Pengoptimuman Permukaan Gelendong Berulir Trapezoid – Analisis Tribologi dan Aplikasi

Gelendong benang trapezium amat sesuai untuk menampung beban berat dan sering digunakan dalam sistem pengangkatan. Sebagai sebahagian daripada projek kerjasama antara Institut Kejuruteraan Pengeluaran dan Alat Mesin (IFW) dan syarikat Bornemann Gewindetechnik, satu pengubahsuaian proses pemesinan putar benang telah dikaji bagi mengoptimumkan sifat tribologi gelendong benang. Penggunaan mikrostruktur yang diputar dapat mengurangkan kehilangan geseran sebanyak 25.5% dan mengurangkan haus lekatan dengan ketara.

1 Pengenalan

Untuk penghasilan gelendong berulir panjang yang sering digunakan dalam sistem angkat, terdapat pelbagai proses pembuatan yang boleh dipilih, termasuk penggolekan ulir dan pemotongan ulir berputar [1]. Dalam reka bentuk proses pembuatan bagi elemen mesin standard seperti gelendong berulir trapezoid, tingkah laku aplikasi dan jangka hayat tidak diambil kira [2].

Dalam mereka bentuk permukaan yang terdedah kepada geseran gelincir, adalah penting untuk mengambil kira rejim geseran – geseran sempadan, geseran campuran dan geseran bendalir – yang diklasifikasikan dengan lengkung Stribeck [3]. Dalam keadaan hidrodinamik, daya disalurkan melalui filem pelincir, manakala daya geseran dihasilkan oleh geseran dalaman pelincir [3–5]. Daya ini adalah berkadar dengan kawasan sentuhan, kelikatan pelincir dan kadar geseran ketebalan filem pelincir. Bagi kes geseran campuran, filem pelincir pada tempat-tempat tertentu terganggu oleh puncak kekasaran individu, yang kemudian menyumbang kepada penghantaran beban [4]. Terutama pada kelajuan gelinciran yang rendah, keadaan ini menjadi satu kelemahan dari segi penetapan dan pengekalan keadaan pelinciran hidrodinamik [6].

Sentuhan langsung antara kedua elemen tribologi boleh menyebabkan peningkatan penggunaan tenaga [7]. Mikrostruktur boleh memberikan kesan bermanfaat melalui beberapa mekanisme. Sebagai contoh, mikrostruktur boleh berfungsi sebagai rizab pelincir [8], dan kenaikan setempat dalam filem pelincir boleh menyebabkan peningkatan tekanan galas apabila pelincir mengalir melaluinya [9]. Dalam mikrostruktur yang ditakrifkan, tekanan hidrodinamik boleh terbina. Baik kesan kavitas [4] mahupun pembentukan tekanan galas dalam mikrostruktur yang berurutan memainkan peranan penting [10, 11]. Kajian-kajian ini menunjukkan bahawa topografi permukaan gelendong berulir trapezoid, disebabkan oleh sentuhan gelincir yang menanggung beban tinggi, mempunyai potensi besar untuk mengurangkan geseran melalui mikrostruktur. Mikrostruktur untuk mengurangkan kehilangan geseran dalam sentuhan gelincir boleh dihasilkan melalui proses pembuatan seperti pengisar rata atau penandaan laser [10, 12].

Proses pemotongan ulir berputar sebagai proses pembuatan menawarkan potensi besar untuk mikrostrukturasi bersepadu, kerana ia mencapai produktiviti yang jauh lebih tinggi berbanding pemesinan ulir [1, 13]. Kajian mengenai struktur permukaan melalui proses pemotongan berputar sehingga kini hanya dilaksanakan sebagai proses penstruktur tambahan dan bukan sebagai fungsi pengintegrasian proses struktur permukaan [14]. Terdapat beberapa pendekatan untuk mikrostrukturasi sebagai proses pembuatan berasingan [12, 15], namun pendekatan ini memerlukan usaha integrasi yang tinggi disebabkan oleh langkah proses tambahan. Dalam satu kajian, Denkena et al. menunjukkan peningkatan sifat tribologi pada permukaan yang terdedah kepada beban termomekanikal tinggi, seperti pada selongsong larian silinder, melalui mikrostrukturasi [12]. Proses pemotongan ulir berputar sebagai proses pembuatan pemesinan menawarkan potensi khusus untuk fungsi pengintegrasian berdasarkan struktur permukaan yang dihasilkan pada flanka ulir (Gambar 1).

