大事なのは表面

ネジ付きスピンドルは、機械工学で広く使用されている設計要素です。高負荷のねじスピンドルは、例えばリフティングジャッキや、特に頑丈なリフティングシステムに使用されます。ここでは主に、旋削加工で製造されたねじスピンドルが使用されます。転造プロセスで製造されたリードスクリューは、表面が滑らかすぎることが多く、スティックスリップ効果を助長し、システム全体の耐用年数に悪影響を及ぼします。

ワーリング加工によって形成されるねじスピンドルの表面形状は、潤滑油の貯蔵庫として機能し、スピンドルとナットの接触における摩擦を低減することができる。ライプニッツ大学ハノーバー校の生産工学・工作機械研究所（IFW）は、旋削加工されたリードスクリューの表面形状を目標に合わせて調整する研究を行っている。中堅企業のBornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG社（www.bornemann.de）と共同で、台形ねじ山を持つねじ切りスピンドルを例に、摩擦挙動を最適化するためのねじ山形状の機能化について研究しています。

TopGewindeプロジェクトでは、IFWとBornemann社が、ねじ切りスピンドルの側面に摩擦を最小化する微細構造を生成する革新的なワーリングプロセスを開発するという目標を追求している（図1）。表面微細構造を仮想的に予測するため、IFW独自のCutS（切削シミュレーション）ソフトウェアを使用して、プロジェクトの一環としてワーリングシミュレーションモデルが開発されている。図1の運動学モデルは、ボルネマン旋削加工に類似して開発された。

材料比率曲線は潤滑油リザーバを表す

これらの加工痕の形成は、台形ねじのスピンドルとナットの接触に対してトライボロジー的に最適化されている必要がある。潤滑剤は表面形状の谷部に吸収され、潤滑不足とそれに伴うスティック・スリップ効果などの問題を防ぐことができる（図2）。

ねじ山形状上の潤滑油溜まりの割合を定量化するには、特性値が必要である。材料含有率曲線は、トライボロジー的に負荷のかかる表面の評価に使用できる。この曲線は、粗さプロファイルを縮小ピーク高さRpk、コア高さRk、縮小谷高さRvkに分割します。コア高さRkは、ねじスピンドルの製品ライフサイクルにおける慣らし運転段階と粗さピークの磨耗（低減ピーク高さRpkで記述）の後にトライボロジー的に接触したままの粗さプロファイルの領域を記述します。減少した谷の高さRvkは、潤滑剤を貯蔵するために利用可能な初期表面の領域を表します。表面関連の粗さパラメータSpk、Sk、Svkはこれに相当します。これらの表面パラメータは、革新的な流動床プロセスを開発するための現在のプロジェクトで使用されている。また、このパラメータは、ボルネマンの革新的なワーリングプロセスを使用した将来の連続生産における表面の評価にも使用される予定である。

実験的トポグラフィー最適化

旋回の表面形状への影響を調査するために、まず台形ねじスピンドルの製造中にプロセス変数を変化させた。この一連の試験では、工具速度nwzとワーク速度nwsに焦点を当てた（図3）。ワーリング中はワークと工具の両方が回転するため、工具とワークの回転の間に速度比rが形成され、表面形状の評価に含まれる。調査した台形ねじスピンドルは、Bornemann Gewindetechnik社が社内で設計したワーリング工作機械を用いて、同期プロセスを用いてC45鋼から製造した。その後、IFWにおいて、Confovis GmbHの共焦点顕微鏡を用いて、ねじ山形状に生成されたトポグラフィの分析を行った。生成されたトポグラフィと対応するアボット・パラメータを図3に示す。 上の2つの測定値は、表面形状に対する工具速度の影響を示している。下側の表面形状測定値は、異なる加工速度における結果の表面形状を示している。調査の目的は、表面上の潤滑油リザーバーの体積を可能な限り大きくするために、谷の高さSvkを高い値にすることであった。最高のSvk値は、Svk=0.442 µmのテスト1で達成された。このねじ付きスピンドルは、速度比も最も低い。速度比の増加とともにSvk値が減少する傾向は、一連の試験全体を通して観察することができる。速度比を下げることで、構造物間の距離が長くなり、谷の高さSvkが減少します。

バーチャル地形予報

実験的に決定された相関関係は、現在IFWでシミュレーションによって分析されている。この目的のために、材料除去シミュレーションが地形形成の調査に使用されている。CutSソフトウェアは、ねじ切りスピンドルを旋回させるためのシミュレーションモデルを設定し、その結果生じる表面を予測するために使用されます（図4）。これは、一方では旋削加工中の表面形成に関する理解を深めるために、他方では必要な試験量を削減するために使用されます。図4は、測定された表面形状とシミュレーションの結果を比較したものである。シミュレーションでは、ボルネマン旋回の運動学がモデル化されています。旋削加工された台形ねじ山の側面における最大粗さは、Rz = 3-7 µmの範囲です。このオーダーの表面形状を予測する信頼性の高いモデルを開発するために、さらなるプロセスの影響が考慮されています。 ここで示すシミュレーション（図1）では、三点支持機構の噛み合い条件に加えて、刃先交換式チップのチッピングも考慮している。チッピングを考慮するために、表面生成粗さプロファイルを持つ切れ刃のCADモデルを材料除去シミュレーションに導入しました。ワーリング加工の特徴は、刃先交換式チップの複数の切れ刃が、台形ねじ山形状の異なる領域を生成することである。シミュレーション表面に及ぼすチップの微細形状の影響を考慮するため、一組のチップについて粗さを測定し、モデルに組み込みました：

旋削加工されたねじスピンドルの表面構造は、一般的に材料除去シミュレーションを使用してシミュレートすることができます。シミュレーションで生成された表面には、旋回の特徴である一定間隔の谷構造がはっきりと認識できます。シミュレーションされた表面と測定された表面の間の偏差は、谷の形状で認識することができます。測定とシミュレーションの粗さ値の偏差の割合は、現在のところ約25%です。このような2つの表面の違いは、例えば確率的な表面効果や加工中の工具の変位によって引き起こされます。シミュレーションの精度を向上させるために、さらにプロセスの影響を考慮することが計画されています。ここでは現在、工作機械の振動挙動に焦点を当てています。また、工具の刃先に作用する加工力も調査する予定です。ワーリング中の偏心回転運動と変化する切屑断面は、ワーリング工具の変位に影響すると予想される。プロセスシミュレーションで得られた知識は、将来、ワーリング加工によってトライボロジー的に最適化されたねじ切りスピンドルを製造するための工具開発に利用される予定である。

結論と展望

プロジェクトが進むにつれて、摩擦に最適化された表面が得られるように、使用する工具や関連するプロセスパラメーターが変更されていく。最初にトライボメータ試験を実施し、これらの表面の摩擦低減効果を評価する。これらの試験に基づいて、トライボロジー的に最適化されたスピンドルの製造に使用される、さまざまな工具コンセプトが選択されます。最後に、その結果を検証するために、いくつかのスピンドルが耐用年数試験にかけられます。Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KGの目的は、特に大型リフティングシステムの分野で使用できる摩擦を最小限に抑える微細構造を定義し、リフティングシステムの耐用年数を大幅に延ばすことです。

スレッドサーフェスの構造を最適化するための詳細情報はとwww.youtube.com/bornemann-gewindetechnikでも入手できる。