Experimentos em Ultrasonic Lubrificação Usando um tribômetro piezoelectricamente-assistida e Profilometer Optical

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

Atrito e desgaste são prejudiciais para sistemas de engenharia. Lubrificação ultra-som é conseguido quando a interface entre duas superfícies de deslizamento é feito vibrar a uma frequência acima da gama acústica (20 kHz). Como uma tecnologia de estado sólido, a lubrificação de ultra-sons podem ser utilizados onde os lubrificantes convencionais são impraticáveis ​​ou indesejável. Além disso, a lubrificação de ultra-sons permite a modulação eléctrica do coeficiente de atrito eficaz entre duas superfícies deslizantes. Esta propriedade permite que os sistemas adaptativos que modificam seu estado de atrito e resposta dinâmica associada como a mudança condições de funcionamento. Desgaste da superfície pode também ser reduzido através de lubrificação de ultra-som. Nós desenvolvemos um protocolo para investigar a dependência da redução da força de atrito e desgaste redução na velocidade de deslizamento linear entre superfícies ultra-som lubrificadas. Trib�etro pino-no-disco foi construído a partir de unidades que difere comerciais em que uma pilha piezoeléctrica é utilizado para vibrar o pino a 22kHz normal à superfície do disco rotativo. O atrito eo desgaste métricas incluindo a força efectiva de atrito, perda de volume, e a rugosidade da superfície são medidos com e sem vibrações ultra-sónicas a uma pressão constante de 1 a 4 MPa e três velocidades de deslizamento diferentes: 20.3, 40.6, e 87 mm / seg. Um perfilometria óptica é utilizada para caracterizar as superfícies de desgaste. A força de atrito eficaz é reduzida em 62% a 20,3 mm / seg. De forma consistente com as teorias existentes para lubrificação de ultra-som, a redução percentual na força de atrito diminui com o aumento da velocidade, até 29% de redução de força de atrito a 87 mm / sec. Redução do desgaste permanece essencialmente constante (49%) com as três velocidades consideradas.

Introduction

Existe atrito na interface de duas superfícies de contacto quando elas deslizam ou rolo em relação à outra. Friction geralmente ocorre junto com o desgaste abrasivo ou adesivo. ¹ Ultrasonics é a ciência por trás dos fenômenos de alta freqüência, ou seja, as ondas viajando em frequências superiores a faixa acústica (20 kHz). O campo de ultra-som abrange dois regimes fundamentalmente diferentes. Um regime envolve ondas de baixa intensidade, como os utilizados em processos de imagem, como ultra-som médico ou inspeção não destrutiva de estruturas. O outro é um regime de alta energia em que as ondas de alta energia são utilizados para executar ou auxiliar processos de engenharia, tais como solda de plásticos e metais. Tem sido demonstrado que a aplicação deste último tipo de vibrações ultra-sónicas na interface das duas superfícies em contacto deslizante reduz a força de atrito na interface eficaz. Este fenômeno é conhecido como lubrificação de ultra-som.

Alcançarlubrificação de ultra-som entre dois objetos de correr, de vibração em relação a freqüências ultra-sônicas deve ser estabelecida entre eles. As vibrações são tipicamente aplicados a um dos dois objectos, quer nas direcções longitudinal, transversal, ou direcção perpendicular em relação à velocidade de deslizamento. Neste estudo, um pino de tribômetro está equipado com um actuador piezoeléctrico, de modo que a sua ponta vibra na direcção perpendicular ao disco rotativo da tribômetro. Materiais piezoelétricos são uma classe de materiais "inteligentes" que deformam quando expostos a campos elétricos, vibrando na mesma freqüência que o campo de excitação. Materiais piezoelétricos podem vibrar em frequências bem para a faixa de MHz. Sendo sobreposta à velocidade macroscópica, vibrações ultra-sónicas têm o efeito de alternando o sentido da força de atrito e instantânea do contacto entre as superfícies que, em combinação conduz a uma redução da força de atrito e de desgaste de superfície efectiva. </p>