Satu cabaran khusus dalam penggunaan elemen tribologi logam pada geseran gelincir ialah berlakunya adhesi apabila pelinciran tidak mencukupi atau berlaku beban berlebihan. Keadaan ini boleh menyebabkan kehausan adhesif pada pasangan geseran yang mempunyai kekerasan lebih rendah dan pemindahan bahan ke pasangan geseran dengan kekerasan lebih tinggi dalam sentuhan gelincir [7, 17]. Topografi permukaan dan kawasan sentuhan sebenar dalam geseran gelincir memainkan peranan penting dalam risiko adhesi yang telah diterangkan sebelumnya akibat pelinciran yang tidak mencukupi [7, 16, 17]. Sentuhan langsung antara kedua-dua elemen geseran merupakan syarat asas bagi berlakunya adhesi dan ditakrifkan oleh jumlah mikrosentuhan.

Dalam geseran gelincir yang terdedah kepada tekanan permukaan yang tinggi, ketebalan filem pelincir berkurang, menyebabkan peralihan daripada geseran campuran kepada geseran sempadan dan disertai dengan peningkatan pekali geseran [3]. Denkena et al. turut menunjukkan bahawa struktur permukaan dengan kedalaman yang rendah boleh mengurangkan pekali geseran dan menyebabkan peralihan kepada rejim geseran campuran, di mana geseran pepejal dan geseran bendalir wujud bersama-sama [12]. Bagi elemen tri logam dari Steel Bronze dalam geseran gelincir, kedalaman struktur permukaan antara 2–5 μm telah terbukti sangat bermanfaat untuk mengurangkan geseran [16]. Satu lagi fenomena yang boleh berlaku apabila pelinciran tidak mencukupi atau pada kelajuan relatif yang rendah ialah kesan Stick-Slip. Ini menyebabkan elemen tribologi untuk seketika melekat antara satu sama lain sebelum pergerakan gelincir bermula semula [18]. Kekerapan berlakunya kesan Stick-Slip akibat kekurangan pelincir pula membawa kepada peningkatan kehausan adhesif dan seterusnya kegagalan komponen lebih awal [19].

Pengaruh mikrostruktur pada flanka ulir yang menanggung beban pada gelendong berulir trapezoid pada beban tinggi sehingga kini belum dikaji, namun mempunyai potensi besar untuk meningkatkan kecekapan melalui pengurangan kehilangan geseran. Tiada pengetahuan tentang pengaruh mikrostruktur terhadap kehausan dalam sistem gelendong-ibu ulir juga. Oleh itu, tujuan kertas ini adalah untuk menangani kekurangan pengetahuan tersebut dan mengkaji pengaruh struktur permukaan yang dihasilkan melalui proses pemotongan ulir berputar terhadap kelakuan tribologi gelendong berulir trapezoid yang menanggung beban tinggi dalam sistem angkat beban berat dalam keadaan sebenar. Kajian ini akan meneliti satu proses pemotongan ulir berputar yang dibangunkan khas untuk mikrostrukturasi bersepadu. Dalam rangka kajian ini, pelbagai struktur permukaan akan dibentangkan dan pengaruhnya terhadap pengurangan geseran dalam keseluruhan sistem serta keupayaannya untuk mengekalkan pelincir pada permukaan – sekaligus mencegah pemendapan adhesif pada gelendong dan kehausan adhesif pada ibu ulir – akan dinilai.

