Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und optische Profilometer

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

Reibung und Verschleiß sind schädlich für technische Systeme. Ultraschall Schmierung wird erreicht, wenn die Grenzfläche zwischen beiden Gleitflächen mit einer Frequenz über dem akustischen Bereich (20 kHz) in Schwingung versetzt. Als Festkörper-Technologie können Ultraschall Schmierung verwendet werden, wo herkömmliche Schmierstoffe sind nicht machbar oder unerwünscht. Ferner ermöglicht die elektrische Modulation des effektiven Reibungskoeffizienten zwischen beiden Gleitflächen Ultraschall Schmierung. Diese Eigenschaft ermöglicht adaptive Systeme, die ihre Reibungszustand und die damit verbundenen Dynamik als Betriebsbedingungen ändern ändern. Oberflächenverschleiß kann auch durch Ultraschall Schmierung verringert werden. Wir entwickelten ein Protokoll, um die Abhängigkeit der Reibungskraft Reduktion zu untersuchen und Verschleißreduzierung auf der linearen Gleitgeschwindigkeit zwischen Ultraschall geschmierten Oberflächen. Ein Stift-Scheibe-Tribometer wurde gebaut, die von Gewerbeeinheiten unterscheidet, dass ein Piezostapel wird verwendet, um den Stift 22 zu vibrierenkHz normal zu der rotierenden Plattenoberfläche. 20,3, 40,6 und 87 mm / sec: Reibung und Verschleiß Metriken einschließlich wirksamer Reibungskraft, den Volumenverlust und die Oberflächenrauhigkeit sind ohne und mit Ultraschallschwingungen auf einem konstanten Druck von 1 bis 4 MPa und drei unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten gemessen. Ein optisches Profilometer verwendet, um die Verschleißoberflächen zu charakterisieren. Die effektive Reibungskraft um 62% auf 20,3 mm / s reduziert. Im Einklang mit bestehenden Theorien zur Ultraschall-Schmierung, die prozentuale Verringerung der Reibungskraft verringert sich mit zunehmender Geschwindigkeit, bis zu 29% Reibungskraft Reduktion bei 87 mm / sec. Verschleißminderung im wesentlichen konstant bleibt (49%) bei den drei Geschwindigkeiten berücksichtigt.

Introduction

Reibung existiert an der Grenzfläche von zwei sich berührenden Oberflächen, wenn sie Walze relativ zueinander gleiten oder. Reibung tritt in der Regel zusammen mit abrasiven oder adhäsiven Verschleiß. ¹ Ultrasonics ist die Wissenschaft hinter der Hochfrequenz-Phänomene, das heißt, Wellen bei Frequenzen oberhalb der akustischen Bereich (20 kHz). Das Feld von Ultraschall umfasst zwei grundsätzlich verschiedene Regimes. Ein Regime beinhaltet geringer Intensität Wellen, wie sie in bildgebenden Verfahren wie der medizinischen Ultraschall oder zerstörungsfreien Prüfung von Strukturen genutzt. Das andere ist eine Hochleistungsregelung in dem Hochenergie-Wellen werden verwendet, um durchzuführen oder zu unterstützen Engineering Verfahren wie Schweißen von Kunststoffen und Metallen. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung der letzteren Art von Ultraschallvibrationen an der Schnittstelle von zwei Oberflächen in Gleitkontakt verringert die effektive Reibungskraft an der Grenzfläche. Dieses Phänomen wird als Ultraschallschmierung bekannt.

ErreichenUltraschall Schmierung zwischen zwei Schiebe Objekten, muss relativ Schwingung bei Ultraschallfrequenzen zwischen ihnen hergestellt werden. Vibrationen werden typischerweise an einem der beiden Objekte angewendet, entweder in der Längs-, Quer- oder senkrechten Richtung relativ zu der Gleitgeschwindigkeit. In dieser Studie wird ein Tribometer Stift mit einem piezoelektrischen Aktuator angebracht, so dass seine Spitze schwingt in der Richtung senkrecht zu der Tribometer der rotierenden Scheibe. Piezoelektrische Materialien sind eine Klasse von "intelligenten" Materialien, die, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt ist, schwingt mit derselben Frequenz wie das Anregungsfeld zu deformieren. Piezoelektrische Materialien können bei Frequenzen bis in den MHz-Bereich zu vibrieren. Wobei auf die makroskopische Geschwindigkeit überlagert ist, haben Ultraschallschwingungen die Wirkung der abwechselnd die Richtung des momentanen Reibungskraft und der Kontakt zwischen den Oberflächen, die in Kombination führt zu einer Reduzierung des effektiven Reibungskraft und Verschleiß. </p>

