台形ねじスピンドルの表面最適化 – トライボロジー解析と応用

台形ねじスピンドルは重荷重に最適で、リフティングシステムによく使用されます。生産工学・工作機械研究所（IFW）とBornemann Gewindetechnik社との協力プロジェクトの一環として、ねじスピンドルのトライボロジー特性を最適化するために、ねじホイールの改良が研究されました。旋削加工を施した微細構造を使用することで、摩擦損失を25.5％低減し、接着剤の摩耗を大幅に減らすことができます。

1 はじめに

リフティングシステムで頻繁に使用される長ねじスピンドルの製造には、ねじ転造やねじ回しなど、さまざまな製造工程が利用できる[1]。台形ねじスピンドルのような標準化された機械要素の製造工程を設計する場合、アプリケーションの挙動と耐用年数は考慮されません[2]。

滑り摩擦を受ける表面を設計する際には、境界摩擦、混合摩擦、流体摩擦といった摩擦レジームを考慮することが重要であり、これらはStribeck曲線[3]を用いて分類される。流体力学的な状態では、力は潤滑油膜を介して伝達され、摩擦力は潤滑油の内部摩擦によって発生する[3-5]。これは、接触面積、潤滑油の粘度、潤滑膜厚のせん断速度に比例する。混合摩擦の場合、潤滑膜は個々の粗さのピークによってある箇所で中断され、それが荷重移動に寄与する [4]。特に摺動速度が低い場合、これは流体力学的潤滑条件の確立と維持という点で不利になる [6]。

2つのトライボエレメントが直接接触することで、エネルギー消費が増加する可能性がある[7]。微細構造は、様々なメカニズムを通じて好ましい効果をもたらす可能性がある。例えば、微細構造は潤滑油リザーバーとして機能することがあり[8]、潤滑油膜の局所的な上昇は、潤滑油がその上を流れるときに軸受圧力の上昇につながる可能性がある[9]。流体力学的圧力は、定義された微細構造内に蓄積される可能性があります。ここでは、キャビテーション効果[4]と、連続する微細構造における軸受圧力の蓄積の両方が役割を果たしている[10, 11]。これらの調査から、台形ねじスピンドルの表面形状は、高負荷の摺動接触に起因する微細構造を通じて摩擦を低減する大きな可能性を秘めていることがわかる。摺動接点の摩擦損失を低減する微細構造は、平坦な荒加工やレーザーマーキングなどの製造プロセスによって誘導することができる[10, 12]

製造プロセスとしてのワーリングは、例えばネジ山フライス加工よりも著しく高い生産性を達成するため、プロセス一体型の微細構造化に大きな可能性を提供する[1, 13]。ワーリングによる表面構造化に関する研究は、これまでのところ、追加的な構造化プロセスとしてのみ実施されており、表面構造のプロセス統合的な機能化としては実施されていない[14]。別の製造工程として微細構造を形成するための様々なアプローチがあるが[12, 15]、工程が追加されるため、統合に多大な労力を要する。Denkenaらの研究では、シリンダーライナーのように高い熱機械的負荷にさらされる表面のトライボロジー特性が、微細構造化によって改善されることが示されている[12]。機械加工の製造方法としてのワーリング加工は、ねじ山のフランクに形成される表面構造によって、機能化のための特別な可能性を提供する（図1）。

摺動摩擦に金属トライボカップルを使用する場合の具体的な課題は、潤滑不足や過負荷が発生した場合の付着の発生である。これは、摺動接触において、硬度の低い摩擦相手の粘着摩耗や、硬度の高い摩擦相手への材料移動につながる可能性がある[7, 17]。摺動接触における表面形状と実際の接触面積は、先に述べた潤滑不足による付着のリスクに決定的な役割を果たす[7, 16, 17]。2つの摩擦要素間の直接接触は、付着の基本的な前提条件であり、マイクロ接触の総数によって定義される。