Redução de atrito de ultra-sons tem sido demonstrada em sistemas de fabrico práticas. Por exemplo, esta tecnologia tem sido utilizada para diminuir a força entre a ferramenta ea peça de trabalho em metais e processos tais como a perfuração, prensagem, a folha de laminação, e de trefilação de arame de formação. Os benefícios incluem melhor acabamento de superfície ^{2 e uma} menor necessidade de detergentes caros e ambientalmente prejudiciais para remover lubrificantes a partir do produto final. Há potenciais aplicações de lubrificação de ultra-sons em outras áreas também. Por exemplo, lubrificação de ultra-som pode melhorar substancialmente a experiência do usuário em produtos de cuidados de saúde pessoais, eliminando a necessidade de lubrificantes ou revestimentos. Em aplicações automotivas, a modulação atrito pode melhorar o desempenho das juntas de bola que a redução de atrito entre assentos de veículos e trilhos facilita o movimento do assento, economizando espaço e massa que poderiam ser ocupados por componentes e meca tradicionaisSMS. Lubrificação ultra-som pode também ajudar a melhorar a eficiência do combustível, reduzindo o atrito no sistema de motorização e de suspensão. ³ em aplicações espaciais, onde os lubrificantes tradicionais não podem ser utilizados, de lubrificação de ultra-sons podem ser utilizados para reduzir o desgaste e dramaticamente prolongar a vida de componentes críticos.

Demonstrações laboratoriais de redução de atrito através de lubrificação de ultra-som são numerosos. Redução de atrito é quantificada como a diferença entre a força de atrito medido sem lubrificação de ultra-sons e a força de atrito, com vibraes ultra-sicas aplicadas. Em ambos os casos, a força de atrito é medido directamente com sensores de força. Littmann et al. ^4-5 ligado um atuador piezoelectricamente-driven a um slider, em que um sensor de força e um quadro foram instalados para medir forças de atrito e aplicação de cargas normais. Um actuador pneumático foi empregado para empurrar o cursor em conjunto com o actuador ao longo de um trilho de guia. Ultrasonaresvibrações c foram aplicada no sentido longitudinal para a velocidade de deslizamento. Bharadwaj Dapino ^6-7 e realizou experiências semelhantes usando um actuador piezoeléctrico pilha ligada a um guia de ondas cónica em cada extremidade da pilha. Contactos entre as extremidades esféricas dos cones e a superfície do carril de guia. Foram estudados os efeitos de parâmetros do sistema, tais como contato rigidez, carga normal, e rigidez global. Kumar e Hutchings ^{8 instalado} um pino em um sonotrode que foi energizado por um transdutor de ultra-som. Vibrações ultra-sónicas foram gerados e transmitidos para o pino, que foi colocado em contacto com uma superfície de aço da ferramenta. Força normal foi aplicada por um cilindro pneumático e medidos por uma célula de carga. O movimento relativo entre o pino e o disco foi criado por uma mesa de movimento alternativo.

Pohlman e Lehfeldt ^{9 também} implementou um experimento pin-on-disco. Ao contrário de outros estudos, empregaram um magnetostrictive transdutor para gerar vibrações ultra-sônicas. Para estudar a direcção óptima para redução de atrito de ultra-sons, o transdutor foi cuidadosamente alinhados de modo que a direcção de vibração foi longitudinal, transversal e vertical para a velocidade macroscópica. Eles estudaram redução de atrito ultra-som em ambas as superfícies secas e lubrificadas. Popov et al. ¹⁰ utilizaram um actuador com guias de onda cônicos. O actuador foi colocado em contacto com uma placa de base rotativa. Foram adotadas cones feitos de nove materiais com diferentes durezas para estudar a influência da dureza do material em redução de atrito ultra-sônica. Dong e Dapino ^11-13 utilizado um transdutor piezoeléctrico para gerar e transmitir vibrações ultra-sónicas a uma guia de onda prismático com bordos arredondados. A vibração longitudinal provoca vibração vertical devido ao efeito de Poisson. Um controle deslizante com um topo curvo foi colocado sob e em contacto guia de ondas. Um quadro foi construído para aplicar forças normais na interface de contato. Tele deslizante foi puxada manualmente em torno da área central da guia de onda; a força de atrito foi medido por uma célula de carga que foi conectado ao cursor.

