糸巻きと比較した糸巻きのスコア
トライボロジー接触は、世界のエネルギー消費の約12％を占めている。Bornemann Gewindetechnikはライプニッツ大学ハノーバー校の生産工学・工作機械研究所と共同で台形ねじの最適化を研究しています。
トライボロジー接点は、世界の総エネルギー消費の約12％を占めている。このうち20%は摩擦を克服するために使用され、3%は磨耗した部品の修理や、磨耗に関連する故障の交換機器に使用されている[1]。その一例が、列車や貨物車のメンテナンス用の大型リフティング装置である。Bornemann Gewindetechnik社は、このような複雑な、あるいは応力の大きいねじ部品の製造を専門としています。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）と共に、家族経営の同社は、ねじ回し工程を利用した台形ねじ山のトライボロジー最適化を研究してきた。この工程は、特に長いねじ部品に適している。最先端の製造技術を駆使して、Bornemann Gewindetechnik社は長さ12メートルまでのねじプロファイルを製造している。
旋削加工されたねじ切りスピンドルは、加工に関連した表面微細構造を持ち、潤滑油保持容積を提供します。これにより、旋削加工されたねじ切りスピンドルの摩擦が減少し、従来の転造加工されたスピンドルに比べて耐用年数が延びます。研究者たちは、「TopThread 」プロジェクトの一環として、加工プロセスと摩擦低減効果の正確な関係を調査している。
高荷重リフティングシステムにおける高負荷の台形ねじスピンドルのトライボロジー挙動に及ぼす、ねじのワーリングによって生成される微細構造の影響を調査している。この目的のために、プロセス一体型微細構造のために特別に開発されたワーリングプロセスが分析されている。
この論文では、ねじ転造プロセスよりも大きな利点であるワーリングプロセスを使用して、表面形状を特別に調整する方法を説明します。図2は、転造台形ねじスピンドルのねじ山形状とワーリング加工したねじ山形状の比較である。
ワーリングプロセスを特別に適合させることで、圧延されたスレッドスピンドルと比較して、より顕著な構造を作り出すことができた。構造パラメータ「yf」と構造間隔「sf」を導入し、表面構造の特性を評価した（図1）。トライボロジーの最適化のために、摩擦相手の表面間の直接的な固体接触を最小化するピークの割合が少ない構造を作成するために、ワーリングプロセスが使用された。構造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蓄えることが可能になる。
トライボロジー特性の評価
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、図3に示す試験装置を使用した。ねじ山Tr 80 x 10 mmの試験用スピンドルは、f = 0.81 Hzの周波数でv = 15°の角度で振動させた。荷重変化の回転は、ねじ山の並進ストロークs = 0.42mmに相当する。このセットアップでは、昇降時にねじスピンドルにFG=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、重量物吊り上げシステムにおける台形ねじ駆動（TGT）の最大荷重範囲内である。この用途では、G-CuSn 7 ZnPbのねじナット材料と潤滑剤DGM HTF 940が選択された。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相当する。したがって、スピンドル・ナットアセンブリの潤滑間隔は167サイクルごととなる。試験装置はSincoTecが設置した。シンコテックは、力センサーInterface 125 kNとトルクセンサーSincoTec 1,200 Nmのメーカーでもあります。
異なる表面形状と表面構造の摩擦特性を特徴付けるため、フランク面の摩耗状態を分析した。この目的のため、プロジェクト参加者は、カットオフグラインダーでスピンドルを切削した。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年間の耐用年数が実験的にマッピングされた。旋削加工を施したねじ切りスピンドルでは、ねじ山の荷重を受ける側面の微細構造の高さ間の明確な勾配が達成されるように、プロセス操作変数が選択された。プロセスパラメーターは、Bornemannの経験に基づくものである。さらに、連続プロセスで圧延されたねじスピンドルを分析した。
摩擦係数に及ぼす表面構造の影響
小さな角度距離での振動運動により、昇降は多くの負荷サイクルで分析することができます。このようにして、ねじスピンドルの全寿命を実験的にマッピングすることができる。図4は、台形ねじ駆動による昇降運動の摩擦係数の経過を示しています。ここでは、転造リードスクリューと旋回リードスクリューの摩擦係数を比較しています。その結果、負荷変動内の速度プロファイルは、加速段階、一定速度の段階、減速段階から構成される。低速で発生するスティック・スリップ効果は、方向転換の時点で特に有利に働く。この効果は、表面の短時間の固着と、それに続く摩擦相手の急激な滑りという形で現れる。この動きは振動につながり、摩擦係数の大きな変動に反映される[2]。平均摩擦係数は、試験開始時に急激に上昇し、約2,000負荷サイクル後に最大値に達し、その後約8,000負荷サイクル後に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、それぞれのトライボロジーシステムに応じて、試験期間中の摩擦係数の一般的な変化を表している[3]。
導入された表面構造を持つ旋削台形ねじスピンドルは、トライボロジー特性が大幅に改善された。これは、転造ねじスピンドルと比較して25.5%の低減に相当する。このトライボロジーシステムでは、ねじのなじみ段階を完全に低減することは不可能であった。
摩耗に及ぼす表面構造の影響
