Draad wervelen scoort in vergelijking met draad rollen

Tribologische contacten zijn verantwoordelijk voor ongeveer 12% van het wereldwijde energieverbruik. Bornemann Gewindetechnik onderzoekt de optimalisatie van trapeziumdraden samen met het Instituut voor productietechniek en gereedschapsmachines van de Leibniz Universität Hannover.

Tribologische contacten zijn goed voor ongeveer 12% van het totale energieverbruik in de wereld. Hiervan wordt 20% gebruikt om wrijving te overwinnen en 3% voor het repareren van versleten onderdelen of het vervangen van apparatuur voor slijtagegerelateerde storingen [1]. Een voorbeeld hiervan is zware hefapparatuur voor het onderhoud van treinen of vrachtwagens. Bornemann Gewindetechnik is gespecialiseerd in de productie van dergelijke complexe of sterk belaste onderdelen met schroefdraad. Samen met het Instituut voor productietechniek en gereedschapsmachines (IFW) van de Leibniz Universiteit Hannover heeft het familiebedrijf onderzoek gedaan naar de tribologische optimalisatie van trapeziumvormige schroefdraad met behulp van het schroefdraadwervelproces. Dit proces is bijzonder geschikt voor lange onderdelen met schroefdraad. Met behulp van de modernste productietechnieken produceert Bornemann Gewindetechnik schroefprofielen tot 12 meter lang.

Gewervelde draadspillen hebben bewerkingsgerelateerde oppervlakte microstructuren die een smeermiddel vasthouden. Dit vermindert de wrijving van de gewervelde draadspindels en verlengt de levensduur in vergelijking met conventioneel gewalste spindels. Onderzoekers onderzoeken de exacte relatie tussen het bewerkingsproces en het wrijvingsverminderende effect als onderdeel van het “TopThread” project.

De invloed van de microstructuren die gegenereerd worden door het wervelen van schroefdraad op het tribologische gedrag van hoogbelaste spindels met trapeziumvormige schroefdraad in zware hefsystemen wordt onderzocht. Hiervoor wordt een wervelproces geanalyseerd dat speciaal is ontwikkeld voor procesgeïntegreerde microstructurering.

In dit artikel wordt geïllustreerd hoe de oppervlaktetopografie specifiek kan worden aangepast met het wervelproces, wat een belangrijk voordeel is ten opzichte van het walsen van schroefdraad. Figuur 2 toont de oppervlaktetopografie van de schroefdraadflank van een gewalste trapeziumdraadspil in vergelijking met een gewervelde schroefdraadflank.

Door het wervelproces specifiek aan te passen, konden meer uitgesproken structuren worden geproduceerd in vergelijking met gerolde draadspillen. De structuurparameters structuurhoogte “yf” en structuurafstand “sf” werden geïntroduceerd om de oppervlaktestructuren te karakteriseren (Fig. 1). Voor tribologische optimalisatie werd het wervelproces gebruikt om structuren te maken met een kleiner aandeel pieken, die het directe vaste contact tussen de oppervlakken van de wrijvingspartners minimaliseren. De grotere afstand tussen de structuurpieken maakt het mogelijk om het smeermiddel op te slaan in de dalen van het ruwheidsprofiel.

Karakterisering van de tribologische eigenschappen

De testopstelling getoond in Figuur 3 is gebruikt om de invloed van de oppervlaktetopografie van de schroefdraadflanken op het tribologische gedrag te onderzoeken. Testspindels met schroefdraad Tr 80 x 10 mm werden met een frequentie van f = 0,81 Hz door een hoek van v = 15° geslingerd. De rotatie van een belastingsverandering komt overeen met een translatieslag van s = 0,42 mm van de schroefdraad. Met deze opstelling werd de draadspil belast met een gewichtskracht van FG = 91,3 kN tijdens het heffen en neerlaten. Dit komt overeen met een oppervlaktedruk van p = 5,0 N/mm2, wat binnen het maximale belastingsbereik ligt voor trapeziumschroefaandrijvingen (TGT) in zware hijssystemen. Voor deze toepassing werd het materiaal van de draadmoer G-CuSn 7 ZnPb en het smeermiddel DGM HTF 940 geselecteerd. De smering in de testvolgorde komt overeen met een onderhoudsinterval van een maand. Het interval voor het smeren van de spindel-moercombinatie is daarom elke 167 cycli. De testopstelling werd opgezet door SincoTec. SincoTec is ook de fabrikant van de krachtsensor Interface 125 kN en de koppelsensor SincoTec 1.200 Nm.

