Optymalizacja powierzchni śrub gwintowych trapezowych – analiza tribologiczna i zastosowanie

Śruby gwintowe trapezowe są idealne do przenoszenia dużych obciążeń i często wykorzystywane są w systemach dźwigów. W ramach projektu współpracy między Instytutem Technologii Wytwarzania i Obrabiarek (IFW) a firmą Bornemann Gewindetechnik badano modyfikację procesu wirblenia gwintów w celu optymalizacji właściwości tribologicznych śrub gwintowych. Zastosowanie wirblowanych mikrostruktur może zmniejszyć straty tarcia o 25,5% i znacząco zredukować zużycie adhezyjne.

1 Wstęp

Do produkcji długich śrub gwintowych, które często stosowane są w systemach dźwigowych, dostępnych jest kilka metod produkcji, w tym walcowanie gwintów i wirblowanie gwintów [1]. Podczas projektowania procesu produkcji standardowych elementów maszynowych, takich jak śruby gwintowe trapezowe, nie uwzględnia się zachowania aplikacyjnego oraz żywotności [2].

Podczas projektowania powierzchni obciążonych tarciem ślizgowym, istotne jest uwzględnienie reżimów tarcia – tarcia granicznego, mieszanego i płynowego – które są klasyfikowane na podstawie krzywej Stribecka [3]. W stanie hydrodynamicznym siła przekazywana jest przez film smarowy, a siła tarcia generowana jest przez wewnętrzne tarcie środka smarnego [3–5]. Jest ono proporcjonalne do powierzchni kontaktu, lepkości środka smarnego oraz szybkości ścinania grubości filmu smarowego. W przypadku tarcia mieszanego film smarowy w pewnych miejscach jest przerywany przez pojedyncze wierzchołki chropowatości, które następnie przyczyniają się do przenoszenia obciążenia [4]. Szczególnie przy niskich prędkościach ślizgowych stanowi to wadę w kontekście ustanawiania i utrzymywania hydrodynamicznego stanu smarowania [6].

Bezpośredni kontakt między dwoma elementami tribologicznymi może prowadzić do zwiększonego zużycia energii [7]. Mikrostruktury mogą mieć korzystny wpływ dzięki różnym mechanizmom. Na przykład mikrostruktury mogą służyć jako rezerwuary środka smarnego [8], a zlokalizowane wypukłości w filmie smarowym mogą prowadzić do zwiększenia ciśnienia w łożysku, gdy środek smarny przepływa przez nie [9]. W zdefiniowanych mikrostrukturach może się tworzyć ciśnienie hydrodynamiczne. Zarówno efekty kawitacji [4], jak i wzrost ciśnienia w łożysku w kolejnych mikrostrukturach mają znaczenie [10, 11]. Badania te sugerują, że topografia powierzchni śrub gwintowych trapezowych, ze względu na intensywny kontakt ślizgowy, ma duży potencjał w zakresie redukcji tarcia poprzez mikrostruktury. Mikrostruktury do redukcji strat tarcia w kontaktach ślizgowych mogą być indukowane przez procesy produkcyjne, takie jak szlifowanie płaskie lub znakowanie laserowe [10, 12].

Proces wirblenia jako metoda produkcji oferuje duży potencjał do zintegrowanej mikrostrukturacji, ponieważ na przykład osiąga znacznie wyższą produktywność niż frezowanie gwintów [1, 13]. Dotychczas badania nad strukturalizowaniem powierzchni przez wirblenie przeprowadzano jedynie jako dodatkowy proces strukturalizowania, a nie jako zintegrowaną funkcjonalizację struktury powierzchni [14]. Istnieje wiele podejść do mikrostrukturacji jako osobnego procesu produkcyjnego [12, 15], jednak wymagają one dużego wysiłku integracyjnego z powodu dodatkowego etapu procesu. W badaniach Denkena i in. pokazano poprawę właściwości tribologicznych powierzchni, które są narażone na wysokie obciążenia termomechaniczne, jak ma to miejsce na przykład w tulejach cylindrów, poprzez mikrostrukturację [12]. Proces wirblenia jako metoda skrawania oferuje dzięki powierzchniowym strukturom wytworzonym na powierzchni gwintu specyficzny potencjał do funkcjonalizacji (Obraz 1).