高い面圧を受けるすべり接触では、潤滑油膜の厚さが減少し、混合摩擦から境界摩擦への移行が起こり、摩擦係数の増加を伴う[3]。Denkenaらも、浅い深さの表面構造が摩擦係数の低下と、固体摩擦と流体摩擦の両方が共存する混合摩擦領域への移行をもたらすことを示している[12]。すべり摩擦の鋼青銅トリオ要素では、2～5μmの表面構造の深さが摩擦の低減に特に有利であることが示されている[16]。潤滑が不十分な場合や相対速度が低い場合に発生するもう一つの現象は、スティック・スリップ効果である。この現象は、摺動運動が再び発生するまでの短時間、トライボエレメント同士がくっつくというものである[18]。潤滑油不足によるスティック・スリップ効果の頻繁な発生は、接着摩耗の増加、ひいては構成部品の早期破損につながる[19]。

高荷重下での台形ねじスピンドルの負荷ねじ面に及ぼす微細構造の影響はまだ研究されていないが、摩擦損失を低減することで効率を向上させる大きな可能性がある。また、スピンドル・ナットシステムの摩耗に対する微細構造の影響についても、まだ知見がない。そこで本論文の目的は、このギャップを解決し、実際の条件下で、重量物吊り上げ装置の高負荷台形ねじスピンドルのトライボロジー挙動に及ぼす、ねじの渦巻きによって発生する表面構造の影響を調査することである。この研究では、プロセス一体型微細構造化のために特別に開発されたワーリングプロセスに注目する。この研究の一環として、さまざまな表面構造が提示され、システム全体の摩擦低減に及ぼす影響と、表面に潤滑剤を保持し、スピンドルへの付着物やナットへの付着摩耗を防止する能力が評価される。

2 実験セットアップ

2.1 トライボロジー試験

図2に示す試験装置は、ねじ山の表面形状がトライボロジー挙動に及ぼす影響を調べるために使用した。Tr80×10mmのねじ山を持つ試験スピンドルを、ν=15°の角度にわたってf=0.81Hzの周波数で振動させた。荷重変化の回転は、ねじ付きスピンドルの0.42mmの並進距離に相当する。このセットアップでは、昇降時にネジ付きスピンドルに91.3 kNの荷重がかかった。これはp = 5.0N/mm²の面圧に相当し、ヘビーデューティーリフティングシステムにおける台形ねじ駆動の最大荷重範囲内である。この用途には、ねじナット材料G-CuSn 7 ZnPbが選ばれた。使用された潤滑剤はDGM HTF 940グリースで、特に滑り軸受の用途に適しています。テストシーケンスにおける潤滑は、1ヶ月のメンテナンス間隔に基づいて行われた。この間隔は、スピンドル・ナットアセンブリを167サイクルごとに潤滑することに相当する。試験装置は、力センサーInterface 125 kNとトルクセンサーSincoTec 1200 Nmの製造元でもあるSincotecが設置しました。

異なる表面形状とそれに対応する表面構造の摩擦特性を特徴付けるため、表面の摩耗状態を分析した。この目的のため、スピンドルをカットオフグラインダーで切り開いた。20,000回の負荷サイクルで、分析されたねじスピンドルの10年の耐用年数が実験的にマップされた。

トライボロジー挙動を調査するため、4つのねじ切りスピンドルを準備し、異なるプロセスパラメータをワーリングプロセスを使用した転造スピンドルと比較した（表1）。旋削加工されたねじ切りスピンドルでは、ねじ山の負荷されたねじ山フランクの表面組織の高さの間に明確な勾配が得られるように、プロセスパラメータが選択された。試験シリーズ1は、連続転造プロセスで製造された転造ねじスピンドルです。具体的なプロセスパラメーターは、Bornemannの経験に基づいている。テストシリーズ2は、最新技術に対応するプロセスパラメーターで旋削加工され、新たに開発された表面構造の追加的な参考となった。