De slijtagetoestand van de flankoppervlakken werd geanalyseerd om de wrijvingseigenschappen van de verschillende oppervlaktetopografieën en oppervlaktestructuren te karakteriseren. Hiertoe hebben de projectdeelnemers de spindels vervolgens doorgeslepen met een doorslijpmachine. Met 20.000 belastingscycli werd de levensduur van tien jaar voor de geanalyseerde draadspillen experimenteel in kaart gebracht. Voor de gewalste draadspillen werden de procesgemanipuleerde variabelen zodanig gekozen dat gedefinieerde gradaties tussen de hoogtes van de microstructuren op de dragende flanken van de draden werden bereikt. De procesparameters zijn gebaseerd op de ervaring van Bornemann. Verder werden gewalste draadspillen geanalyseerd die waren gewalst met behulp van het continue proces.

Invloed van oppervlaktestructuren op de wrijvingscoëfficiënt

Door de oscillerende beweging over een kleine hoekafstand kan het heffen en dalen geanalyseerd worden in een groot aantal belastingscycli. Op deze manier kan de gehele levensduur van de draadspindels experimenteel in kaart worden gebracht. Figuur 4 toont het verloop van de wrijvingscoëfficiënt voor de hefbeweging met de trapeziumschroefaandrijving. De wrijvingscoëfficiënten van een gerolde en een gewervelde schroef worden hier vergeleken. Het resulterende snelheidsprofiel binnen een lastwissel bestaat uit een versnellingsfase, een fase met constante snelheid en een vertragingsfase – telkens voor heffen en zakken. Het stick-slip effect, dat optreedt bij lage snelheden, wordt vooral bevorderd op het punt van de richtingsverandering. Dit effect manifesteert zich in een kortstondig kleven van de oppervlakken, gevolgd door een plotseling glijden van de wrijvingspartners. Deze beweging kan leiden tot trillingen, die tot uiting komen in een grotere fluctuatie van de wrijvingscoëfficiënt [2]. De gemiddelde wrijvingscoëfficiënt stijgt sterk aan het begin van de test, bereikt een maximum na ongeveer 2000 belastingscycli en daalt dan tot een constant niveau na ongeveer 8000 belastingscycli. Dit gedrag wordt de inloopfase genoemd en beschrijft de algemene verandering in de wrijvingscoëfficiënt in de loop van de test, afhankelijk van het betreffende tribologische systeem [3].

De wervelende trapeziumvormige draadspindel met de geïntroduceerde oppervlaktestructuur vertoont een significante verbetering van de tribologische eigenschappen. Dit leidt tot een verkorting van het inloopgedrag met ca. 44% en een blijvende verlaging van de wrijvingscoëfficiënt tot een lager niveau van μm = 0,085. Dit komt overeen met een reductie van 25,5% vergeleken met de gerolde schroefdraadspil. Een volledige reductie van de inloopfase was niet mogelijk met deze schroefdraad in het beschreven tribologische systeem.

Invloed van oppervlaktestructuren op slijtage

De slijtage die optreedt wanneer de twee wrijvingspartners met elkaar in contact komen, is van doorslaggevend belang voor de levensduur van de trapeziumvormige draadspil. Om de slijtagemechanismen die optreden op de draadspil te identificeren, werd het oppervlak van de lagerflank onderzocht gedurende 20.000 belastingscycli met een regelmatige toevoer van smeermiddel en vervolgens werd het slijtagepatroon van de lagerflank geanalyseerd (Fig. 5). Na de test toonde het onderzoek een duidelijk verschillend slijtagepatroon afhankelijk van de oppervlaktestructuren op de lagerflank. De gerolde draadspillen zonder oppervlaktestructuren op de lagerflank vertonen uitgesproken kleefafzettingen op de lagerflank van de draadspil, die worden veroorzaakt door aanzienlijke verwijdering of kleefslijtage van het moermateriaal. Naarmate de hoogte van de structuur toeneemt, neemt het oppervlak van de adhesieve slijtage ook aanzienlijk af (Fig. 5).

Door de lage glijsnelheid en de hoge oppervlaktedruk in tribologisch contact wordt de wrijving in het tribologische systeem gecategoriseerd tussen vastestofwrijving en gemengde wrijving. Door de geprononceerde oppervlaktestructuur (Figuur 6, rechts) kan het aantal microcontacten worden verminderd in vergelijking met de ongestructureerde oppervlaktetopografie (Figuur 6, links). Dit resulteert in een lager aandeel vastestofwrijving door de oppervlaktestructuren. Een meer uitgesproken oppervlaktestructuur op de schroefdraadflank kan een grotere hoeveelheid smeermiddel opnemen. Met de oppervlaktestructuren werd de adhesieve slijtage op de schroefdraadflank verminderd tot 10,1%, vergeleken met 36,3% bij een gerolde schroefdraadspil.