2 Susunan Ujian

2.1 Ujian Tribologi

Bangku ujian yang ditunjukkan dalam Gambar 2 digunakan untuk mengkaji pengaruh topografi permukaan terhadap flanka ulir dengan merujuk kepada kelakuan tribologi. Spindel ujian dengan ulir Tr80×10 mm diayunkan pada frekuensi f = 0,81 Hz bagi sudut ν = 15°. Satu putaran bagi pertukaran beban bersamaan dengan pergerakan translasi sepanjang 0,42 mm bagi gelendong. Dengan susunan ini, gelendong berulir dikenakan beban berat sebanyak FG = 91,3 kN semasa proses mengangkat dan menurunkan. Ini bersamaan dengan tekanan galas permukaan p = 5,0 N/mm², yang berada dalam julat beban maksimum bagi pemacu ulir trapezoid dalam sistem angkat beban berat. Bagi aplikasi ini, bahan ibu ulir yang digunakan ialah G-CuSn 7 ZnPb. Pelincir yang digunakan ialah lemak pelincir DGM HTF 940, yang amat sesuai untuk aplikasi dalam galas gelincir. Proses pelinciran dalam ujian ini dilakukan berdasarkan selang penyelenggaraan selama sebulan, yang bermaksud sistem gelendong-ibu ulir diberi pelincir setiap 167 kitaran. Bangku ujian ini telah disediakan oleh Sincotec, yang juga merupakan pengeluar sensor daya Interface 125 kN dan sensor tork SincoTec 1200 Nm.

Keadaan kehausan permukaan telah dianalisis untuk mencirikan sifat geseran pelbagai topografi permukaan dan struktur permukaan yang bersesuaian. Untuk tujuan ini, gelendong dipotong menggunakan mesin pemotong. Melalui 20,000 kitaran beban, jangka hayat 10 tahun bagi gelendong berulir yang dikaji telah disimulasikan secara eksperimen.

Untuk mengkaji kelakuan tribologi, empat gelendong berulir telah disediakan, di mana parameter proses yang berbeza dalam proses pemotongan ulir berputar dibandingkan dengan gelendong berulir yang digulung (Jadual 1). Bagi gelendong berulir yang diwirbel, parameter proses dipilih sedemikian rupa sehingga perbezaan yang ditakrifkan antara ketinggian struktur permukaan pada flanka ulir yang dikenakan beban dapat dicapai. Siri ujian 1 merangkumi gelendong berulir yang digulung, yang dihasilkan melalui proses penggulungan secara berterusan. Parameter proses khusus ini adalah berdasarkan pengalaman Bornemann. Siri ujian 2 diwirbel dengan parameter proses yang selaras dengan standard teknologi semasa dan dianggap sebagai rujukan tambahan bagi struktur permukaan baru yang telah dibangunkan.

Dalam siri ujian 3 dan 4, struktur permukaan yang dibangunkan dalam kajian ini dihasilkan dalam dua peringkat untuk meningkatkan kedua-dua ketinggian struktur permukaan yf dan panjang struktur sf. Peningkatan kedua-dua parameter ini membawa kepada peningkatan isipadu rizab pelincir pada permukaan. Siri ujian 3 menunjukkan ketinggian struktur teori sebanyak yf = 2,31 μm dengan jarak struktur sf = 3,67 μm. Dalam siri ujian 4, parameter struktur adalah lebih menonjol dengan yf = 3,61 μm dan sf = 4,59 μm. Ini jelas menunjukkan had penyesuaian struktur disebabkan oleh proses wirbel: peningkatan ketinggian struktur yf sememangnya membawa kepada peningkatan panjang struktur sf.

2.2 Pengukuran struktur permukaan

Sistem pengukuran optik Duo Vario daripada Confovis GmbH digunakan untuk analisis topografi permukaan 3D yang dihasilkan secara eksperimen. Topografi permukaan ditangkap menggunakan mikroskop konfokal dengan cahaya putih. Pengukuran konfokal dilakukan menggunakan objektif Nikon 20×/0,45-NA. Bagi analisis permukaan flanka, resolusi pengukuran lateral yang digunakan adalah 0,20 μm. Kawasan yang diukur, dengan lebar 2,26 mm dan panjang 8,71 mm, ditangkap dengan resolusi 0,28 μm. Gelendong berulir yang dihasilkan secara eksperimen diselaraskan pada kedudukan pengukuran ortogonal kepada flanka ulir.

3 Aplikasi dan Pencirian Topografi Permukaan

Keputusan-keputusan berikut menunjukkan bagaimana topografi permukaan pada sisi ulir boleh disesuaikan secara khusus melalui kaedah whirl dan bagaimana ia berbeza daripada topografi terhad kaedah penggolekan ulir. Gambar 3 menunjukkan topografi permukaan sisi ulir pada aci ulir berbentuk trapezoid yang digolek berbanding dengan sisi ulir yang diproses menggunakan kaedah whirl.