試験シリーズ3および4では、表面構造高さyfと表面構造長さsfの両方を増加させるために、本研究で開発した表面構造を2段階で製造した。これら2つの構造パラメータの増加は、表面における潤滑油保持量の増加につながる。試験シリーズ3は、理論的な構造高さyf=2.31μm、構造距離sf=3.67μmを示している。試験シリーズ4では、yf=3.61μm、sf=4.59μmと、構造パラメータがさらに顕著になっている。これは、渦プロセスによる構造体の調整可能性が限られていることを明確に示している。構造体の高さyfの増加は、必然的に構造体の長さsfの増加につながる。

2.2 表面構造の測定

コンフォヴィス社のデュオ・バリオ光学測定システムは、実験的に作成された3D表面形状を分析するために使用される。表面トポグラフィーは共焦点白色光顕微鏡を使って記録される。共焦点測定は、ニコンの20×/0.45-NA対物レンズを使用して行われた。横方向の測定分解能は0.20μmで、側面表面を分析した。幅2.26mm、長さ8.71mmの測定領域が、0.28μmの分解能で記録された。実験的に生成されたねじ軸は、ねじ山形状に対して直交する測定位置に配置された。

3 表面トポグラフィーの応用と特性評価

以下の結果は、ねじ山形状の表面形状をワーリング加工でどのように調整できるか、また、ねじ転造加工の限定された表面形状とどのように異なるかを示している。図3は、転造台形ねじスピンドルのねじ山の表面形状を、ワーリング加工したねじ山と比較して示している。

試験シリーズ1の表面形状は、ねじ転造プロセス中に表面テクスチャーが形成されないことを示している。試験シリーズ2の旋削加工されたねじ軸は、試験シリーズ1と比較して表面形状に大きな違いは見られず、表面テクスチャーも認識できない。ワーリング工程を特別に適合させることによって、試験シリーズ3と4では、著しく顕著な表面テクスチャーを作り出すことができた。これらの試験シリーズでは、テクスチャー高さyfとテクスチャー長さsfを連続的に増加させ、ピークの割合が低い表面テクスチャーを生成し、それによりトライボエレメントの表面間の直接的な固体接触を最小にした。表面テクスチャーのピーク間の距離を大きくすることで、粗さプロファイルの谷間に潤滑油を保持することが可能になる。

加工中の確率的粗さ効果の発生により、4次形状偏差として技術的表面に影響を与え、試験シリーズ2のあまり顕著でない表面テクスチャーが重畳している。この重畳のため、テクスチャー・パラメーターの決定は困難で、テクスチャー高さyf = 0.82μm、テクスチャー長さsf = 1.63mmと低い。事実上、試験シリーズ2は、この低い表面テクスチャのため、圧延サンプルとの違いはない。ワーリング加工中の確率的な粗さの影響は、主にワーリング工具の刃先の粗さによって引き起こされ、チッピングとしても知られている。これは、加工中に新たに生成される表面に負の型として形成される[20]。試験シリーズ3と4の表面形状は、チッピングによって形成された特徴的な繰り返し溝を示している。テクスチャの高さyfがワーリング工具の刃先の粗さRzより小さい場合、テクスチャは重畳され、ワーリング加工の特徴的なテクスチャは発生しない。このことは、ねじ山形状の粗さプロファイル（図4）で見ることができる。

さらに、数学的に近似された糸形状が表面形状から差し引かれるという事実によって測定は歪められ、その結果、測定範囲の端にあるテクスチャはテクスチャの高さがわずかに低くなる（図3および4）。

4 トライボロジー評価

2.2節で説明した試験装置を用いて、重量物吊り上げシステム用台形ねじスピンドルのねじとナットのトライボロジーシステムに及ぼす旋回表面テクスチャの影響を分析した。台形ねじの設計では、単純化のために摩擦係数を一定と仮定することが多い。しかし、摩擦係数はトライボロジーシステムのすべての構成要素の影響を受けるため、材料特性とみなすことはできない。このシステムに対する表面形状の影響を評価するため、影響を与えるすべての変数を一定に保つ。試験シリーズでは、製造工程によって誘発される表面形状のみを変化させた。