Wanneer wrijvingspartners van verschillende metalen met elkaar in contact komen, vindt er een materiaaloverdracht plaats van het cohesief zwakker gebonden wrijvingslichaam (in dit geval de moer) naar het cohesief sterker gebonden basislichaam (in dit geval de draadspil) [4]. Het extra smeermiddel in het wrijvingscontact resulteert in een lager aantal contactruwheidspieken. De progressieve belasting op het contactoppervlak van de draadmoer resulteert in het loskomen van deeltjes die worden afgezet op de contactruwheidspieken van de lagerflank. Deze vormen geleidelijk een laag op de contactzones van de lagerflank en voorkomen direct contact tussen het spindel- en moermateriaal. Dit proces gaat door totdat een statische toestand is bereikt en er geen afzettingen meer worden gevormd op de lagerflank. Dit proces bepaalt het inloopgedrag, dat overgaat in een statische toestand zodra de contactruwheidspieken bedekt zijn met adhesieafzettingen. Deze toestand beïnvloedt ook de wrijvingscoëfficiënt. Het initiële oppervlak ondervindt geen abrasieve slijtage tijdens de hefbeweging.

Vooruitzichten en gebruiksmogelijkheden

In concurrentie met gewalste draadspillen is aangetoond dat oppervlaktestructuren op de lagerflank van een draadspil voor zware hijssystemen een aanzienlijke meerwaarde bieden. Het wervelproces kan worden gebruikt om een grotere verscheidenheid aan oppervlaktestructuren te creëren. Bovendien is aangetoond dat het oppervlak van de draadspindel aan zeer weinig slijtage onderhevig is, wat betekent dat de oppervlaktestructuren op de lagerflank grotendeels behouden blijven na een experimenteel gesimuleerde levensduur van 10 jaar. Figuur 7 toont de drie belangrijkste mogelijkheden van microgestructureerde lagerflanken voor het ontwerp en de constructie van trapeziumvormige draadspillen.

De gedefinieerde aanpassing van de oppervlaktestructuren op de schroefdraadflank kan de wrijvingscoëfficiënt met 25,5% verlagen. Voor het voorbeeld van een zwaar hijssysteem resulteert deze vermindering van de wrijvingscoëfficiënt in een evenredige vermindering van het energieverbruik, rekening houdend met de betreffende lagering van het hijssysteem, aangezien het wrijvingscontact tussen de spindel en de moer bepalend is voor de efficiëntie.

Een ander aspect is de vermindering van slijtage aan de draadmoer. In deze onderzoeken kon de slijtage van de draadmoer alleen indirect worden geanalyseerd op basis van de kleefafzettingen op de lagerflank. Door de vermindering van de kleefafzettingen tot ongeveer 10% van de lagerflank, kan worden aangenomen dat er minder microcontact was tussen de wrijvingspartners en daardoor minder slijtage aan de draadmoer. Uit de verminderde adhesie op de lagerflank kan worden geconcludeerd dat de algehele slijtage van de draadmoer ook is verminderd. Dit kan de onderhoudskosten verlagen en de levensduur van de gehele trapeziumschroefaandrijving verlengen.

Het derde en beslissende voordeel van de microgestructureerde lagerflanken van een hoofdschroef vloeit voort uit het ontwerp van de aandrijfmotor. Door de wrijvingscoëfficiënt met 25% te verlagen, kan in het ontwerp worden uitgegaan van een lager wrijvingskoppel.

Dit maakt het mogelijk om een motor met kleinere afmetingen te kiezen, waardoor het stroomverbruik van het hele systeem daalt en de investeringskosten voor het hele hefsysteem aanzienlijk dalen. Voor dit aspect moet het inloopgedrag echter worden beperkt en moet een constante wrijvingscoëfficiënt worden gegarandeerd over de hele levensduur.

Door verder onderzoek kan de oppervlaktestructuur worden geoptimaliseerd afhankelijk van de schroefdraadgeometrie. Het proces voor het genereren van deze specifiek aangepaste oppervlaktestructuren wordt momenteel gepatenteerd door de projectpartners.

Hierdoor kan het individuele tribologische systeem nog specifieker worden aangepakt. Een ander aspect voor toekomstig onderzoek en ontwikkeling is de wijziging van de oppervlaktetopografie van de schroefdraadmoer om het inloopgedrag specifiek te compenseren. Een constant lagere wrijvingscoëfficiënt zou het mogelijk maken om de afmetingen bij het ontwerp van de aandrijfmotor verder te verkleinen. Deze punten zullen in de toekomst verder worden aangepakt in een gezamenlijk gepland onderzoeksproject met Bornemann Gewindetechnik en de IFW.

Erkenning

De auteurs willen graag ZIM bedanken voor het financieren van het project “TopGewinde – Tribologisch geoptimaliseerde oppervlaktetopografieën om de levensduur van schroefaandrijvingen te verlengen met behulp van het wervelproces”.

Ze willen ook Hans Bornemann en Moritz von Soden van de fabrikant Bornemann Gewindetechnik bedanken voor hun uitstekende samenwerking in het onderzoeksproject.

Literatuur

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.

Contact

Christian Wege, M. Eng.
Instituut voor productietechniek en gereedschapsmachines van de Leibniz Universität Hannover
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de

• Konstruktion, 12/2024