Ultraschall Reibungsreduzierung hat in der praktischen Fertigungssystemen nachgewiesen. Beispielsweise wurde diese Technologie verwendet, um die Kraft zwischen Werkzeug und Werkstück in der Metallbearbeitung und Bildungsprozesse wie Bohren, Pressen, Blechwalz und Drahtziehen zu verringern. Vorteile sind die verbesserte Oberflächenqualität ^{2 und} einen reduzierten Bedarf an teuren und umweltbelastenden Reinigungsmitteln Schmierstoffe aus dem Endprodukt zu entfernen. Es potenzielle Anwendungen von Ultraschall Schmierung in anderen Bereichen. Beispielsweise können Ultraschallschmier wesentlichen die Benutzererfahrung in Körperpflege-Produkte zu verbessern, indem die Notwendigkeit für Schmiermittel oder Beschichtungen. In Automobilanwendungen, kann die Reibung Modulation die Leistung der Kugelgelenke Verbesserung der Erwägung, dass Reibungsminderung zwischen Fahrzeugsitze und Schienen ermöglicht die Sitzbewegung, spart Platz und Masse, die sonst von der traditionellen Komponenten und mechani besetzt werden würdeSMS. Ultraschall-Schmierung kann auch helfen, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, indem die Reibungsminimierung im Antriebsstrang und Federungssysteme. ³ in Raumfahrtanwendungen, in denen traditionelle Schmierstoffe kann nicht verwendet werden, können Ultraschallschmierung eingesetzt werden, um den Verschleiß zu reduzieren und dramatisch verlängern die Lebensdauer kritischer Komponenten.

Labordemonstrationen Reibungsreduktion durch Ultraschall-Schmierung sind zahlreich. Reibungsverringerung wird als die Differenz zwischen der Reibungskraft, gemessen ohne Ultraschall Schmierung und die Reibungskraft, mit Ultraschallschwingungen angewendet quantifiziert. In jedem Fall wird die Reibungskraft direkt mit der Kraftsensoren gemessen. Littmann et al. ^4-5 verbunden ist ein piezoelektrisch angetriebenen Stellantrieb mit einem Schieber, auf dem ein Kraftsensor und einen Rahmen für die Messung wurden die Reibungskräfte und die Anwendung normalen Belastungen installiert. Ein pneumatisches Stellglied verwendet wurde, um den Schieber zusammen mit dem Stellglied entlang einer Führungsschiene zu drücken. Ultrasonic Schwingungen in der Richtung längs zur Gleitgeschwindigkeit aufgetragen. Bharadwaj und Dapino ^6-7 geführt ähnliche Experimente unter Verwendung eines piezoelektrischen Stapels Antrieb in einer konischen Wellenleiters an jedem Ende des Stapels verbunden. Kontakte zwischen den sphärischen Kanten der Zapfen und der Oberfläche der Führungsschiene. Die Wirkungen der Systemparameter, wie Kontaktsteifigkeit normaler Last und globale Steifigkeit untersucht. Kumar und Hutchings ^{8 installiert} auf einer Sonotrode, die durch einen Ultraschallwandler mit Energie versorgt wurde ein Stift. Ultraschallschwingungen wurden erzeugt und dem Stift, der in Kontakt mit einer Werkzeugstahloberfläche platziert wurde übertragen. Normalkraft durch einen pneumatischen Zylinder aufgebracht und durch eine Meßdose gemessen wird. Die Relativbewegung zwischen dem Stift und der Scheibe wurde durch eine Hin- Tabelle erstellt.

Pohlman und Lehfeldt ⁹ auch einen Pin-on-Disc-Experiment durchgeführt. Im Gegensatz zu anderen Studien eine magnetostrict beschäftigte sieive Wandler, um Ultraschallschwingungen zu erzeugen. Die optimale Richtung für die Ultraschallreibungsreduzierung zu untersuchen, wurde der Wandler sorgfältig ausgerichtet, so dass die Schwingungsrichtung betrug längs, quer und vertikal zur makroskopischen Geschwindigkeit. Sie untersuchten Ultraschall Reibungsreduzierung auf trockenen und geschmierten Oberflächen. Popov et al. ^{10 verwendet} ein Stellglied mit konischen Wellenleitern. Das Stellglied in Kontakt mit einer rotierenden Grundplatte platziert. Cones von neun Materialien mit verschiedenen Härtegraden für die Annahme, den Einfluss der Materialhärte auf Ultraschall Reibungsreduzierung zu studieren. Dong und Dapino ^11-13 verwendet einen piezoelektrischen Wandler zum Erzeugen und Übertragen von Ultraschallschwingungen auf einen prismatischen Hohlleiter mit abgerundeten Kanten. Die Längsschwingung verursacht vertikalen Vibrationen durch Poisson-Effekt. Ein Schieberegler mit einer gekrümmten oberen wurde unter und bei Berührung des Wellenleiters platziert. Es wurde ein Rahmen gebaut, um Normalkräfte an der Kontaktfläche an. Ter Schieber wurde manuell um den Mittelbereich des Wellenleiters gezogen wird; die Reibungskraft durch eine Lastzelle, die mit dem Gleitstück verbunden ist, wurde gemessen.