Topografi permukaan bagi Siri Ujian 1 menunjukkan bahawa tiada tekstur permukaan dihasilkan semasa proses penggolekan ulir. Aci ulir yang diproses menggunakan kaedah whirl dalam Siri Ujian 2 tidak menunjukkan perbezaan ketara dalam topografi permukaan berbanding Siri Ujian 1, dan tiada tekstur permukaan yang dapat dikenalpasti. Melalui penyesuaian yang disasarkan dalam kaedah whirl, tekstur permukaan yang lebih ketara telah berjaya dihasilkan dalam Siri Ujian 3 dan 4. Dalam siri ini, ketinggian tekstur yf dan panjang tekstur sf telah ditingkatkan secara berperingkat bagi menghasilkan tekstur permukaan dengan nisbah puncak yang rendah, yang seterusnya mengurangkan sentuhan langsung antara permukaan unsur tribologi. Jarak yang lebih besar antara puncak tekstur permukaan membolehkan pelincir disimpan dalam lembah profil kekasaran, seterusnya meningkatkan keberkesanan pelinciran.

Disebabkan oleh kemunculan kesan kekasaran stokastik semasa pemesinan, yang mempengaruhi permukaan teknikal sebagai penyimpangan bentuk darjah keempat, tekstur permukaan yang kurang ketara dalam siri ujian 2 menjadi bertindih. Akibat pertindihan ini, parameter tekstur sukar untuk ditentukan dan menunjukkan ketinggian tekstur yang rendah iaitu yf = 0.82 μm serta panjang tekstur sf = 1.63 mm. Secara efektif, siri ujian 2 tidak berbeza daripada sampel yang digulung disebabkan oleh tekstur permukaan yang rendah ini. Kesan kekasaran stokastik semasa proses putaran terutamanya disebabkan oleh kekasaran di hujung alat putar, yang juga dikenali sebagai serpihan. Serpihan ini membentuk imej negatif pada permukaan baharu yang dihasilkan semasa pemesinan [20]. Topografi siri ujian 3 dan 4 menunjukkan alur berulang yang bersifat ciri, yang dihasilkan oleh serpihan tersebut. Sekiranya ketinggian tekstur yf lebih rendah daripada kekasaran Rz pada hujung alat putar, tekstur akan bertindih dan tekstur ciri proses putaran tidak akan muncul. Hal ini ditunjukkan dalam profil kekasaran pada rusuk benang (Rajah 4).

Pengukuran turut terjejas kerana bentuk benang yang dihampiri secara matematik ditolak daripada topografi permukaan, menyebabkan tekstur di bahagian tepi julat pengukuran mempunyai ketinggian tekstur yang sedikit lebih rendah (Rajah 3 dan 4).

4 Penilaian tribologi

Kesan tekstur permukaan yang terhasil melalui proses pemesinan putar terhadap sistem tribologi antara skru dan nat dalam gelendong skru berbentuk trapez untuk sistem pengangkatan beban berat telah dianalisis menggunakan susunan ujian yang diterangkan dalam Seksyen 2.2. Dalam reka bentuk skru trapezium, pekali geseran sering dianggap tetap atas sebab penyederhanaan. Namun begitu, pekali geseran tidak boleh dianggap sebagai sifat bahan semata-mata kerana ia dipengaruhi oleh semua komponen dalam sistem tribologi. Bagi mencirikan pengaruh topografi permukaan terhadap sistem ini, semua pemboleh ubah yang mempengaruhi dikekalkan secara malar. Hanya tekstur permukaan yang dihasilkan melalui proses pembuatan diubah dalam siri ujian.