2つの摩擦相手が接触するときに発生する摩耗は、台形ねじスピンドルの寿命にとって決定的な重要性を持つ。ねじスピンドルで発生する摩耗メカニズムを特定するため、定期的に潤滑油を供給しながら、20,000回の負荷サイクルにわたって軸受フランクの表面を検査し、軸受フランクの摩耗パターンを分析しました（図5）。試験後の調査では、軸受フランクの表面構造によって摩耗パターンが明らかに異なることが示された。軸受座面に表面構造のない転造ねじスピンドルでは、ねじスピンドルの軸受座面に顕著な付着物が見られ、これはナット材料の著しい除去または付着摩耗によるものである。構造物の高さが高くなるにつれて、付着摩耗の面積も著しく減少する（図5）。
トライボロジー接触における低摺動速度と高面圧のため、トライボロジーシステムに存在する摩擦は固体摩擦と混合摩擦の間に分類される。顕著な表面構造（図6、右）により、微細接触の数は、構造化されていない表面形状（図6、左）に比べて減らすことができる。この結果、表面構造による固体摩擦の割合が低くなる。ねじ山形状により顕著な表面構造は、より多量の潤滑油を吸収することができる。この表面構造では、ねじ山形状での付着摩耗は10.1%に減少し、転造ねじスピンドルの36.3%と比較した。
異なる金属でできた摩擦パートナーが接触すると、凝集力の弱い結合摩擦体（この場合はナット）から凝集力の強い結合ベース体（この場合はねじスピンドル）へ材料移動が起こる[4]。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。ねじ付きナットの接触面に進行性の荷重がかかると、粒子が剥離し、軸受フランクの接触粗さのピークに堆積する。これらは徐々に軸受フランクの接触部分に層を形成し、スピンドルとナット材との直接接触を妨げる。このプロセスは、静止状態に達し、軸受側面にそれ以上堆積物が堆積しなくなるまで続きます。このプロセスは、接触粗さのピークが付着物で覆われると静的状態に変化する、なじみ運転を決定します。この状態は摩擦係数にも影響します。初期表面は、持ち上げ動作中に摩耗することはありません。
展望と利用オプション
転造ねじスピンドルとの競争において、重量物吊り上げシステム用ねじスピンドルの軸受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る。ワーリング加工は、より多様な表面構造を作り出すために使用できる。さらに、ねじ付きスピンドルの表面はほとんど摩耗しないことが示されており、これは、実験的にシミュレートされた10年の耐用年数後も、軸受側面の表面構造がほぼ保持されることを意味する。図7は、台形ねじスピンドルの設計と構造における、微細構造軸受フランクの3つの主な可能性を示しています。
ねじ山形状の表面構造を調整することで、摩擦係数を25.5%低減することができます。重荷重用リフティングシステムの例では、この摩擦係数の低減は、スピンドルとナット間の摩擦接触が効率にとって決定的であるため、リフティングシステムの各ベアリングを考慮すると、エネルギー消費量の比例的な低減につながります。
もう一つの側面は、ねじナットの摩耗の低減である。これらの調査では、ねじナットの摩耗は、軸受側面に付着した接着剤に基づいて間接的にしか分析できなかった。付着物が軸受フランクの約10%まで減少したことから、摩擦パートナー間の微小接触が減少し、ねじナットの摩耗が減少したと推測できる。軸受フランクの付着物が減少したことから、ねじ付きナットの全体的な摩耗も減少したと結論づけることができる。これにより、メンテナンスコストを削減し、台形ねじ駆動装置全体の耐用年数を延ばすことができます。
リードスクリューの微細構造軸受フランクの3つ目の決定的な利点は、駆動モーターの設計にあります。摩擦係数を25%低減することで、設計上、より低い摩擦トルクを想定することができます。
これにより、より小さなサイズのモーターを選択することが可能になり、システム全体の消費電力を削減し、リフティングシステム全体の投資コストを大幅に下げることができます。しかし、この点については、慣らし運転時の挙動を低減し、耐用年数全体にわたって一定の摩擦係数を保証する必要があります。
さらなる研究により、糸の形状に応じて表面構造を最適化することができる。このように特別に調整された表面構造を生成するプロセスは、現在プロジェクト・パートナーによって特許が取得されている。
これにより、個々のトライボロジー・システムにさらに具体的に対応できるようになる。今後の研究開発のもう一つの側面は、ねじ込みナットの表面形状を変更することで、慣らし運転を特別に補正することである。摩擦係数を常に低減させることで、駆動モーターを設計する際のサイズをさらに小さくすることが可能になる。これらの点については、Bornemann GewindetechnikとIFWとの共同研究プロジェクトで今後さらに検討される予定である。
謝辞
著者らは、プロジェクト「TopGewinde – ワーリングプロセスを使用したスクリュードライブの耐用年数を延ばすためのトライボロジー的に最適化された表面形状」に資金を提供してくれたZIMに感謝したい。
また、研究プロジェクトに多大な協力をいただいたBornemann Gewindetechnik社のHans Bornemann氏とMoritz von Soden氏にも感謝したい。
文学
- Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
- Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
- 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
- Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.
お問い合わせ
クリスチャン・ヴェーゲ、工学修士
ライプニッツ・ハノーファー大学生産工学・工作機械研究所
電話：+49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de