ניסויים בUltrasonic שימון שימוש Tribometer סייע-Piezoelectrically וProfilometer האופטי

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

חיכוך ושחיקה פוגע מערכות מהונדסות. שימון Ultrasonic מושגת כאשר הממשק בין שני משטחי החלקה הוא רטט בתדר מעל טווח אקוסטי (20 קילוהרץ). כטכנולוגיה של מצב מוצק, ניתן להשתמש בו סיכה קולית חומרי סיכה רגילות הן ישימות או לא רצויים. יתר על כן, שימון קולי מאפשר לאפנון חשמלי של מקדם החיכוך היעיל בין שני משטחי החלקה. מאפיין זה מאפשר למערכות אדפטיבית המשנות מדינת החיכוך שלהם ותגובה דינמית הקשורים כשינוי תנאי הפעלה. ללבוש פני השטח גם יכול להיות מופחת באמצעות סיכה קולית. פיתחנו פרוטוקול לחקור את התלות של הפחתת כוח חיכוך ושחיקת הפחתה במהירות החלקה ליניארי בין משטחים משומנים ultrasonically. Tribometer פינים על-דיסק נבנה שונה מיחידות מסחריות שבמחסנית פיזואלקטריים משמשת לרטוט הסיכה ב 22kHz הרגיל אל פני השטח הדיסק מסתובב. חיכוך ומדדים ללבוש כוללים כוח חיכוך יעיל, אובדן נפח, וחספוס פני השטח נמדדים בלי ועם תנודות קולי בלחץ מתמיד של 1 עד 4 MPa ושלוש מהירויות גלישה שונות: 20.3, 40.6, ו -87 מ"מ / sec. Profilometer אופטי מנוצל כדי לאפיין את משטחי הבלאי. כוח החיכוך האפקטיבי הוא מופחת על ידי 62% ב20.3 מ"מ / sec. באופן עקבי עם תאוריות קיימות לשימון קולי, הפחתת אחוז בכוח החיכוך פוחתת עם העלייה במהירות, עד 29% הפחתת כוח החיכוך בגיל 87 מ"מ / sec. הפחתת בלאי נשארת למעשה קבועה (49%) בשלוש מהירויות נחשבות.

Introduction

חיכוך קיים בממשק של שני משטחי פנייה כשהם להחליק או רול יחסית זה לזה. החיכוך מתרחש בדרך כלל יחד עם בלאי שוחק או דבק. ¹ אולטרסוניקה היא המדע שמאחורי תופעות תדר גבוהות, כלומר, גלים הנעים בתדרים מעל טווח אקוסטי (20 קילוהרץ). תחום אולטרסוניקה כולל שני משטרים שונים במהותו. משטר אחד כרוך גלים בעצימות נמוכים כמו אלה המשמשים בתהליכי הדמיה כגון אולטרסאונד הרפואי או בדיקה לא הרסנית של מבנים. האחרים הוא משטר מתח גבוה שבו גלי אנרגיה גבוהה משמשים לביצוע או לסייע בתהליכי הנדסה כגון ריתוך פלסטיק ומתכות. הוכח כי יישום של הסוג השני של תנודות קולי בממשק של שני משטחים במגע הזזה מפחיתה את כוח החיכוך היעיל בממשק. תופעה זו ידועה בשם שימון קולי.

להשיגשימון קולי בין שני אובייקטים זזים, רטט יחסי בתדרים קוליים יש לקבוע ביניהם. תנודות מיושמות בדרך כלל לאחת משני האובייקטים, או באורך, הרוחב, או הכיוון ניצבת ביחס למהירות הגלישה. במחקר זה, הסיכה של tribometer מצוידת בהינע פיזואלקטריים כך שהקצה שלה רוטט בכיוון מאונך לדיסק מסתובב של tribometer. חומרים פיזואלקטריים הם קבוצה של חומרים "חכמים" שלעוות בעת חשיפה לשדות חשמליים, רוטטת באותה התדירות כמו שדה העירור. חומרים פיזואלקטריים יכולים לרטוט בתדרים גם לטווח MHz. שגבי למהירות מקרוסקופית, יש תנודות קולי השפעה לסירוגין הכיוון של כוח החיכוך המיידי והמגע בין המשטחים, אשר בשילוב מוביל לירידה של כוח החיכוך ובלאי משטח היעיל.

הפחתת חיכוך Ultrasonic הודגמה במערכות ייצור מעשיות. לדוגמא, טכנולוגיה זו נוצלה כדי להפחית את הכוח בין הכלי וחתיכת עבודה בעיבוד מתכת ויצירת תהליכים כגון קידוח, לחיצה, גלגול גיליון, וציור תיל. יתרונות כוללים שיפור משטח גימור ² וצורך מופחת לחומרי ניקוי יקרים ומזיקים לסביבה כדי להסיר חומרי סיכה מהמוצר הסופי. ישנם יישומים פוטנציאליים של שימון קולי בתחומים אחרים גם כן. לדוגמא, שימון קולי יכול באופן משמעותי לשפר את חווית המשתמש במוצרי בריאות אישיות על ידי ביטול צורך חומרי סיכה או ציפוי. ביישומי רכב, אפנון חיכוך יכול לשפר את הביצועים של מפרקי כדור ואילו הפחתת חיכוך בין מושבי רכב ומסילות מאפשרת תנועת מושבים, חלל ומסת חיסכון שאחרת היה תפוסה על ידי רכיבים וmechani מסורתייםסמס. שימון קולי יכול גם לעזור כדי לשפר את יעילות דלק על ידי הפחתת חיכוך במערכות הינע והשעיה. ³ ביישומי חלל, שבו לא ניתן להשתמש בחומרי סיכה מסורתיות, שימון קולי יכול להיות מועסק על מנת להפחית באופן דרמטי ללבוש ולהאריך את חיי רכיבים קריטיים.

הפגנות מעבדה של הפחתת חיכוך באמצעות סיכה קולית הן רבות. הפחתת חיכוך היא לכמת כהפרש בין כוח החיכוך שנמדד ללא שימון קולי וכוח החיכוך עם תנודות קוליים מיושמות. בכל מקרה, כוח החיכוך נמדד ישירות עם חיישני כוח. ליטמן ואח '. ^4-5 מחובר מפעיל piezoelectrically מונע למחוון, שבו חיישן כוח ומסגרת הותקנו למדידת כוחות החיכוך ויישום עומסים נורמלים. מפעיל פנאומטי הועסק לדחוף את המחוון יחד עם המפעיל לאורך מעקה מדריך. Ultrasoniתנודות ג יושמו בכיוון אורך למהירות הגלישה. Bharadwaj וDapino ^6-7 ערכו ניסויים דומים באמצעות מפעיל ערימה פיזואלקטריים מחובר למוליך גל חרוטי בשני קצוות של המחסנית. מגעים התנהלו בין הקצוות כדוריים של קונוסים ופני השטח של מעקה המדריך. ההשפעות של פרמטרים מערכת כגון קשר נוקשות, עומס רגיל, וקשיחות הגלובלית נחקרו. קומאר וHutchings ⁸ מותקן סיכה על sonotrode שמופעל על ידי מתמר קולי. תנודות קוליות נוצרו ומועברות לפין, שהונח במגע עם משטח פלדת כלי. כוח נורמלי יושם על ידי צילינדרים פניאומטיים ונמדד על ידי תא עומס. התנועה היחסית בין הסיכה והדיסק נוצרה על ידי שולחן הדדיות.

Pohlman ו ^-9 Lehfeldt מיושמים גם ניסוי פינים על-דיסק. בניגוד למחקרים אחרים, הם מועסקים magnetostrictive מתמר ליצור תנודות קולית. כדי לחקור את הכיוון האופטימלי להפחתת חיכוך קולית, מתמר היה מיושר בזהירות כך שכיוון הרטט היה אורך, רוחב, ואנכי למהירות מקרוסקופית. הם למדו הפחתת חיכוך קולית על שני משטחים יבשים ומשומנים. פופוב et al. ¹⁰ מנוצל מפעיל עם גלבו חרוטי. המפעיל הושם במגע עם צלחת בסיס מסתובבת. קונוס עשוי תשעה חומרים עם קשיות שונות אומצו ללמוד את ההשפעה של קשיות מהותיות על הפחתת חיכוך קולית. דונג וDapino ^11-13 משמשים מתמר פיזואלקטריים לייצר ולהעביר תנודות קולי למוליך גל מנסרתי עם קצוות מעוגלים. רטט האורך גורם רטט אנכי בשל ההשפעה של פואסון. מחוון עם ראש מעוגל הושם ובמגע מוליך גל. מסגרת נבנתה ליישם כוחות נורמלים בממשק המגע. Tהוא המחוון נשלף באופן ידני באזור מרכז מוליך גל; כוח החיכוך נמדד על ידי תא עומס שהיה קשור למחוון.

הפחתת בלאי ultrasonically-induced נחקרה גם והפגינה. אובדן נפח, ירידה במשקל, וחספוס פני השטח שינויים מועסקים לכמת את חומרת wear.Chowdhury ו ^-14 Helali רטט דיסק מסתובב בהתקנת סיכה על-דיסק. התנודות נוצרו על ידי מבנה תמיכה של שני לוחות מקבילים ממוקמים מתחת לדיסק מסתובב. יש הצלחת העליונה כדור כדורי המותקן מחוץ למרכז על המשטח התחתון, אשר מחליק בחריץ שנחקק על פני השטח העליונים של הצלחת התחתונה. החריץ היה במכונה עם עומק מעת לעת משתנה כך שהצלחת העליונה נעה אנכית במהלך סיבוב. התדרים נעו סביב 100 הרץ בהתאם למהירות הסיבוב.

בראיינט ויורק ^15-16 בחנו את ההשפעה של מיקרו-תנודות בwהפחתת אוזן. הם הוכנסו גליל פחמן באמצעות בעל עם קצה אחד נח על דיסק פלדת ספינינג ואת הקצה השני מחובר לקפיץ סליל. במקרה אחד, הגליל היה מצויד צמוד בבעל כל כך שלא היה מקום לרעידות. במקרים אחרים, קרחות עזבו כדי לאפשר מיקרו-תנודות של הגליל תוך הגליל היה במגע עם הדיסק מסתובב. הירידה במשקל של הגליל נמדדה כדי לחשב את השיעור ללבוש. זה היה הראה כי מיקרו-התנודות העצמית שנוצר סייעו להפחית בלאי בשיעור של עד 50%.

גוטו וAshida ^17-18 אימצו גם ניסוי פינים על-דיסק. הם מחוברים דגימות סיכה עם מתמר באמצעות חרוט מחודד וצופר. סיכת רטט בכיוון מאונך למשטח הדיסק. מסה הייתה קשורה למתמר על גבי להחלת עומסים נורמלים. כוחות החיכוך תורגמו מהמומנט שיושם כדי לסובב את הדיסק. תלבש זוהה כדבק כי שניהםסיכה ודיסק היו עשויים מפלדת פחמן. שיעורים תלבש חושבו מתוך מדידות אובדן נפח.

הוכח שמהירות ליניארי ממלאת תפקיד חשוב בויסות קולית. הרכיב הניסיוני של מחקר זה מתמקד בתלות של הפחתת חיכוך ובלאי במהירות ליניארי.

Protocol

1. פיתוח של Tribometer השתנה

1. התקן המשנה צ'אק-מוטורי.
   1. שולחן בידוד רעידות רמה. הנח מנוע DC על השולחן; הרמה המוטורית עם shims ולתקן את זה עם תמוכות וברגים. הנח מסגרת תמיכה סביב המנוע.
   2. חבר פיר splined לציר המנוע באמצעות מפתח. שים צלחת תמיכה במסגרת עם פיר splined הולך דרך החור בצלחת. סט דחף מחט רולים על צלחת התמיכה וסביב פיר splined. לשמן את הנושא עם חיתוך נוזלים.
   3. חבר את מוט splined לצ'אק דרך צלחת מתאם, שבו יש צימוד splined פיר בצד אחד ודפוס הבורג של צ'אק בצד השני. בשלב זה, צ'אק נתמך על ידי המסגרת דרך נושאת הדחף ומחובר לרכב באמצעות צלחת המתאם.
2. התקן את מכלול gymbal.
   1. לבנות את מסגרת התמיכה באמצעות תמוכות U-ערוץ, בסוגריים, וברגים. השתמש בארבע תמוכות עוד עמודים, ולהשתמש בשלושה אלה קצרים יותר כקורות צולבות.
   2. אבטח את ארבעת עמודים לשולחן בידוד רעידות באמצעות סוגריים וברגים. חבר את ההרכבה gymbal לקורת האמצע באמצעות ברגים ואומים.
   3. התקן תא עומס אופקי מונחה בהרכבת gymbal; נוקשות להתחבר צד אחד של תא העומס למסגרת של ההרכבה gymbal, תוך חיבור הצד השני לזרוע gymbal עם חוט.
3. להרכיב את המפעיל פיזואלקטריים.
   1. הכנס 3 במוט ארוך, באופן מלא ההליכים דרך החור של הערימה פיזואלקטריים; לשים מכונת כביסה אחת ואגוז אחד בכל קצה של הערימה; להשאיר על 1/8 בחוט הבולט מסוף האגוז אחד.
   2. להדק את האגוזים בשני הקצוות כדי ליצור preload בערימה. חבר את החוטים הארוכים, נחשפו לזרוע gymbal באמצעות אגוזים ומכונה כביסה. אגוז בלוט חוט על הקצה השני של דיסק פייזו מפעיל ולהוסיף בצ'אק (אגוז בלוט זהודיסק המשמש למטרות הגדרה, לא לבדיקה).
   3. התאם את הגובה של ההרכבה gymbal כך שאגוז הבלוט הוא במגע עם החלק העליון של הדיסק וזרוע gymbal היא רמה.
   4. להתאים את המיקום של ההרכבה gymbal כך שנקודת המגע בין אגוז הבלוט והדיסק היא כ -25 מ"מ ממרכז הסיבוב של הדיסק. להדק את כל הברגים בסט-אפ כדי להבטיח יציבות.
4. הקים דור אות, הגברה אות, ותת-מערכות איסוף נתונים.
   1. חבר מערכת רכישת נתונים למחשב במעבדה. חבר את הפלט של מחולל אותות לכניסה של מגבר חשמלי. חבר את תפוקת המגבר עם חוטי הקלט של מחסנית פיזואלקטריים. חבר את צגי מגבר למערכת רכישת נתונים.
   2. חבר את תא העומס למזגן אות, ולאחר מכן חבר את הפלט של מזגן האות למערכת רכישת נתונים.
5. הגדרה נוסף.
   1. חבר צינור אוויר לחנות אוויר. תקן את קצה הצינור למסגרת כזו שנקודות היציאה שלה בפייזו המפעיל. הדבק את קצה התרמי לפייזו המפעיל. חבר את המוביל התרמי לקורא; לתלות את הקורא על המסגרת.

הכנת 2. טרום-מבחן

1. כייל את מהירות הסיבוב של המנוע.
   1. צרף מגנט לשפה של צ'אק. מקום בדיקה הול-השפעה קרובה לצ'אק. חבר את הפלט של חללית הול-ההשפעה לgaussmeter שמחובר למערכת רכישת נתונים.
   2. פתח את תוכנת רכישת נתונים ולהתחיל רכישת נתונים. הפעל את המנוע; סובב את כפתור המהירות של בקר מנוע עד 10 (מהירות הסיבוב הנמוכה ביותר המנוע מספק). לאחר המנוע מסתובב במשך 10 סיבובים, לכבות את המנוע. בסופו של רכישת נתונים.
   3. לנתח את הנתונים שנשמרו; הזמן בין שתי פסגות של אות הפלט מgaussmeter הוא הזמן למנוע להירקבאכלתי מהפכה אחת מלאה.
   4. סובב את הכפתור 10-100 (המהירות הגבוהה ביותר הסיבובית המנוע מספק) במרווחים של 10; חזור על שלבים 2.1.2 ל2.1.3.
2. הנח כרית חיישן עומס בין אגוז הבלוט ואת הדיסק כדי למדוד את הכוח הנורמלי בממשק. דק מכונה פני השטח של דיסקי בדיקות באמצעות מחרטה.
3. נקו את אגוז הבלוט והדיסק להיבדק מייד לפני הבדיקה.
   1. שים כפפות פלסטיק ולהתמודד חתיכות של מעבדה מגבוני mask.Prepare; לקפל אותם לריבועי 1 אינץ '. ריסוס אתנול על ריבועי רקמות; לנגב בעדינות את פני השטח של אגוז הבלוט ודיסק עימם.
4. התקן את אגוז הבלוט הנקי ודיסק.
   1. נושא אגוז הבלוט על פייזו המפעיל, להדק אותו עם מפתח ברגים לפתוח סוף. הכנס את הדיסק בצ'אק; להתאים את המיקום לוודא את הקצה של אגוז הבלוט הוא במגע עם פני השטח הדיסק.
   2. יישר את המשטח העליון של הדיסק וזרוע gymbal. הדק את צ'אק כךשהתקליטור שנערך בתקיפות.
5. מדוד את runout של סיבוב הדיסק.
   1. התקן חיישן תזוזת לייזר במתקן, ולמקם את המתקן בסמוך לtribometer. התאם את הגובה וזווית של החיישן כך שהדיסק נמצא בטווח של החיישן וקרן הלייזר היא נורמלית לדיסק.
   2. חבר הפלט של החיישן למערכת רכישת נתונים. התחל רכישת נתונים. הפעל את המנוע ולסובב את הדיסק למהפכות 10; לכבות את המנוע. בסופו של רכישת נתונים.

3. לבצע בדיקות

1. בדיקות עם תנודות קוליים.
   1. משקל Hang 2 N על וו אחד שמתחבר לזרוע gymbal דרך חוט ושתי גלגלות. המשקל משמש כדי להחיל עומס נורמלי בין אגוז הבלוט ואת הדיסק.
   2. לתלות עוד משקל 2 N על הקרס האחר המתחבר לזרוע gymbal לספק יומרה אופקית לתא העומס.
   3. הגדר את האותגנרטור לספק אות סינוסי רציפה עם DC קיזוז של 3 V, המשרעת של 3 V, ותדירות של 22 קילוהרץ (תדר התהודה של פייזו המפעיל). שים לב ש3 V קיזוז משמש למניעת מתיחות בפייזו המפעיל.
   4. התחל רכישת נתונים (כוח חיכוך מופחת). הפעל את המגבר וסובב את כפתור הרווח עד 15, אשר תואם את הרווח בפועל של 4.67 (המספרים על ידית הרווח הם שרירותיים).
   5. הפעל את המנוע; להגדיר את מהירות סיבוב ל6.67 סל"ד לספק מהירות ליניארית של 20.3 מ"מ / sec. הפעל את הבדיקה במשך 4 שעות.
   6. כבה את המנוע ומגבר, ולאחר מכן להפסיק את רכישת נתונים. הסר את האגוז נבדק בלוט ודיסק מהסט-אפ; חזור על שלבים 2.3-2.5 להתקין אגוז בלוט חדש ודיסק.
   7. חזור על שלבים 3.1.1 ל3.1.6. בשלב 3.1.5, להגדיר את מהירות סיבוב 13.3 סל"ד וסל"ד 28.7 לספק מהירויות יניארי של 40.6 מ"מ / sec ו -87 מ"מ / sec, בהתאמה; להפעיל את המבחנים לcorresp 2 ו0.94 שעותondingly.
2. בדיקות ללא תנודות קוליים.
   1. חזור על שלב 3.1.6 לשנות אגוזים ודיסקי בלוט. חזור על השלבים 3.1.1 ל3.1.6 עם מחולל אותות ואות המגבר מ( החיכוך שנמדד הוא חיכוך פנימי).

