Pontuações do turbilhonamento de fios em comparação com o enrolamento de fios
Cerca de 12% do consumo global de energia são atribuídos a contatos tribológicos. A Bornemann Gewindetechnik, em colaboração com o Instituto de Tecnologia de Fabricação e Máquinas-Ferramenta da Universidade Leibniz de Hannover, está conduzindo pesquisas para a otimização de roscas trapezoidais.
Os contactos tribológicos são responsáveis por cerca de 12 % do consumo total de energia a nível mundial. Deste valor, 20 % é utilizado para vencer o atrito e 3 % para a reparação de componentes desgastados ou para a substituição de equipamento devido a falhas relacionadas com o desgaste [1]. Um exemplo disto é o equipamento de elevação de cargas pesadas para a manutenção de comboios ou camiões. A Bornemann Gewindetechnik é especializada no fabrico destes componentes roscados complexos ou sujeitos a grandes esforços. Juntamente com o Instituto de Engenharia de Produção e Máquinas-Ferramenta (IFW) da Universidade Leibniz de Hanôver, a empresa familiar investigou a otimização tribológica de roscas trapezoidais utilizando o processo de turbilhonamento de roscas. Este processo é particularmente adequado para componentes com roscas longas. Utilizando as mais modernas técnicas de produção, a Bornemann Gewindetechnik fabrica perfis de parafuso até 12 metros de comprimento.
Os fusos roscados turbinados têm microestruturas de superfície relacionadas com a maquinagem que proporcionam um volume de retenção de lubrificante. Isto reduz o atrito dos fusos roscados turbilhonados e aumenta a vida útil em comparação com os fusos laminados convencionais. Os investigadores estão a investigar a relação exacta entre o processo de maquinagem e o efeito de redução da fricção como parte do projeto “TopGewinde”.
A influência das microestruturas geradas pelo turbilhonamento de roscas no comportamento tribológico de fusos roscados trapezoidais altamente carregados em sistemas de elevação de cargas pesadas está a ser investigada. Para este efeito, está a ser analisado um processo de turbilhonamento especialmente desenvolvido para a microestruturação integrada no processo.
Este artigo irá ilustrar como a topografia da superfície pode ser especificamente ajustada usando o processo de turbilhonamento, o que representa uma vantagem significativa sobre o processo de laminação de roscas. A figura 2 mostra as topografias de superfície do flanco de rosca de um fuso roscado trapezoidal laminado em comparação com um flanco de rosca turbilhonado.
Através de uma adaptação específica do processo de turbilhonamento, foi possível produzir estruturas mais pronunciadas em comparação com os fusos roscados laminados. Os parâmetros estruturais altura da estrutura “yf” e espaçamento da estrutura “sf” foram introduzidos para caraterizar as estruturas da superfície (Fig. 1). Para a otimização tribológica, o processo de turbilhonamento foi utilizado para criar estruturas com uma proporção menor de picos, o que minimiza o contacto sólido direto entre as superfícies dos parceiros de fricção. A maior distância entre os picos da estrutura permite armazenar o lubrificante nos vales do perfil de rugosidade.
Caracterização das propriedades tribológicas
O equipamento de ensaio apresentado na Figura 3 é utilizado para investigar a influência da topografia da superfície dos flancos da rosca no comportamento tribológico. Os fusos de teste com a rosca Tr 80 x 10 mm foram oscilados a uma frequência de f = 0,81 Hz através de um ângulo de v = 15°. A rotação de uma mudança de carga corresponde a um curso de translação de s = 0,42 mm da rosca. Com esta configuração, o fuso roscado foi carregado com uma força de peso de FG = 91,3 kN durante a elevação e a descida. Isto corresponde a uma pressão de superfície de p = 5,0 N/mm2, que está dentro da gama de carga máxima para accionamentos de parafuso trapezoidal (TGT) em sistemas de elevação pesados. Para esta aplicação, foi selecionado o material da porca roscada G-CuSn 7 ZnPb e o lubrificante DGM HTF 940. A lubrificação na sequência de teste corresponde a um intervalo de manutenção de um mês. O intervalo de lubrificação do conjunto fuso/porca é, portanto, de 167 em 167 ciclos. O equipamento de teste foi montado pela SincoTec. A SincoTec é também o fabricante do sensor de força Interface 125 kN e do sensor de binário SincoTec 1.200 Nm.
