Los experimentos en ultrasónico Lubricación El uso de un Tribómetro asistida piezoeléctrico y Perfilómetro óptico

Summary

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Abstract

La fricción y el desgaste son perjudiciales para los sistemas de ingeniería. Lubricación ultrasónico se logra cuando la interfaz entre dos superficies de deslizamiento se hace vibrar a una frecuencia por encima de la gama acústica (20 kHz). Como tecnología de estado sólido, la lubricación de ultrasonidos puede utilizarse donde los lubricantes convencionales son inviables o indeseable. Además, la lubricación de ultrasonidos permite la modulación eléctrica del coeficiente de fricción eficaz entre las dos superficies de deslizamiento. Esta propiedad permite que los sistemas adaptativos que modifican su estado de fricción y la respuesta dinámica asociada como las condiciones de operación de cambio. Desgaste de la superficie también se puede reducir a través de la lubricación de ultrasonidos. Hemos desarrollado un protocolo para investigar la dependencia de la reducción de la fuerza de fricción y el desgaste de la reducción en la velocidad de deslizamiento lineal entre las superficies lubricadas por ultrasonidos. A tribómetro pin-on-disco fue construido que difiere de las unidades comerciales en que una pila piezoeléctrica se utiliza para hacer vibrar el pasador en 22kHz normal a la superficie del disco giratorio. Fricción y el desgaste métricas incluyendo la fuerza efectiva la fricción, la pérdida de volumen, y rugosidad de la superficie se miden sin y con vibraciones ultrasónicas a una presión constante de 1 a 4 MPa y tres velocidades de deslizamiento diferentes: 20,3, 40,6, y 87 mm / seg. Un perfilómetro óptico se utiliza para caracterizar las superficies de desgaste. La fuerza de fricción efectiva se reduce en un 62% a 20,3 mm / seg. Consistentemente con las teorías existentes para la lubricación de ultrasonidos, la reducción porcentual en la fuerza de fricción disminuye con el aumento de la velocidad, hacia abajo a la reducción de la fuerza de fricción 29% a 87 mm / seg. Reducción del desgaste permanece esencialmente constante (49%) a las tres velocidades consideradas.

Introduction

Existe fricción en la interfaz de dos superficies de contacto cuando se deslizan o rollo con respecto al otro. Fricción suele estar acompañado por desgaste abrasivo o adhesivo. ¹ Ultrasonidos es la ciencia detrás de los fenómenos de alta frecuencia, es decir, las ondas viajan a frecuencias superiores al rango acústico (20 kHz). El campo de los ultrasonidos abarca dos regímenes fundamentalmente diferentes. Un régimen implica ondas de baja intensidad como los utilizados en los procesos de formación de imágenes, tales como ultrasonido médico o de inspección no destructiva de estructuras. El otro es un régimen de alta potencia en el que se utilizan ondas de alta energía para ejecutar o ayudar a los procesos de ingeniería, tales como la soldadura de plásticos y metales. Se ha demostrado que la aplicación de este último tipo de vibraciones ultrasónicas en la interfase de dos superficies en contacto deslizante reduce la fuerza de fricción efectiva en la interfase. Este fenómeno se conoce como lubricación ultrasónica.

Conseguirlubricación ultrasónico entre dos objetos deslizantes, vibración relativa a frecuencias ultrasónicas se debe establecer entre ellos. Las vibraciones se aplican típicamente a uno de los dos objetos, ya sea en sentido longitudinal, transversal, o dirección perpendicular con respecto a la velocidad de deslizamiento. En este estudio, el NIP de un tribómetro está equipado con un actuador piezoeléctrico de modo que su punta vibra en la dirección perpendicular al disco giratorio de la tribómetro. Los materiales piezoeléctricos son una clase de materiales "inteligentes" que se deforman cuando se exponen a campos eléctricos, que vibra a la misma frecuencia que el campo de excitación. Los materiales piezoeléctricos pueden vibrar a frecuencias hasta bien entrada la gama MHz. Al estar superpuesta a la velocidad macroscópica, vibraciones ultrasónicas tienen el efecto de alternar la dirección de la fuerza de fricción instantánea y la contacto entre las superficies, que en combinación conduce a una reducción de la fuerza de fricción y la superficie de desgaste eficaz. </p>

