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

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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.

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.

Protocolo

1. Desarrollo de la Tribómetro Modificado

1. Instale subsistema chuck-motor.
   1. 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.
   2. 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 de soporte y alrededor del eje estriado. Lubrique el cojinete con fluidos de corte.
   3. Conectar el eje estriado al mandril a través de una placa adaptadora, que tiene un acoplamiento de eje ranurado en un lado y patrón de pernos de la pinza de sujeción en el otro lado. En este punto, el mandril es soportado por el bastidor a través del cojinete de empuje y conectado al motor a través de la placa adaptadora.
2. Instale el conjunto gymbal.
   1. Construir el marco de soporte utilizando puntales U-canales, soportes ypernos. Utilice cuatro puntales largos como pilares, y utilizar tres más cortas como vigas transversales.
   2. Asegure los cuatro pilares de la tabla de aislamiento de vibraciones utilizando soportes y tornillos. Conecte el conjunto gymbal a la viga transversal media usando pernos y tuercas.
   3. Instalar una célula de carga orientado horizontalmente en la asamblea gymbal; conectar rígidamente un lado de la célula de carga al bastidor del conjunto de gymbal, mientras se conecta el otro lado al brazo gymbal con un alambre.
3. Montar el actuador piezoeléctrico.
   1. Inserte 3 en barra larga, totalmente roscado a través del agujero de la pila piezoeléctrica; poner una arandela y una tuerca en cada extremo de la pila; dejar alrededor de 1/8 de la rosca en la que sobresale del extremo de una tuerca.
   2. Apretar las tuercas en ambos extremos para crear una precarga en la pila. Conecte los largos y roscas expuestas al brazo gymbal utilizando tuercas y arandelas. Tuerca ciega hilo en el otro extremo del disco piezo-actuador y de inserción en el mandril (esta tuerca ciegay el disco se utilizan para fines de configuración, no para la prueba).
   3. Ajuste la altura del conjunto gymbal manera que la tuerca de bellota está en contacto con la parte superior del disco y el brazo gymbal está nivelada.
   4. Ajustar la posición del conjunto de gymbal de modo que el punto de contacto entre la tuerca ciega y el disco es de aproximadamente 25 mm de distancia del centro de rotación del disco. Apriete todos los pernos en la puesta a punto para asegurar la estabilidad.
4. Configure la generación de la señal, la amplificación de la señal, y subsistemas de adquisición de datos.
   1. Conecte el sistema de adquisición de datos a un ordenador de laboratorio. Conecte la salida del generador de señal a la entrada de un amplificador eléctrico. Conecte la salida del amplificador con los cables de entrada de la pila piezoeléctrica. Conectar los monitores amplificador al sistema de adquisición de datos.
   2. Conecte la célula de carga a un acondicionador de señal, y luego conectar la salida del acondicionador de señal al sistema de adquisición de datos.
5. Adicional puesta a punto.
   1. Conecte la manguera de aire a darse aire. Fijar el extremo de la manguera en el bastidor de tal manera que sus puntos de salida en el actuador piezoeléctrico. Pegue la punta del termopar al actuador piezoeléctrico. Conecte los conductores del termopar a lector; colgar el lector en el marco.

Preparación 2. Pre-test

1. Calibre la velocidad de rotación del motor.
   1. Adjuntar imán hasta el borde del plato. Lugar de efecto Hall sonda cerca de la tirada. Conectar la salida de la sonda de efecto Hall para gaussmeter que está conectado al sistema de adquisición de datos.
   2. Abra el software de adquisición de datos y comenzar la adquisición de datos. Encienda el motor; gire la perilla de velocidad del controlador del motor a 10 (la velocidad de rotación más bajo del motor proporciona). Después de que el motor gira a 10 revoluciones, apague el motor. Fin de adquisición de datos.
   3. Analizar los datos guardados; el tiempo entre dos picos de la señal de salida del gaussmeter es el momento de que el motor se pudracomió una vuelta completa.
   4. Gire la perilla de 10 a 100 (la más alta velocidad de rotación del motor proporciona) en incrementos de 10; repita los pasos 2.1.2 al 2.1.3.
2. Coloque la almohadilla de sensor de carga entre la tuerca ciega y el disco para medir la fuerza normal en la interfase. Máquina finamente la superficie de los discos de prueba utilizando un torno.
3. Limpie la tuerca de bellota y el disco a ensayar inmediatamente antes de la prueba.
   1. Póngase los guantes de plástico y la cara mask.Prepare pedazos de trapos de laboratorio; doblarlas en cuadrados de 1 pulgada. Pulverizar etanol sobre los cuadrados de tejidos; limpie suavemente la superficie de la tuerca de la bellota y el disco con ellos.
4. Instale la tuerca de bellota limpia y disco.
   1. Enrosque la tuerca de bellota en el actuador piezoeléctrico, apretarlo con una llave de boca. Inserte el disco en el plato; ajustar la posición para asegurarse de que la punta de la tuerca ciega está en contacto con la superficie del disco.
   2. Alinear la superficie superior del disco y el brazo gymbal. Apriete el mandril de modode que el disco se mantiene firmemente.
5. Mida el descentramiento de la rotación del disco.
   1. Instale sensor de desplazamiento láser en un accesorio, y colocar el aparato al lado de la tribómetro. Ajustar la altura y el ángulo del sensor de modo que el disco está dentro del alcance del sensor y el rayo láser es normal al disco.
   2. Conectar la salida del sensor para el sistema de adquisición de datos. Inicie la adquisición de datos. Encienda el motor y girar el disco hasta 10 revoluciones; apagar el motor. Fin de adquisición de datos.