O estado de desgaste das superfícies dos flancos foi analisado para caraterizar as propriedades de fricção das diferentes topografias e estruturas de superfície. Para este efeito, os participantes no projeto cortaram os fusos com uma rebarbadora de corte. Com 20.000 ciclos de carga, a vida útil de dez anos para os fusos roscados analisados foi mapeada experimentalmente. Para os fusos roscados turbinados, as variáveis manipuladas do processo foram selecionadas de modo a obter gradações definidas entre as alturas das microestruturas nos flancos de suporte de carga das roscas. Os parâmetros do processo baseiam-se na experiência de Bornemann. Para além disso, foram analisados fusos roscados laminados que foram laminados utilizando o processo contínuo.
Influência das estruturas da superfície no coeficiente de atrito
Devido ao movimento oscilante ao longo de uma pequena distância angular, a elevação e a descida podem ser analisadas num elevado número de ciclos de carga. Desta forma, toda a vida útil dos fusos roscados pode ser mapeada experimentalmente. A Figura 4 mostra o curso do coeficiente de atrito para o movimento de elevação com o acionamento do parafuso trapezoidal. Os coeficientes de atrito de um parafuso laminado e de um parafuso de chumbo giratório são comparados aqui. O perfil de velocidade resultante numa mudança de carga consiste numa fase de aceleração, uma fase com velocidade constante e uma fase de desaceleração – em cada caso para levantar e baixar. O efeito stick-slip, que ocorre a baixas velocidades, é particularmente favorecido no ponto de inversão de direção. Este efeito manifesta-se por uma breve colagem das superfícies, seguida de um deslizamento brusco dos parceiros de fricção. Este movimento pode provocar vibrações, que se reflectem numa maior flutuação do coeficiente de atrito [2]. O coeficiente de atrito médio aumenta acentuadamente no início do ensaio, atinge um máximo após cerca de 2.000 ciclos de carga e, em seguida, cai para um nível constante após cerca de 8.000 ciclos de carga. Este comportamento é designado por fase de amaciamento e descreve a alteração geral do coeficiente de atrito ao longo do ensaio, dependendo do respetivo sistema tribológico [3].
O fuso de rosca trapezoidal com a estrutura de superfície introduzida mostra uma melhoria significativa nas propriedades tribológicas. Isto leva a um encurtamento do comportamento de rodagem em cerca de 44%, bem como a uma redução permanente do coeficiente de atrito para um nível inferior de μm = 0,085, o que corresponde a uma redução de 25,5% em comparação com o fuso roscado laminado. Uma redução completa da fase de amaciamento não foi possível com esta rosca no sistema tribológico descrito.
Influência das estruturas da superfície no desgaste
O desgaste que ocorre quando os dois parceiros de fricção entram em contacto é de importância decisiva para a vida útil do fuso roscado trapezoidal. Para identificar os mecanismos de desgaste que ocorrem no fuso roscado, a superfície do flanco da chumaceira foi examinada ao longo dos 20.000 ciclos de carga com um fornecimento regular de lubrificante e o padrão de desgaste do flanco da chumaceira foi então analisado (Fig. 5). Após o teste, a investigação mostrou um padrão de desgaste claramente diferente, dependendo das estruturas da superfície do flanco da chumaceira. Os fusos roscados laminados sem estruturas de superfície no flanco da chumaceira mostram depósitos adesivos pronunciados no flanco da chumaceira do fuso roscado, que são causados pela remoção significativa ou pelo desgaste adesivo do material da porca. À medida que a altura da estrutura aumenta, a área de desgaste adesivo também diminui significativamente (Fig. 5).
Devido à baixa velocidade de deslizamento e à elevada pressão superficial no contacto tribológico, o atrito presente no sistema tribológico é classificado entre atrito de estado sólido e atrito misto. Devido à estrutura pronunciada da superfície (Figura 6, à direita), o número de micro-contactos pode ser reduzido em comparação com a topografia não estruturada da superfície (Figura 6, à esquerda). Isto resulta numa menor proporção de fricção em estado sólido devido às estruturas da superfície. Uma estrutura de superfície mais pronunciada no flanco da rosca é capaz de absorver uma maior quantidade de lubrificante. Com as estruturas de superfície, o desgaste adesivo no flanco da rosca foi reduzido para 10,1 %, em comparação com 36,3 % com um fuso roscado laminado.