Reducción de la fricción por ultrasonidos se ha demostrado en sistemas de fabricación prácticas. Por ejemplo, esta tecnología se ha utilizado para reducir la fuerza entre la herramienta y la pieza de trabajo en el mecanizado de metales y la formación de procesos tales como la perforación, prensado, la hoja de laminación, y el dibujo de alambre. Los beneficios incluyen mejorar el acabado superficial ^{2 y una} menor necesidad de detergentes costosos y perjudiciales para el medio ambiente para eliminar los lubricantes del producto final. Existen aplicaciones potenciales de la lubricación de ultrasonidos en otras áreas también. Por ejemplo, la lubricación ultrasónico puede mejorar sustancialmente la experiencia del usuario en productos de cuidado de la salud personal eliminando la necesidad de lubricantes o recubrimientos. En aplicaciones de automóviles, la modulación fricción puede mejorar el rendimiento de las articulaciones de rótula mientras que la reducción de la fricción entre los asientos y los carriles de vehículos facilita el movimiento del asiento, ahorrando espacio y la masa que de otro modo sería ocupado por los componentes y meca tradicionalesSMS. Lubricación ultrasónico también puede ayudar a mejorar la eficiencia del combustible mediante la reducción de la fricción en sistemas de transmisión y suspensión. ³ En las aplicaciones espaciales, donde no se pueden utilizar lubricantes tradicionales, lubricación ultrasónico puede ser empleado para reducir el desgaste y dramáticamente extender la vida de los componentes críticos.

Demostraciones de laboratorio de la reducción de la fricción a través de la lubricación de ultrasonidos son numerosos. Reducción de la fricción se cuantifica como la diferencia entre la fuerza de fricción medido sin lubricación ultrasónica y la fuerza de fricción con vibraciones ultrasónicas aplicadas. En cualquier caso, la fuerza de fricción se mide directamente con sensores de fuerza. Littmann et al ^4-5. Conectado un actuador piezoeléctrico impulsado a un control deslizante, sobre el que se han instalado un sensor de fuerza y un marco para la medición de fuerzas de fricción y la aplicación de cargas normales. Un actuador neumático fue empleado para empujar el deslizador junto con el actuador a lo largo de un carril de guía. Ultrasonic vibraciones se aplicaron en la dirección longitudinal a la velocidad de deslizamiento. Bharadwaj y Dapino ^{6 a 7} llevaron a cabo experimentos similares utilizando un actuador de apilamiento piezoeléctrico conectado a una guía de ondas cónica en cada extremo de la pila. Contactos tuvieron lugar entre los bordes esféricas de los conos y la superficie del carril de guía. Se estudiaron los efectos de los parámetros del sistema, tales como la rigidez de contacto, carga normal, y la rigidez global. Kumar y Hutchings ⁸ instalado un alfiler en un sonotrodo que fue energizado por un transductor ultrasónico. Las vibraciones ultrasónicas se generaron y se transmiten a la clavija, que se coloca en contacto con una superficie de acero de la herramienta. Fuerza normal se aplicó por un cilindro neumático y medido por una célula de carga. El movimiento relativo entre el pasador y el disco fue creado por una mesa de vaivén.

Pohlman y Lehfeldt ^{9 también} implementaron un experimento pin-on-disc. A diferencia de otros estudios, emplearon un magnetostrictive transductor para generar vibraciones ultrasónicas. Para estudiar la dirección óptima para la reducción de la fricción de ultrasonidos, el transductor se alineó cuidadosamente de modo que la dirección de vibración era longitudinal, transversal, y vertical a la velocidad macroscópica. Estudiaron reducción de la fricción de ultrasonidos tanto en superficies secas y lubricadas. Popov et al. ¹⁰ utiliza un actuador con guías de ondas cónicas. El actuador se puso en contacto con una placa de base giratoria. Conos hechos de nueve materiales con diferentes durezas se adoptaron para estudiar la influencia de la dureza del material en la reducción de la fricción por ultrasonidos. Dong y Dapino ^{11 a 13} utilizan un transductor piezoeléctrico para generar y transmitir vibraciones ultrasónicas a una guía de ondas prismática con los bordes redondeados. La vibración longitudinal provoca la vibración vertical debido al efecto de Poisson. Un slider con una parte superior curvada fue puesto bajo y en contacto la guía de onda. Un marco fue construido para aplicar fuerzas normales en la interfaz de contactos. Tdeslizador que fue retirado manualmente alrededor de la zona centro de la guía de ondas; la fuerza de fricción se midió mediante una célula de carga que estaba conectado a la corredera.

