 e 4).

4 Valutazione tribologica

Gli effetti delle texture superficiali ottenute mediante filettatura a vortice sul sistema tribologico di vite e madrevite in viti trapezoidali per sistemi di sollevamento pesanti sono stati analizzati con il banco di prova descritto nella sezione 2.2. Nella progettazione delle viti trapezoidali, per ragioni di semplificazione, il coefficiente di attrito viene spesso assunto come costante. Tuttavia, il coefficiente di attrito non può essere considerato una proprietà intrinseca del materiale, poiché è influenzato da tutti i componenti del sistema tribologico. Per caratterizzare l’influenza della topografia superficiale su questo sistema, tutte le variabili influenti sono mantenute costanti; solo la texture superficiale indotta dal processo produttivo viene variata nelle serie di test.

4.1 Indagine del coefficiente di attrito

Nei sistemi di sollevamento per carichi pesanti, le viti di movimento sono generalmente disposte verticalmente, in modo che un fianco filettato sottoposto a carico venga sollecitato sia durante le fasi di sollevamento che di abbassamento. Per il calcolo del coefficiente di attrito in una vite trapezoidale è possibile ricorrere al concetto di attrito su una superficie inclinata [21]. La forza normale FN può essere calcolata a partire dalla forza peso FG, mentre la forza d’attrito FR si ricava dal momento d’attrito necessario per il movimento rotatorio, in base alle relazioni geometriche. Ciò comporta un notevole aumento del momento d’attrito richiesto durante la fase di sollevamento. Poiché il momento d’attrito viene misurato nel banco di prova e la forza peso FG è impostata su un valore costante, il coefficiente di attrito μ può essere calcolato a partire da queste variabili. La determinazione separata del coefficiente di attrito μ per le fasi di sollevamento e abbassamento è resa possibile grazie alla considerazione delle differenti orientazioni delle componenti di forza. L’andamento esemplificativo del coefficiente di attrito per queste due modalità di movimento, per la vite filettata rullata della serie di test 1, è mostrato in Immagine 5. Tenendo conto delle differenti orientazioni delle forze, entrambe le fasi presentano un andamento simile del coefficiente di attrito. Nonostante il maggior momento d’attrito richiesto per il sollevamento, si osserva un comportamento caratteristico del coefficiente di attrito che, per una vite trapezoidale, si manifesta nel corso di 20.000 cicli di carico. Il coefficiente di attrito medio per entrambe le modalità di movimento aumenta significativamente all’inizio del test, raggiunge un massimo dopo circa 2000 cicli e poi decresce per stabilizzarsi a circa 8000 cicli, comportamento definito come fase di rodaggio, che descrive la variazione generale del coefficiente di attrito durante l’intero test, in funzione del sistema tribologico [22]. Il movimento oscillatorio su un breve intervallo angolare simula una breve corsa di sollevamento e abbassamento in un singolo ciclo di carico. Il profilo di velocità risultante in un ciclo di carico è costituito da una fase di accelerazione, una fase a velocità costante e una fase di decelerazione, sia per il sollevamento che per l’abbassamento. L’effetto stick-slip, che si manifesta a basse velocità, è particolarmente favorito nel punto di inversione della direzione. Tale fenomeno si traduce in un breve attaccamento delle superfici, seguito da un improvviso scorrimento degli elementi tribologici. Questo comportamento può generare vibrazioni, che si riflettono in una maggiore deviazione del coefficiente di attrito [19]. In Immagine 5 tale effetto si manifesta con una maggiore variabilità entro i primi 5000 cicli di carico.

Un coefficiente di attrito costante per il filettato trapezoidale Tr80×10 mm studiato viene raggiunto dopo circa 8000 cicli di carico. Durante la fase di rodaggio, si osserva un iniziale aumento del coefficiente di attrito nelle prove delle viti trapezoidali rullate, accompagnato da una notevole deviazione del coefficiente di attrito. Il valore massimo del coefficiente è associato alla maggiore deviazione, il che indica un aumento dell’insorgenza dell’effetto stick-slip, che può portare a un’usura adesiva più marcata. Considerando la similitudine degli andamenti dei coefficienti di attrito per entrambe le modalità di movimento, in seguito verrà preso in esame soltanto il movimento di sollevamento, che richiede una maggiore intensità di forza.