4.1 Penyelidikan pekali geseran

Dalam sistem pengangkatan beban berat, skru pergerakan biasanya disusun secara menegak, di mana satu rusuk benang yang dibebani menanggung beban semasa pergerakan mengangkat dan menurunkan. Untuk mengira pekali geseran dalam benang berbentuk trapezium, geseran pada satah condong boleh digunakan sebagai asas pengiraan [21]. Daya normal FN boleh dikira daripada daya berat FG dan daya geseran FR berdasarkan momen geseran yang diperlukan untuk pergerakan putaran melalui hubungan geometri. Ini menghasilkan keperluan momen geseran yang jauh lebih tinggi semasa pengangkatan. Oleh kerana momen geseran diukur dalam susunan ujian dan daya berat FG ditetapkan kepada nilai yang tetap, pekali geseran μ boleh dikira daripada pemboleh ubah ini. Penentuan berasingan pekali geseran μ bagi pergerakan mengangkat dan menurunkan dibolehkan dengan mengambil kira arah daya yang berbeza. Corak contoh pekali geseran bagi kedua-dua jenis pergerakan untuk gelendong yang digulung dalam siri ujian 1 ditunjukkan dalam Rajah 5. Dengan mengambil kira arah daya yang berbeza, kedua-dua jenis pergerakan menunjukkan corak pekali geseran yang serupa. Walaupun momen pemacu yang lebih tinggi diperlukan untuk mengangkat, satu tingkah laku pekali geseran yang bersifat ciri dapat diperhatikan, yang berlaku dalam gelendong benang trapezium selepas lebih 20,000 kitaran beban. Pekali geseran purata bagi kedua-dua arah pergerakan meningkat dengan ketara pada awal ujian, mencapai nilai maksimum sekitar 2000 kitaran dan kemudian menurun kepada tahap yang stabil sekitar 8000 kitaran. Tingkah laku ini dikenali sebagai fasa pemakaian awal (Einlaufphase) dan menggambarkan perubahan umum pekali geseran sepanjang ujian, bergantung kepada sistem tribologi [22]. Pergerakan berayun dalam julat sudut yang kecil mensimulasikan jarak pendek pergerakan mengangkat dan menurunkan semasa perubahan beban. Profil kelajuan yang terhasil dalam satu perubahan beban terdiri daripada fasa pecutan, fasa kelajuan malar dan fasa nyahpecutan, masing-masing untuk pergerakan mengangkat dan menurunkan. Kesan stick-slip, yang berlaku pada kelajuan rendah, lebih ketara pada titik perubahan arah. Kesan ini muncul apabila permukaan bergesel melekat seketika sebelum berlaku gelinciran secara tiba-tiba antara elemen tribologi. Pergerakan ini boleh menyebabkan getaran, yang tercermin dalam penyimpangan pekali geseran yang lebih besar [19]. Kesan ini dapat diperhatikan dalam Rajah 5 dalam bentuk penyimpangan yang lebih besar dalam 5000 kitaran beban pertama.

Pekali geseran yang stabil bagi benang trapezium Tr80×10mm yang dikaji dicapai selepas kira-kira 8000 kitaran beban. Semasa fasa pemakaian awal, berlaku peningkatan awal dalam pekali geseran semasa ujian ke atas benang trapezium yang digulung, yang juga dikaitkan dengan penyimpangan pekali geseran yang tinggi. Nilai pekali geseran tertinggi dikaitkan dengan penyimpangan terbesar, yang menunjukkan peningkatan kejadian kesan stick-slip, yang boleh membawa kepada haus lekatan (adhesive wear) yang lebih tinggi. Disebabkan oleh corak pekali geseran yang serupa bagi kedua-dua arah pergerakan, perbincangan seterusnya akan menumpukan hanya pada pergerakan mengangkat yang memerlukan daya lebih tinggi.

Terdapat perbezaan yang ketara dalam corak pekali geseran bagi permukaan yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Walaupun siri ujian 1 dan 2 menggunakan proses pembuatan yang berbeza – penggulungan dan pemesinan putar benang – kedua-dua sampel menunjukkan topografi permukaan yang serupa dengan hampir tiada tekstur permukaan (Rajah 3). Persamaan ini turut tercermin dalam corak pekali geseran (Rajah 6). Pekali geseran dalam siri ujian 1 menunjukkan satu maksimum yang ketara, manakala dalam siri ujian 2 tiada maksimum dapat diperhatikan sepanjang tempoh ujian. Walau bagaimanapun, dalam kedua-dua ujian, satu tahap pekali geseran yang stabil dicapai selepas bilangan kitaran beban yang hampir sama (L ≈ 8000).

