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

Resumo

Apresentamos um protocolo para o uso de um tribômetro assistido piezoeletricamente e um perfilômetro óptico para investigar a dependência do desgaste ultrassônico e da redução do atrito na velocidade linear, pressão de contato e propriedades da superfície.

Resumo

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.

Introdução

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.

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.

Protocolo

1. Desenvolvimento do tribômetro Modificado

1. Instale subsistema chuck-motor.
   1. 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.
   2. 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 estriado. Lubrificar o rolamento com fluidos de corte.
   3. Ligue o eixo estriado ao mandril por meio de uma placa de adaptação, que tem um eixo estriado de acoplamento de um lado e do padrão de parafuso do mandril, por outro lado. Neste ponto, o mandril é suportada pelo quadro através do rolamento de impulso e ligado ao motor através da placa de adaptador.
2. Instale o conjunto gymbal.
   1. Construir a estrutura de suporte usando struts U-canal, suportes, eparafusos. Use quatro struts longas como pilares, e utilizar três mais curtos como vigas transversais.
   2. Prenda os quatro pilares para a tabela de isolamento de vibração usando suportes e parafusos. Conecte o conjunto gymbal à travessa meio usando parafusos e porcas.
   3. Instalar uma célula de carga orientada a horizontalmente na montagem gymbal; rigidamente ligar um lado da célula de carga para a estrutura de montagem gymbal, quando se ligar o outro lado para o braço gymbal com um fio.
3. Monte o atuador piezoelétrico.
   1. Insira 3 em haste longa, totalmente-threaded através do furo da pilha piezoelétrico; colocar uma lavadora e uma porca em cada extremidade da pilha; deixar cerca de 1/8 de segmento em que sobressai da extremidade de uma porca.
   2. Apertar as porcas em ambas as extremidades para criar uma pré-carga na pilha. Ligue os longos, roscas expostas ao braço gymbal usando porcas e anilhas. Porca de bolota rosca na outra extremidade do disco piezo-actuador e inserção no mandril (esta porca bolotae disco são utilizados para fins de set-up, não para o teste).
   3. Ajustar a altura do conjunto gymbal de modo que a porca de bolota está em contacto com a parte superior do disco e o braço é gymbal nível.
   4. Ajustar a posição do conjunto gymbal de modo que o ponto de contacto entre a porca de bolota e o disco é cerca de 25 mm de distância do centro de rotação do disco. Aperte todos os parafusos no set-up para garantir a estabilidade.
4. Configure geração de sinal, amplificação de sinal, e os subsistemas de aquisição de dados.
   1. Conecte sistema de aquisição de dados para um computador do laboratório. Ligue a saída do gerador de sinal para a entrada de um amplificador eléctrico. Ligar a saída do amplificador de entrada com os fios de a pilha piezoeléctrica. Ligue os monitores amplificadores para o sistema de aquisição de dados.
   2. Conecte-se a célula de carga para um condicionador de sinal, e em seguida, conecte a saída do condicionador de sinal para o sistema de aquisição de dados.
5. Set-up adicional.
   1. Ligue a mangueira de ar do ar para fazer compras. Fixar a extremidade da mangueira para o quadro de tal modo que os seus pontos de saída do actuador piezo. Tape o ponta do termopar ao actuador piezo. Conecte os cabos de termopares para leitor; pendurar o leitor sobre o quadro.

2. Preparação de Pré-ensaio

1. Calibrar a velocidade de rotação do motor.
   1. Anexar íman para a borda do mandril. Lugar sonda de efeito Hall perto do chuck. Ligue a saída da sonda de efeito de Hall para gaussmeter que está ligado ao sistema de aquisição de dados.
   2. Abra o software de aquisição de dados e começar a aquisição de dados. Ligue o motor; gire o botão de velocidade do controlador do motor a 10 (a mais baixa velocidade de rotação do motor fornece). Depois que o motor gira em 10 rotações, desligue o motor. Termine de aquisição de dados.
   3. Analisar os dados guardados; o tempo entre dois picos do sinal de saída a partir do gaussmeter é o tempo para o motor a apodrecerComeram uma revolução completa.
   4. Rode o botão de 10 a 100 (a mais alta velocidade de rotação do motor fornece) em incrementos de 10; repita os passos 2.1.2 a 2.1.3.
2. Coloque almofada sensor de carga entre a porca de bolota e o disco para medir a força normal na interface. Máquina finamente superfície de discos de teste usando um torno mecânico.
3. Limpe a porca de bolota e do disco a ser testado imediatamente antes do teste.
   1. Colocar luvas de plástico e enfrentar mask.Prepare peças de toalhetes de laboratório; dobrá-los em 1 polegada quadrada. Spray de etanol sobre os quadrados de tecido; limpe a superfície da porca de bolota e disco com eles.
4. Instale a porca bolota limpo e disco.
   1. Passe a porca de bolota para o piezo-atuador, aperte-a com uma chave de boca. Insira o disco no mandril; ajustar a posição para assegurar que a ponta da porca de bolota está em contacto com a superfície do disco.
   2. Alinhar a superfície superior do disco e o braço gymbal. Aperte o mandril de modoque o disco é mantido firmemente.
5. Meça a excentricidade da rotação do disco.
   1. Instale sensor de deslocamento a laser em um dispositivo elétrico, e coloque a fixação junto à tribômetro. Ajustar a altura e o ângulo do sensor, de modo que o disco está dentro do alcance do sensor e o feixe de raios laser é perpendicular ao disco.
   2. Ligue a saída do sensor para o sistema de aquisição de dados. Iniciar a aquisição de dados. Ligue o motor e rode o disco de 10 rotações; desligar o motor. Termine de aquisição de dados.