4.1 摩擦係数の調査

重荷重用リフティングシステムでは、通常、移動ねじは垂直に配置され、これにより、負荷のかかるねじ山形状は、昇降動作の両方で負荷がかかる。傾斜面上の摩擦は、台形ねじの摩擦係数を計算するために使用することができる[21]。法線力FNは加重力FGから、摩擦力FRは幾何学的関係を用いて回転運動に必要な摩擦トルクから計算することができる。このため、リフティング時に必要とされる摩擦トルクは著しく高くなります。摩擦トルクは試験セットアップで測定され、加重力FGは一定値に設定されているので、摩擦係数μはこれらの変数から計算することができる。力成分の異なる向きを考慮することにより、昇降の摩擦係数μを別々に決定することが可能となる。試験シリーズ1の圧延スピンドルの、これら2種類の運動に対する摩擦係数の例示的な経過を図5に示す。力の向きの違いを考慮すると、どちらのタイプの動きも摩擦係数は同じような曲線を示している。リフティングに必要な駆動トルクが高いにもかかわらず、特徴的な摩擦係数の挙動が見られ、これは20,000負荷サイクルにわたって台形ねじスピンドルで発生する。 両タイプの動きの平均摩擦係数は、試験開始時に著しく増加し、約2000サイクルで最大に達した後、約8000サイクルで一定のレベルまで低下する。この挙動は、慣らし運転段階と呼ばれ、トライボロジーシステムによって異なるが、試験全体における摩擦係数の一般的な変化を表している[22]。小さな角度範囲での振動運動は、荷重変化中の短い昇降距離をシミュレートします。その結果、荷重変化内の速度プロファイルは、加速段階、等速段階、減速段階から構成され、それぞれ昇降を行います。低速で発生するスティック・スリップ効果は、方向転換の折り返し点で特に有利に働く。この効果は、表面の短時間の固着と、それに続くトリボエレメントの急激な滑りで現れる。この動きは振動につながり、摩擦係数の大きな偏差に反映される[19]。図5では、この効果は、最初の5000負荷サイクル内でより大きな偏差という形で観察することができる。

分析した台形ねじTr80×10mmの摩擦係数は、約8000回の負荷サイクルで一定になった。慣らし運転期間中、転造台形ねじの試験では摩擦係数の初期上昇が見られ、これは摩擦係数の高い偏差とも関連している。最も高い摩擦係数は最も大きな偏差と関連しており、これは接着剤の摩耗を増加させるスティック・スリップ効果の発生が増加していることを示している。両者の摩擦係数曲線は類似しているため、以下では、より大きな力を必要とするリフティング運動についてのみ考察する。

図3に示す表面の摩擦係数曲線には明らかな違いがある。試験シリーズ1と2は、糸巻きと糸渦巻きという製造工程が異なるが、どちらのサンプルも表面テクスチャーがほとんどなく、類似した表面形状をしている（図3）。この類似性は摩擦係数曲線にも反映されている（図6）。試験シリーズ1の摩擦係数は顕著な極大値を示したが、試験シリーズ2では試験時間中極大値は観察されなかった。しかし両試験とも、同程度の負荷サイクル数（L≈8000）の後に一定のレベルに達する。

全試験時間にわたる平均摩擦係数μmも、両試験で同様の値をとる。慣らし運転段階は、旋削加工と転造加工を施したねじ軸の両方で発生し、その結果、μ = 0.1のレベルでは、ほとんど偏差のない非常に一定の摩擦係数になる。試験シリーズ3では、テクスチャー高さyf=2.31μmで、かなり短い慣らし運転段階が観察され、これは約4500回の負荷サイクルの後に完了する。平均摩擦係数μmは、転造（μm=0.115）およびテクスチャのない渦巻き状のねじ山形状（μm=0.112）と比較して、試験シリーズ3ではμm=0.098まで減少させることができ、これは摩擦係数の14.6%の減少に相当する。試験シリーズ4(yf = 3.61 μm)では、さらに顕著な減少が見られ、導入された表面テクスチャーは、振れ込み挙動を約44%減少させ、摩擦係数を恒久的にμm = 0.085という低いレベルまで下げ、これは転造ねじスピンドルと比較して25.5%の減少に相当する。しかし、このトライボロジーシステムでは、ねじの振れを完全に低減することはできなかった。