Pekali geseran purata μm sepanjang tempoh ujian menunjukkan nilai yang hampir sama bagi kedua-dua ujian. Fasa pemakaian awal berlaku pada kedua-dua gelendong benang yang diputar dan digulung, yang kemudiannya membawa kepada pekali geseran yang sangat stabil dengan penyimpangan yang kecil pada tahap μ = 0.1. Dalam siri ujian 3, dengan ketinggian tekstur yf = 2.31 μm, satu fasa pemakaian awal yang jauh lebih pendek diperhatikan, yang tamat selepas kira-kira 4500 kitaran beban. Pekali geseran purata μm dalam siri ujian 3 dapat diturunkan kepada μm = 0.098, berbanding dengan gelendong yang digulung (μm = 0.115) dan gelendong yang diputar tanpa tekstur (μm = 0.112), yang bersamaan dengan pengurangan pekali geseran sebanyak 14.6%. Pengurangan yang lebih ketara ditunjukkan dalam siri ujian 4 (yf = 3.61 μm), di mana tekstur permukaan yang diperkenalkan bukan sahaja mengurangkan tempoh pemakaian awal sebanyak kira-kira 44%, tetapi juga menurunkan pekali geseran secara kekal kepada tahap yang lebih rendah iaitu μm = 0.085, yang bersamaan dengan pengurangan sebanyak 25.5% berbanding dengan gelendong benang yang digulung. Namun begitu, penghapusan sepenuhnya fasa pemakaian awal tidak dapat dicapai dengan benang ini dalam sistem tribologi yang diterangkan.

4.2 Kajian haus lekatan

Haus yang berlaku apabila gelendong dan nat bersentuhan memainkan peranan penting dalam menentukan jangka hayat pemacu benang trapezium. Untuk mengenal pasti mekanisme haus yang berlaku pada gelendong panduan, permukaan rusuk benang yang dibebani telah dianalisis selepas 20,000 kitaran beban dengan daya berat FG = 91.3 kN serta bekalan pelincir yang konsisten (Rajah 7). Selepas ujian, siri ujian menunjukkan corak haus yang berbeza dengan ketara bergantung kepada struktur permukaan pada rusuk benang yang dibebani. Siri ujian 1 dan 2, yang diuji tanpa struktur permukaan pada rusuk benang yang dibebani, menunjukkan pemendapan lekatan (adhesive build-up) yang jelas pada bahagian tersebut. Ini disebabkan oleh penanggalan bahan daripada nat akibat haus lekatan (adhesive wear) yang ketara. Dengan peningkatan ketinggian struktur daripada siri ujian 3 ke siri ujian 4, tahap haus lekatan menurun dengan nyata (Rajah 7).

Bagi mencirikan bahagian rusuk benang yang dibebani yang dilitupi oleh pemendapan lekatan, satu analisis warna terhadap imej mikroskop telah dijalankan untuk mengkuantifikasi pemendapan yang kebanyakannya berwarna merah, yang disebabkan oleh kandungan kuprum dalam bahan G-CuSn 7 ZnPb. Penilaian peratusan lekatan berdasarkan keluasan pada rusuk benang yang dibebani menunjukkan bahawa gelendong benang trapezium yang digulung mencatat peratusan lekatan tertinggi iaitu 36.3% (Rajah 8). Siri ujian 2, dengan rusuk benang yang diputar, menunjukkan penyimpangan keluasan tertutup yang terbesar iaitu 27.4% dengan sisihan piawai 13.1%. Selepas tempoh operasi yang diemulasikan secara eksperimen, permukaan dalam siri ujian ini dilitupi oleh sisa lekatan sehingga 45.4% di sesetengah kawasan. Corak haus dalam siri ujian 4 menunjukkan bahawa ketinggian struktur yf = 3.61 μm dapat mengurangkan kadar haus lekatan dan mengehadkannya kepada kawasan puncak kekasaran (Rajah 8a).

Disebabkan oleh kelajuan gelinciran yang rendah dan tekanan permukaan yang tinggi dalam sentuhan tribologi, geseran dalam sistem tribologi ini diklasifikasikan kepada geseran pepejal (solid friction) dan geseran campuran (mixed friction).

