Pemotongan ulir berputar mempunyai kelebihan berbanding penggolekan ulir

Hubungan tribologi menyumbang kira-kira 12% daripada penggunaan tenaga global. Bornemann Gewindetechnik sedang menjalankan penyelidikan bagi mengoptimumkan ulir trapezoid bersama Institut Kejuruteraan Pengeluaran dan Alat Mesin di Universiti Leibniz Hannover.

Kira-kira 12 % daripada jumlah penggunaan tenaga global diperuntukkan untuk kenalan tribologi. Daripada jumlah itu, 20 % digunakan untuk mengatasi geseran dan 3 % untuk kerja-kerja pembaikan komponen yang telah haus atau penggantian peralatan akibat kerosakan berkaitan kehausan [1].
Contoh bagi situasi ini ialah sistem angkat beban berat untuk penyelenggaraan kereta api atau lori. Bornemann Gewindetechnik telah memfokuskan pada pembuatan komponen berulir yang kompleks atau perlu menanggung beban tinggi. Bersama-sama Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) di Universiti Leibniz Hannover, syarikat milik keluarga ini mengkaji pengoptimuman tribologi ulir trapezoid menerusi proses pemotongan ulir berputar. Proses ini amat sesuai untuk komponen ulir yang panjang. Dengan menggunakan teknik pembuatan terkini, Bornemann Gewindetechnik mampu menghasilkan profil skru sepanjang sehingga 12 m.

Gelendong berulir yang dihasilkan melalui pemotongan ulir berputar mempunyai mikrostruktur permukaan akibat proses pemesinan, yang berfungsi sebagai ruang penahan pelincir. Ini mengurangkan geseran pada gelendong berulir tersebut dan memanjangkan jangka hayatnya berbanding gelendong berulir yang digulung secara konvensional. Para penyelidik dalam projek „TopGewinde“ meneliti dengan lebih mendalam hubungan antara proses pemesinan dan kesan pengurangan geseran ini.

Fokus kajian adalah pada pengaruh mikrostruktur yang terhasil melalui pemotongan ulir berputar terhadap sifat tribologi gelendong berulir trapezoid berbeban tinggi dalam sistem angkat beban berat. Untuk tujuan ini, satu proses pemotongan berputar yang dibangunkan khusus bagi mikrostrukturasi bersepadu dijadikan subjek penelitian.

Makalah ini akan menjelaskan bagaimana topografi permukaan dapat diatur secara khusus melalui proses pemotongan ulir berputar, yang memberikan kelebihan signifikan berbanding proses penggolekan ulir. Gambar 2 menunjukkan topografi permukaan pada sisi ulir trapezoid yang digulung berbanding sisi ulir yang dihasilkan melalui proses pemotongan berputar.

Melalui penyesuaian khusus proses pemotongan berputar, dapat dihasilkan struktur yang lebih ketara berbanding gelendong berulir yang digulung. Untuk mencirikan struktur permukaan, parameter ketinggian struktur „yf“ dan jarak struktur „sf“ telah diperkenalkan (Gambar 1). Bagi pengoptimuman tribologi, proses pemotongan berputar digunakan untuk membentuk struktur dengan bahagian puncak yang lebih kecil, yang meminimumkan sentuhan pepejal langsung antara permukaan komponen geseran. Jarak puncak struktur yang lebih besar pula memungkinkan penyimpanan pelincir di lembah profil kekasaran.

