Wirblenie gwintu wypada korzystniej w porównaniu z walcowaniem gwintu
Tribologiczne kontakty odpowiadają za około 12% globalnego zużycia energii. Firma Bornemann Gewindetechnik prowadzi badania nad optymalizacją gwintów trapezowych we współpracy z Instytutem Technologii Wytwarzania i Obrabiarek (IFW) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze.
Około 12% całkowitego światowego zużycia energii przypada na kontakty tribologiczne. Z tej wartości 20% jest zużywane na pokonanie tarcia, a 3% na naprawę zużytych komponentów lub wymianę urządzeń, które uległy awarii wskutek zużycia materiału [1]. Przykładem są dźwigi do podnoszenia ciężkich ładunków, wykorzystywane do konserwacji pociągów lub ciężarówek. Firma Bornemann Gewindetechnik specjalizuje się w produkcji takich złożonych i wysoce obciążonych elementów gwintowych. Wspólnie z Instytutem Technologii Wytwarzania i Obrabiarek (IFW) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze rodzinne przedsiębiorstwo badało możliwości tribologicznej optymalizacji gwintów trapezowych poprzez proces wirblenia gwintu. Ta metoda jest szczególnie odpowiednia dla długich elementów gwintowanych. Dzięki nowoczesnym technologiom produkcji Bornemann Gewindetechnik wytwarza śruby profilowe o długości do 12 metrów.
Gwintowane metodą wirblenia śruby pociągowe posiadają wynikające z obróbki mikrostruktury powierzchniowe, które tworzą objętości retencyjne dla środka smarnego. Zjawisko to zmniejsza tarcie w śrubach gwintowanych tą metodą i wydłuża ich żywotność w porównaniu do konwencjonalnie walcowanych śrub. Dokładny związek pomiędzy procesem obróbki a efektem redukcji tarcia jest przedmiotem badań prowadzonych w ramach projektu „TopGewinde“.
Badany jest wpływ mikrostruktur powstałych w wyniku wirblenia gwintu na zachowanie tribologiczne wysoko obciążonych śrub trapezowych stosowanych w dźwigach do podnoszenia ciężkich ładunków. W tym celu analizowany jest specjalnie opracowany proces wirblenia, umożliwiający zintegrowaną z procesem mikrostrukturyzację.
Niniejszy artykuł zilustruje, w jaki sposób topografia powierzchni może być celowo kształtowana za pomocą procesu wirblenia, co stanowi istotną przewagę nad procesem walcowania gwintu. Obraz 2 przedstawia topografie powierzchni bocznej gwintu trapezowego uzyskanego metodą walcowania w porównaniu z gwintem wykonanym metodą wirblenia.
Dzięki precyzyjnemu dostosowaniu procesu wirblenia udało się uzyskać bardziej wyraźne struktury w porównaniu do gwintowanych śrub walcowanych. Do charakteryzacji powierzchni wprowadzono parametry strukturalne: wysokość struktury „yf” oraz odległość między strukturami „sf” (Obraz 1). W celu tribologicznej optymalizacji, proces wirblenia pozwolił na wytworzenie struktur o mniejszym udziale szczytów, co minimalizuje bezpośredni kontakt ciał stałych pomiędzy powierzchniami współpracujących elementów. Większa odległość między wierzchołkami struktury umożliwia magazynowanie środka smarnego w dolinach profilu chropowatości.