Esiste una netta differenza negli andamenti dei coefficienti di attrito delle superfici rappresentate nell’Immagine 3. Mentre le serie di test 1 e 2 differiscono per i processi produttivi – filettatura a rullatura e filettatura a vortice – entrambi i campioni presentano una topografia superficiale simile, con quasi nessuna texture superficiale (Immagine 3). Questa similarità si riflette anche negli andamenti dei coefficienti di attrito (Immagine 6). Mentre il coefficiente di attrito della serie di test 1 presenta un massimo significativo, nella serie di test 2 non si osserva alcun massimo durante il test. In entrambi i test, tuttavia, viene raggiunto un livello costante dopo un numero simile di cicli di carico (L ≈ 8000).

Il coefficiente medio di attrito μm durante l’intera durata del test assume un valore simile per entrambi i test. Una fase di rodaggio si verifica sia nella vite filettata a vortice sia in quella rullata, portando successivamente a un coefficiente di attrito molto costante con una bassa deviazione, a un livello di μ = 0,1. Nella serie di test 3, con un’altezza della texture di yf = 2,31 μm, si osserva una fase di rodaggio significativamente più breve, che si completa dopo circa 4500 cicli di carico. Il coefficiente medio di attrito μm può essere ridotto nella serie di test 3 a μm = 0,098, in confronto alla vite rullata (μm = 0,115) e a quella filettata a vortice non texturizzata (μm = 0,112), il che corrisponde a una riduzione del coefficiente di attrito del 14,6%. Una riduzione ancora più marcata si osserva nella serie di test 4 (yf = 3,61 μm), in cui la texture superficiale introdotta riduce sia il comportamento di rodaggio del circa 44% sia il coefficiente di attrito in modo permanente a un livello inferiore di μm = 0,085, pari a una riduzione del 25,5% rispetto alla vite rullata. Tuttavia, con questa filettatura, nel sistema tribologico descritto, non è stata possibile una completa eliminazione della fase di rodaggio.

4.2 Analisi dell’usura adesiva

L’usura che si verifica quando vite e madrevite entrano in contatto è determinante per la durata della trasmissione a vite trapezoidale. Per identificare i meccanismi di usura che si manifestano sulla vite filettata guida, la superficie del fianco filettato sottoposto a carico è stata analizzata dopo 20.000 cicli di carico con una forza peso di FG = 91,3 kN e con una lubrificazione regolare (Immagine 7). Al termine del test, le serie di test mostrano un quadro d’usura nettamente differente, a seconda della struttura superficiale del fianco filettato sottoposto a carico. Le serie di test 1 e 2, eseguite senza texture superficiali sul fianco filettato, presentano marcate deposizioni adesive sul fianco della vite, dovute a un consistente asportazione o usura adesiva del materiale della madrevite. Con l’aumento dell’altezza della struttura, passando dalla serie di test 3 alla serie di test 4, il grado di usura adesiva diminuisce sensibilmente (Immagine 7).

Per caratterizzare la porzione del fianco filettato sottoposto a carico che è coperta da depositi adesivi, è stata condotta un’analisi cromatica di immagini microscopiche, al fine di quantificare le deposizioni prevalentemente rosse, causate dal contenuto di rame nel materiale G-CuSn 7 ZnPb. L’elaborazione della percentuale di adesione in relazione all’area del fianco filettato sottoposto a carico mostra che la vite trapezoidale rullata presenta la percentuale di adesione più elevata, pari al 36,3% (Immagine 8). La serie di test 2, con i fianchi filettati a vortice, evidenzia la maggiore deviazione dell’area coperta, pari al 27,4% con una deviazione standard del 13,1%. Al termine della durata operativa simulata, la superficie di questa serie di test risulta coperta in alcune zone da residui adesivi fino al 45,4%. Il quadro d’usura della serie di test 4 evidenzia che un’altezza della texture di yf = 3,61 μm riduce la percentuale di usura adesiva, limitandola alle aree dei picchi di rugosità (Immagine 8a). La serie di test 2, con i fianchi filettati a vortice, mostra la più ampia variazione dell’area coperta, con il 27,4% e una deviazione standard del 13,1%. Al termine della durata operativa simulata, la superficie di questa serie di test risulta in alcune zone coperta fino al 45,4% da residui adesivi. Il quadro d’usura della serie di test 4 evidenzia chiaramente che una texture con altezza di yf = 3,61 μm riduce la percentuale di usura adesiva, concentrandola nelle aree dei picchi di rugosità (Fig. 8a).

A causa della bassa velocità di scorrimento e dell’elevata pressione superficiale nel contatto tribologico, l’attrito nel sistema tribologico viene distinto tra attrito solido e attrito misto.

L’usura adesiva sul fianco filettato si è ridotta, nelle superfici filettate a vortice, rispetto alla vite filettata rullata, passando dal 36,3% al 13,6% nella serie di test 3 e ulteriormente al 10,1% nella serie di test 4. Tra i picchi di rugosità ben definiti, caratterizzati da una texture superficiale marcata, non si verifica alcun attaccamento. A causa delle proprietà del rivestimento adesivo, si può presumere che vi sia una transizione dal regime di attrito limite a quello misto. Secondo Wang et al., una minore quantità di picchi di rugosità, o in questo caso solo i picchi delle texture superficiali, può contribuire a ridurre il coefficiente di attrito [4]. In queste aree, la superficie originale, ottenuta mediante il processo di filettatura a vortice, rimane intatta.

La disposizione successiva delle microtexture può favorire la formazione di un film lubrificante di spessore ridotto, come descritto in [10]. Grazie alla riduzione dell’attrito solido su tutta l’area di contatto, è richiesto un momento d’attrito inferiore per il movimento della vite filettata. Il lubrificante può essere trattenuto nelle aree caratterizzate da una texture superficiale marcata, aumentando così lo spessore del film lubrificante e generando attrito fluido, che impedisce il contatto diretto tra le superfici. Il contatto diretto tra le asperità degli elementi tribologici è una possibile causa di usura adesiva [19].

A seguito delle texture superficiali più marcate (Fig. 9b), la percentuale di attrito solido diminuisce rispetto alla topografia superficiale non strutturata (Fig. 9a). Una texture superficiale più accentuata sul fianco della filettatura può trattenere una maggiore quantità di lubrificante.

Quando avviene il contatto tra elementi tribologici realizzati in metalli differenti, 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 [3]. Il lubrificante aggiuntivo nel contatto tribologico porta a un minor numero di asperità in contatto. La formazione di depositi adesivi sul fianco filettato sottoposto a carico è rappresentata schematicamente in Fig. 9c. Il progressivo sollevamento della superficie di contatto della madrevite porta al distacco di particelle che si depositano sulle asperità in contatto del fianco filettato sottoposto a carico. Queste particelle formano progressivamente uno strato sulle aree di contatto del fianco filettato (Fig. 10) impedendo il contatto diretto tra il materiale della vite e quello della madrevite. Tale processo continua fino al raggiungimento di uno stato stazionario in cui non avviene più il trasferimento di materiale dagli strati superficiali di confine della madrevite al fianco filettato sottoposto a carico. Questo processo influenza il comportamento di rodaggio, che evolve in uno stato stazionario quando le asperità in contatto sono coperte da depositi adesivi, influenzando così il coefficiente di attrito. La Fig. 10 mostra che i depositi hanno un’altezza di circa 2 μm e che non si osserva alcuna usura abrasiva della superficie iniziale del fianco filettato sottoposto a carico.

5 Conclusioni e prospettive

Nell’ambito di questo studio sono state impostate tre diverse topografie superficiali mediante il processo di filettatura a vortice e sono state esaminate le loro proprietà tribologiche nelle viti filettate trapezoidali. Oltre alla misurazione del coefficiente di attrito, è stato analizzato il quadro d’usura sui fianchi filettati sottoposti a carico e quantificati i depositi adesivi.