3. Execute Testing

1. Testes com vibrações ultra-sônicas.
   1. Cair 2 N em peso de um gancho que se conecta ao braço gymbal através do fio e duas polias. O peso é utilizada para aplicar uma carga normal entre a porca de bolota e o disco.
   2. Pendurar outra peso 2 N no outro gancho que se conecta ao braço gymbal para fornecer uma pretensão horizontal para a célula de carga.
   3. Defina o sinalgerador para fornecer um sinal sinusoidal contínuo com DC offset, de 3 V, amplitude de 3 V, e frequência de 22 kHz (a frequência de ressonância do piezo-atuador). Note-se que o 3 V de deslocamento é utilizado para evitar a tensão no actuador piezo.
   4. Comece aquisição de dados (reduzida força de atrito). Ligue o amplificador e gire o botão de ganho para 15, o que corresponde a um ganho real de 4,67 (os números sobre o botão de ganho são arbitrários).
   5. Ligue o motor; definir a velocidade de rotação de 6,67 rpm, para proporcionar uma velocidade linear de 20,3 mm / seg. Executar o ensaio durante 4 h.
   6. Desligue o motor e amplificador, e, em seguida, parar a aquisição de dados. Remova a porca de bolota testado e disco a partir do set-up; Repita os passos 2.3 a 2.5 para instalar a nova porca de bolota e disco.
   7. Repita os passos 3.1.1 a 3.1.6. No passo 3.1.5, ajustar a velocidade de rotação de 13.3 rpm e 28,7 rpm para proporcionar velocidades lineares de 40,6 mm / s e 87 mm / s, respectivamente; executar os testes para 2 e 0,94 hr correspondingly.
2. Ensaios sem vibrações ultra-sônicas.
   1. Repita o passo 3.1.6 para mudar porcas de bolota e discos. Repita os passos 3.1.1 a 3.1.6 com o amplificador e gerador de sinal de sinal de desligado (o atrito é medido atrito intrínseco).

4. Medidas Optical profilômetro

1. Preparação de Medição
   1. Limpe os discos imediatamente antes de uma medição com o passo 2.3. Faça oito marcas distribuídas uniformemente ao redor da borda do disco. Abra o software profilometer.
   2. Elevar o cristalino, de modo que há uma folga suficiente entre a plataforma e lentes amostra. Nivelar a plataforma amostra. Coloque um pedaço de laboratório limpe na plataforma.
   3. Com cuidado, colocar a amostra no topo do tecido com uma das oito marcas voltados para a frente do perfilómetro.
2. Configurações de medição.
   1. Escolha VSI (Vertical-Scanning Interferometria) como o tipo de processamento. Selecione lente 5X paragrande campo de visão e forma global. Escolha 0.55X ampliação para uma área de digitalização de 1,8 mm por 2,4 mm.
   2. Escolha 1X velocidade de verificação. Definir faixa de varredura para -100 m para 100 m. Traga a lente para baixo em direcção a amostra até que haja uma imagem desfocada na tela. Ajuste a altura da lente até que a imagem é clara.
   3. Escolha 2 como o número de varrimentos para calcular a média para cada medição. Clique no botão de medição.
3. Procedimentos pós-medição.
   1. Use a receita visão que definido no software para corrigir a imagem crua para a inclinação de toda a amostra. Abrir a caixa de ferramentas de análise no software.
   2. Obter os valores de rugosidade medidos a partir do "Estatísticas Básicas" item. Obter a perda de volume medido da marca de desgaste dentro da área de digitalização a partir do item "Volume".
   3. Guardar as imagens dos perfis 1D em X e Y instruções, o perfil 2D, o perfil 3D, bem como a tabela de valores de rugosidade. Rode o amostra até the próxima marca voltada para a frente do profilometer.
4. Repita os passos de 4,2-4,3 para os restantes 7 marcas.
5. Repita os passos 4.1. para 4,4 em todos os seis discos.

Resultados

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 curso do pino for...

Discussão

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%).

As propri...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Motor DC	Minarik	Amplificador elétrico SL14
	AE Techron	LVC5050
Condicionador de sinal	Vishay Measurements	Group 2310
	Agilent	33120A
Pilha piezoelétrica	EDO corporation	EP200-62
Transdutor de célula de carga	Técnicas	MLP-50
Sensor pad	FlexiForce	A201
Medidor a laser	Keyence corporation	LK-G32
Sonda de efeito Hall e gaussímetro	Walker Scientific, Inc.	MG-4D
Módulo de aquisição de dados	Física de Dados	Quattro
Software de aquisição de dados	Física de Dados	SignalCalc Ace
Leitor de termopar	Omega	HH22
Profilômetro óptico	Bruker	Contour GT
Software de operação do perfilômetro	Bruker	Visão 64