Haus lekatan pada rusuk benang menurun dengan ketara pada permukaan rusuk yang diputar berbanding dengan gelendong benang yang digulung — daripada 36.3% kepada 13.6% dalam siri ujian 3 dan seterusnya kepada 10.1% dalam siri ujian 4. Di antara puncak kekasaran yang jelas dengan tekstur permukaan yang ketara, tidak berlaku sebarang lekatan. Berdasarkan sifat salutan lekatan, dapat diasumsikan bahawa berlaku peralihan daripada rejim geseran sempadan (boundary friction) kepada rejim geseran campuran (mixed friction). Menurut Wang et al., bilangan puncak kekasaran yang lebih sedikit — atau dalam kes ini hanya puncak tekstur permukaan — boleh menyebabkan penurunan dalam pekali geseran [4]. Di kawasan ini, permukaan asal yang terhasil daripada proses pemesinan putar (wirbelprozess) kekal terpelihara.

Susunan mikrotekstur secara berurutan juga boleh menggalakkan pembentukan filem pelincir yang nipis, seperti yang diterangkan dalam [10]. Disebabkan oleh pengurangan geseran pepejal di seluruh kawasan sentuhan, momen geseran yang lebih rendah diperlukan untuk menggerakkan gelendong benang. Pelincir boleh disimpan dalam kawasan yang mempunyai struktur permukaan yang ketara, yang meningkatkan ketebalan filem pelincir dan menghasilkan geseran bendalir (fluid friction), yang menghalang sentuhan langsung antara permukaan. Sentuhan langsung antara puncak kekasaran elemen tribologi merupakan salah satu punca berlakunya haus lekatan [19].

Akibat tekstur permukaan yang lebih ketara (Rajah 9b), bahagian geseran pepejal menurun berbanding dengan topografi permukaan tanpa tekstur (Rajah 9a). Tekstur permukaan yang lebih ketara pada rusuk benang boleh menyerap jumlah pelincir yang lebih besar.

Apabila berlaku sentuhan antara elemen tribologi yang diperbuat daripada logam berbeza, pemindahan bahan berlaku daripada badan geseran yang mempunyai kekuatan lekatan dalaman yang lebih rendah, iaitu nat, kepada badan asas yang mempunyai kekuatan lekatan dalaman yang lebih tinggi, iaitu gelendong benang. Kehadiran pelincir tambahan dalam zon geseran mengurangkan bilangan puncak kekasaran yang bersentuhan. Pembentukan pemendapan lekatan pada rusuk benang yang dibebani ditunjukkan secara skematik dalam rajah 9c. Beban yang meningkat secara beransur-ansur pada kawasan sentuhan nat benang menyebabkan penanggalan zarah-zarah kecil, yang kemudiannya mendap pada puncak kekasaran rusuk benang yang bersentuhan. Zarah-zarah ini secara beransur-ansur membentuk satu lapisan pada permukaan sentuhan rusuk benang yang dibebani (rajah 10), dan menghalang sentuhan langsung antara bahan skru dan nat. Proses ini berterusan sehingga keadaan stabil tercapai, dan tiada lagi pemindahan bahan daripada lapisan permukaan nat ke rusuk benang yang dibebani berlaku. Proses ini mempengaruhi tingkah laku pemakaian awal dan berubah kepada keadaan stabil apabila puncak kekasaran yang bersentuhan dilitupi oleh lapisan lekatan. Keadaan ini mempengaruhi pekali geseran. Rajah 10 menunjukkan bahawa lapisan pemendapan mempunyai ketinggian kira-kira 2 μm dan tiada haus lelasan yang dapat dikesan pada permukaan asal rusuk benang yang dibebani..

5 Rumusan dan hala tuju seterusnya

Dalam kajian ini, tiga topografi permukaan yang berbeza telah dibentuk melalui kaedah pemesinan putar dan dikaji dari segi sifat tribologi pada gelendong benang trapezium. Selain pengukuran pekali geseran, corak haus pada rusuk benang yang dibebani turut dianalisis dan pemendapan lekatan telah dikuantifikasikan.

