Het fenomeen slip-stick tegengaan: Schroefdraadprofielen met microscopische smeermiddelreservoirs

De schroefdraadprofielen op wormwielvijzels die onder belasting een vlaktedruk van > 20 N/mm2 ondervinden en die met lage omtreksnelheden werken, hebben constante smering nodig. Bornemann precisie schroefdraad biedt een deel van de oplossing.

Draden die plotseling gaan gieren, slaan alarm bij ervaren machineoperators. De ervaring leert dat het niet lang meer duurt voordat een systeem het begeeft. Het piepen is een teken van slijtage en komt vooral voor bij lagers, geleidingen en draadspindels op het gebied van zware heftechnologie. De reden: een gebrek aan smering. Het resultaat: stick-slip. Twee vaste lichamen – in het geval van schroefdraad de spindel en moer – maken contact met elkaar in een schokkende beweging. In het ergste geval kan dit leiden tot microlassen of koudlassen. Is de fabrikant van het smeermiddel schuldig?

“Nee”, zegt Moritz von Soden, Managing Director bij Bornemann Gewindetechnik. “Zo eenvoudig is het niet. Er zijn veel oorzaken voor het stick-slip fenomeen. Het is vaak een combinatie van verschillende invloeden. Naar mijn mening ligt de basis voor een optimale levensduur van een schroefdraad echter in het ontwerp. De kwaliteit van het schroefdraadoppervlak is een belangrijke factor.”

Optimale smering voor schroefdraadflanken – smeervakken om het stick-slip-fenomeen tegen te gaan

Het stick-slip fenomeen, of gewoon stick-slip, verdwijnt meestal zodra een tussenliggend materiaal of smeermiddel de contactoppervlakken scheidt. Het effect is ook afhankelijk van de compatibiliteit van het smeermiddel met elastomeermaterialen, het terugstroomgedrag, de toevoer van de olie en de mate van corrosiebescherming.

Een andere doorslaggevende factor is de materiaalcombinatie in het spindel/moer-systeem. Bij een combinatie van nodulair gietijzer en staal bijvoorbeeld kan het ijzergehalte in beide materialen koudlassen bevorderen.

Bornemann Gewindetechnik richt zich niet zozeer op de smeermiddelvoorziening, smeermiddelcompatibiliteit en materiaalcombinaties, maar legt de nadruk op precisie bij de ontwikkeling van de oppervlaktetopografie van draadspindels en moeren. Precisie op microscopisch niveau: microscopische smering pockets – uitsparingen op het schroefdraadoppervlak – helpen om smeermiddel vast te houden waar het nodig is (figuren 1a en b), zelfs onder de hoogste oppervlaktebelastingen.

De door Bornemann geproduceerde schroefdraad vertoont betrouwbaar deze belangrijke smeervakken. De draadrolmethode kan geen uitsparingen in het schroefdraadoppervlak maken en biedt daarom geen alternatief. Daarom zijn de draadspindels van Bornemann vooral populair in de zware heftechniek. Het gereedschap voor de productie van draadspindels bestaat uit een aangedreven ring met een set profielmatrijzen. Tijdens de bewerking maakt het profielsnedes terwijl het werkstuk in de ring draait.

Een matrijzenset bestaat uit verschillende afzonderlijke snijkanten die na elkaar een onderbroken snede maken. Tijdens dit proces worden tussen de afzonderlijke sneden microscopisch kleine uitsparingen in het werkstukoppervlak gemaakt die veelhoekige, holle afschuiningen van slechts enkele micrometers vormen. Op het eerste gezicht lijken deze uitsparingen fabricagefouten. In feite verbeteren deze bewerkingssporen het operationele gedrag van de draadspindels. Microscopische uitsparingen kunnen fungeren als microsmeringszakken tijdens gesmeerd wrijvingscontact. Deze pockets vullen zich met smeermiddel en gaan zo eventuele onderbrekingen in de smeerfilm tegen. Zoals je kunt zien in figuur 2a, veroorzaken de microsmeringszakjes een hydrodynamische drukopbouw tijdens gesmeerd glijcontact tussen twee vaste lichamen. Deze drukopbouw werkt loodrecht op het oppervlak en voorkomt wrijving in vaste toestand.

Testen met tribometerschijven uitgerust met microsmeringstoestellen tonen het potentieel van microsmeringstoestellen om de wrijvingscoëfficiënt en dus wrijvingsverliezen te verminderen bij lage relatieve snelheden van minder dan 1,5 m/s door de toevoer van smeermiddel tijdens wrijvingscontact te verbeteren (afbeelding 2b).

Deze microsmeringsuitsparingen zijn al het onderwerp van verschillende onderzoeksprojecten op andere gebieden (bijvoorbeeld in het wrijvingscontact tussen cilinderbussen en zuigers). In verbrandingsmotoren worden deze uitsparingen gebruikt om te voorkomen dat het smeermiddel van het contactpunt afloopt en om de wrijvingsverliezen en slijtage als gevolg van mechanische slijtage te verminderen. De uitsparingen bieden ook gelijkwaardige voordelen op de schroefdraadsteunflank van Bornemann schroefdraadspillen. Met name hun oriëntatie, die loodrecht staat op de wrijvingsbeweging, helpt om het smeermiddel op zijn plaats te houden tijdens wrijvingscontact en zorgt voor het juiste smerende effect.

“Natuurlijk bieden andere fabricageprocessen ook specifieke voordelen”, legt Moritz von Soden uit, ”maar onze schroefdraden hebben hun waarde bewezen in de zware machinebouw, vooral in trapeziumschroefaandrijvingen die zwaar worden belast. Er wordt veel minder smeermiddel uitgeperst. De smeervakken die we introduceren werken als smeermiddelreservoirs.”

De algemeen heersende mening dat gewalste draadspindels een langere levensduur hebben, heeft de CEO van Bornemann in de praktijk niet bevestigd gezien. “Het hardere oppervlak van gerolde spindels leidt niet tot een langere levensduur. In de heftechniek worden meestal bronzen moeren gebruikt als slijtdelen. De hardheid van de spindels is daarom technisch gezien geen significante factor als het gaat om slijtage. Bovendien hebben eerdere duurzaamheidstests aangetoond dat onze draadspindels zelfs na vele jaren gebruik slechts minimale tekenen van slijtage vertonen.”

Naast de draadkwaliteit is het algehele systeem van cruciaal belang

Alleen de optimale combinatie van schroefdraad, smeermiddel en onderhoud van de installatie kan het verschijnsel slip-stick tegengaan. Het reinigen van het oppervlak voordat het smeermiddel wordt aangebracht, is een van de belangrijkste voorbereidende taken. We bevelen ook sterk vloeibare vetten aan met consistentieklasse NLGI 00. De hoeveelheid vet moet ten minste 30% van het volume tussen de spindel en de balg bedragen. Een andere vereiste voor het smeermiddel komt voort uit de dichtheid van het systeem: Omdat de balgen meestal niet hermetisch gesloten zijn, kan condensvorming binnenin meestal niet worden uitgesloten. Het smeermiddel moet daarom een hoge waterbestendigheid hebben en een zeer effectieve corrosiebescherming bieden.

Over Bornemann

Bornemann Gewindetechnik (www.bornemann-gewindetechnik.de) produceert schroefdraad in alle speciale vormen en maten. We produceren op maat gemaakte oplossingen voor heftechnologie en hydraulische staalbouwtoepassingen, en platformuitrusting en schuifafsluiters voor stuwdammen, om er maar een paar te noemen. Naast uitdagend, zeer nauwkeurig werk op het gebied van stompschroefdraad, draadschroeven en meervoudige schroefdraad, richten we ons ook op de productie van grote, kant-en-klare trapeziumdraadspindels en moersets. Elk bewerkbaar materiaal kan als uitgangsmateriaal worden gebruikt. De standaardmaten voor draadspindels variëren in diameter van 10 tot 180 mm en in lengte tot 10 m. Het geoptimaliseerde productieproces van Bornemann produceert schroefdraadoppervlakken met een kwaliteit die gelijkwaardig is aan geslepen schroefdraad.

Stick-slip en de gevolgen: Vreselijke geluiden en verhoogde slijtage

Het stick-slip fenomeen komt ook veel voor in het dagelijks leven. Als deuren kraken, als wielen over rails gieren of als ruitenwissers over de voorruit piepen, is de statische wrijving groter dan de glijdende wrijving. Maar vooral bij technische toepassingen in industriële omgevingen wordt het stick-slip fenomeen al snel een probleem: het is een indicatie van verhoogde slijtage en een gebrek aan smering op schroefdraadprofielen (afbeelding 3). In extreme gevallen kan het zelfs leiden tot koudlassen in het hele spindel/moer-systeem.