Pencirian sifat tribologi

Untuk menyelidik pengaruh topografi permukaan pada sisi ulir terhadap kelakuan tribologi, bangku ujian yang ditunjukkan dalam Gambar 3 digunakan. Spindel ujian dengan ulir Tr 80 x 10 mm diayunkan pada frekuensi f = 0,81 Hz dan sudut v = 15°. Putaran bagi setiap pertukaran beban bersamaan dengan anjakan translasi s = 0,42 mm pada ulir. Melalui susun atur ini, gelendong berulir dikenakan daya berat FG = 91,3 kN semasa proses mengangkat dan menurunkan beban. Nilai ini bersamaan dengan tekanan permukaan p = 5,0 N/mm², yang bagi pemacu ulir trapezoid (TGT) dalam sistem angkat beban berat berada pada had beban maksimum. Untuk aplikasi ini, bahan ibu ulir yang digunakan ialah G-CuSn 7 ZnPb manakala pelincirnya ialah DGM HTF 940. Proses pelinciran sepanjang ujian diselaraskan dengan selang penyelenggaraan bulanan, bermakna sistem spindel-ibu ulir diberi pelincir setiap 167 kitaran. Bangku ujian ini dibangunkan oleh syarikat SincoTec, yang turut menjadi pengeluar sensor daya Interface 125 kN dan sensor tork SincoTec 1.200 Nm.

Bagi mencirikan sifat geseran untuk pelbagai topografi dan struktur permukaan, keadaan kehausan pada permukaan flanka telah dianalisis. Untuk tujuan tersebut, para peserta projek memotong spindel dengan menggunakan mesin pemotong (cut-off grinder). Melalui 20.000 kitaran beban, jangka hayat sepuluh tahun bagi gelendong berulir yang dikaji dapat disimulasikan secara eksperimen. Bagi gelendong berulir yang dihasilkan melalui pemotongan berputar, tetapan proses dipilih agar wujud perbezaan yang jelas antara ketinggian mikrostruktur pada flanka galas ulir. Penetapan parameter proses ini adalah berdasarkan pengalaman syarikat Bornemann. Selain itu, gelendong berulir hasil penggulungan juga dikaji, di mana proses penggulungannya dilakukan secara berterusan.

Pengaruh struktur permukaan terhadap pekali geseran

Melalui pergerakan berayun pada sudut kecil, proses mengangkat dan menurunkan dapat dikaji dalam jumlah pertukaran beban yang tinggi. Dengan cara ini dapatlah keseluruhan jangka hayat gelendong berulir digambarkan secara eksperimen. Gambar 4 menunjukkan perkembangan pekali geseran untuk pergerakan mengangkat dengan pemacu ulir trapezoid. Di sini dibandingkan perkembangan pekali geseran gelendong berulir yang digulung dengan gelendong berulir yang dihasilkan melalui pemotongan berputar. Profil kelajuan yang terhasil dalam satu kitaran beban terdiri daripada fasa pecutan, fasa kelajuan malar serta fasa membrek – masing-masing untuk proses mengangkat dan menurunkan. Khususnya pada titik perubahan arah, fenomena Stick-Slip menjadi lebih mudah berlaku, terutamanya pada kelajuan rendah. Kesan ini berlaku apabila berlaku lekatan jangka pendek di antara permukaan, diikuti oleh gelinciran mendadak pasangan geseran. Pergerakan ini boleh menyebabkan getaran yang seterusnya membawa kepada turun naik pekali geseran [2]. Nilai pekali geseran purata meningkat dengan ketara pada permulaan ujian, mencapai tahap maksimum selepas kira-kira 2.000 pertukaran beban dan kemudiannya menurun selepas lebih kurang 8.000 pertukaran beban kepada satu tahap yang stabil. Tingkah laku ini dikenali sebagai fasa pelarasan awal (Einlaufphase) dan menjelaskan perubahan umum pekali geseran sepanjang tempoh ujian, bergantung pada tribosistem yang digunakan [3].

Gelendong berulir trapezoid yang dihasilkan melalui proses pemotongan berputar bersama struktur permukaan yang diaplikasikan menunjukkan peningkatan ketara dari segi sifat tribologi. Ini mengakibatkan pengecilan tempoh fasa pelarasan awal kira-kira 44 % serta menurunkan pekali geseran secara berkekalan ke tahap yang lebih rendah, iaitu μm = 0,085. Ini bersamaan dengan pengurangan sebanyak 25,5 % berbanding gelendong berulir yang digulung. Pengurangan sepenuhnya fasa pelarasan awal tidak dapat dicapai dengan ulir ini dalam sistem tribologi yang dinyatakan.