Specyficznym wyzwaniem przy stosowaniu metalowych elementów tribologicznych w tarciu ślizgowym jest występowanie adhezji przy niewystarczającym smarowaniu lub przeciążeniu. Może to prowadzić do adhezyjnego zużycia elementu ciernego o niższej twardości oraz transferu materiału na element cierny o wyższej twardości w kontakcie ślizgowym [7, 17]. Topografia powierzchni i rzeczywista powierzchnia kontaktu w kontakcie ślizgowym odgrywają kluczową rolę w wcześniej opisanym ryzyku adhezji przy niewystarczającym smarowaniu [7, 16, 17]. Bezpośredni kontakt obu elementów ciernych stanowi podstawowy warunek dla adhezji i jest definiowany przez całkowitą liczbę mikrokontaktów.

W kontaktach ślizgowych, które są narażone na wysokie ciśnienie powierzchniowe, grubość filmu smarowego jest zmniejszona, co prowadzi do przesunięcia od tarcia mieszanego do tarcia granicznego, a to z kolei wiąże się ze wzrostem współczynnika tarcia [3]. Denkena i in. wykazali również, że struktury powierzchniowe o małej głębokości mogą prowadzić do redukcji współczynnika tarcia i przesunięcia w reżim tarcia mieszanego, w którym współistnieją zarówno tarcie ciał stałych, jak i tarcie płynów [12]. Dla elementów tribologicznych ze stali brązowej w tarciu ślizgowym, struktura powierzchniowa o głębokości 2–5 μm okazała się szczególnie korzystna w redukcji tarcia [16]. Kolejnym zjawiskiem, które może wystąpić przy niewystarczającym smarowaniu lub niskich prędkościach względnych, jest efekt stick-slip. Powoduje to, że elementy tribologiczne na krótki czas przywierają do siebie, zanim ponownie dojdzie do ruchu ślizgowego [18]. Częste występowanie efektu stick-slip z powodu niedoboru środka smarnego prowadzi do zwiększonego zużycia adhezyjnego, a tym samym do wczesnego uszkodzenia komponentów [19].

Wpływ mikrostruktur na obciążoną powierzchnię gwintu śruby trapezowej w przypadku dużych obciążeń nie został dotychczas zbadany, jednak oferuje duży potencjał w zakresie zwiększenia efektywności poprzez redukcję strat tarcia. Brakuje również wiedzy na temat wpływu mikrostruktur na zużycie w układzie śruba-nakrętka. Celem tego artykułu jest zatem adresowanie tej luki i zbadanie wpływu struktur powierzchniowych wytworzonych podczas wirblenia gwintu na zachowanie tribologiczne wysoko obciążonych śrub gwintowych trapezowych w dźwigach do podnoszenia ciężkich ładunków w warunkach rzeczywistych. Badanie będzie obejmować specjalnie opracowany proces wirblenia do zintegrowanej mikrostrukturacji procesu. W ramach badania zaprezentowane zostaną różne struktury powierzchniowe, a ich wpływ na redukcję tarcia w całym systemie oraz zdolność do zatrzymywania środka smarnego na powierzchni i zapobieganie adhezyjnym osadom na śrubie oraz adhezyjnemu zużyciu nakrętki zostaną ocenione.