Redução desgaste induzido por ultra-sons também foi investigado e demonstrado. Perda de volume, perda de peso, e a rugosidade da superfície mudanças são utilizadas para quantificar a gravidade da wear.Chowdhury e Helali ¹⁴ vibrado um disco rotativo numa configuração de pino-no-disco. As vibrações foram gerados por uma estrutura de suporte de duas placas paralelas localizadas sob o disco rotativo. A placa de topo tem uma bola esférica instalada fora do centro na superfície inferior, que desliza numa ranhura que foi gravada na superfície superior da placa de fundo. A ranhura foi maquinada com uma profundidade variável periodicamente de modo que a placa de topo move-se verticalmente durante a rotação. As freqüências variou em torno de 100 Hz de acordo com a velocidade de rotação.

Bryant e Iorque ^15-16 estudaram o efeito de micro-vibrações em wredução da orelha. Eles inserido um cilindro de carbono através de um suporte com uma extremidade repousava sobre um disco de aço de fiação e a outra extremidade ligada a uma mola em espiral. Em um caso, o cilindro foi confortável montado no suporte de modo que não há espaço para vibração. Em outros casos, as folgas foram deixados para permitir que as micro-vibrações do cilindro, enquanto o cilindro foi em contacto com o disco rotativo. A perda de peso do cilindro foi medida para calcular a taxa de desgaste. Foi demonstrado que as auto-gerado micro-vibrações ajudou a reduzir o desgaste em até 50%.

Goto e Ashida ^17-18 aprovou também um experimento de pin-on-disco. Eles conectado amostras pino com um transdutor através de um cone cônico e um chifre. O pino vibrado na direcção perpendicular à superfície do disco. A massa foi ligado ao transdutor na sua parte superior para a aplicação de cargas normais. Forças de fricção foram traduzidas a partir dos binários que foi aplicado para rodar o disco. Desgaste foi identificado como adesivo, porque ambospin e disco foram feitas de aço carbono. Taxas de desgaste foram calculados a partir de medições de perda de volume.

Demonstrou-se que a velocidade linear desempenha um papel importante na lubrificação de ultra-sons. O componente experimental desta pesquisa centra-se na dependência de redução de atrito e desgaste em velocidade linear.

Protocol

1. Desenvolvimento do tribômetro Modificado Instale subsistema chuck-motor. Nível mesa de isolamento de vibração. Coloque motor DC sobre a mesa; nivelar o motor com calços e corrigi-lo com suportes e parafusos. Coloque estrutura de suporte em torno do motor. Conecte eixo estriado ao eixo do motor usando uma chave. Colocar a placa de suporte na estrutura com o eixo estriado indo através do orifício na placa. Set empurrou rolamento de agulha-rolo na placa de apoio e em torno do eixo es…

Representative Results

As medições representativas aqui apresentados foram obtidos a partir do tribômetro modificado, apresentado na Figura 1. O actuador piezoeléctrico gera vibrações com amplitude de 2,5 um a uma frequência de 22 kHz. Para estudar a dependência de atrito e desgaste redução na velocidade linear, três velocidades diferentes (20,3, 40,6, e 87 mm / seg) foram aplicados ao disco, alterando a velocidade de rotação do motor. Para todos os três grupos, o número de rotações do disco e a distância do…

Discussion

As experiências foram realizadas usando este protocolo para estudar o efeito da velocidade linear na redução de atrito e desgaste de ultra-sons. As medições mostram que vibrações ultra-sônicas efetivamente reduzir o atrito eo desgaste em três velocidades lineares. Consistente com as observações anteriores, a quantidade de redução de atrito diminui de 62,2% a 20,3 mm / s a ​​29,3% a 87 mm / seg. Redução do desgaste é desprezível com a mudança de velocidade linear (45,8% para 48,6%).

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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