Ovalama ile karşılaştırıldığında iplik döndürme skorları
Tribolojik temaslar küresel enerji tüketiminin yaklaşık %12’sini oluşturmaktadır. Bornemann Gewindetechnik, Leibniz Universität Hannover’deki Üretim Mühendisliği ve Takım Tezgahları Enstitüsü ile birlikte trapez dişlerin optimizasyonunu araştırıyor.
Tribolojik temaslar dünyadaki toplam enerji tüketiminin yaklaşık %12’sini oluşturmaktadır. Bunun %20’si sürtünmenin üstesinden gelmek için, %3’ü ise aşınmış bileşenlerin onarımı veya aşınmaya bağlı arızalar için ekipman değişimi için kullanılmaktadır [1]. Bunun bir örneği, trenlerin veya kamyonların bakımı için kullanılan ağır hizmet tipi kaldırma ekipmanıdır. Bornemann Gewindetechnik, bu tür karmaşık veya yüksek gerilimli dişli bileşenlerin üretiminde uzmanlaşmıştır. Aile şirketi, Hannover Leibniz Üniversitesi Üretim Mühendisliği ve Takım Tezgahları Enstitüsü (IFW) ile birlikte trapez dişlerin tribolojik optimizasyonunu diş döndürme prosesini kullanarak araştırmıştır. Bu işlem özellikle uzun dişli bileşenler için uygundur. Bornemann Gewindetechnik, son teknoloji üretim tekniklerini kullanarak 12 metre uzunluğa kadar vida profilleri üretmektedir.
Burgulu dişli miller, yağlayıcı tutma hacmi sağlayan işleme ile ilgili yüzey mikro yapılarına sahiptir. Bu durum, geleneksel olarak haddelenmiş iş millerine kıyasla burgulu dişli iş millerinin sürtünmesini azaltır ve hizmet ömrünü uzatır. Araştırmacılar, “TopThread” projesinin bir parçası olarak işleme süreci ile sürtünmeyi azaltıcı etki arasındaki kesin ilişkiyi araştırıyor.
Ağır hizmet tipi kaldırma sistemlerindeki yüksek yüklü trapez dişli millerin tribolojik davranışı üzerinde diş döndürme ile oluşturulan mikro yapıların etkisi araştırılmaktadır. Bu amaçla, prosesle entegre mikro yapılandırma için özel olarak geliştirilmiş bir dönme prosesi analiz edilmektedir.
Bu makalede, ovalama prosesine kıyasla önemli bir avantajı temsil eden dönme prosesi kullanılarak yüzey topografisinin nasıl özel olarak ayarlanabileceği gösterilecektir. Şekil 2, haddelenmiş bir trapez dişli milin diş kanadının yüzey topografisini, döndürülmüş bir diş kanadı ile karşılaştırmalı olarak göstermektedir.
Döndürme işleminin özel olarak uyarlanmasıyla, haddelenmiş dişli millere kıyasla daha belirgin yapılar üretilebilmiştir. Yüzey yapılarını karakterize etmek için yapı yüksekliği “yf” ve yapı aralığı “sf” yapı parametreleri tanıtıldı (Şekil 1). Tribolojik optimizasyon için, sürtünme ortaklarının yüzeyleri arasındaki doğrudan katı teması en aza indiren daha küçük bir tepe oranına sahip yapılar oluşturmak için döndürme işlemi kullanılmıştır. Yapı tepe noktaları arasındaki daha büyük mesafe, yağlayıcının pürüzlülük profilinin vadilerinde depolanmasını mümkün kılmaktadır.
Tribolojik özelliklerin karakterizasyonu
Şekil 3’te gösterilen test düzeneği, diş yanaklarının yüzey topografisinin tribolojik davranış üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılmıştır. Tr 80 x 10 mm dişe sahip test milleri f = 0,81 Hz frekansında v = 15° açı ile salınmıştır. Bir yük değişiminin dönüşü, dişin s = 0,42 mm’lik bir öteleme strokuna karşılık gelir. Bu düzenekle, dişli mil kaldırma ve indirme sırasında FG = 91,3 kN ağırlık kuvvetiyle yüklenmiştir. Bu da p = 5,0 N/mm2 yüzey basıncına karşılık gelmektedir ki bu da ağır hizmet tipi kaldırma sistemlerinde trapez vidalı tahrikler (TGT) için maksimum yük aralığı içerisindedir. Bu uygulama için G-CuSn 7 ZnPb dişli somun malzemesi ve DGM HTF 940 yağlayıcı seçilmiştir. Test dizisindeki yağlama, bir aylık bir bakım aralığına karşılık gelir. Bu nedenle, mil-somun tertibatını yağlama aralığı her 167 döngüde birdir. Test düzeneği SincoTec tarafından kurulmuştur. SincoTec aynı zamanda Interface 125 kN kuvvet sensörünün ve SincoTec 1.200 Nm tork sensörünün de üreticisidir.
Farklı yüzey topografyalarının ve yüzey yapılarının sürtünme özelliklerini karakterize etmek için yan yüzeylerin aşınma durumu analiz edilmiştir. Bu amaçla, proje katılımcıları daha sonra milleri bir kesme taşlama makinesi ile kesmişlerdir. 20.000 yük döngüsü ile, analiz edilen dişli miller için on yıllık hizmet ömrü deneysel olarak belirlenmiştir. Döndürülmüş dişli miller için proses değişkenleri, dişlerin yük taşıyan yanlarındaki mikro yapıların yükseklikleri arasında tanımlanmış derecelendirmeler elde edilecek şekilde seçilmiştir. Proses parametreleri Bornemann’ın deneyimlerine dayanmaktadır. Ayrıca, sürekli proses kullanılarak haddelenmiş dişli miller de analiz edilmiştir.
Yüzey yapılarının sürtünme katsayısı üzerindeki etkisi
Küçük bir açısal mesafe üzerindeki salınım hareketi nedeniyle, kaldırma ve indirme çok sayıda yük döngüsünde analiz edilebilir. Bu şekilde, kılavuz vidaların tüm hizmet ömrü deneysel olarak belirlenebilir. Şekil 4, trapez vida tahriki ile kaldırma hareketi için sürtünme katsayısının seyrini göstermektedir. Burada haddelenmiş ve döndürülmüş bir kılavuz vidanın sürtünme katsayıları karşılaştırılmaktadır. Bir yük değişiminde ortaya çıkan hız profili, her durumda kaldırma ve indirme için bir hızlanma fazı, sabit hızda bir faz ve bir yavaşlama fazından oluşur. Düşük hızlarda ortaya çıkan stick-slip etkisi, özellikle yön değiştirme noktasında tercih edilir. Bu etki, yüzeylerin kısa süreli yapışması ve ardından sürtünme ortaklarının ani bir şekilde kaymasıyla kendini gösterir. Bu hareket, sürtünme katsayısında daha büyük bir dalgalanma olarak yansıyan titreşimlere yol açabilir [2]. Ortalama sürtünme katsayısı testin başında keskin bir şekilde yükselir, yaklaşık 2.000 yük döngüsünden sonra maksimuma ulaşır ve yaklaşık 8.000 yük döngüsünden sonra sabit bir seviyeye düşer. Bu davranış alıştırma aşaması olarak adlandırılır ve ilgili tribolojik sisteme bağlı olarak test süresince sürtünme katsayısındaki genel değişimi tanımlar [3].
Tanıtılan yüzey yapısına sahip döndürülmüş trapez dişli mil, tribolojik özelliklerde önemli bir iyileşme göstermektedir. Bu, alıştırma davranışının yaklaşık %44 oranında kısalmasına ve sürtünme katsayısının μm = 0,085 gibi daha düşük bir seviyeye kalıcı olarak düşmesine yol açmaktadır. Bu, haddelenmiş dişli mile kıyasla %25,5’lik bir azalmaya karşılık gelmektedir. Tanımlanan tribolojik sistemde bu diş ile alıştırma fazının tamamen azaltılması mümkün olmamıştır.