4.2 接着剤の摩耗の分析

スピンドルとナットが接触するときに発生する摩耗は、台形ねじ駆動装置の寿命にとって決定的なものです。ガイドスクリューに発生する摩耗メカニズムを特定するため、FG=91.3 kNの加重力と定期的な潤滑油の供給で20,000回の負荷サイクルを行った後、負荷されたねじ山の表面を調べました（図7）。試験後、試験シリーズでは、負荷されたねじ山の表面構造によって、明らかに異なる摩耗パターンが示された。負荷されたねじ山形面に表面構造がない状態で試験された試験シリーズ1と2では、ねじスピンドルの負荷されたねじ山形面に顕著な付着物が見られます。これは、ナット材料がかなり侵食されるか、接着摩耗することによって引き起こされる。試験シリーズ3から試験シリーズ4にかけて構造物の高さが高くなるにつれて、付着摩耗の程度は顕著に減少している（図7）。

付着物で覆われた負荷されたねじ山形状部の割合を特徴付けるために、顕微鏡画像の色分析を行い、材料G-CuSn 7 ZnPb中の銅含有量に起因する主に赤色の付着物を定量化した。負荷されたねじ山形状での面積に関連した付着率を評価した結果、転造台形ねじスピンドルが36.3%と最も高い付着率を示した（図8）。渦巻きねじ山形状による試験シリーズ2は、付着面積の偏差が最も大きく、27.4 %で、標準偏差は13.1 %であった。実験的にエミュレートされた耐用年数の後、この試験シリーズの表面は、部分的に最大45.4%の付着残留物で覆われている。試験シリーズ4の摩耗パターンは、yf=3.61μmの構造高さによって接着摩耗の割合が減少し、粗さのピークの領域に限定されたことを示している（図8a）。 27.4%、標準偏差13.1%で、渦巻き状の糸面を持つ試験シリーズ2が、覆われた表面積において最も大きな偏差を示している。実験的にシミュレートされた耐用年数の後、この試験シリーズの表面は、部分的に最大45.4%の接着剤残渣で覆われている。試験シリーズ4の摩耗パターンは、yf=3.61μmのテクスチャー高さによって、接着剤の摩耗と粗さのピークの領域のピークの割合が減少することを示している（図8a）。

トライボロジー接触における低滑走速度と高面圧のため、トライボロジーシステムにおける摩擦は固体摩擦と混合摩擦に区別される。

ねじ山形状での粘着磨耗は、転造されたねじ山形状と比較して、旋削されたねじ山形状では、試験シリーズ3では36.3%から13.6%に減少し、試験シリーズ4ではさらに10.1%に減少した。 明らかに顕著な表面粗さのピーク間では、粘着は発生しなかった。粘着コーティングの特性から、境界摩擦領域から混合摩擦領域への移行があると推測できる。Wangらによると、粗さのピークの数が少ないほど、あるいはこの場合は表面のテクスチャのピークのみが少ないほど、摩擦係数の低下につながる可能性がある[4]。このような領域では、渦巻きプロセスによって作られた元の表面がそのまま残る。

また、[10]に記載されているように、マイクロテクスチャを連続的に配置することで、薄い潤滑膜の形成を促進することができる。接触面全体の固体摩擦が減少するため、ねじスピンドルの移動に必要な摩擦トルクが小さくなる。潤滑剤は、顕著な表面構造の部分に蓄えることができ、潤滑剤膜厚を増加させ、表面間の直接接触を防止する流体摩擦を生じさせる。トライボエレメントの粗さピーク間の直接接触は、接着摩耗の原因となる可能性がある[19]。

より顕著な表面テクスチャー（図9b）の結果、固体摩擦の割合は、構造化されていない表面形状（図9a）とは対照的に減少する。ねじ山形状のより顕著な表面テクスチャーは、より多量の潤滑油を吸収することができる。

