O que conta é a superfície
Os fusos roscados são um elemento de design amplamente utilizado na engenharia mecânica. Os fusos roscados de elevada carga são utilizados, por exemplo, em macacos de elevação e, em particular, em sistemas de elevação de cargas pesadas. Os fusos roscados fabricados através do processo de turbilhonamento são utilizados principalmente neste caso. Os fusos fabricados pelo processo de laminagem têm frequentemente superfícies demasiado lisas, o que favorece o efeito stick-slip e tem um impacto negativo na vida útil de todo o sistema.
A topografia da superfície dos fusos roscados criada pelo processo de turbilhonamento pode atuar como um reservatório de lubrificante, reduzindo assim a fricção no contacto entre o fuso e a porca. O Instituto de Engenharia de Produção e Máquinas-Ferramenta (IFW) da Universidade Leibniz de Hanôver está a investigar o ajuste direcionado da topografia da superfície de fusos de chumbo turbinados. Juntamente com a empresa de média dimensão Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG (www.bornemann.de), está a ser investigada a funcionalização do flanco da rosca para otimizar o comportamento de fricção, utilizando o exemplo de fusos roscados com roscas trapezoidais.
No projeto TopGewinde, o IFW e a Bornemann perseguem o objetivo de desenvolver um processo de turbilhonamento inovador para gerar microestruturas que minimizem o atrito nos flancos de fusos roscados (Fig. 1). De modo a prever virtualmente a microestrutura da superfície, está a ser desenvolvido um modelo de simulação para o turbilhonamento como parte do projeto, utilizando o software CutS (Cutting Simulation) do IFW. O modelo cinemático da Figura 1 foi desenvolvido de forma análoga ao processo de turbilhonamento Bornemann.
A curva de proporção de material descreve o reservatório de lubrificante
A formação destas marcas de maquinagem deve ser tribologicamente optimizada para o contacto fuso/porca da rosca trapezoidal. O lubrificante pode ser absorvido nos vales do perfil da superfície, o que evita uma lubrificação insuficiente e problemas associados, como o efeito stick-slip (Fig. 2).
É necessário um valor caraterístico para quantificar a proporção de reservatórios de lubrificante no flanco da rosca. A curva de proporção de material pode ser utilizada para avaliar superfícies tribologicamente carregadas. Esta divide o perfil de rugosidade em altura de pico reduzida Rpk, altura do núcleo Rk e altura do vale reduzida Rvk. A altura do núcleo Rk descreve a área do perfil de rugosidade que permanece em contacto tribológico após a fase de rodagem no ciclo de vida do produto do fuso roscado e a abrasão dos picos de rugosidade (descrita pela altura de pico reduzida Rpk). A altura reduzida do vale Rvk descreve a área na superfície inicial que está disponível para armazenar lubrificante. Os parâmetros de rugosidade relacionados com a superfície Spk, Sk e Svk são equivalentes a isto. Estes parâmetros de superfície estão a ser utilizados no projeto atual para desenvolver o processo inovador de leito fluidizado. Os parâmetros também serão utilizados para avaliar as superfícies na futura produção em série utilizando o inovador processo de turbilhonamento na Bornemann.
Otimização da topografia experimental
Para investigar a influência do turbilhonamento na topografia da superfície, as variáveis do processo foram primeiramente variadas durante o fabrico de um fuso roscado trapezoidal. Nesta série de testes, o foco foi colocado na velocidade da ferramenta nwz e na velocidade da peça de trabalho nws (Fig. 3). Como tanto a peça como a ferramenta rodam durante o turbilhonamento, a relação de velocidade r é formada entre a rotação da ferramenta e da peça e incluída na avaliação das topografias de superfície. Os fusos roscados trapezoidais investigados foram fabricados em aço C45 utilizando uma máquina-ferramenta de turbilhonamento concebida internamente pela Bornemann Gewindetechnik utilizando um processo sincronizado. As análises subsequentes das topografias geradas nos flancos das roscas foram efectuadas no IFW utilizando um microscópio cofocal do fabricante Confovis GmbH. As topografias geradas e os parâmetros Abbott correspondentes são apresentados na Figura 3. As duas primeiras medições mostram a influência da velocidade da ferramenta na topografia da superfície. As medições de topografia abaixo mostram as topografias resultantes a diferentes velocidades da peça de trabalho. O objetivo da investigação era atingir um valor elevado para a altura reduzida do vale Svk, de modo a criar o maior volume possível para os reservatórios de lubrificante na superfície. O valor mais elevado de Svk foi alcançado no ensaio 1 com Svk = 0,442 µm. Este fuso roscado também tem o rácio de velocidade mais baixo. A tendência de um valor Svk decrescente com um aumento da relação de velocidade pode ser observada ao longo de toda a série de testes. Ao reduzir a relação de velocidade, a distância entre as estruturas aumenta e a altura reduzida do vale Svk aumenta.
Previsão topográfica virtual
A correlação determinada experimentalmente está atualmente a ser analisada por simulação no IFW. Para este efeito, está a ser utilizada uma simulação de remoção de material para investigar a formação da topografia. O software CutS é utilizado para criar um modelo de simulação para fusos roscados em turbilhão e prever as superfícies resultantes (Figura 4). Isto é utilizado, por um lado, para gerar uma melhor compreensão da formação da superfície durante o turbilhonamento e, por outro lado, para reduzir a quantidade de ensaios necessários. A Figura 4 compara a topografia medida e o resultado da simulação. Na simulação, é modelada a cinemática do processo de turbilhonamento Bornemann. A rugosidade máxima nos flancos das roscas trapezoidais turbilhonadas situa-se num intervalo de Rz = 3-7 µm. A fim de desenvolver um modelo fiável para prever a topografia da superfície para esta ordem de grandeza, são tidas em conta outras influências do processo. Para além das condições cinemáticas de engate, a simulação aqui apresentada (Fig. 1) também tem em conta a lascagem das pastilhas intercambiáveis. Um modelo CAD da aresta de corte com o perfil de rugosidade gerador de superfície foi introduzido na simulação de remoção de material para ter em conta a lascagem. A caraterística especial do processo de turbilhonamento é que várias arestas de corte de uma pastilha indexável geram diferentes áreas do perfil de rosca trapezoidal. A rugosidade foi medida para um conjunto de pastilhas e incorporada no modelo de modo a ter em conta a influência da microgeometria das pastilhas na superfície simulada:
A estrutura da superfície de um fuso roscado turbilhonado pode geralmente ser simulada utilizando a simulação de remoção de material. As estruturas de vale em intervalos regulares que são caraterísticas do turbilhonamento podem ser claramente reconhecidas na superfície gerada na simulação. Os desvios entre a superfície simulada e a superfície medida podem ser reconhecidos na forma dos vales. O desvio percentual entre os valores de rugosidade da medição e da simulação é atualmente de cerca de 25 %. Estas diferenças entre as duas superfícies são causadas, por exemplo, por efeitos estocásticos da superfície e pela deslocação da ferramenta durante o processo. Para aumentar a precisão da simulação, está planeado ter em conta outras influências do processo. Atualmente, o foco está no comportamento de vibração da máquina-ferramenta. Está também planeado investigar as forças do processo que actuam nas arestas de corte da ferramenta. Espera-se que o movimento de rotação excêntrico e as secções transversais variáveis das aparas durante o turbilhonamento influenciem o deslocamento da ferramenta de turbilhonamento. Os conhecimentos adquiridos na simulação do processo serão utilizados no futuro para o desenvolvimento de ferramentas, a fim de produzir fusos roscados tribologicamente optimizados por turbilhonamento.
Conclusão e perspectivas
À medida que o projeto avança, as ferramentas utilizadas e os parâmetros de processo associados são modificados de forma a obter uma superfície optimizada para o atrito. Em primeiro lugar, são realizados testes tribométricos para avaliar o efeito de redução do atrito destas superfícies. Com base nestes testes, são selecionados diferentes conceitos de ferramentas que são utilizados para fabricar os fusos tribologicamente optimizados. Finalmente, uma seleção de fusos é submetida a um teste de vida útil para verificar os resultados. O objetivo da Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG é definir uma microestrutura que minimize o atrito e que possa ser utilizada, em particular, na área dos sistemas de elevação de cargas pesadas, para aumentar significativamente a vida útil dos sistemas de elevação.
Estão disponíveis mais informações sobre a otimização da estrutura das superfícies de rosca em Bornemann.de e www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik.