Permukaanlah yang penting

Spindel berulir ialah elemen reka bentuk yang digunakan secara meluas dalam bidang kejuruteraan mekanikal. Spindel berulir yang menanggung beban tinggi digunakan, sebagai contoh, dalam alat pengangkat dan terutamanya dalam sistem pengangkat beban berat. Dalam kes ini, spindel berulir yang dihasilkan melalui proses swirling digunakan secara utama. Spindel berulir yang dihasilkan melalui proses penggolekan selalunya mempunyai permukaan yang terlalu licin, yang menggalakkan kesan stick-slip dan memberi kesan negatif terhadap jangka hayat keseluruhan sistem.

Topografi permukaan yang terhasil melalui proses swirling pada spindel berulir boleh berfungsi sebagai takungan pelincir dan dengan itu mengurangkan geseran dalam hubungan antara spindel dan nat. Di Institut Teknik Pembuatan dan Mesin Alat (IFW) di Universiti Leibniz Hannover, penyelidikan dijalankan mengenai penyesuaian topografi permukaan secara khusus pada pemacu berulir yang dihasilkan melalui swirling. Bersama syarikat sederhana Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG (www.bornemann.de), fungsi sisi ulir pada spindel berulir dengan ulir trapezium sedang dikaji bagi mengoptimumkan tingkah laku geseran.

IFW dan Bornemann mempunyai matlamat dalam projek TopGewinde untuk membangunkan satu proses swirling yang inovatif bagi menghasilkan mikrostruktur pada sisi ulir spindel berulir yang dapat mengurangkan geseran (Rajah 1). Untuk meramalkan mikrostruktur permukaan secara maya, satu model simulasi swirling sedang dibangunkan dalam rangka projek ini dengan menggunakan perisian CutS (Cutting Simulation) yang dibangunkan oleh IFW sendiri. Model kinematik dalam Rajah 1 dibangunkan selaras dengan proses swirling syarikat Bornemann.

Lengkung bahagian bahan menerangkan takungan pelincir

Pembentukan tanda pemesinan ini harus disesuaikan secara tribologi untuk hubungan antara spindel dan nat pada ulir trapezium. Pelincir boleh disimpan dalam lembah profil permukaan, yang mengelakkan pelinciran tidak mencukupi dan masalah berkaitan seperti kesan stick-slip (Rajah 2).

Bagi pengkuantitian bahagian takungan pelincir pada sisi ulir, satu nilai ciri diperlukan. Untuk menilai permukaan yang terdedah kepada beban tribologi, lengkung bahagian bahan boleh digunakan. Lengkung ini membahagikan profil kekasaran kepada ketinggian puncak terkurang Rpk, ketinggian teras Rk dan kedalaman lembah terkurang Rvk. Ketinggian teras Rk menerangkan bahagian profil kekasaran yang kekal dalam hubungan tribologi selepas fasa pemakaian awal dalam kitar hayat produk spindel berulir, apabila puncak kekasaran (yang diterangkan oleh Rpk) telah haus. Kedalaman lembah terkurang Rvk menerangkan bahagian permukaan awal yang tersedia untuk menyimpan pelincir. Parameter kekasaran yang bersamaan berdasarkan kawasan permukaan ialah Spk, Sk dan Svk. Parameter permukaan ini digunakan dalam projek yang sedang dijalankan untuk membangunkan kaedah swirling yang inovatif. Selain itu, parameter ini juga akan digunakan untuk menilai permukaan dalam pengeluaran siri masa depan dengan kaedah swirling baharu di syarikat Bornemann.

Pengoptimuman topografi secara eksperimen

Untuk mengkaji pengaruh pemesinan swirling terhadap topografi permukaan, parameter proses dalam penghasilan spindel berulir trapezium telah diubah terlebih dahulu. Fokus siri ujian ini diberikan kepada kelajuan putaran alat nwz dan kelajuan putaran benda kerja nws (Rajah 3). Oleh kerana dalam proses swirling kedua-dua alat dan benda kerja berputar, nisbah kelajuan putaran r antara alat dan benda kerja ditentukan dan dimasukkan dalam penilaian topografi permukaan. Spindel berulir trapezium yang dikaji dihasilkan daripada keluli C45 menggunakan mesin alat swirling yang direka khas oleh syarikat Bornemann Gewindetechnik dengan kaedah pemotongan sehala. Penilaian terhadap topografi yang dihasilkan pada sisi ulir telah dijalankan menggunakan mikroskop konfokal keluaran Confovis GmbH di IFW. Topografi yang terhasil dan parameter Abbott yang sepadan ditunjukkan dalam Rajah 3. Dua ukuran teratas menunjukkan pengaruh kelajuan putaran alat terhadap topografi permukaan. Ukuran topografi di bahagian bawah menunjukkan hasil topografi pada pelbagai kelajuan putaran benda kerja. Matlamat kajian ini ialah untuk mencapai nilai tertinggi bagi kedalaman lembah terkurang Svk, bagi menghasilkan isipadu takungan pelincir yang sebesar mungkin pada permukaan. Nilai Svk tertinggi dicapai dalam Ujian 1 dengan Svk = 0,442 µm. Spindel ini juga mempunyai nisbah kelajuan putaran paling rendah. Trend penurunan nilai Svk dengan peningkatan nisbah kelajuan putaran boleh diperhatikan sepanjang siri ujian. Dengan mengurangkan nisbah kelajuan putaran, jarak antara struktur meningkat dan kedalaman lembah terkurang Svk turut meningkat.

Peramalan topografi secara maya

Hubungan yang ditentukan secara eksperimen sedang dikaji secara simulasi di IFW. Untuk tujuan ini, simulasi penyingkiran bahan digunakan bagi menyelidik bagaimana topografi permukaan terbentuk. Dengan perisian CutS, satu model simulasi untuk proses swirling spindel berulir dibangunkan dan permukaan yang terhasil diramalkan (Rajah 4). Ini digunakan, pertama, untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik mengenai pembentukan permukaan semasa swirling, dan kedua, untuk mengurangkan keperluan kepada ujian sebenar. Dalam Rajah 4, topografi yang diukur dan hasil simulasi ditunjukkan secara perbandingan. Dalam simulasi ini, kinematik proses swirling syarikat Bornemann digambarkan. Kekasaran maksimum pada sisi ulir trapezium yang dihasilkan melalui swirling berada dalam julat Rz = 3–7 µm. Bagi membangunkan model ramalan topografi permukaan yang boleh dipercayai dalam julat ini, pengaruh proses tambahan turut diambil kira. Dalam simulasi yang ditunjukkan di sini (Rajah 1), selain daripada parameter kinematik, takik pada sisipan pemotong juga dimasukkan. Untuk ini, satu model CAD bagi mata pemotong dengan profil kekasaran yang menghasilkan permukaan telah disepadukan ke dalam simulasi penyingkiran bahan. Keunikan proses swirling terletak pada fakta bahawa beberapa tepi pemotong pada satu sisipan memotong bahagian berbeza daripada profil ulir trapezium. Takik pada sisipan pemotong telah diukur untuk satu set sisipan dan dimasukkan ke dalam model bagi mempertimbangkan pengaruh mikrogeometri terhadap permukaan yang disimulasikan:

Struktur permukaan spindel berulir yang dihasilkan melalui swirling secara asasnya boleh ditiru menggunakan simulasi penyingkiran bahan. Struktur lembah yang menjadi ciri khas proses swirling dan tersusun secara berkala jelas kelihatan pada permukaan yang dijana dalam simulasi. Perbezaan antara permukaan simulasi dan permukaan sebenar dapat dilihat terutamanya pada bentuk dan kedalaman lembah. Penyimpangan peratusan antara nilai kekasaran yang diukur dan yang disimulasikan kini berada pada sekitar 25 %. Perbezaan ini disebabkan, sebagai contoh, oleh kesan permukaan stokastik dan penolakan alat yang berlaku dalam proses. Untuk meningkatkan ketepatan simulasi, pengaruh proses tambahan akan dipertimbangkan. Fokus semasa adalah pada tingkah laku getaran mesin alat. Di samping itu, kajian mengenai daya proses yang bertindak ke atas mata alat juga dirancang. Dalam proses swirling, pergerakan putaran eksentrik dan keratan cip yang berubah-ubah dijangka memberi kesan kepada penolakan alat swirling. Pengetahuan yang diperoleh daripada simulasi proses ini akan digunakan di masa hadapan untuk pembangunan alat, agar spindel berulir yang dioptimumkan secara tribologi dapat dihasilkan secara terkawal melalui swirling.

Rumusan & Tinjauan Masa Hadapan

Dalam perjalanan seterusnya projek ini, alat pemotong yang digunakan serta parameter proses yang berkaitan akan diubah suai agar permukaan yang dioptimumkan untuk mengurangkan geseran dapat dihasilkan. Untuk menilai kesan pengurangan geseran permukaan tersebut, ujian tribometer akan dijalankan terlebih dahulu. Berdasarkan ujian ini, pelbagai konsep alat akan dipilih untuk digunakan dalam penghasilan spindel yang dioptimumkan secara tribologi. Sebahagian daripada spindel tersebut kemudiannya akan diuji dalam ujian jangka hayat bagi mengesahkan penemuan yang diperoleh. Matlamat syarikat Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG adalah untuk menentukan satu mikrostruktur yang mampu mengurangkan geseran dan yang boleh digunakan terutamanya dalam sistem pengangkat beban berat, bagi memanjangkan jangka hayat sistem pengangkatan dengan ketara.

Maklumat lanjut mengenai pengoptimuman struktur permukaan ulir juga boleh didapati di www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik.