Zware lasten onder controle – Trapeziumschroefdraadassen voor hijssystemen die aan hoge belastingen worden blootgesteld
Het ontwerp van zwaar belaste trapeziumschroefdraadstangen vormt de basis voor een veilige en soepele werking van hefinstallaties en stelt hoge eisen aan de constructeurs.
Het in vakkringen bekende bedrijf Bornemann Gewindetechnik produceert al meer dan 25 jaar schroefdraadspillen en -moeren voor tal van industrietakken. Een belangrijk onderdeel van de productie is de fabricage van kant-en-klare trapeziumschroefdraadtransmissies, bestaande uit spindels en moersets, voor zware hijssystemen. Om enkele voorbeelden te noemen: hijssystemen voor railvoertuigen, installaties in theaters, respectievelijk podiumbouw en in de speciale machinebouw. Het ontwerp en de constructie van deze aandrijvingen zijn een voorwaarde voor een veilige en soepele werking van de installaties en stellen hoge eisen aan de constructeurs.
Maar waar moet u op letten bij schroefspindels voor zware belastingen? Voor spindelhefinrichtingen die onder belasting een oppervlakte druk van > 20 N/mm2 bereiken en bovendien met zeer lage omtreksnelheden werken, is een constante smering van de draagvlakken van de schroefdraadprofielen absoluut noodzakelijk. Onvoldoende smering kan namelijk leiden tot verhoogde slijtage, overmatige warmteontwikkeling en ook tot het beruchte stick-slip-effect.
Het komt aan op het smeermiddel
Het stick-slip-effect, ook wel bekend als het adhesie-glij-effect, beschrijft het schokkerig glijden van vaste stoffen die ten opzichte van elkaar bewegen. Het effect kan altijd optreden wanneer de statische wrijving groter is dan de dynamische wrijving. Afhankelijk van het tribologische systeem leidt dit tot trillingen die door een resonant oppervlak als geluid worden uitgestraald (piepende en krakende spindels).
Het effect verdwijnt meestal zodra de wrijvingspartners worden gescheiden door een tussen- of smeermiddel. Het stick-slip-effect is in technische toepassingen vaak ongewenst. Negatieve invloeden door het stick-slip-effect kunnen onder andere worden waargenomen bij lagers, geleidingen in de lineaire techniek of bij schroefdraadspillen in de heftechniek. Geluiden zoals het kraken van een deur, het piepen van treinen in bochten en ratelende ruitenwissers op autoruiten zijn de algemeen bekende gevolgen van dit effect.
Als dit effect optreedt, kan dit te wijten zijn aan de keuze van het smeermiddel (vet). Ralph Wuertele, Manager Application Engineering bij Klüber Lubrication, legt uit: “Vooral in installaties voor zware hijstechniek kunnen ongeschikte smeermiddelen gemakkelijk leiden tot onvoldoende smering, wat extra slijtage veroorzaakt en dus tot voortijdige uitval van de installatie.”
Vaak is dit verschijnsel ook te wijten aan de uitvoering van de spindels. Door het ontbreken van smeerzakken aan de draagflank van het schroefdraadprofiel blijft het aangebrachte smeermiddel niet achter wanneer de moerprofielen met een hoge oppervlaktebelasting over de spindel glijden. Het smeermiddel wordt ofwel van de flank gedrukt ofwel voor de moer uitgeschoven. In beide gevallen ontstaat er een breuk in de smeerfilm, wat in eerste instantie leidt tot een temperatuurstijging en stick-slip met soms oorverdovende geluiden en later tot vernieling van de schroefdraadaandrijving.
Bij omtreksnelheden van enkele cm/s is de aanwezigheid van smeermiddel of smeerzakken op de schroefdraadspillen absoluut noodzakelijk om dit stick-slip-effect te voorkomen. De smeerzakken voorkomen dat het smeermiddel door te hoge randdruk en algemeen hoge specifieke oppervlaktedruk eenvoudigweg wordt weggedrukt. Het smeermiddel moet idealiter een vet met consistentie 0 of 00 zijn en moet als het ware in de smeerspleet worden getrokken.
