Oppervlakteoptimalisatie van trapeziumvormige draadspillen – tribologische analyse en toepassing

Spindels met trapeziumvormige schroefdraad zijn ideaal voor zware lasten en worden vaak gebruikt in hefsystemen. Als onderdeel van een samenwerkingsproject tussen het Instituut voor Productietechniek en Gereedschapsmachines (IFW) en het bedrijf Bornemann Gewindetechnik werd een aanpassing van de werveling van schroefdraad onderzocht om de tribologische eigenschappen van draadspillen te optimaliseren. Het gebruik van gewervelde microstructuren kan het wrijvingsverlies met 25,5% verminderen en de adhesieve slijtage aanzienlijk verminderen.

1 Inleiding

Er zijn verschillende fabricageprocessen beschikbaar voor de productie van lange draadspillen, die vaak worden gebruikt in hijssystemen, waaronder draad walsen en schroefdraad wikkelen [1]. Bij het ontwerpen van het fabricageproces voor gestandaardiseerde machine-elementen zoals trapeziumvormige draadspillen, wordt geen rekening gehouden met het toepassingsgedrag en de levensduur [2].

Bij het ontwerpen van oppervlakken die onderhevig zijn aan glijdende wrijving, is het belangrijk om rekening te houden met de wrijvingsregimes – grenswrijving, gemengde wrijving en vloeistofwrijving – die worden geclassificeerd met behulp van de Stribeck-curve [3]. In de hydrodynamische toestand wordt de kracht overgebracht door de smeermiddelfilm, waarbij de wrijvingskracht wordt opgewekt door de interne wrijving van het smeermiddel [3-5]. Deze is evenredig met het contactoppervlak, de viscositeit van het smeermiddel en de afschuifsnelheid van de dikte van de smeerfilm. In het geval van gemengde wrijving wordt de smeerfilm op bepaalde punten onderbroken door individuele ruwheidspieken, die dan bijdragen aan de lastoverdracht [4]. Vooral bij lage glijsnelheden vormt dit een nadeel voor het tot stand brengen en behouden van de hydrodynamische smeringstoestand [6].

Het directe contact tussen de twee triboelementen kan leiden tot een hoger energieverbruik [7]. Microstructuren kunnen via verschillende mechanismen gunstige effecten hebben. Microstructuren kunnen bijvoorbeeld dienen als smeermiddelreservoirs [8] en plaatselijke verhogingen in de smeermiddelfilm kunnen leiden tot een verhoging van de lagerdruk wanneer het smeermiddel erover stroomt [9]. Hydrodynamische druk kan zich opbouwen in de gedefinieerde microstructuren. Zowel cavitatie-effecten [4] als de opbouw van lagerdruk in opeenvolgende microstructuren spelen hierbij een rol [10, 11]. Deze onderzoeken geven aan dat de oppervlaktetopografie van trapeziumvormige draadspillen een groot potentieel biedt voor het verminderen van wrijving door microstructuren als gevolg van het sterk belaste glijcontact. Microstructuren om wrijvingsverliezen in glijcontacten te verminderen kunnen worden geïnduceerd door fabricageprocessen zoals vlakruwen of lasermarkeren [10, 12].

Wervelen als fabricageproces biedt een groot potentieel voor procesgeïntegreerde microstructurering, omdat het een aanzienlijk hogere productiviteit bereikt dan bijvoorbeeld schroefdraadfrezen [1, 13]. Studies naar oppervlaktestructurering door wervelen zijn tot nu toe alleen uitgevoerd als een extra structureringsproces en niet als procesgeïntegreerde functionalisatie van de oppervlaktestructuur [14]. Er zijn verschillende benaderingen voor microstructurering als een afzonderlijk fabricageproces [12, 15], maar deze vereisen een hoge integratie-inspanning vanwege een extra processtap. In een onderzoek toonden Denkena et al. een verbetering aan in de tribologische eigenschappen van oppervlakken die worden blootgesteld aan hoge thermomechanische belastingen, zoals in cilindervoeringen, door microstructurering [12]. Het wervelproces als bewerkingsmethode biedt specifieke mogelijkheden voor functionalisatie vanwege de oppervlaktestructuren die op de schroefdraadflank worden gecreëerd (Fig. 1).

