圧電支援摩擦計と光プロフィルを用いた超音波潤滑の実験

要約

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.

要約

摩擦や摩耗が設計システムに有害です。 2摺動面間のインタフェースは音響範囲（20 kHzの）以上の周波数で振動されたときに超音波潤滑が達成されます。従来の潤滑剤が不可能または望ましくない場合に固体技術として、超音波潤滑を使用することができます。さらに、超音波潤滑が2摺動面間の効果的な摩擦係数の電気変調を可能にします。このプロパティは、動作条件の変化として、その摩擦状態と関連した動的応答を変更する適応システムを可能にします。表面の摩耗は、また、超音波潤滑によって低減することができます。私たちは、摩擦力低減の依存性を調査し、超音波で潤滑面との間の線形滑り速度の低下を着用するためのプロトコルを開発しました。ピンオンディスク摩擦計は、圧電スタック22にピンを振動させるために使用されるという点で商業的ユニットと異なる構築されました回転ディスク表面の法線キロヘルツ。 20.3、40.6、および87ミリメートル/秒：効果的な摩擦力、体積減少、および表面粗さなどの摩擦や摩耗メトリックはなく、かつ4 MPaの3つの異なる滑り速度へ1の一定の圧力で超音波振動を用いて測定されています。光学的プロフィルは、摩耗表面を特徴付けるために使用されます。効果的な摩擦力は、20.3 mm /秒で62％減少します。一貫して超音波潤滑のための既存の理論で、摩擦力の減少率（％）は、87ミリメートル/秒でダウン29％の摩擦力低減のために、速度を向上させると共に減少します。摩耗の減少は考え3速度で（49％）は、本質的に一定のままです。

概要

彼らはお互いにロールに対してスライド時や摩擦は2接触面の界面に存在します。摩擦は、通常、研磨剤または接着剤の摩耗に伴って起こる^。1超音波、高周波現象の背後にある科学である、すなわち、音響範囲（20キロヘルツ）以上の周波数で進行波です。超音波の分野は根本的に異なる二つの体制を包含する。一つのレジームは、医療用超音波や構造物の非破壊検査などの画像形成プロセスで利用されるもののような低強度の波を含みます。他の高エネルギー波は、例​​えば、プラスチックや金属の溶接などのエンジニアリングプロセスを実行または支援するために利用される高パワーレジームです。これは、滑り接触における2つの表面の界面における超音波振動の後者の種類のアプリケーションは、界面での効果的な摩擦力を低減することが示されています。この現象は、超音波潤滑として知られています。

達成するために2スライドのオブジェクト間の超音波の潤滑は、超音波周波数での相対的な振動は、それらの間に確立されなければなりません。振動は、典型的には、縦、横、または滑り速度に対して垂直方向のいずれか2つのオブジェクトのいずれかに適用されます。その先端が摩擦計の回転円板に垂直な方向に振動するように、この研究では、摩擦計のピンは、ピエゾアクチュエータが取り付けられています。圧電材料は、励起場と同じ周波数で振動し、電界に曝されたときに変形する「スマート」材料のクラスです。圧電材料は、よくMHzの範囲内の周波数で振動することができます。巨視的速度に重畳されて、超音波振動を併用して効果的な摩擦力及び表面摩耗の低減につながる瞬間摩擦力との間の接触面の方向を交互にする効果を有します。

超音波摩擦低減が実際の製造システムで実証されています。例えば、この技術は、金属加工や、穴あけ、押す、シート圧延、及び伸線などの形成プロセスにおける工具とワークピースとの間の力を減少させるために利用されています。利点は、改善された表面仕上げ^2、最終製品から潤滑剤を除去するために高価であり、環境に有害な洗剤の必要性の減少が含まれます。他の分野での超音波潤滑の潜在的な用途は、同様にあります。例えば、超音波潤滑は、実質的に潤滑剤又はコーティングの必要性を排除することによって、パーソナルヘルスケア製品におけるユーザー体験を向上させることができます。車両シートとレールとの間の摩擦低減が他の従来の成分とmechaniによって占有される空間及び質量を節約する、シートの動きを容易にする一方で、自動車用途では、摩擦調節は、ボールジョイントの性能を向上させることができSMS。超音波潤滑もパワートレインとサスペンションシステムで摩擦を低減することにより、燃費を向上させるのに役立つことができる。従来の潤滑剤を使用することができない宇宙用途^、3に、超音波潤滑摩耗を低減し、大幅に重要なコンポーネントの寿命を延長するために使用することができます。