Yüzey yapılarının aşınma üzerindeki etkisi
İki sürtünme ortağı temas ettiğinde meydana gelen aşınma, trapezoidal dişli milin hizmet ömrü açısından belirleyici öneme sahiptir. Dişli milde meydana gelen aşınma mekanizmalarını tanımlamak için, rulman kanadının yüzeyi düzenli bir yağlayıcı tedariki ile 20.000 yük döngüsü boyunca incelenmiş ve ardından rulman kanadının aşınma modeli analiz edilmiştir (Şekil 5). Testin ardından yapılan inceleme, rulman yanağındaki yüzey yapılarına bağlı olarak açıkça farklı bir aşınma modeli ortaya koymuştur. Yatak kanadında yüzey yapıları olmayan haddelenmiş dişli miller, somun malzemesinin önemli ölçüde çıkarılması veya yapışkan aşınmasından kaynaklanan dişli milin yatak kanadında belirgin yapışkan birikintileri gösterir. Yapının yüksekliği arttıkça, yapışkan aşınma alanı da önemli ölçüde azalır (Şekil 5).
Düşük kayma hızı ve tribolojik temastaki yüksek yüzey basıncı nedeniyle, tribolojik sistemde mevcut olan sürtünme katı hal sürtünmesi ve karışık sürtünme arasında sınıflandırılır. Belirgin yüzey yapısı nedeniyle (Şekil 6, sağ), mikro temasların sayısı yapılandırılmamış yüzey topografyasına (Şekil 6, sol) kıyasla azaltılabilir. Bu da yüzey yapıları nedeniyle daha düşük oranda katı hal sürtünmesine yol açmaktadır. Diş kanadında daha belirgin bir yüzey yapısı daha büyük miktarda yağlayıcıyı emebilir. Yüzey yapıları sayesinde, diş kanadındaki yapışkan aşınması, haddelenmiş dişli milde %36,3’e kıyasla %10,1’e düşürülmüştür.
Farklı metallerden yapılmış sürtünme ortakları temas ettiğinde, kohezif olarak daha zayıf bağlanmış sürtünme gövdesinden (bu durumda somun) kohezif olarak daha güçlü bağlanmış temel gövdeye (bu durumda dişli mil) bir malzeme transferi gerçekleşir [4]. Sürtünme temasındaki ilave yağlayıcı, daha az sayıda temas pürüzlülüğü zirvesi ile sonuçlanır. Dişli somunun temas yüzeyindeki yük arttıkça, parçacıklar ayrılır ve rulman kanadının temas eden pürüzlülük tepelerinde birikir. Bunlar yavaş yavaş rulman yanağının temas eden bölgelerinde bir tabaka oluşturur ve mil ile somun malzemesi arasında doğrudan teması önler. Bu süreç, statik bir duruma ulaşılana ve rulman yanağında daha fazla tortu birikmeyene kadar devam eder. Bu süreç, temas eden pürüzlülük tepeleri yapışma tortuları ile kaplandığında statik bir duruma dönüşen alıştırma davranışını belirler. Bu durum sürtünme katsayısını da etkiler. İlk yüzey, kaldırma hareketi sırasında herhangi bir aşındırıcı aşınma yaşamaz.
Görünüm ve kullanım seçenekleri
Haddelenmiş dişli millerle rekabette, ağır hizmet kaldırma sistemleri için dişli bir milin yatak kanadındaki yüzey yapılarının önemli bir katma değer sunduğu gösterilmiştir. Döndürme işlemi, daha çeşitli yüzey yapıları oluşturmak için kullanılabilir. Ayrıca, dişli milin yüzeyinin çok az aşınma yaşadığı gösterilmiştir, bu da rulman kanadındaki yüzey yapılarının deneysel olarak simüle edilen 10 yıllık bir hizmet ömründen sonra büyük ölçüde korunduğu anlamına gelir. Şekil 7, trapezoidal dişli millerin tasarımı ve yapımı için mikro yapılı yük yanaklarının üç ana potansiyelini göstermektedir.