2 Układ eksperymentalny

2.1 Badanie tribologiczne

Stanowisko badawcze przedstawione na Obrazie 2 jest wykorzystywane do badania wpływu topografii powierzchni na powierzchnie gwintu pod kątem zachowań tribologicznych. Próbne śruby z gwintem Tr80×10 mm były oscylowane z częstotliwością f = 0,81 Hz pod kątem ν = 15°. Rotacja jednego cyklu obciążeniowego odpowiada translacyjnemu ruchowi śruby o długości 0,42 mm. W tym układzie śruba była obciążana siłą ciężaru F_G = 91,3 kN podczas podnoszenia i opuszczania. Odpowiada to naciskowi powierzchniowemu p = 5,0 N/mm², co znajduje się w maksymalnym zakresie obciążenia dla trapezowych napędów gwintowych w dźwigach do podnoszenia ciężkich ładunków. Dla tej aplikacji wybrano materiał nakrętki gwintowej G-CuSn 7 ZnPb. Jako środek smarny użyto smaru DGM HTF 940, który jest szczególnie odpowiedni do zastosowań w łożyskach ślizgowych. Smarowanie w trakcie badania odbywało się na podstawie interwału konserwacyjnego wynoszącego jeden miesiąc. Interwał ten odpowiada smarowaniu układu śruba-nakrętka co 167 cykli. Stanowisko badawcze zostało zainstalowane przez firmę Sincotec, która jest także producentem czujnika siły Interface 125 kN oraz czujnika momentu obrotowego SincoTec 1200 Nm.

Stan zużycia powierzchni został przeanalizowany w celu scharakteryzowania właściwości tarcia różnych topografii powierzchni oraz ich odpowiadających struktur powierzchniowych. W tym celu próby śrub zostały następnie przecięte za pomocą szlifierki tarczowej. Po 20.000 cyklach obciążeniowych, eksperymentalnie odwzorowano 10-letni okres eksploatacji badanych śrub gwintowych.

Do badania zachowań tribologicznych przygotowano cztery śruby gwintowe, w których porównano różne parametry procesu wirblenia z gwintowaną śrubą (Tabela 1). Dla śrub gwintowych wirblowanych parametry procesu zostały dobrane tak, aby uzyskać określone różnice wysokości struktur powierzchniowych na obciążonych powierzchniach gwintu. Seria testowa 1 obejmuje śruby gwintowe, które zostały wyprodukowane za pomocą procesu walcowania ciągłego. Specyficzne parametry procesu opierają się na doświadczeniu firmy Bornemann. Seria testowa 2 została wykonana z parametrami procesu, które odpowiadają obecnemu stanowi techniki, i stanowi dodatkową referencję dla nowo opracowanej struktury powierzchni.

W testach 3 i 4 opracowane w tej pracy struktury powierzchniowe zostały wytworzone w dwóch etapach, aby zwiększyć zarówno wysokość struktury powierzchniowej yf, jak i długość struktury powierzchniowej sf. Zwiększenie tych dwóch parametrów strukturalnych prowadzi do wzrostu objętości retencji środka smarnego w powierzchni. Test seria 3 pokazuje teoretyczną wysokość struktury yf = 2,31 μm przy odległości struktury sf = 3,67 μm. W serii testowej 4 parametry struktury są jeszcze bardziej wyraźne, z yf = 3,61 μm i sf = 4,59 μm. Wyraźnie pokazuje to ograniczoną możliwość regulacji struktur w procesie wirblenia: Zwiększenie wysokości struktury yf nieuchronnie prowadzi do zwiększenia długości struktury sf.

2.2 Pomiar struktury powierzchniowej

Do analizy eksperymentalnie wytworzonych 3D topografii powierzchniowych używany jest system optyczny Duo Vario firmy Confovis GmbH. Topografie powierzchni są rejestrowane za pomocą konfokalnej mikroskopii białego światła. Pomiar konfokalny przeprowadzono przy użyciu obiektywu Nikon 20×/0,45-NA. Do analizy powierzchni bocznych gwintu zastosowano rozdzielczość pomiaru bocznego 0,20 μm. Mierzony obszar o szerokości 2,26 mm i długości 8,71 mm został zarejestrowany z rozdzielczością 0,28 μm. Eksperymentalnie wytworzone śruby gwintowe były ustawione w ortogonalnej pozycji pomiarowej względem powierzchni gwintu.

3 Zastosowanie i charakterystyka topografii powierzchniowej

Następujące wyniki pokazują, jak topografia powierzchniowa bocznej ścianki gwintu może być precyzyjnie dostosowana za pomocą procesu wirblenia oraz jak różni się ona od ograniczonej topografii procesu walcowania gwintów. Obraz 3 przedstawia topografie powierzchni bocznej gwintu śruby trapezowej walcowanej w porównaniu do gwintu wykonanego metodą wirblenia.