Pengaruh struktur permukaan terhadap kehausan

Bagi jangka hayat gelendong berulir trapezoid, kehausan yang berlaku semasa sentuhan antara kedua-dua komponen geseran adalah amat penting. Untuk mengenal pasti mekanisme kehausan yang berlaku pada gelendong, permukaan flanka galas telah diperiksa sepanjang 20.000 pertukaran beban dengan bekalan pelincir yang berkala, dan seterusnya corak kehausan pada flanka galas dianalisis (Gambar 5). Hasil penyelidikan menunjukkan corak kehausan yang amat berbeza selepas ujian, bergantung pada struktur permukaan pada flanka galas. Gelendong berulir yang digulung tanpa sebarang struktur permukaan pada flanka galas mempamerkan pemendapan melekat (adhesive) yang ketara pada flanka galas gelendong, yang terhasil daripada penyingkiran ketara atau kehausan lekatan bahan ibu ulir. Apabila ketinggian struktur meningkat, peratusan kawasan kehausan lekatan menurun dengan jelas (Gambar 5).

Disebabkan kelajuan gelinciran yang rendah dan tekanan permukaan yang tinggi dalam sentuhan tribologi, geseran yang berlaku dalam tribosistem ini berada antara geseran pepejal dan geseran campuran. Melalui struktur permukaan yang ketara (Gambar 6, kanan), jumlah mikrosentuhan dapat dikurangkan berbanding dengan topografi permukaan yang tidak berstruktur (Gambar 6, kiri). Akibatnya, bahagian yang terdiri daripada geseran pepejal menjadi lebih rendah disebabkan struktur permukaan. Struktur permukaan yang lebih jelas pada flanka ulir mampu menyimpan lebih banyak pelincir. Dengan struktur permukaan sedemikian, kehausan melekat pada flanka ulir dapat dikurangkan kepada 10,1 %, berbanding 36,3 % pada gelendong berulir yang digulung.

Apabila terdapat sentuhan antara komponen geseran daripada logam berbeza, berlaku pemindahan bahan daripada komponen geseran dengan ikatan kohesif lebih lemah (di sini ibu ulir) kepada komponen asas dengan ikatan kohesif lebih kuat (di sini gelendong berulir) [4]. Dengan adanya pelincir tambahan di kawasan geseran, bilangan puncak kekasaran yang bersentuhan dapat dikurangkan. Apabila beban pada permukaan sentuhan ibu ulir meningkat, zarah-zarah terpisah dan mendap pada puncak kekasaran flanka galas yang bersentuhan. Zarah-zarah ini secara beransur-ansur membentuk satu lapisan pada kawasan sentuhan di flanka galas, sekali gus menghalang sentuhan langsung antara bahan gelendong dan ibu ulir. Proses ini berterusan sehingga mencapai keadaan statik, di mana tiada lagi pemendapan pada flanka galas. Melalui proses tersebut, tingkah laku pelarasan awal (Einlaufverhalten) ditentukan: setelah puncak kekasaran yang bersentuhan diliputi oleh pemendapan lekatan, keadaan berubah menjadi statik. Keadaan ini turut mempengaruhi pekali geseran. Permukaan asal tidak mengalami kehausan lelasan semasa pergerakan mengangkat.

Prospek dan potensi penggunaan

Dalam persaingan dengan gelendong berulir yang digulung, telah terbukti bahawa struktur permukaan pada flanka galas gelendong berulir untuk sistem angkat beban berat memberikan nilai tambah yang ketara. Melalui proses pemotongan ulir berputar, variasi struktur permukaan yang lebih luas dapat dihasilkan. Selain itu, didapati bahawa permukaan gelendong berulir mengalami kehausan yang sangat rendah, sehingga struktur permukaan pada flanka galas masih kekal hampir sepenuhnya walaupun selepas jangka hayat selama 10 tahun disimulasikan secara eksperimen. Gambar 7 menunjukkan tiga potensi utama flanka galas yang distruktur mikro untuk tujuan reka bentuk dan pembinaan gelendong berulir trapezoid.