Charakterystyka właściwości tribologicznych
Do analizy wpływu topografii powierzchni bocznych gwintu na zachowanie tribologiczne wykorzystano stanowisko badawcze przedstawione na Obrazie 3. Próbne śruby gwintowe o wymiarach Tr 80 × 10 mm były oscylowane z częstotliwością f = 0,81 Hz pod kątem v = 15°. Każdy cykl zmiany obciążenia odpowiadał ruchowi liniowemu śruby o skoku s = 0,42 mm. W tym układzie gwintowana 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 zakresie maksymalnego obciążenia dla trapezowych napędów śrubowych (TGT) stosowanych w dźwigach do podnoszenia ciężkich ładunków. Dla tego zastosowania wybrano materiał nakrętki wykonany z G-CuSn7ZnPb oraz środek smarny DGM HTF 940. Smarowanie w trakcie eksperymentu odpowiadało rzeczywistemu interwałowi konserwacji wynoszącemu jeden miesiąc. Oznacza to, że smarowanie układu śruba–nakrętka przeprowadzano co 167 cykli. Stanowisko badawcze zostało zaprojektowane i zbudowane przez firmę SincoTec, która jest również producentem czujnika siły Interface 125 kN oraz czujnika momentu obrotowego SincoTec 1.200 Nm.
Do charakterystyki właściwości tarciowych różnych topografii powierzchni oraz struktur powierzchniowych analizowano stan zużycia bocznych powierzchni gwintu. W tym celu uczestnicy projektu przecięli badane śruby za pomocą szlifierki tarczowej. Dzięki wykonaniu 20.000 cykli obciążeniowych eksperymentalnie odwzorowano dziesięcioletni okres eksploatacji analizowanych śrub gwintowych. W przypadku śrub wykonanych metodą wirblenia parametry procesu zostały dobrane tak, aby na powierzchniach nośnych gwintu uzyskać określone różnice wysokości mikrostruktur. Parametry te opierały się na doświadczeniach firmy Bornemann. Ponadto analizowano również walcowane śruby gwintowe, które zostały wyprodukowane metodą walcowania przelotowego.
Wpływ struktur powierzchniowych na współczynnik tarcia
Dzięki oscylacyjnemu ruchowi na niewielkim kącie możliwe jest przeprowadzenie dużej liczby cykli obciążeniowych dla procesów podnoszenia i opuszczania. W ten sposób można eksperymentalnie odwzorować pełen okres eksploatacji śrub gwintowych. Na Obrazie 4 przedstawiono przebieg współczynnika tarcia dla ruchu podnoszenia w trapezowym napędzie śrubowym. Porównano tu przebieg współczynnika tarcia śruby walcowanej i śruby wykonanej metodą wirblenia. Powstały profil prędkości w ramach jednego cyklu obciążenia składa się z fazy przyspieszania, fazy o stałej prędkości oraz fazy hamowania – zarówno dla ruchu podnoszenia, jak i opuszczania. Szczególnie w punkcie zmiany kierunku występuje tendencja do pojawienia się efektu stick-slip, który ujawnia się przy niskich prędkościach. Efekt ten przejawia się krótkotrwałym przyleganiem powierzchni, po którym następuje nagłe poślizgnięcie się elementów współpracujących. Może to prowadzić do drgań, które z kolei powodują silniejsze wahania współczynnika tarcia [2]. Średni współczynnik tarcia na początku eksperymentu gwałtownie rośnie, osiąga maksimum po około 2.000 cyklach obciążeniowych, a następnie po około 8.000 cyklach stabilizuje się na stałym poziomie. Takie zachowanie określa się mianem fazy docierania i opisuje ono ogólną zmianę współczynnika tarcia w trakcie eksperymentu, w zależności od danego systemu tribologicznego [3].
Znaczną poprawę właściwości tribologicznych wykazuje trapezowa śruba gwintowa wykonana metodą wirblenia z naniesioną strukturą powierzchniową. Struktura ta prowadzi zarówno do skrócenia fazy docierania o około 44%, jak i do trwałego obniżenia współczynnika tarcia do poziomu μm = 0,085. Oznacza to redukcję o 25,5% w porównaniu do śruby gwintowanej metodą walcowania. Całkowite wyeliminowanie fazy docierania w przypadku tego gwintu w opisanym systemie tribologicznym nie było możliwe.
Wpływ struktur powierzchniowych na zużycie
Dla żywotności trapezowej śruby gwintowej kluczowe znaczenie ma zużycie powstające w wyniku kontaktu obu współpracujących powierzchni. W celu identyfikacji mechanizmów zużycia zachodzących na gwintowanej śrubie analizowano powierzchnię nośną po 20.000 cyklach obciążeniowych, przy regularnym doprowadzaniu środka smarnego, a następnie oceniono obraz zużycia powierzchni nośnej (Obraz 5). Badanie wykazało wyraźne różnice w obrazie zużycia w zależności od struktury powierzchniowej powierzchni nośnej. Walcowane śruby gwintowe bez dodatkowej struktury powierzchniowej wykazują silne adhezyjne osady na powierzchni nośnej, które są wynikiem intensywnego ubytku materiału oraz adhezyjnego zużycia nakrętki. Wraz ze wzrostem wysokości struktury powierzchniowej udział powierzchni dotkniętej adhezyjnym zużyciem znacząco się zmniejsza (Obraz 5).
Ze względu na niską prędkość ślizgową oraz wysokie naciski powierzchniowe w tribologicznym kontakcie, występujące tarcie w analizowanym układzie tribologicznym można sklasyfikować pomiędzy tarciem ciał stałych a tarciem mieszanym. Dzięki wyraźnej strukturze powierzchniowej (Obraz 6, po prawej) liczba mikrokontaktów w porównaniu do niestrukturyzowanej topografii powierzchni (Obraz 6, po lewej) zostaje zredukowana. W efekcie, na skutek zastosowanych struktur powierzchniowych, udział tarcia ciał stałych ulega zmniejszeniu. Bardziej rozwinięta struktura powierzchniowa na bocznej ściance gwintu pozwala na magazynowanie większej ilości środka smarnego. Dzięki zastosowanym strukturom powierzchniowym udział adhezyjnego zużycia na bocznej ściance gwintu został zredukowany do 10,1%, w porównaniu do 36,3% w przypadku śruby gwintowej wykonanej metodą walcowania.
Podczas kontaktu powierzchni ciernych wykonanych z różnych metali następuje transfer materiału z elementu o słabszych wiązaniach kohezji (w tym przypadku nakrętki) na element o silniejszych wiązaniach kohezji (w tym przypadku śrubę gwintową) [4]. Dzięki obecności środka smarnego w kontakcie tarciowym liczba kontaktujących się wierzchołków chropowatości jest mniejsza. Wraz z postępującym obciążeniem powierzchni kontaktowej nakrętki dochodzi do oddzielania się cząstek materiału, które osadzają się na kontaktujących wierzchołkach chropowatości powierzchni nośnej gwintu. Stopniowo tworzą one warstwę na strefach styku powierzchni nośnej, co zapobiega bezpośredniemu kontaktowi pomiędzy materiałem śruby i nakrętki. Proces ten trwa aż do osiągnięcia stanu stabilnego, w którym nie dochodzi do dalszego odkładania się materiału na powierzchni nośnej. Ten mechanizm kształtuje fazę docierania, która po całkowitym pokryciu kontaktujących się wierzchołków chropowatości warstwą adhezyjną przechodzi w stan statyczny. Ten stan ma również wpływ na współczynnik tarcia. Wstępna powierzchnia gwintu nie ulega w trakcie ruchu podnoszenia zużyciu o charakterze ściernym.
Perspektywy i możliwości zastosowania
W porównaniu do walcowanych śrub gwintowych wykazano, że struktury powierzchniowe na powierzchni nośnej śruby gwintowej stosowanej w dźwigach do podnoszenia ciężkich ładunków przynoszą znaczącą wartość dodaną. Dzięki procesowi wirblenia możliwe jest uzyskanie większej różnorodności struktur powierzchniowych. Ponadto wykazano, że powierzchnia śruby gwintowej charakteryzuje się bardzo niskim stopniem zużycia, co pozwala na zachowanie struktur powierzchniowych na powierzchni nośnej nawet po eksperymentalnie symulowanym okresie użytkowania wynoszącym 10 lat. Obraz 7 przedstawia trzy kluczowe potencjały mikrostrukturyzowanych powierzchni nośnych dla projektowania i konstruowania trapezowych śrub gwintowych.
Dzięki precyzyjnemu kształtowaniu struktur powierzchniowych na powierzchni nośnej gwintu możliwa jest redukcja współczynnika tarcia o 25,5%. W przypadku dźwigu do podnoszenia ciężkich ładunków zmniejszenie współczynnika tarcia, uwzględniając odpowiednie łożyskowanie systemu, prowadzi do proporcjonalnej redukcji zużycia energii, ponieważ kontakt cierny pomiędzy śrubą a nakrętką ma kluczowe znaczenie dla sprawności całego układu.
Kolejnym istotnym aspektem jest redukcja zużycia nakrętki gwintowej. W ramach tych badań zużycie nakrętki mogło być analizowane jedynie pośrednio na podstawie adhezyjnych osadów na powierzchni nośnej gwintu. Ze względu na zmniejszenie osadów adhezyjnych do około 10% powierzchni nośnej można założyć, że liczba mikrokontaktów pomiędzy elementami ciernymi była mniejsza, co skutkowało niższym stopniem zużycia nakrętki. Z ograniczonego osadzania się materiału na powierzchni nośnej można wywnioskować, że całkowite zużycie nakrętki gwintowej również uległo redukcji. W efekcie możliwe jest obniżenie kosztów konserwacji oraz wydłużenie żywotności całego trapezowego układu gwintowego.
Trzeci i kluczowy atut mikrostrukturyzowanych powierzchni nośnych w układzie gwintowym dotyczy projektowania silnika napędowego. Dzięki redukcji współczynnika tarcia o 25% można przyjmować niższy moment tarcia przy jego doborze.
Umożliwia to zastosowanie silnika o mniejszym rozmiarze, co prowadzi do redukcji zużycia energii w całym systemie oraz znaczącego obniżenia kosztów inwestycyjnych dla całej instalacji dźwigowej. Jednak w tym kontekście kluczowe jest ograniczenie fazy docierania oraz zapewnienie stabilnego współczynnika tarcia przez cały okres eksploatacji.
Dalsze badania mogą umożliwić optymalizację struktury powierzchniowej w zależności od geometrii gwintu. Proces wytwarzania tych precyzyjnie zaprojektowanych struktur powierzchniowych jest obecnie opatentowywany przez partnerów projektu.
Dzięki temu możliwe będzie jeszcze bardziej precyzyjne dostosowanie struktury powierzchni do specyficznych wymagań danego układu tribologicznego. Kolejnym kierunkiem przyszłych badań i rozwoju jest modyfikacja topografii powierzchni nakrętki gwintowej w celu celowej kompensacji fazy docierania. Dzięki trwałemu obniżeniu współczynnika tarcia możliwe byłoby dalsze zmniejszenie rozmiaru silnika napędowego przy jego projektowaniu. Te zagadnienia będą w przyszłości przedmiotem wspólnego projektu badawczego realizowanego przez Bornemann Gewindetechnik i IFW.
Podziękowania
Autorzy dziękują ZIM za dofinansowanie projektu „TopGewinde – Tribologicznie zoptymalizowane topografie powierzchniowe w celu zwiększenia trwałości napędów gwintowych poprzez proces wirblenia”.
Ponadto składają podziękowania Hansowi Bornemannowi oraz Moritzowi von Sodenowi z firmy Bornemann Gewindetechnik za owocną współpracę w ramach projektu badawczego.
Literatura
- Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
- Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
- 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
- Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.
Contact
Christian Wege, M. Eng.
Instytut Technologii Wytwarzania i Obrabiarek (IFW) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de