Berbanding dengan gelendong benang yang digulung, didapati bahawa struktur permukaan pada rusuk benang yang dibebani pada gelendong benang yang digunakan dalam sistem pengangkatan beban berat memberikan nilai tambah yang ketara. Kaedah pemesinan putar membolehkan penghasilan pelbagai struktur permukaan, yang membawa kepada pengurangan pekali geseran sebanyak 25.5%. Pengurangan ini seterusnya mengurangkan penggunaan tenaga sistem secara keseluruhan secara berkadar, dengan mengambil kira reka bentuk penyokong sistem pengangkatan, kerana kecekapan sistem sangat dipengaruhi oleh sentuhan geseran antara gelendong dan nat. Selain itu, kajian menunjukkan bahawa permukaan asal yang bertekstur hasil daripada proses pemesinan putar kekal utuh walaupun selepas jangka hayat selama 10 tahun yang diemulasikan secara eksperimen. Ini menunjukkan bahawa bahagian geseran pepejal, di mana puncak kekasaran gelendong dan nat bersentuhan secara langsung, dapat dikurangkan. Dengan struktur permukaan yang dibentangkan, haus lekatan pada rusuk benang dalam siri ujian 4 dapat dikurangkan kepada 10.1%, berbanding 36.3% pada gelendong benang yang digulung.

Walaupun tempoh operasi selama 10 tahun bagi gelendong benang telah diemulasikan dalam ujian ini, jangka hayat nat benang tidak ditunjukkan. Hanya sebahagian daripada gelendong terdedah kepada sentuhan tribologi, manakala benang dalaman nat tertakluk kepada beban yang berterusan, yang menyebabkan pendedahan yang jauh lebih lama terhadap interaksi tribologi. Kajian masa hadapan boleh memberi tumpuan yang lebih besar terhadap aspek ini dalam sistem geseran, terutamanya memandangkan cabaran untuk mengukur haus pada nat. Satu lagi kesan positif daripada penggunaan gelendong benang dengan struktur permukaan yang ketara ialah kemungkinan pengurangan haus pada badan geseran yang berlawanan, iaitu nat.

Rujukan

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

Ucapan penghargaan

Para penulis merakamkan setinggi-tinggi penghargaan kepada Kementerian Persekutuan bagi Hal Ehwal Ekonomi dan Perlindungan Iklim (BMWK) atas pembiayaan yang diberikan serta kepada rakan projek Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG atas kerjasama yang erat dan membina.

Penajaan

Kajian ini telah dibiayai oleh Kementerian Persekutuan bagi Hal Ehwal Ekonomi dan Perlindungan Iklim (BMWK) dalam rangka program Pembiayaan Inovasi Pusat.

Sumbangan penulis

B. Denkena bersama dengan B. Bergmann telah menyemak dan menyunting manuskrip ini. C. Wege membangunkan konsep kajian ini, menjalankan eksperimen, menganalisis data dan menulis manuskrip. M. von Soden dan H. Gereke-Bornemann menghasilkan peralatan dan menyediakan susunan ujian.

Penajaan

Pembiayaan akses terbuka telah dimungkinkan dan diselaraskan melalui Projek DEAL.

Konflik kepentingan

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden dan H. Gereke-Bornemann menyatakan bahawa tiada konflik kepentingan yang wujud.

Akses terbuka

Artikel ini dilesenkan di bawah Lesen Creative Commons Atribusi 4.0 Antarabangsa, yang membenarkan penggunaan, perkongsian, penyesuaian, pengedaran dan penggandaan dalam sebarang medium atau format, selagi pengarang asal dan sumber dinyatakan dengan sewajarnya, pautan kepada lesen Creative Commons disediakan, dan sebarang perubahan dinyatakan dengan jelas. Imej atau bahan lain daripada pihak ketiga yang terkandung dalam artikel ini termasuk dalam lesen Creative Commons artikel ini, kecuali dinyatakan sebaliknya dalam petikan sumber bahan tersebut. Jika bahan tidak termasuk dalam lesen Creative Commons artikel ini dan penggunaan yang anda inginkan tidak dibenarkan di bawah peruntukan undang-undang atau melebihi skop penggunaan yang dibenarkan, anda perlu mendapatkan kebenaran terus daripada pemegang hak. Untuk melihat salinan lesen ini, sila lawati http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Notis penerbit

Springer Nature kekal berkecuali terhadap sebarang pertikaian undang-undang yang berkaitan dengan penentuan geografi dalam peta yang diterbitkan dan hubungan institusi.

• Springer Nature, 24.05.2024