Een specifieke uitdaging bij het gebruik van metalen tribokoppels in glijwrijving is het optreden van adhesie bij onvoldoende smering of overbelasting. Dit kan leiden tot adhesieve slijtage van de wrijvingspartner met een lagere hardheid en een materiaaloverdracht naar de wrijvingspartner met een hogere hardheid in het glijcontact [7, 17]. De oppervlaktetopografie en het werkelijke contactoppervlak in het glijcontact spelen een doorslaggevende rol in het eerder beschreven risico van adhesie bij onvoldoende smering [7, 16, 17]. Direct contact tussen de twee wrijvingselementen is een fundamentele voorwaarde voor adhesie en wordt gedefinieerd door het totale aantal microcontacten.

In glijdende contacten onderhevig aan hoge oppervlaktedruk wordt de smeermiddeldikte verminderd, wat leidt tot een verschuiving van gemengde wrijving naar grenswrijving en gepaard gaat met een verhoging van de wrijvingscoëfficiënt [3]. Denkena et al. toonden ook aan dat oppervlaktestructuren met geringe diepte kunnen leiden tot een verlaging van de wrijvingscoëfficiënt en een verschuiving naar het gemengde wrijvingsregime waar zowel vaste als vloeibare wrijving naast elkaar bestaan [12]. Voor staalbronstrio elementen in glijwrijving is aangetoond dat een oppervlaktestructuurdiepte van 2-5 μm bijzonder gunstig is voor het verminderen van wrijving [16]. Een ander fenomeen dat kan optreden bij onvoldoende smering of lage relatieve snelheden is het stick-slip effect. Dit heeft tot gevolg dat de triboelements korte tijd aan elkaar kleven voordat er weer een glijbeweging optreedt [18]. Het veelvuldig optreden van het stick-slip effect door een gebrek aan smeermiddel leidt tot verhoogde adhesieve slijtage en dus tot vroegtijdig falen van de componenten [19].

De invloed van microstructuren op de belaste schroefdraadflank van trapeziumdraadspillen onder hoge belastingen is nog niet onderzocht, maar biedt grote mogelijkheden om de efficiëntie te verhogen door wrijvingsverliezen te verminderen. Er is ook nog geen kennis over de invloed van microstructuren op slijtage in het spindel-moer systeem. Het doel van dit artikel is dan ook om deze leemte op te vullen en de invloed van oppervlaktestructuren gegenereerd door het wervelen van schroefdraad op het tribologische gedrag van hoogbelaste spindels met trapeziumvormige schroefdraad in zware hijsapparatuur onder reële omstandigheden te onderzoeken. De studie zal een speciaal ontwikkeld wervelproces voor procesgeïntegreerde microstructurering onderzoeken. Als onderdeel van het onderzoek zullen verschillende oppervlaktestructuren worden gepresenteerd en hun invloed op de wrijvingsvermindering in het totale systeem en hun vermogen om smeermiddel op het oppervlak vast te houden en zo kleefafzetting op de spindel en kleefslijtage op de moer te voorkomen, zal worden geëvalueerd.