Diş kanadındaki yüzey yapılarının tanımlanmış ayarı, sürtünme katsayısını %25,5 oranında azaltabilir. Ağır hizmet tipi bir kaldırma sistemi örneğinde, sürtünme katsayısındaki bu azalma, kaldırma sisteminin ilgili yatağı dikkate alındığında, enerji tüketiminde orantılı bir azalma ile sonuçlanır, çünkü mil ve somun arasındaki sürtünme teması verimlilik için belirleyicidir.
Diğer bir husus ise dişli somundaki aşınmanın azaltılmasıdır. Bu araştırmalarda, dişli somunun aşınması sadece dolaylı olarak rulman kanadındaki yapışkan birikintileri temelinde analiz edilebilmiştir. Yapışkan tortuların rulman kanadının yaklaşık %10’una kadar azalması nedeniyle, sürtünme ortakları arasında daha az mikro temas olduğu ve dolayısıyla dişli somunda daha az aşınma olduğu varsayılabilir. Rulman kanadındaki yapışmanın azalmasından, dişli somunun genel aşınmasının da azaldığı sonucuna varılabilir. Bu, bakım maliyetlerini azaltabilir ve tüm trapez vida tahrikinin hizmet ömrünü artırabilir.
Bir kılavuz vidanın mikro yapılı yatak yanaklarının üçüncü ve belirleyici avantajı tahrik motorunun tasarımından kaynaklanmaktadır. Sürtünme katsayısının %25 oranında azaltılmasıyla, tasarımda daha düşük bir sürtünme torku varsayılabilir.
Bu, daha küçük boyutlu bir motorun seçilmesini mümkün kılar, bu da genel sistemin güç tüketimini azaltır ve tüm kaldırma sistemi için yatırım maliyetlerini önemli ölçüde düşürür. Bununla birlikte, bu özellik için rodaj davranışı azaltılmalı ve tüm hizmet ömrü boyunca sabit bir sürtünme katsayısı garanti edilmelidir.
Daha ileri araştırmalarla, yüzey yapısı iplik geometrisine bağlı olarak optimize edilebilir. Bu özel olarak ayarlanmış yüzey yapılarını üretme süreci şu anda proje ortakları tarafından patentlenmektedir.
Bu, bireysel tribolojik sistemin daha da özel olarak ele alınmasını sağlar. Gelecekteki araştırma ve geliştirmeler için bir diğer husus da, özellikle alıştırma davranışını telafi etmek için dişli somunun yüzey topografyasının değiştirilmesidir. Sürekli olarak azaltılmış bir sürtünme katsayısı, tahrik motoru tasarlanırken boyutun daha da küçültülmesini mümkün kılacaktır. Bu noktalar gelecekte Bornemann Gewindetechnik ve IFW ile ortaklaşa planlanan bir araştırma projesinde daha fazla ele alınacaktır.
Teşekkür
Yazarlar, “TopGewinde – Döndürme işlemi kullanılarak vidalı tahriklerin hizmet ömrünü artırmak için tribolojik olarak optimize edilmiş yüzey topografileri” projesini finanse ettiği için ZIM’e teşekkür eder.
Ayrıca Bornemann Gewindetechnik üreticilerinden Hans Bornemann ve Moritz von Soden’e araştırma projesindeki mükemmel işbirlikleri için teşekkürlerini sunarlar.
Edebiyat
- 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.
Bize ulaşın
Christian Wege, M. Eng.
Leibniz Universität Hannover Üretim Mühendisliği ve Takım Tezgahları Enstitüsü
Tel.: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de