異なる金属でできたトライボロジー要素が接触すると、凝集性の低い摩擦体（この場合はナット）から凝集性の高いベース体（この場合はねじ付きスピンドル）に材料が移動する[3]。摩擦接触に潤滑剤が追加されると、接触粗さのピークの数が少なくなる。図9cは、負荷されたねじ山形状への付着物の形成を模式的に示しています。ねじナットの接触面に徐々に負荷がかかると、負荷がかかったねじ山の接触粗さのピークに堆積した粒子が剥離する。これらの粒子は次第に、負荷がかかったねじ山の接触面に層を形成し（図10）、ねじとナットの材料が直接接触するのを防ぐ。このプロセスは、静止状態に達し、ナットの表面境界層から負荷されたねじ山形状への材料の移動がなくなるまで続く。このプロセスは慣らし運転挙動に影響し、接触粗さのピークが付着物で覆われると定常状態に変化する。これは摩擦係数に影響する。図10は、付着物の高さが約2μmであり、負荷されたねじ山の初期表面には摩耗がないことを示している。

5 結論と展望

この研究の一環として、ワーリング法を用いて3つの異なる表面形状を調整し、台形ねじスピンドルのトライボロジー特性を調べた。摩擦係数の測定に加え、ねじスピンドルの負荷がかかったねじ山形状の摩耗パターンを分析し、付着物を定量化した。

転造ねじスピンドルと比較して、重荷重用リフティングシステムに使用されるねじスピンドルの負荷されたねじ山フランクの表面構造は、かなりの付加価値を提供することが示されています。ワーリング加工により、より多様な表面構造を作り出すことが可能になり、その結果、摩擦係数が25.5%減少しました。この摩擦係数の低減は、スピンドルとナットの間の摩擦接触によって効率が大きく影響されるため、リフティングシステムの特定のベアリングを考慮に入れると、システム全体のエネルギー消費の比例的な低減につながります。さらに、実験的にシミュレートされた耐用年数が10年であっても、旋削加工によってテクスチャーが形成されたねじ付きスピンドルの元の表面は、ほぼそのままであることが示された。このことは、スピンドルとナットの粗さのピークが直接接触する固体摩擦の割合を減らすことができることを示している。提示された表面テクスチャを用いると、ねじ山フランクの付着摩耗は、転造ねじスピンドルの36.3%に比べ、試験シリーズ4では10.1%に減少した。

この試験では、ねじ付きスピンドルの10年間の耐用年数全体がエミュレートされたが、ねじ付きナットの耐用年数は示されていない。スピンドルの一部だけがトライボロジー的接触にさらされているが、ナットの内ねじは継続的な荷重を受けるため、トライボロジー的相互作用にさらされる時間が大幅に長くなる。今後の研究では、特にナットの摩耗を測定するという課題を考えると、摩擦システムのこの側面にもっと焦点を当てることができるだろう。顕著な表面構造を持つねじ付きスピンドルのもう一つのプラス効果は、対摩擦体（この場合はナット）の摩耗を減らすことであろう。

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謝辞

資金を提供してくださった連邦経済・気候保護省（BMWK）と、建設的かつ緊密な協力をしてくださったプロジェクト・パートナーのBornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KGの建設的かつ緊密な協力に感謝する。

プロモーション

この研究は、連邦経済・気候保護省（BMWK）が中央イノベーション促進プログラムの一環として資金を提供したものである。

著者の貢献

B.デンケナはB.バーグマンとともに原稿を校閲・編集した。C. Wegeはこの研究のコンセプトを練り、実験を行い、データを分析し、原稿を執筆した。M. von SodenとH. Gereke-Bornemannは道具を製作し、実験装置を提供した。

プロモーション

このオープンアクセス・ファンディングは、Project DEALによって実現し、企画された。

利益相反

B. Denkena、B. Bergmann、C. Wege、M. von SodenおよびH. Gereke-Bornemannは、利益相反がないことを宣言している。

オープンアクセス

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• Springer Nature, 24.05.2024