Quando parceiros de fricção feitos de metais diferentes entram em contacto, ocorre uma transferência de material do corpo de fricção coesivamente mais fraco (neste caso, a porca) para o corpo de base coesivamente mais forte (neste caso, o fuso roscado) [4]. O lubrificante adicional no contacto de fricção resulta num menor número de picos de rugosidade de contacto. A carga progressiva na superfície de contacto da porca roscada resulta no desprendimento de partículas que se depositam nos picos de rugosidade de contacto do flanco da chumaceira. Estas formam gradualmente uma camada nas áreas de contacto do flanco da chumaceira e impedem o contacto direto entre o fuso e o material da porca. Este processo continua até se atingir um estado estático e não se depositarem mais depósitos no flanco da chumaceira. Este processo determina o comportamento de rodagem, que muda para um estado estático quando os picos de rugosidade de contacto são cobertos por depósitos de aderência. Este estado também influencia o coeficiente de atrito. A superfície inicial não sofre qualquer desgaste abrasivo durante o movimento de elevação.
Perspectivas e opções de utilização
Em concorrência com os fusos roscados laminados, foi demonstrado que as estruturas de superfície no flanco do rolamento de um fuso roscado para sistemas de elevação pesados oferecem um valor acrescentado considerável. O processo de turbilhonamento pode ser utilizado para criar uma maior variedade de estruturas de superfície. Além disso, foi demonstrado que a superfície do fuso roscado sofre um desgaste muito reduzido, o que significa que as estruturas de superfície no flanco do rolamento se mantêm em grande parte após uma vida útil simulada experimentalmente de 10 anos. A figura 7 mostra as três principais potencialidades dos flancos de rolamento microestruturados para a conceção e construção de fusos roscados trapezoidais.
O ajuste definido das estruturas de superfície no flanco da rosca pode reduzir o coeficiente de atrito em 25,5 %. Para o exemplo de um sistema de elevação de cargas pesadas, esta redução do coeficiente de atrito resulta numa redução proporcional do consumo de energia, tendo em conta o respetivo rolamento do sistema de elevação, uma vez que o contacto de atrito entre o fuso e a porca é decisivo para a eficiência.
Outro aspeto é a redução do desgaste da porca roscada. Nestas investigações, o desgaste da porca roscada só pôde ser analisado indiretamente com base nos depósitos de cola no flanco da chumaceira. Devido à redução dos depósitos de cola para cerca de 10% do flanco da chumaceira, pode assumir-se que houve menos micro-contacto entre os parceiros de fricção e, por conseguinte, menos desgaste na porca roscada. A partir da redução da aderência no flanco da chumaceira, pode concluir-se que o desgaste global da porca roscada também é reduzido. Isto pode reduzir os custos de manutenção e aumentar a vida útil de todo o acionamento do parafuso trapezoidal.
A terceira e decisiva vantagem dos flancos de rolamento microestruturados de um parafuso de avanço resulta da conceção do motor de acionamento. Ao reduzir o coeficiente de atrito em 25 %, é possível assumir um binário de atrito mais baixo no projeto.
Isso permite a escolha de um motor de menor porte, o que reduz o consumo de energia de todo o sistema e diminui significativamente os custos de investimento para o conjunto de elevação como um todo. No entanto, para esse aspecto, é necessário reduzir o comportamento de entrada e garantir um coeficiente de atrito constante ao longo de toda a vida útil.
Por meio de pesquisas adicionais, a estrutura da superfície pode ser otimizada em função da geometria da rosca. O processo para a geração dessas estruturas superficiais especificamente ajustadas está atualmente sendo patenteado pelos parceiros do projeto.
Isso permite uma abordagem ainda mais específica do sistema tribológico individual. Um outro aspecto para futuras pesquisas e desenvolvimentos é a modificação da topografia da superfície da porca de rosca, visando compensar de forma direcionada o comportamento de entrada. Com um coeficiente de atrito constantemente reduzido, seria possível diminuir ainda mais o tamanho do motor de acionamento na fase de dimensionamento. Esses aspectos serão abordados futuramente em um projeto de pesquisa conjunto planejado com a Bornemann Gewindetechnik e o IFW.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao ZIM pelo financiamento do projeto “TopGewinde – Topografias de superfície tribologicamente otimizadas para o aumento da vida útil de fusos roscados por meio do processo de turbilhonamento”.
Os autores agradecem ao ZIM pelo financiamento do projeto “TopGewinde – Topografias de superfície tribologicamente otimizadas para o aumento da vida útil de fusos roscados por meio do processo de turbilhonamento”.
Referências
- 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.
Contato
Christian Wege, M. Eng.
Instituto de Tecnologia de Fabricação e Máquinas-Ferramenta da Universidade Leibniz de Hannover
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de