2 Experimentele opstelling

2.1 Tribologisch testen

De testopstelling getoond in Figuur 2 is gebruikt om de invloed van de oppervlaktetopografie op de schroefdraadflanken met betrekking tot tribologisch gedrag te onderzoeken. De testspindels met een schroefdraad van Tr80×10 mm werden met een frequentie van f = 0,81 Hz over een hoek van ν = 15° heen en weer bewogen. De rotatie van een belastingsverandering komt overeen met een translatieafstand van 0,42 mm van de draadspil. Met deze opstelling werd de draadspil belast met een gewichtskracht van FG = 91,3 kN tijdens het heffen en laten zakken. Dit komt overeen met een oppervlaktedruk van p = 5,0 N/mm², wat binnen het maximale belastingsbereik ligt voor trapeziumschroefaandrijvingen in zware hijssystemen. Het materiaal van de draadmoer G-CuSn 7 ZnPb werd geselecteerd voor deze toepassing. Het gebruikte smeermiddel was DGM HTF 940 vet, dat bijzonder geschikt is voor glijlagertoepassingen. De smering in de testreeks was gebaseerd op een onderhoudsinterval van een maand. Dit interval komt overeen met het smeren van de spindel-moercombinatie om de 167 cycli. De testopstelling werd opgezet door Sincotec, dat ook de krachtsensor Interface 125 kN en de koppelsensor SincoTec 1200 Nm produceert.

De slijtagetoestand van de oppervlakken werd geanalyseerd om de wrijvingseigenschappen van verschillende oppervlaktetopografieën en de bijbehorende oppervlaktestructuren te karakteriseren. Hiervoor werden de spindels opengeslepen met een doorslijpmachine. Met 20.000 belastingscycli werd een levensduur van 10 jaar experimenteel in kaart gebracht voor de geanalyseerde draadspillen.

Om het tribologische gedrag te onderzoeken werden vier draadspillen geprepareerd waarbij verschillende procesparameters werden vergeleken met een gewalste spil met het wervelproces (tabel 1). Voor de gewalste draadspillen werden de procesparameters zodanig gekozen dat gedefinieerde gradaties tussen de hoogten van de oppervlaktestructuur op de belaste schroefdraadflanken van de draden werden bereikt. Testserie 1 omvat gewalste draadspillen die zijn vervaardigd met behulp van het continu walsproces. De specifieke procesparameters zijn gebaseerd op de ervaring van Bornemann. Testserie 2 werd gewalst met procesparameters die overeenkomen met de stand van de techniek en dient als extra referentie voor de nieuw ontwikkelde oppervlaktestructuur.

In testserie 3 en 4 werden de in dit onderzoek ontwikkelde oppervlaktestructuren in twee fasen geproduceerd om zowel de hoogte yf als de lengte sf van de oppervlaktestructuur te vergroten. Een toename van deze twee structuurparameters leidt tot een toename van het volume van het smeermiddel dat in het oppervlak wordt vastgehouden. Testserie 3 toont een theoretische structuurhoogte van yf = 2,31 μm met een structuurafstand van sf = 3,67 μm. In testserie 4 zijn de structuurparameters nog meer uitgesproken met yf = 3,61 μm en sf = 4,59 μm. Dit toont duidelijk de beperkte aanpasbaarheid van de structuren als gevolg van het vortexproces: een toename van de structuurhoogte yf leidt onvermijdelijk tot een toename van de structuurlengte sf.

2.2 Meting van de oppervlaktestructuur

Het Duo Vario optisch meetsysteem van Confovis GmbH wordt gebruikt om experimenteel gegenereerde 3D oppervlaktetopografieën te analyseren. De oppervlaktetopografieën zijn opgenomen met confocale witlichtmicroscopie. De confocale meting werd uitgevoerd met een Nikon 20×/0.45-NA objectief. Een laterale meetresolutie van 0,20 μm werd gebruikt om de flankoppervlakken te analyseren. Het gemeten gebied met een breedte van 2,26 mm en een lengte van 8,71 mm werd opgenomen met een resolutie van 0,28 μm. De experimenteel gegenereerde draadspindels werden uitgelijnd in een loodrechte meetpositie ten opzichte van de schroefdraadflank.

3 Toepassing en karakterisering van oppervlaktetopografie

De volgende resultaten laten zien hoe de oppervlaktetopografie van de schroefdraadflank specifiek kan worden aangepast met het wervelproces en hoe deze verschilt van de beperkte topografie van het draadwalsproces. Figuur 3 toont de oppervlaktetopografie van de schroefdraadflank van een gewalste trapeziumdraadspil in vergelijking met een gewervelde schroefdraadflank.

De oppervlaktetopografie van testserie 1 laat zien dat er geen oppervlaktetextuur ontstaat tijdens het draadwalsproces. De gewervelde draadspil van testserie 2 vertoont geen significante verschillen in de oppervlaktetopografie ten opzichte van testserie 1 en er is ook geen oppervlaktetextuur herkenbaar. Door het wervelproces specifiek aan te passen, was het mogelijk om in testseries 3 en 4 significant meer uitgesproken oppervlaktestructuren te produceren. In deze testseries werden de textuuropbouwhoogte yf en de textuurlengte sf opeenvolgend verhoogd om oppervlaktetexturen met een laag aandeel pieken te genereren, waardoor het directe contact tussen de oppervlakken van de triboelementen werd geminimaliseerd. De grotere afstand tussen de pieken van de oppervlaktestructuur maakt het mogelijk om smeermiddel vast te houden in de dalen van het ruwheidsprofiel.

Door het optreden van stochastische ruwheidseffecten tijdens de bewerking, die het technische oppervlak beïnvloeden als vierdegraads vormafwijkingen, wordt de minder uitgesproken oppervlaktestructuur van testserie 2 gesuperponeerd. Door deze superpositie zijn de textuurparameters moeilijk te bepalen en hebben ze een lage textuurhoogte yf = 0,82 μm en een textuurlengte sf = 1,63 mm. In feite verschilt testserie 2 niet van het gewalste monster door deze lage oppervlaktestructuur. De stochastische ruwheidseffecten tijdens het wervelproces worden voornamelijk veroorzaakt door de ruwheid op de snijkant van het wervelgereedschap, ook wel chipping genoemd. Dit vormt zich als een negatieve schimmel op het nieuw ontstane oppervlak tijdens het bewerken [20]. De topografie van testserie 3 en 4 toont karakteristieke, terugkerende groeven die ontstaan door chippen. Als de textuuropbouwhoogte yf kleiner is dan de ruwheid Rz aan de snijkant van het wervelgereedschap, wordt de textuur gesuperponeerd en treedt de karakteristieke textuur van het wervelproces niet op. Dit is te zien in de ruwheidsprofielen op de schroefdraadflanken (Fig. 4).

De meting wordt bovendien vervormd doordat de wiskundig benaderde draadvorm van de oppervlaktetopografie wordt afgetrokken, waardoor de texturen aan de rand van het meetbereik een iets lagere textuuropbouw hebben (figuren 3 en 4).

4 Tribologische evaluatie

De effecten van de wervelvormige oppervlaktetexturen op het tribologische systeem van schroef en moer in trapeziumvormige schroefspindels voor zware hijssystemen werden geanalyseerd met behulp van de testopstelling beschreven in paragraaf 2.2. Bij het ontwerp van trapeziumschroeven wordt de wrijvingscoëfficiënt vaak constant verondersteld om redenen van vereenvoudiging. De wrijvingscoëfficiënt kan echter niet worden beschouwd als een materiaaleigenschap, omdat deze wordt beïnvloed door alle componenten van het tribologische systeem. Om de invloed van de oppervlaktetopografie op dit systeem te karakteriseren, worden alle beïnvloedende variabelen constant gehouden. Alleen de oppervlaktetextuur veroorzaakt door het fabricageproces wordt gevarieerd in de testserie.