Hoe kan dit probleem worden aangepakt? De basis voor het voorkomen van smeerproblemen en de daaruit voortvloeiende problemen wordt al gelegd bij de eisen die constructeurs stellen aan de uitvoering van de schroefdraadproductie. Schroefdraadassen kunnen met verschillende productieprocessen worden vervaardigd: schroefdraaddraaien en schroefdraadfrezen zijn processen die om economische redenen nauwelijks nog worden toegepast voor bovengenoemde schroefdraadassen. Bij het draadrollen (of walsen) worden schroefdraadspillen vervaardigd door middel van een spanloze koudvervorming. Dit productieproces is zeer economisch, maar vanwege de zeer hoge gereedschaps- en instelkosten meestal alleen toepasbaar in grote series.
Zachte snit met glad oppervlak
Bovendien bevorderen gerolde schroefdraadspindels door het absoluut blanke oppervlak van de schroefdraadflanken het afbreken van de smeerfilm. De gerolde trapeziumschroefdraad heeft door het vervormingsproces bij het stempelen/persen een te hoge flankoppervlaktekwaliteit, waardoor de smeerzakken ontbreken. Als gevolg hiervan kan het gevreesde stick-slip of het afbreken van de smeerfilm tussen spindel en moer optreden. Het smeermiddel wordt door een te hoge randdruk en een algemeen hoge specifieke oppervlaktedruk uit de schroefdraadgangen gedrukt.
Dit uitdrukken is mogelijk wanneer de materialen van het glijlagerpaar geen smeerzakken hebben waarin het smeermiddel kan worden opgeslagen. Het resultaat is ernstige gevolgschade aan de betreffende installaties in de vorm van piepende spindels en vastlopende moeren, tot zelfs volledige thermische lasverbindingen van complete hefsystemen.
Het vaak aangehaalde argument dat gewalste schroefdraadspillen een langere levensduur hebben, kan niet zonder uitzondering worden bevestigd. Het bedrijf Wirths-Werres heeft dit in een duurzaamheidstest kunnen aantonen. “De gewalste schroefdraadspillen vertoonden zelfs na vele uren gebruik slechts minimale slijtage”, benadrukt constructeur Christian Zahn. Ook de spanningen in het materiaal die door het walsproces ontstaan, leiden volgens Zahn vaak tot kostbare nabewerking. In een directe vergelijking heeft Wirths-Werres gekozen voor hoogwaardige spindels in gewervelde uitvoering, omdat het prijsverschil tussen gewalste en gewervelde spindels voor veel diameters inmiddels te verwaarlozen is.
Bornemann Gewindetechnik produceert schroefdraadspillen volgens het wervelproces. Het wervelgereedschap voor de productie van spindelschroefdraden bestaat uit een aangedreven wervelring met een set profielgereedschappen en werkt volgens het zogenaamde omhullende snijproces, omdat het werkstuk tijdens de bewerking binnen deze gereedschapsring roteert. Omdat de omhullende snede aan de buitendiameter begint met een spaandikte (en spaandiepte) van 0 en continu toeneemt tot de berekende spaandikte (en spaandiepte of schroefdraaddiepte), om vervolgens weer met 0 uit het werkstuk te komen, ontstaat een zeer zachte snede met een zeer glad oppervlak.
Aangezien een gereedschapsset uit meerdere afzonderlijke snijbladen bestaat die achtereenvolgens in onderbroken sneden werken, ontstaan er tussen de afzonderlijke sneden microscopisch kleine onderbrekingen in het werkstukoppervlak, die veelhoekige, concave facetten in het μ-bereik (smeerzakken) veroorzaken. Deze smeerzakken zijn het geheim achter de goede smeerfilm-eigenschappen van de gewervelde schroefdraadspillen.
Uit een vergelijking van de verschillende productieprocessen voor schroefdraad kan het volgende worden geconcludeerd: het walsen en slijpen van schroefdraadprofielen zijn moderne productieprocessen die voor veel toepassingen aan te bevelen zijn, maar voor het gebruik van trapeziumschroefdraad voor hefspindelinstallaties verdient het wervelproces dat bij Bornemann Gewindetechnik wordt toegepast de voorkeur.