Topografia powierzchni serii testowej 1 pokazuje, że podczas procesu walcowania gwintów nie jest tworzona żadna tekstura powierzchniowa. Śruba gwintowa wykonana metodą wirblenia w serii testowej 2 w porównaniu do serii testowej 1 nie wykazuje istotnych różnic w topografii powierzchni, a tekstura powierzchni również nie jest widoczna. Dzięki precyzyjnemu dostosowaniu procesu wirblenia udało się w testowych seriach 3 i 4 uzyskać wyraźnie bardziej wyraziste tekstury powierzchniowe. W tych seriach testowych stopniowo zwiększano wysokość tekstury yf oraz długość tekstury sf, aby uzyskać tekstury powierzchniowe z niskim udziałem szczytów, co minimalizuje bezpośredni kontakt ciał stałych między powierzchniami elementów tribologicznych. Większa odległość między szczytami tekstury powierzchniowej umożliwia zatrzymywanie środka smarnego w dolinach profilu chropowatości.

W wyniku wystąpienia stochastycznych efektów chropowatości podczas obróbki, które wpływają na techniczną powierzchnię jako odchylenia kształtu czwartego rzędu, mniej wyraźna tekstura powierzchniowa serii testowej 2 jest zakłócona. Z powodu tej nakładki, parametry tekstury są trudne do określenia i wykazują małą wysokość tekstury yf = 0,82 μm oraz długość tekstury sf = 1,63 mm. W efekcie, seria testowa 2 nie różni się efektywnie od próbki walcowanej z powodu tej mało wyraźnej tekstury powierzchniowej. Stochastyczne efekty chropowatości podczas procesu wirblenia są głównie wynikiem chropowatości na ostrzu narzędzia wirblującego, znanej również jako odpryskiwanie. Tworzy się to jako negatywna forma na nowo utworzonej powierzchni w trakcie obróbki [20]. Topografia serii testowych 3 i 4 pokazuje charakterystyczne, powtarzające się rowki, które są wynikiem odprysków. Gdy wysokość tekstury yf jest mniejsza niż chropowatość Rz na ostrzu narzędzia wirblującego, tekstura jest nakładana i charakterystyczna tekstura procesu wirblenia nie występuje. Jest to widoczne w profilach chropowatości na powierzchniach gwintu (Obraz 4).

Pomiar jest dodatkowo zniekształcony przez to, że matematycznie przybliżony kształt gwintu jest odejmowany od topografii powierzchniowej, co powoduje, że tekstury na krawędzi obszaru pomiarowego mają nieco mniejszą wysokość tekstury (Obraz 3 i 4).

4 Ocena tribologiczna

Wpływ wirblowanych tekstur powierzchniowych na system tribologiczny śruby i nakrętki w trapezowych śrubach gwintowych do systemów dźwigów do podnoszenia ciężkich ładunków został przeanalizowany przy użyciu stanowiska badawczego opisanego w punkcie 2.2. Przy projektowaniu trapezowych śrub gwintowych współczynnik tarcia często przyjmuje się jako stały, z powodów uproszczenia. Współczynnik tarcia nie może jednak być traktowany jako właściwość materiału, ponieważ jest on zależny od wszystkich komponentów systemu tribologicznego. Aby scharakteryzować wpływ topografii powierzchni na ten system, wszystkie zmienne wpływające na wynik są utrzymywane na stałym poziomie. Zmieniana jest jedynie tekstura powierzchni indukowana procesem produkcyjnym w testowanych seriach.