Ultraschallinduzierte Verschleißminderung wurde ebenfalls untersucht und demonstriert. Volumenverlust, Gewichtsverlust, und die Oberflächenrauhigkeit Änderungen werden eingesetzt, um die Schwere der wear.Chowdhury quantifizieren und Helali ¹⁴ vibriert eine rotierende Scheibe in einem Stift-Scheibe-Setup. Die Schwingungen wurden durch eine Stützstruktur aus zwei parallelen Platten unter der rotierenden Scheibe befindet, erzeugt wird. Die obere Platte hat eine sphärische Kugel außermittig an der Bodenoberfläche installiert ist, der in einem Schlitz, die an der oberen Oberfläche der Bodenplatte graviert wurde gleitet. Der Schlitz wurde mit periodisch variabler Tiefe maschinell bearbeitet, so dass die obere Platte während der Drehung bewegt sich vertikal. Die Frequenzen lag um 100 Hz entsprechend der Drehgeschwindigkeit.

Bryant und York ^15-16 suchten die Wirkung von Mikrovibrationen auf wOhrreduktion. Sie eingefügt eine Kohlenstoffzylinder durch einen Halter mit einem Ende ruhte auf einer Spinnstahlscheibe und das andere Ende an einer Schraubenfeder verbunden ist. In einem Fall wurde der Zylinder eng in den Halter eingepaßt, so daß es keinen Platz für Vibrationen. In anderen Fällen wurden die Zwischenräume gelassen Mikrovibrationen des Zylinders zu ermöglichen, während der Zylinder in Kontakt mit der sich drehenden Scheibe. Der Gewichtsverlust des Zylinders gemessen, um die Verschleißrate zu berechnen. Es wurde gezeigt, dass die selbst erzeugte Mikrovibrationen half Verschleißminderung bis zu 50%.

Goto und Ashida ^17-18 nahm ferner einen Pin-on-Disc-Experiments. Sie verbanden Stift Proben mit einem Wandler über einen sich verjüngenden Konus und einem Horn. Der Stift vibriert in der Richtung senkrecht zu der Plattenoberfläche. Eine Masse wurde an seiner Oberseite zum Anlegen normalen Belastungen an den Wandler angeschlossen ist. Reibungskräfte wurden aus dem Drehmoment, das aufgebracht wurde, um die Scheibe zu drehen rechnet. Tragen Sie wurde als Klebstoff, da sowohl identifiziertStift und Scheibe wurden aus Kohlenstoffstahl. Verschleißraten wurden von Volumenverlust Messungen berechnet.

Es wurde gezeigt, daß eine lineare Geschwindigkeit eine wichtige Rolle bei der Ultraschall Schmierung spielt. Die experimentelle Komponente dieser Forschung konzentriert sich auf die Abhängigkeit der Reibung und Verschleißminderung auf lineare Geschwindigkeit.

Protocol

1. Entwicklung der modifizierten Tribometer Installieren chuck-Motor-Subsystem. Stufe Schwingungsisolation Tisch. Platzieren Gleichstrommotor auf dem Tisch; Ebene den Motor mit Ausgleichsscheiben anbringen und mit Streben und Bolzen. Platzieren Stützrahmen den Motor umgibt. Verbinden Keilwelle mit der Motorwelle mit Hilfe eines Schlüssels. Setzen Trägerplatte auf dem Rahmen mit der Keilwelle durch das Loch in der Platte gehen. Set Drucknadelrollenlager auf der Tragplatte und in der Nähe…

Representative Results

Die repräsentativen hier vorgestellten Messungen wurden von dem modifizierten Tribometer in Figur 1 gezeigt ist, erhalten. Der piezoelektrische Aktuator erzeugt Schwingungen mit einer Amplitude von 2,5 um bei einer Frequenz von 22 kHz. Um die Abhängigkeit der Reibung studieren und Verschleißminderung von der Lineargeschwindigkeit, wurden mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten (20.3, 40.6 und 87 mm / sec) auf der Scheibe durch Änderung der Drehzahl des Motors aufgetragen. Für alle drei Gruppen wur…

Discussion

Experimente wurden unter Verwendung dieses Protokolls, um die Wirkung der linearen Geschwindigkeit auf Ultraschall Reibungs- und Verschleißreduzierung Studie durchgeführt. Die Messungen zeigen, dass Ultraschallschwingungen effektiv Reibung und Verschleiß an drei Lineargeschwindigkeiten. Im Einklang mit früheren Beobachtungen, die Höhe der Reibungsminderung nimmt von 62,2% auf 20,3 mm / s bis 29,3% bei 87 mm / sec. Verschleißminderung ist vernachlässigbar mit wechselnden linearen Geschwindigkeit (45,8% auf 48,6%)….

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