4.1 Onderzoek van de wrijvingscoëfficiënt

In zware hijssystemen zijn de bewegingsschroeven meestal verticaal geplaatst, waarbij een belaste schroefdraadflank wordt belast tijdens zowel de hef- als de daalbeweging. De wrijving op het hellende vlak kan worden gebruikt om de wrijvingscoëfficiënt in een trapeziumvormige schroefdraad te berekenen [21]. De normaalkracht FN kan worden berekend uit de gewichtskracht FG en de wrijvingskracht FR uit het wrijvingskoppel dat nodig is voor de draaibeweging met behulp van de geometrische relaties. Dit leidt tot een aanzienlijk hoger vereist wrijvingskoppel tijdens het heffen. Aangezien het wrijvingskoppel in de testopstelling wordt gemeten en de gewichtskracht FG op een constante waarde wordt ingesteld, kan de wrijvingscoëfficiënt μ uit deze variabelen worden berekend. De afzonderlijke bepaling van de wrijvingscoëfficiënt μ voor heffen en laten zakken is mogelijk door rekening te houden met de verschillende oriëntaties van de krachtcomponenten. Het voorbeeldverloop van de wrijvingscoëfficiënt voor deze twee bewegingstypen voor de gewalste spindel in testserie 1 wordt getoond in figuur 5. Rekening houdend met de verschillende krachtoriëntaties vertonen beide bewegingstypen een vergelijkbaar verloop voor de wrijvingscoëfficiënt. Ondanks het hogere aandrijfkoppel dat nodig is voor het heffen, is een karakteristiek gedrag van de wrijvingscoëfficiënt te zien, dat optreedt bij een spindel met trapeziumdraad over 20.000 belastingscycli. De gemiddelde wrijvingscoëfficiënt voor beide soorten bewegingen neemt aanzienlijk toe aan het begin van de test, bereikt een maximum rond 2000 cycli en daalt dan tot een constant niveau rond 8000 cycli. Dit gedrag wordt de inloopfase genoemd en beschrijft de algemene verandering in de wrijvingscoëfficiënt tijdens de hele test, afhankelijk van het tribologische systeem [22]. De oscillerende beweging over een klein hoekbereik simuleert een korte hef- en daalbeweging tijdens een belastingswissel. Het resulterende snelheidsprofiel binnen een belastingsverandering bestaat uit een versnellingsfase, een fase met constante snelheid en een vertragingsfase, elk voor heffen en zakken. Het stick-slip effect, dat optreedt bij lage snelheden, wordt vooral bevorderd op het keerpunt van de richtingsverandering. Dit effect manifesteert zich in een kortstondig kleven van de oppervlakken, gevolgd door een plotseling glijden van de tribo-elementen. Deze beweging kan leiden tot trillingen, die tot uiting komen in een grotere afwijking van de wrijvingscoëfficiënt [19]. In Figuur 5 is dit effect te zien in de vorm van een grotere afwijking binnen de eerste 5000 belastingscycli.

Een constante wrijvingscoëfficiënt voor de geanalyseerde trapeziumdraad Tr80× 10 mm wordt bereikt na ongeveer 8000 belastingscycli. Tijdens de inloopfase is er een initiële toename van de wrijvingscoëfficiënt bij het testen van de gewalste trapeziumdraden, die ook gepaard gaat met een hoge afwijking in de wrijvingscoëfficiënt. De hoogste wrijvingscoëfficiënt wordt geassocieerd met de grootste afwijking, wat duidt op een verhoogd optreden van het stick-slip effect, wat kan leiden tot verhoogde lijmslijtage. Vanwege de vergelijkbare wrijvingscoëfficiëntkrommen van beide bewegingstypen wordt hieronder alleen de krachtintensievere hefbeweging bekeken.

Er is een duidelijk verschil in de wrijvingscoëfficiënt curves van de oppervlakken getoond in Figuur 3. Hoewel testserie 1 en 2 verschillen in de fabricageprocessen – rollen van schroefdraad en wervelen van schroefdraad – hebben beide monsters een vergelijkbare oppervlaktetopografie met bijna geen oppervlaktestructuren (Fig. 3). Deze gelijkenis wordt ook weerspiegeld in de wrijvingscoëfficiënt curven (Fig. 6). Terwijl de wrijvingscoëfficiënt van testserie 1 een significant maximum laat zien, kan er bij testserie 2 geen maximum worden waargenomen over de testduur. In beide tests wordt echter een constant niveau bereikt na een vergelijkbaar aantal belastingscycli (L ≈ 8000).

De gemiddelde wrijvingscoëfficiënt μm over de gehele testduur neemt ook een vergelijkbare waarde aan voor beide testen. Er treedt een inloopfase op bij zowel de gewervelde als de gewalste draadspil, die vervolgens leidt tot een zeer constante wrijvingscoëfficiënt met weinig afwijking bij een niveau van μ = 0,1. In testserie 3, met een textuurhoogte van yf = 2,31 μm, wordt een aanzienlijk kortere inloopfase waargenomen, die na ongeveer 4500 belastingscycli is voltooid. De gemiddelde wrijvingscoëfficiënt μm kan worden verminderd tot μm = 0,098 in testserie 3, vergeleken met de gerolde (μm = 0,115) en de niet-getextureerde, gewervelde draadflank (μm = 0,112), wat overeenkomt met een vermindering van de wrijvingscoëfficiënt van 14,6%. Een nog significantere vermindering is te zien in testserie 4 (yf = 3,61 μm), waarin de aangebrachte oppervlaktestructuur zowel het inloopgedrag met ongeveer 44% vermindert als de wrijvingscoëfficiënt permanent verlaagt tot een lager niveau van μm = 0,085, wat overeenkomt met een vermindering van 25,5% vergeleken met de gerolde schroefdraadspil. Een volledige reductie van de inloopfase was echter niet mogelijk met deze schroefdraad in het beschreven tribologische systeem.

4.2 Analyse van adhesieve slijtage

De slijtage die optreedt wanneer de spindel en de moer met elkaar in contact komen, is bepalend voor de levensduur van de trapeziumschroefaandrijving. Om de slijtagemechanismen die optreden op de geleidingsschroef te identificeren, werd het oppervlak van de belaste schroefdraadflank onderzocht na 20.000 belastingscycli met een gewichtskracht van FG = 91,3 kN en een regelmatige toevoer van smeermiddel (Fig. 7). Na de test laten de testseries een duidelijk verschillend slijtagepatroon zien, afhankelijk van de oppervlaktestructuur van de belaste schroefdraadflank. Testseries 1 en 2, die werden getest zonder oppervlaktestructuren op de belaste schroefdraadflank, vertonen uitgesproken kleefafzettingen op de belaste schroefdraadflank van de draadspil. Dit wordt veroorzaakt door aanzienlijke erosie of adhesieve slijtage van het moermateriaal. Naarmate de hoogte van de structuur toeneemt van testserie 3 naar testserie 4, neemt de mate van adhesieve slijtage merkbaar af (fig. 7).

Om het deel van de belaste schroefdraadflank dat bedekt is met kleefafzettingen te karakteriseren, werd een kleuranalyse van microscoopbeelden uitgevoerd om de overwegend rode afzettingen te kwantificeren die worden veroorzaakt door het kopergehalte in het materiaal G-CuSn 7 ZnPb. De evaluatie van het oppervlaktegerelateerde adhesiepercentage op de belaste schroefdraadflank laat zien dat de gerolde trapeziumdraadspil het hoogste adhesiepercentage van 36,3% heeft (Fig. 8). Testserie 2, met de gewervelde draadflanken, vertoont de grootste afwijking van het bedekte oppervlak met 27,4% en een standaardafwijking van 13,1%. Na de experimenteel nagebootste levensduur is het oppervlak van deze testserie op sommige plaatsen bedekt met tot 45,4% hechtingsresten. Het slijtagepatroon van testserie 4 illustreert dat een structuurhoogte van yf = 3,61 μm het aandeel adhesieve slijtage vermindert en beperkt tot de gebieden van de ruwheidspieken (Fig. 8a). Met 27,4% en een standaardafwijking van 13,1% vertoont testserie 2 met de gewervelde draadflanken de grootste afwijking in het bedekte oppervlak. Na de experimenteel gesimuleerde levensduur is het oppervlak van deze testserie op sommige plaatsen bedekt met tot 45,4% lijmresten. Het slijtagepatroon van testserie 4 laat zien dat een textuuropbouwhoogte van yf= 3,61 μm het aandeel adhesieve slijtage en pieken in de gebieden van de ruwheidspieken vermindert (Fig. 8a).

Vanwege de lage glijsnelheid en de hoge oppervlaktedruk in tribologisch contact wordt bij wrijving in het tribologische systeem onderscheid gemaakt tussen wrijving in vaste toestand en gemengde wrijving.

De adhesieve slijtage op de schroefdraadflank nam af van 36,3% tot 13,6% in testserie 3 en verder tot 10,1% in testserie 4 voor de gewervelde flankoppervlakken vergeleken met de gerolde schroefdraadspil. Er treedt geen adhesie op tussen de uitgesproken ruwheidspieken met een duidelijk geprononceerde oppervlaktestructuur. Door de eigenschappen van de lijmcoating kan worden aangenomen dat er een verschuiving is van het grenswrijvingsregime naar het gemengde wrijvingsregime. Volgens Wang et al. kan het lagere aantal ruwheidspieken, of in dit geval alleen de pieken van de oppervlaktetexturen, leiden tot een verlaging van de wrijvingscoëfficiënt [4]. In deze gebieden blijft het oorspronkelijke oppervlak dat door het wervelproces is ontstaan, intact.

De opeenvolgende plaatsing van de microtexturen kan ook de vorming van een dunne smeerfilm bevorderen, zoals beschreven in [10]. Door de verminderde vaste wrijving over het hele contactoppervlak is er een lager wrijvingskoppel nodig voor de beweging van de draadspil. Het smeermiddel kan worden opgeslagen in de gebieden met de uitgesproken oppervlaktestructuur, waardoor de dikte van de smeermiddelfilm toeneemt en er vloeistofwrijving ontstaat die direct contact tussen de oppervlakken voorkomt. Direct contact tussen de ruwheidspieken van de triboelementen is een mogelijke oorzaak van adhesieve slijtage [19].

Als gevolg van de meer geprononceerde oppervlaktetexturen (Fig. 9b) neemt het aandeel van de wrijving in vaste toestand af in tegenstelling tot de ongestructureerde oppervlaktetopografie (Fig. 9a). Een meer uitgesproken oppervlaktestructuur op de schroefdraadflank kan een grotere hoeveelheid smeermiddel absorberen.

Wanneer tribologische elementen van verschillende metalen met elkaar in contact komen, wordt materiaal overgedragen van het minder cohesieve wrijvingslichaam, in dit geval de moer, naar het meer cohesieve basislichaam, in dit geval de draadspil [3]. Het extra smeermiddel in het wrijvingscontact leidt tot een lager aantal contactruwheidspieken. De vorming van kleefafzettingen op de belaste schroefdraadflank wordt schematisch weergegeven in Fig. 9c. De progressieve belasting van het contactoppervlak van de draadmoer leidt tot het loskomen van deeltjes die worden afgezet op de contactruwheidspieken van de belaste draadflank. Deze vormen in toenemende mate een laag op de contactvlakken van de belaste schroefdraadflank (Fig. 10) en voorkomen direct contact tussen het schroef- en moermateriaal. Dit proces gaat door totdat een stationaire toestand wordt bereikt en er geen materiaal meer wordt overgedragen van de grenslagen van de moer naar de belaste schroefdraadflank. Dit proces beïnvloedt het inloopgedrag en verandert in een stationaire toestand wanneer de contactpieken van de ruwheid bedekt zijn met kleefafzettingen. Dit beïnvloedt de wrijvingscoëfficiënt. Figuur 10 laat zien dat de afzettingen ongeveer 2 μm hoog zijn en dat er geen abrasieve slijtage optreedt op het beginoppervlak van de belaste schroefdraadflank.

5 Conclusie en vooruitblik

Als onderdeel van dit onderzoek werden drie verschillende oppervlaktetopografieën aangepast met de wervelmethode en onderzocht op hun tribologische eigenschappen op trapeziumvormige draadspillen. Naast het meten van de wrijvingscoëfficiënt werd het slijtagepatroon op de belaste schroefdraadflanken van de draadspil geanalyseerd en de kleefafzettingen gekwantificeerd.