4.1 Badanie współczynnika tarcia

W systemach dźwigów do podnoszenia ciężkich ładunków ruchome śruby są zazwyczaj ustawione pionowo, przy czym obciążona powierzchnia gwintu jest obciążana zarówno podczas ruchu podnoszenia, jak i opuszczania. Do obliczenia współczynnika tarcia w gwincie trapezowym można wykorzystać tarcie na nachylonej płaszczyźnie [21]. Siła normalna FN może być obliczona na podstawie siły ciężkości FG i siły tarcia FR z momentu tarcia, który jest wymagany do ruchu obrotowego, przy użyciu zależności geometrycznych. Prowadzi to do znacznie wyższego wymaganego momentu tarcia podczas podnoszenia. Ponieważ moment tarcia jest mierzony w układzie pomiarowym, a siła ciężkości FG jest ustawiona na stałą wartość, współczynnik tarcia μ może być obliczony na podstawie tych zmiennych. Oddzielne określenie współczynnika tarcia μ dla podnoszenia i opuszczania jest możliwe dzięki uwzględnieniu różnych orientacji komponentów siłowych. Przykładowy przebieg współczynnika tarcia dla obu ruchów w przypadku walcowanej śruby w serii testowej 1 przedstawiono na Obrazie 5. Biorąc pod uwagę różne ustawienia sił, oba ruchy wykazują podobny przebieg współczynnika tarcia. Pomimo wyższego momentu napędowego, który jest wymagany do podnoszenia, można zaobserwować charakterystyczne zachowanie współczynnika tarcia, które występuje w przypadku trapezowej śruby gwintowej po 20.000 cyklach obciążeniowych. Średni współczynnik tarcia dla obu ruchów początkowo znacznie rośnie, osiąga maksimum po około 2000 cyklach, a następnie po około 8000 cyklach spada na stały poziom. To zachowanie określane jest jako faza docierania i opisuje ogólną zmianę współczynnika tarcia w trakcie całego testu, w zależności od systemu tribologicznego [22]. Oscylujący ruch na małym kącie symuluje krótką drogę podnoszenia i opuszczania przy jednym cyklu obciążeniowym. Powstały profil prędkości w ramach jednego cyklu obciążeniowego składa się z fazy przyspieszania, fazy o stałej prędkości oraz fazy hamowania, każda dla podnoszenia i opuszczania. Efekt stick-slip, który występuje przy niskich prędkościach, jest szczególnie sprzyjany w punkcie zmiany kierunku. Efekt ten objawia się krótkotrwałym przyklejaniem się powierzchni, po którym następuje nagły poślizg elementów tribologicznych. Ten ruch może prowadzić do drgań, które znajdują odzwierciedlenie w większych odchyleniach współczynnika tarcia [19]. Na Obrazie 5 ten efekt jest widoczny w postaci większych odchyleń w pierwszych 5000 cyklach obciążeniowych.

Po około 8000 cyklach obciążeniowych osiągany jest stały współczynnik tarcia dla badanej śruby trapezowej Tr80×10mm. Podczas fazy docierania występuje początkowy wzrost współczynnika tarcia przy badaniu walcowanych gwintów trapezowych, co również wiąże się z dużą odchyłką współczynnika tarcia. Najwyższy współczynnik tarcia jest związany z największą odchyłką, co wskazuje na częstsze występowanie efektu stick-slip, który może prowadzić do zwiększonego zużycia adhezyjnego. Ze względu na podobne przebiegi współczynnika tarcia dla obu ruchów, w dalszej części rozważana będzie tylko bardziej energetyczna ruch podnoszenia.

Występuje wyraźna różnica w przebiegach współczynnika tarcia dla powierzchni przedstawionych na Obrazie 3. Chociaż serie testowe 1 i 2 różnią się procesami produkcyjnymi – walcowanie gwintów i wirblowanie gwintów – obie próbki mają podobną topografię powierzchniową, prawie bez tekstur powierzchniowych (Obraz 3). Ta podobieństwo znajduje również odzwierciedlenie w przebiegach współczynnika tarcia (Obraz 6). Podczas gdy współczynnik tarcia w serii testowej 1 osiąga wyraźne maksimum, w serii testowej 2 nie można zaobserwować maksimum w czasie trwania testu. W obu testach jednak po podobnej liczbie cykli obciążeniowych (L ≈ 8000) osiągany jest stały poziom.