超音波潤滑を通して摩擦低減の実験室でのデモは非常に多いです。摩擦低減が適用超音波振動と超音波潤滑摩擦力なしで測定された摩擦力との差として定量化されます。いずれの場合においても、摩擦力が直接力センサで測定されます。リットマンら^4-5力センサとフレームが摩擦力を測定し、通常の負荷を適用するために設置されたのスライダに圧電駆動アクチュエータを接続します。空気圧アクチュエータは、ガイドレールに沿ってアクチュエータとともに、スライダをプッシュするために使用されました。 UltrasoniC振動は、縦すべり速度の方向に適用しました。 BharadwajとDapino ^{6-7は、スタックの}両端に円錐状の導波路に接続された圧電スタックアクチュエータを用いて同様の実験を行いました。連絡先は、コーンの球状端部とガイドレールの表面との間に起こりました。このような接触剛性、通常の負荷、およびグローバル剛性などのシステムパラメータの影響を検討しました。クマーとハッチング^8は、超音波トランスデューサによって励起されたソノトロードのピンを設置しました。超音波振動が発生し、工具鋼の表面と接触するように配置されたピンに伝達されました。垂直力は、空気圧シリンダによって塗布し、ロードセルによって測定しました。ピンとディスクとの間の相対運動は、往復テーブルで作成されました。

PohlmanとLehfeldt ^9もピンオンディスク実験を実施しました。他の研究とは異なり、彼らはmagnetostrictを採用しました超音波振動を発生するようにIVEトランスデューサ。振動方向は、縦方向、横方向、および巨視的な速度に垂直になるように超音波摩擦低減のための最適な方向性を検討するために、変換器は、慎重に整列させました。彼らは、乾燥した潤滑面の両方に超音波摩擦低減を検討しました。ポポフら^10は、円錐状の導波路とのアクチュエータを利用しました。アクチュエータは回転するベースプレートと接触させて配置しました。様々な硬度を持つ9材料で作られたコーンは、超音波摩擦低減の材料硬度の影響を研究するために採用されました。ドンとDapino ^{11-13は、丸い}縁を有する角柱状の導波路に超音波振動を発生し、送信するために圧電変換器を使用していました。縦振動は、ポアソン効果による上下方向の振動が発生します。湾曲したトップとスライダーは、導波管の下と接触させて配置しました。フレームは接触界面での垂直力を適用するために建てられました。 T彼は、スライダは、導波路の中心領域の周囲に手動で引っ張りました。摩擦力がスライダに接続されたロードセルにより測定しました。

超音波によって誘発される摩耗の低減も調査し、実証されました。容積減少、体重減少、及び表面粗さの変化は、wear.Chowdhuryの重症度を定量化するために使用されるとHelali ^14は、ピンオンディスクセットアップで回転ディスクの振動しました。振動は、回転ディスクの下に位置する二つの平行板の支持構造体によって生成されました。天板、底板の上面に刻まれたスロットにスライドオフセンター底面に設置球状のボールを持っています。天板が回転中に垂直方向に移動するようにスロットを定期的に可変の深さで加工しました。周波数は、回転速度に応じて約100ヘルツの範囲でした。

ブライアント、ヨーク^{15〜16は、W}上のマイクロ振動の影響を研究し耳の削減。彼らは、紡績スチールディスクとコイルスプリングに接続されているもう一方の端に載置一端とホルダーを介してカーボン筒を挿入しました。振動のためのスペースがありませんでしたように、一つのケースでは、シリンダはぴったりホルダーに取り付けました。シリンダが回転ディスクと接触していた間に、他の例では、隙間は、シリンダの微小振動を可能にするために放置しました。シリンダーの重量損失は、摩耗率を計算するために測定されました。これは、自己生成微小振動は最大50％の摩耗を低減する助けたことが示されました。