4. מדידות אופטיות Profilometer

1. הכנת מדידה
   1. נקה את הדיסקים מייד לפני מדידות באמצעות צעד 2.3. הפוך שמונה סימנים מופצים באופן שווה סביב השפה של הדיסק. פתח את תוכנת profilometer.
   2. להעלות את העדשה, כך שיש אישור מספיק בין פלטפורמת העדשה ומדגם. רמת פלטפורמת המדגם. מניחים פיסת המעבדה למחות על הפלטפורמה.
   3. מניח בעדינות את המדגם על גבי הרקמה עם אחד משמונת הסימנים פונים לחזית profilometer.
2. הגדרות מדידה.
   1. בחר VSI (אנכית-הסריקה Interferometry) כסוג העיבוד. בחר עדשת 5X לשדה גדול של תצוגה וצורה כללית. בחר 0.55X הגדלה לאזור סריקה של 1.8 מ"מ ב- 2.4 מ"מ.
   2. בחר את מהירות סריקת 1X. הגדר את טווח סריקה ל -100 מ 'ל -100 מ'. להביא את העדשה כלפי מטה לכיוון המדגם עד שתמונה מטושטשת על המסך. התאם את הגובה של העדשה עד התמונה ברורה.
   3. בחר 2 כמספר סריקות לממוצע לכל מדידה. לחץ על לחצן המדידה.
3. נהלים לאחר מדידה.
   1. השתמש במתכון החזון שהוגדר בתוכנה כדי לתקן את תמונת הגלם להטיה של כל המדגם. פתח את ארגז הכלים הניתוח בתוכנה.
   2. השג את ערכי חספוס נמדדו מסעיף "יסוד סטטיסטיקה". השג את אובדן הנפח נמדד של הצלקת ללבוש בתוך אזור הסריקה מהסעיף "הנפח".
   3. שמור את התמונות של פרופילי 1D בכיוונים x ו- y, פרופיל 2D, 3D הפרופיל, כמו גם השולחן של ערכי חספוס. הפעל השעון המדגם עד ההסימן הבא דואר פרצופים מול profilometer.
4. חזור על שלבים 4.2-4.3 ל7 סימנים שנותרו.
5. חזור על שלבים 4.1. 4.4 בכל ששת הדיסקים.

תוצאות

מדידות הנציג המוצגות כאן התקבלו מtribometer שונה מוצג באיור 1. המפעיל פיזואלקטריים מייצר ויברציות עם משרעת של 2.5 מיקרומטר בתדירות של 22 קילוהרץ. כדי לחקור את התלות של חיכוך ושחיקת הפחתה במהירות ליניארי, שלוש מהירויות שונות (20.3, 40.6, ו -87 מ"מ / sec) הוחלו על הדיסק על יד?...

Discussion

ניסויים שנערכו תוך שימוש בפרוטוקול זה כדי לחקור את ההשפעה של מהירות ליניארי על חיכוך קולי והפחתת בלאי. המדידות מראות כי תנודות קולי ביעילות להפחית חיכוך ושחיקה בשלוש מהירויות ליניארי. עולה בקנה אחד עם תצפיות מוקדמות, הסכום של הפחתת חיכוך יורד מ62.2% ב20.3 מ"מ / שנייה ל29...

Materials

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