Rispetto alle viti filettate rullate, è emerso che le strutture superficiali sul fianco filettato sottoposto a carico di una vite impiegata in sistemi di sollevamento per carichi pesanti offrono un notevole valore aggiunto. Il processo di filettatura a vortice consente la produzione di una più ampia varietà di strutture superficiali, portando a una riduzione del coefficiente di attrito del 25,5%. Questa riduzione comporta una diminuzione proporzionale del consumo energetico dell’intero sistema, considerando la specifica configurazione di supporto del sistema di sollevamento, poiché il rendimento è fortemente influenzato dal contatto d’attrito tra la vite e la madrevite. Inoltre, è stato dimostrato che la superficie originariamente texturizzata tramite il processo di filettatura a vortice rimane in gran parte intatta anche dopo una durata operativa simulata di 10 anni. Ciò suggerisce che la percentuale di attrito solido, in cui le asperità di rugosità di vite e madrevite sono in contatto diretto, possa essere stata ridotta. Con le texture superficiali presentate, l’usura adesiva sul fianco filettato è stata abbassata nella serie di test 4 al 10,1%, rispetto al 36,3% osservato in una vite filettata rullata.

Nonostante nel test sia stata simulata l’intera durata operativa di una vite filettata corrispondente a 10 anni, la durata della madrevite non è stata rappresentata. Mentre solo una parte della vite è esposta a contatto tribologico, l’interno della madrevite è soggetto a un carico continuo, comportando un’esposizione significativamente più prolungata alle interazioni tribologiche. Le indagini future potrebbero focalizzarsi maggiormente su questo aspetto del sistema di attrito, soprattutto considerando la sfida rappresentata dalla misurazione dell’usura della madrevite. Un ulteriore effetto positivo di una vite filettata con una texture superficiale marcata potrebbe essere la riduzione dell’usura del corpo in attrito opposto, in questo caso la madrevite.

Riferimenti

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

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il Ministero Federale dell’Economia e della Protezione del Clima (BMWK) per il finanziamento e il partner di progetto Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG per la collaborazione costruttiva e profonda.

Finanziamento

Le indagini sono state finanziate dal Ministero Federale dell’Economia e della Protezione del Clima (BMWK) nell’ambito del finanziamento centrale per l’innovazione.

Contributo degli autori

B. Denkena, insieme a B. Bergmann, ha revisionato e modificato il manoscritto. C. Wege ha sviluppato il concetto di questo lavoro, condotto gli esperimenti, analizzato i dati e redatto il manoscritto. M. von Soden e H. Gereke-Bornemann hanno prodotto gli strumenti e messo a disposizione il banco di prova.

Finanziamento

Il finanziamento Open Access è stato reso possibile e organizzato dal Projekt DEAL.

Conflitto di interessi

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden e H. Gereke-Bornemann dichiarano di non avere conflitti di interesse.

Open Access

Questo articolo è concesso in licenza con la Creative Commons Attribution 4.0 International, che permette l’uso, la condivisione, l’adattamento, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi supporto o formato, a condizione che vengano debitamente indicati gli autori originali e la fonte, fornito un link alla licenza Creative Commons e indicate eventuali modifiche. Le immagini o altri materiali di terzi contenuti in questo articolo sono inclusi nella licenza Creative Commons dell’articolo, salvo diversa indicazione nelle note di fonte relative al materiale. Qualora i materiali non fossero coperti dalla licenza Creative Commons dell’articolo e il vostro uso previsto non fosse consentito dalla normativa vigente o superasse quanto autorizzato, sarà necessario ottenere il permesso direttamente dal titolare dei diritti. Per visualizzare una copia di questa licenza, visitare http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nota dell’editore

Springer Nature rimane neutrale in merito a controversie legali relative alle designazioni geografiche presenti nelle mappe pubblicate e alle affiliazioni istituzionali.

• Springer Nature, 24.05.2024