3. Realizar pruebas

1. Las pruebas con vibraciones ultrasónicas.
   1. Peso Cuelgue 2 N en un gancho que se conecta al brazo gymbal a través del alambre y dos poleas. El peso se usa para aplicar una carga normal entre la tuerca ciega y el disco.
   2. Colgar otro peso 2 N en el otro gancho que se conecta al brazo gymbal para proporcionar una pretensión horizontal a la celda de carga.
   3. Ajuste la señalgenerador para proporcionar una señal sinusoidal continua con desplazamiento de CC de 3 V, amplitud de 3 V, y la frecuencia de 22 kHz (la frecuencia de resonancia del actuador piezoeléctrico). Tenga en cuenta que el desplazamiento de 3 V se usa para prevenir la tensión en el actuador piezoeléctrico.
   4. Iniciar la adquisición de datos (reducida fuerza de fricción). Encienda el amplificador y gire el control de ganancia de 15, que corresponde a un aumento real de 4,67 (los números en el control de ganancia son arbitrarias).
   5. Encienda el motor; ajustar la velocidad de rotación a 6,67 rpm para proporcionar una velocidad lineal de 20,3 mm / seg. Ejecute la prueba durante 4 horas.
   6. Apague el motor y el amplificador, y luego detener la adquisición de datos. Retire la tuerca de bellota probado y disco de la puesta a punto; Repita los pasos 2.3 a 2.5 para instalar nueva tuerca de bellota y el disco.
   7. Repita los pasos 3.1.1 al 3.1.6. En el paso 3.1.5, ajuste la velocidad de giro de 13,3 rpm y 28,7 rpm para proporcionar velocidades lineales de 40,6 mm / seg y 87 mm / s, respectivamente; ejecutar las pruebas para corresp 2 y 0,94 hondingly.
2. Ensayos sin vibraciones ultrasónicas.
   1. Repita el paso 3.1.6 para cambiar tuercas ciegas y discos. Repita los pasos 3.1.1 a 3.1.6 con el amplificador de generador de señales y la señal de apagado (la fricción medido es la fricción intrínseca).

4. Medidas perfilómetro óptico

1. Preparación Medición
   1. Limpie los discos inmediatamente antes de las mediciones con el paso 2.3. Hacer ocho marcas distribuidas uniformemente alrededor del borde del disco. Abra el software perfilómetro.
   2. Elevar la lente de manera que haya suficiente espacio entre la plataforma de la lente y de la muestra. Nivelar la plataforma de muestra. Coloque un pedazo de laboratorio de limpiar en la plataforma.
   3. Colocar suavemente la muestra en la parte superior del tejido con una de las ocho marcas que enfrenta la parte delantera del perfilómetro.
2. Configuración de mediciones.
   1. Elija VSI (Vertical Escaneado Interferometría) como el tipo de procesamiento. Seleccione lente 5X paragran campo de visión y la forma general. Escoja 0.55X de aumento para un área de barrido de 1,8 mm por 2,4 mm.
   2. Elija 1X velocidad de exploración. Establecer rango de exploración a -100 m hasta 100 m. Llevar la lente hacia abajo, hacia la muestra hasta que haya una imagen borrosa en la pantalla. Ajuste la altura de la lente hasta que la imagen es clara.
   3. Elija 2 como el número de exploraciones a la media para cada medición. Haga clic en el botón de medición.
3. Procedimientos posteriores a la medición.
   1. Utilice la receta de visión que se define en el software para corregir la imagen prima para la inclinación de toda la muestra. Abra la caja de herramientas de análisis en el software.
   2. Obtener los valores de rugosidad medidos desde el elemento "Basic Estadísticas". Obtener la pérdida de volumen medido de la marca de desgaste en el área de exploración del concepto de "volumen".
   3. Guarde las imágenes de los perfiles de 1D en direcciones x e y, el perfil 2D, el perfil 3D, así como la tabla de valores de rugosidad. Gire la muestra hacia la derecha hasta ªe siguiente marca se enfrenta a la parte delantera del perfilómetro.
4. Repita los pasos 4.2 a 4.3 para los 7 puntos restantes.
5. Repita los pasos 4.1. a 4,4 en los seis discos.

Resultados

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...

Discusión

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%...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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