Reducción del desgaste ultrasonidos inducida también fue investigado y demostrado. Se emplean de pérdida de volumen, pérdida de peso, y la rugosidad de la superficie cambios para cuantificar la gravedad de wear.Chowdhury y Helali ¹⁴ vibraron un disco que gira en una configuración de pin-on-disc. Las vibraciones se generaron por una estructura de soporte de dos placas paralelas situadas bajo el disco giratorio. La placa superior tiene una bola esférica instalado fuera del centro en la superficie inferior, que se desliza en una ranura que fue grabada en la superficie superior de la placa inferior. La ranura se mecanizó con una profundidad variable periódicamente de modo que la placa superior se mueve verticalmente durante la rotación. Las frecuencias variaron alrededor de 100 Hz de acuerdo con la velocidad de rotación.

Bryant y York ^15-16 estudiaron el efecto de micro-vibraciones en wreducción de oído. Se insertan un cilindro de carbono a través de un soporte con un extremo descansaba sobre un disco de acero de hilatura y el otro extremo conectado a un muelle helicoidal. En un caso, el cilindro fue ajustada montado en el soporte de manera que no había espacio para la vibración. En otros casos, las separaciones fueron dejados para permitir micro-vibraciones del cilindro mientras que el cilindro estaba en contacto con el disco giratorio. La pérdida de peso del cilindro se midió para calcular la tasa de desgaste. Se demostró que las micro-vibraciones autogeneradas ayudaron a reducir el desgaste hasta en un 50%.

Goto y Ashida ^17-18 también adoptaron un experimento de pin-on-disc. Ellos conectan muestras de pasador con un transductor a través de un cono cónico y un cuerno. El pasador de vibrar en la dirección perpendicular a la superficie del disco. Una masa se conectó al transductor en su parte superior para la aplicación de cargas normales. Las fuerzas de fricción fueron traducidos a partir del par que se aplicó para hacer girar el disco. Desgaste fue identificado como adhesivo debido a que ambospin y el disco estaban hechas de acero al carbono. Tasas de desgaste se calcularon a partir mediciones de pérdida de volumen.

Se ha demostrado que la velocidad lineal juega un papel importante en la lubricación de ultrasonidos. El componente experimental de esta investigación se centra en la dependencia de la reducción de la fricción y el desgaste de la velocidad lineal.

Protocol

1. Desarrollo de la Tribómetro Modificado Instale subsistema chuck-motor. Mesa de aislamiento de vibraciones Nivel. Coloque motor de corriente continua en la mesa; nivelar el motor con cuñas y fijarla con puntales y bulones. Coloque bastidor de soporte alrededor del motor. Conectar eje estriado al eje del motor utilizando una llave. Ponga placa de soporte en el bastidor con el eje ranurado de pasar por el orificio de la placa. Conjunto de empuje rodamiento de agujas-rodillos en la placa d…

Representative Results

Las mediciones representativas aquí presentados se obtuvieron a partir de la tribómetro modificada mostrada en la Figura 1. El actuador piezoeléctrico genera vibraciones con amplitud de 2,5 micras, con una frecuencia de 22 kHz. Para estudiar la dependencia de la fricción y el desgaste de reducción de velocidad lineal, tres velocidades diferentes (20,3, 40,6 y 87 mm / seg) se aplicaron a el disco por el cambio de la velocidad de rotación del motor. Para todos los tres grupos, fuero…

Discussion

Los experimentos se llevaron a cabo utilizando este protocolo para estudiar el efecto de la velocidad lineal en la fricción de ultrasonidos y la reducción de desgaste. Las mediciones muestran que las vibraciones ultrasónicas reducen efectivamente fricción y el desgaste a tres velocidades lineales. De acuerdo con observaciones anteriores, la cantidad de reducción de la fricción disminuye de 62,2% a 20,3 mm / seg a 29,3% a 87 mm / seg. Reducción de desgaste es insignificante con el cambio de velocidad lineal (45,8%…

Materials

DC Motor	Minarik	SL14
Electrical amplifier	AE Techron	LVC5050
Signal conditioner	Vishay Measurements Group	2310
Signal generator	Agilent	33120A
Piezoelectric stack	EDO corporation	EP200-62
Load cell	Transducer Techniques	MLP-50
Load sensor pad	FlexiForce	A201
Laser meter	Keyence corporation	LK-G32
Hall-effect probe and gaussmeter	Walker Scientific, Inc.	MG-4D
Data acquisition module	Data Physics	Quattro
Data acquisition software	Data Physics	SignalCalc Ace
Thermocouple reader	Omega	HH22
Optical profilometer	Bruker	Contour GT
Profilometer operation software	Bruker	Vision 64