Vergeleken met gewalste draadspillen is aangetoond dat oppervlaktestructuren op de belaste draadflank van een draadspil die wordt gebruikt in zware hijssystemen een aanzienlijke toegevoegde waarde bieden. Het wervelproces maakt het mogelijk om een grotere verscheidenheid aan oppervlaktestructuren te produceren, wat resulteert in een verlaging van de wrijvingscoëfficiënt met 25,5%. Deze verlaging van de wrijvingscoëfficiënt leidt tot een evenredige verlaging van het energieverbruik van het totale systeem wanneer rekening wordt gehouden met de specifieke lagering van het hijssysteem, aangezien de efficiëntie aanzienlijk wordt beïnvloed door het wrijvingscontact tussen de spindel en de moer. Bovendien kon worden aangetoond dat het oorspronkelijke oppervlak van een draadspindel, dat door het wervelproces is getextureerd, zelfs na een experimenteel gesimuleerde levensduur van 10 jaar nog grotendeels intact is. Dit geeft aan dat het aandeel vaste wrijving, waarbij de ruwheidspieken van de spindel en de moer in direct contact staan, verminderd kan worden. Met de gepresenteerde oppervlaktestructuren werd de adhesieve slijtage op de schroefdraadflank gereduceerd tot 10,1% in testserie 4, vergeleken met 36,3% met een gerolde schroefdraadspindel.

Hoewel de gehele 10-jarige levensduur van een draadspindel in de test werd nagebootst, wordt de levensduur van de draadmoer niet getoond. Terwijl slechts een deel van de spindel wordt blootgesteld aan tribologisch contact, wordt de binnenschroefdraad van de moer continu belast, wat leidt tot een aanzienlijk langere blootstelling aan tribologische interacties. Toekomstige studies zouden zich meer op dit aspect van het wrijvingssysteem kunnen richten, vooral gezien de uitdaging om de slijtage van de moer te meten. Een ander positief effect van een draadspindel met een geprononceerde oppervlaktestructuur zou de vermindering van slijtage aan het contrafrictielichaam, in dit geval de moer, kunnen zijn.

Referenties

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

Erkenning

De auteurs willen graag het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) bedanken voor de financiering en de projectpartner Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG voor de constructieve en nauwe samenwerking.

Promotie

De studies werden gefinancierd door het federale ministerie van Economie en Klimaatbescherming (BMWK) als onderdeel van het centrale innovatiebevorderingsprogramma.

Bijdrage van de auteurs

B. Denkena beoordeelde en redigeerde het manuscript samen met B. Bergmann. C. Wege ontwikkelde het concept van dit werk, voerde de experimenten uit, analyseerde de gegevens en schreef het manuscript. M. von Soden en H. Gereke-Bornemann produceerden het gereedschap en zorgden voor de experimentele opstelling.

Promotie

De open access financiering werd mogelijk gemaakt en georganiseerd door Project DEAL.

Belangenverstrengeling

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden en H. Gereke-Bornemann verklaren dat er geen sprake is van belangenverstrengeling.

Open Access

Dit artikel is gelicenseerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie, die het gebruik, het delen, de aanpassing, de distributie en de reproductie in elk medium of formaat toestaat, op voorwaarde dat de oorspronkelijke auteurs en bron op gepaste wijze worden gecrediteerd, een link naar de Creative Commons-licentie wordt verstrekt en eventuele wijzigingen worden erkend. Afbeeldingen of andere materialen van derden in dit artikel zijn opgenomen in de Creative Commons-licentie van het artikel, tenzij anders vermeld in een credit bij het materiaal. Als materialen niet zijn opgenomen in de Creative Commons-licentie van het artikel en je beoogde gebruik wettelijk niet is toegestaan of het toegestane gebruik overschrijdt, moet je rechtstreeks toestemming vragen aan de rechthebbende. Ga voor een kopie van deze licentie naar http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Noot van de uitgever

Springer Nature blijft neutraal met betrekking tot juridische geschillen over geografische aanduidingen in gepubliceerde kaarten en institutionele affiliaties.

• Springer Nature, 24.05.2024