Średni współczynnik tarcia μm przez cały okres testu przyjmuje podobną wartość w obu testach. Faza docierania występuje zarówno w przypadku śruby gwintowej wirblowanej, jak i walcowanej, co prowadzi następnie do bardzo stabilnego współczynnika tarcia z małą odchyłką na poziomie μ = 0,1. W serii testowej 3, z wysokością tekstury yf = 2,31 μm, obserwuje się znacznie krótszą fazę docierania, która kończy się po około 4500 cyklach obciążeniowych. Średni współczynnik tarcia μm w serii testowej 3 może zostać obniżony do μm = 0,098, w porównaniu do śruby walcowanej (μm = 0,115) i śruby wirblowanej bez tekstury (μm = 0,112), co odpowiada redukcji współczynnika tarcia o 14,6%. Jeszcze bardziej wyraźna redukcja występuje w serii testowej 4 (yf = 3,61 μm), gdzie wprowadzona tekstura powierzchniowa zmniejsza zarówno fazę docierania o około 44%, jak i trwałe obniżenie współczynnika tarcia do niższego poziomu μm = 0,085, co odpowiada redukcji o 25,5% w porównaniu do śruby walcowanej. Jednak całkowite wyeliminowanie fazy docierania nie było możliwe w tym gwincie w opisanym systemie tribologicznym.

4.2 Analiza zużycia adhezyjnego

Zużycie, które występuje, gdy śruba i nakrętka wchodzą w kontakt, jest kluczowe dla żywotności napędu gwintowego trapezowego. Aby zidentyfikować mechanizmy zużycia, które występują na śrubie prowadzącej, powierzchnia obciążonej powierzchni gwintu została zbadana po 20.000 cyklach obciążeniowych z siłą ciężkości FG = 91,3 kN i regularnym doprowadzaniu środka smarnego (Obraz 7). Po teście wyniki testów pokazują wyraźnie różne wzory zużycia, w zależności od struktury powierzchniowej obciążonej powierzchni gwintu. W testowych seriach 1 i 2, które były testowane bez struktur powierzchniowych na obciążonej powierzchni gwintu, występują wyraźne osady adhezyjne na obciążonej powierzchni gwintu śruby. Jest to spowodowane znacznym ubytkiem lub adhezyjnym zużyciem materiału nakrętki. Wraz ze wzrostem wysokości struktury w testowej serii 3 do testowej serii 4, stopień adhezyjnego zużycia wyraźnie maleje (Obraz 7).

Aby określić udział obciążonej powierzchni gwintu, która jest pokryta osadami adhezyjnymi, przeprowadzono analizę barwną obrazów mikroskopowych w celu skwantyfikowania głównie czerwonych osadów, które są spowodowane zawartością miedzi w materiale G-CuSn 7 ZnPb. Analiza procentowego udziału adhezyjnych osadów na obciążonej powierzchni gwintu pokazuje, że walcowana śruba gwintowa trapezowa ma najwyższy procent adhezji wynoszący 36,3% (Obraz 8). Testowa seria 2, z gwintami wirblowanymi, wykazuje największe odchylenie od pokrytego obszaru, wynoszące 27,4% z odchyleniem standardowym 13,1%. Po eksperymentalnie emulowanej długości eksploatacji powierzchnia tej serii testowej w niektórych obszarach jest pokryta osadami adhezyjnymi do 45,4%. Wzór zużycia w serii testowej 4 ilustruje, że wysokość struktury yf = 3,61 μm zmniejszyła udział zużycia adhezyjnego i ograniczyła go do obszarów wierzchołków chropowatości (Obraz 8a). Testowa seria 2, z gwintami wirblowanymi, wykazuje największe odchylenie pokrytego obszaru, wynoszące 27,4% z odchyleniem standardowym 13,1%. Po eksperymentalnie odtworzonym okresie eksploatacji powierzchnia tej serii testowej w niektórych miejscach jest pokryta osadami adhezyjnymi do 45,4%.

Ze względu na niską prędkość ślizgową oraz wysokie naciski powierzchniowe w kontakcie tribologicznym, tarcie w tym systemie tribologicznym jest rozróżniane na tarcie ciał stałych i tarcie mieszane.

Zużycie adhezyjne na powierzchni gwintu zmniejszyło się na wirblowanych powierzchniach gwintu w porównaniu do walcowanej śruby gwintowej, z 36,3% w serii testowej 1 do 13,6% w serii testowej 3, a następnie spadło do 10,1% w serii testowej 4. Pomiędzy wyraźnymi szczytami chropowatości z dobrze rozwiniętą teksturą powierzchniową nie występuje adhezja. Z uwagi na właściwości powłoki adhezyjnej, można założyć, że następuje przejście od reżimu tarcia granicznego do reżimu tarcia mieszanego. Zgodnie z badaniami Wanga i in. mniejsza liczba wierzchołków chropowatości, a w tym przypadku jedynie wierzchołki tekstur powierzchniowych, może prowadzić do zmniejszenia współczynnika tarcia [4]. W tych obszarach powierzchnia, która powstała podczas procesu wirblenia, pozostaje nienaruszona.

Sukcesywne rozmieszczenie mikrostruktur może również sprzyjać tworzeniu się cienkiego filmu smarowego, jak opisano w [10]. Dzięki zmniejszonemu tarciu ciał stałych na całej powierzchni kontaktowej, wymagany moment tarcia do ruchu śruby gwintowej jest mniejszy. Środek smarny może być magazynowany w obszarach wyraźnej struktury powierzchniowej, co zwiększa grubość filmu smarowego, a tym samym powoduje powstanie tarcia płynowego, które zapobiega bezpośredniemu kontaktowi między powierzchniami. Bezpośredni kontakt między wierzchołkami chropowatości elementów tribologicznych jest możliwą przyczyną zużycia adhezyjnego [19].

W wyniku bardziej wyraźnych tekstur powierzchniowych (Obraz 9b) udział tarcia ciał stałych maleje w porównaniu do niestrukturalnej topografii powierzchniowej (Obraz 9a). Bardziej wyraźna tekstura powierzchniowa na powierzchni gwintu może pomieścić większą ilość środka smarnego.

Podczas kontaktu elementów tribologicznych wykonanych z różnych metali dochodzi do transferu materiału z elementu o słabszych wiązaniach kohezji, w tym przypadku nakrętki, na element o silniejszych wiązaniach kohezji, w tym przypadku śrubę gwintową [3]. Dodatkowy środek smarny w kontakcie tarcia prowadzi do mniejszej liczby kontaktujących się wierzchołków chropowatości. Tworzenie się osadów adhezyjnych na obciążonej powierzchni gwintu jest schematycznie przedstawione na Obrazie 9c. Postępujące obciążenie powierzchni kontaktowej nakrętki prowadzi do oddzielania się cząstek, które osadzają się na kontaktujących wierzchołkach chropowatości obciążonej powierzchni gwintu. Stopniowo tworzą one warstwę na powierzchniach kontaktowych obciążonej powierzchni gwintu (Obraz 10), zapobiegając bezpośredniemu kontaktowi między materiałem śruby i nakrętki. Proces ten trwa, aż do osiągnięcia stanu ustalonego, w którym żaden materiał nie jest już transferowany z granic powierzchniowych nakrętki na obciążoną powierzchnię gwintu. Proces ten wpływa na fazę docierania i przechodzi w stan statyczny, gdy kontaktujące się wierzchołki chropowatości są pokryte osadami kleju. W ten sposób wpływa to na współczynnik tarcia. Obraz 10 pokazuje, że osady mają wysokość około 2 μm i że nie występuje ścierne zużycie początkowej powierzchni obciążonej powierzchni gwintu.

5 Wnioski i perspektywy

W ramach tej pracy badawczej trzy różne topografie powierzchniowe zostały ustawione za pomocą procesu wirblenia i zbadane pod kątem ich właściwości tribologicznych w przypadku śrub gwintowych trapezowych. Oprócz pomiaru współczynnika tarcia, zbadano obraz zużycia na obciążonych powierzchniach gwintu śruby oraz skwantyfikowano osady adhezyjne.

W porównaniu do walcowanych śrub gwintowych, badania wykazały, że struktury powierzchniowe na obciążonej powierzchni gwintu śruby, która jest wykorzystywana w systemach dźwigów do podnoszenia ciężkich ładunków, oferują znaczną wartość dodaną. Proces wirblenia umożliwia wytworzenie większej różnorodności struktur powierzchniowych, co prowadzi do zmniejszenia współczynnika tarcia o 25,5%. Ta redukcja współczynnika tarcia skutkuje proporcjonalnym zmniejszeniem zużycia energii w całym systemie, uwzględniając specyficzne łożyskowanie systemu dźwigowego, ponieważ sprawność jest w dużej mierze zależna od kontaktu tarcia między śrubą a nakrętką. Ponadto wykazano, że początkowa, teksturowana powierzchnia śruby gwintowej, uzyskana przez proces wirblenia, pozostaje w dużej mierze nienaruszona nawet po eksperymentalnym odwzorowaniu 10-letniego okresu eksploatacji. Sugeruje to, że udało się zredukować udział tarcia ciał stałych, w którym wierzchołki chropowatości śruby i nakrętki są w bezpośrednim kontakcie. Dzięki przedstawionym teksturom powierzchniowym, zużycie adhezyjne na powierzchni gwintu w serii testowej 4 zostało zredukowane do 10,1%, w porównaniu do 36,3% w przypadku śruby gwintowej walcowanej.

Chociaż w teście emulowano całą długość eksploatacji wynoszącą 10 lat dla śruby gwintowej, nie uwzględniono żywotności nakrętki gwintowej. Podczas gdy tylko część śruby jest narażona na kontakt tribologiczny, wewnętrzny gwint nakrętki jest poddawany ciągłemu obciążeniu, co prowadzi do znacznie dłuższego narażenia na interakcje tribologiczne. Przyszłe badania mogą skupić się bardziej na tym aspekcie układu tarcia, szczególnie w kontekście wyzwań związanych z pomiarem zużycia nakrętki. Kolejnym pozytywnym efektem śruby gwintowej z wyraźną strukturą powierzchniową może być zmniejszenie zużycia drugiego elementu ciernego, w tym przypadku nakrętki.

Bibliografia

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

Podziękowania

Autorzy dziękują Federalnemu Ministerstwu Gospodarki i Ochrony Klimatu (BMWK) za dofinansowanie oraz partnerowi projektowemu Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG za konstruktywną i bliską współpracę.

Popieranie

Badania zostały sfinansowane przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Ochrony Klimatu (BMWK) w ramach Centralnego Programu Innowacyjnego.

Wkład autorów

B. Denkena wraz z B. Bergmannem przeanalizował i opracował manuskrypt. C. Wege opracował koncepcję pracy, przeprowadził eksperymenty, przeanalizował dane i napisał manuskrypt. M. von Soden i H. Gereke-Bornemann wykonali narzędzia i przygotowali stanowisko badawcze.

Popieranie

Finansowanie Open-Access zostało umożliwione i zorganizowane przez projekt DEAL.

Konflikt interesów

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden i H. Gereke-Bornemann oświadczają, że nie występują żadne konflikty interesów.

Otwarty dostęp

Artykuł ten jest licencjonowany na podstawie licencji Creative Commons Attribution 4.0 International, która pozwala na używanie, udostępnianie, dostosowywanie, rozpowszechnianie i reprodukowanie w dowolnym medium lub formacie, pod warunkiem odpowiedniego wskazania autorów i źródła, podania linku do licencji Creative Commons oraz oznaczenia wszelkich zmian. Obrazy lub inne materiały zawarte w tym artykule, pochodzące od osób trzecich, są objęte licencją Creative Commons tego artykułu, chyba że w odniesieniu do materiału podano inaczej w źródle. Jeśli materiały nie są objęte licencją Creative Commons artykułu, a zamierzona przez Ciebie forma wykorzystania nie jest dozwolona na mocy przepisów prawnych lub przekracza dozwoloną formę wykorzystania, musisz uzyskać zgodę bezpośrednio od właściciela praw. Aby zapoznać się z pełną wersją tej licencji, odwiedź proszę http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Informacja wydawcy

Springer Nature pozostaje neutralna w kwestii sporów prawnych dotyczących danych geograficznych na opublikowanych mapach oraz przynależności instytucjonalnych.

• Springer Nature, 24.05.2024