Melalui penetapan khusus struktur permukaan pada flanka gelendong, pengurangan pekali geseran sebanyak 25,5 % dapat dicapai. Bagi contoh sistem angkat beban berat, pengurangan pekali geseran ini – dengan mengambil kira sokongan galas pada sistem angkat – membawa kepada penurunan penggunaan tenaga secara berkadar, kerana sentuhan geseran antara gelendong dan ibu ulir menentukan kecekapan keseluruhan.

Satu lagi aspek penting ialah pengurangan kehausan pada ibu ulir. Dalam kajian ini, kehausan ibu ulir hanya dapat dikaji secara tidak langsung melalui pemerhatian pada endapan melekat di flanka galas. Disebabkan pengurangan endapan melekat sehingga kira-kira 10 % daripada flanka galas, dapat diandaikan bahawa terdapat lebih sedikit mikrosentuhan antara pasangan geseran dan seterusnya kurang kehausan pada ibu ulir. Melalui pengurangan lekatan pada flanka galas ini, dapat disimpulkan bahawa jumlah keseluruhan kehausan ibu ulir juga berkurang. Hal ini membolehkan kos penyelenggaraan dikurangkan dan memanjangkan jangka hayat keseluruhan pemacu ulir trapezoid.

Kelebihan ketiga dan paling ketara bagi flanka galas yang distruktur mikro pada sebuah pemacu ulir muncul dalam proses mereka bentuk motor pemacu. Dengan pengurangan pekali geseran sebanyak 25 %, reka bentuk motor dapat mengambil kira momen geseran yang lebih rendah.

Ini membolehkan pemilihan motor dalam skala yang lebih kecil, yang seterusnya mengurangkan penggunaan tenaga keseluruhan sistem dan menurunkan kos pelaburan bagi keseluruhan sistem angkat dengan ketara. Walau bagaimanapun, demi aspek ini, tingkah laku pelarasan awal perlu dikurangkan dan pekali geseran yang konsisten sepanjang keseluruhan hayat penggunaan mesti dijamin.

Melalui kajian lanjut, pengoptimuman struktur permukaan dapat dijalankan mengikut geometri ulir. Pada masa ini, proses untuk menghasilkan struktur permukaan yang dikawal secara khusus tersebut sedang dipatenkan oleh rakan projek.

Dengan cara ini, sistem tribologi individu dapat ditangani dengan lebih tepat. Satu lagi aspek untuk penyelidikan dan pembangunan masa depan ialah pengubahsuaian topografi permukaan ibu ulir bagi mengimbangi tingkah laku pelarasan awal secara khusus. Dengan pekali geseran yang sentiasa dikurangkan, saiz motor pemacu boleh terus dikurangkan semasa proses reka bentuk. Perkara-perkara ini akan ditangani pada masa hadapan dalam projek penyelidikan bersama yang dirancang dengan Bornemann Gewindetechnik dan IFW.

Penghargaan

Para penulis merakamkan penghargaan kepada ZIM atas pembiayaan projek „TopGewinde – Pengoptimuman Tribologi Topografi Permukaan bagi Meningkatkan Jangka Hayat Pemacu Ulir melalui Proses Pemotongan Berputar“.

Para penulis juga merakamkan penghargaan kepada Hans Bornemann dan Moritz von Soden dari syarikat Bornemann Gewindetechnik atas kerjasama yang baik dalam projek penyelidikan ini.

Rujukan

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.

Hubungi

Christian Wege, M. Eng.
Institut Kejuruteraan Pembuatan dan Alat Mesin, Universiti Leibniz Hannover
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de

• Konstruktion, 12/2024