後藤と芦田^17-18もピンオンディスク実験を採用しました。彼らは、テーパーコーンとホーンを経由して変換器を備えたピンのサンプルを接続します。ピンは、ディスク面に垂直な方向に振動します。質量は、通常の負荷を適用するため、その上に変換器に接続しました。摩擦力は、ディスクを回転させるために適用されたトルクから変換されました。摩耗は、両方のための接着剤として同定されましたピン及びディスクは炭素鋼で作られていました。摩耗率は、体積減少の測定値から計算しました。

これは、線速度が超音波潤滑に重要な役割を果たしていることが示されています。本研究の実験的構成要素は、線速度の摩擦と摩耗の減少の依存性に焦点を当てています。

プロトコル

変更された摩擦計の開発1。

1. チャック・モーター・サブシステムをインストールします。
   1. レベル防振テーブル。テーブルの上に、DCモータを配置します。シム付モータを水平にし、支柱とボルトで固定します。モーターの周りの支持フレームを配置します。
   2. キーを使用してモータ軸にスプラインシャフトを接続します。スプライン軸は、プレートの穴を通過してフレームに支持板を置きます。セットは、支持板上とスプライン軸を中心にニードルころ軸受スラスト。切削液とのベアリングに注油。
   3. スプライン片側の軸継手と反対側のチャックのボルトパターンを有するアダプタプレートを介して、チャックにスプラインシャフトを接続します。この時点で、チャックは、スラスト軸受を介してフレームに支持されており、アダプタプレートを介してモータに接続されています。
2. gymbalアセンブリを取り付けます。
   1. Uチャンネルストラット、ブラケットを使用して、支持フレームを構築し、ボルト。柱の4つの長いストラットを使用し、クロスビームとして3短いものを使用しています。
   2. ブラケットとボルトを使用して、防振テーブルに4つの柱を固定します。ボルトとナットを使用して中間クロスビームにgymbalアセンブリを接続します。
   3. gymbalアセンブリに横長のロードセルを取り付けます。ワイヤーでgymbalアームに反対側を接続している間堅く、gymbalアセンブリのフレームにロードセルの一方の側を接続します。
3. 圧電アクチュエータを組み立てます。
   1. 圧電スタックの穴を通って長い、完全にネジ棒3を挿入します。 1洗濯機とスタックの両端に1つずつのナットを入れて。 1ナットの端から突出したスレッドの約1/8を残します。
   2. スタック内のプリロードを作成するために、両端にナットを締めます。ナットとワッシャを使用してgymbalアームへの長い露出のスレッドを接続します。チャックでピエゾアクチュエータ、挿入ディスクのもう一方の端の上にスレッドドングリナット（このドングリナットディスク）をセット・アップの目的ではなく、試験のために使用されます。
   3. ドングリナットがディスクの上に接しているとgymbalアームが水平になるようにgymbalアセンブリの高さを調整します。
   4. ドングリナットとディスクとの間の接触点が離れてディスクの回転中心から約25mmになるようにgymbalアセンブリの位置を調整します。安定性を確保するために、セットアップ内のすべてのボルトを締めます。
4. 信号生成、信号増幅、及びデータ収集サブシステムをセットアップします。
   1. ラボのコンピュータにデータ収集システムを接続します。電気増幅器の入力に信号発生器の出力を接続します。圧電スタックの入力線でアンプ出力を接続します。データ収集システムにアンプのモニターを接続します。
   2. 信号調整にロードセルを接続し、データ収集システムに信号コンディショナの出力を接続してください。
5. 追加のセットアップ。
   1. 空気を店にエアーホースを接続します。その出口は、ピエゾアクチュエータを指していることを、このようなフレームにホースの端を固定します。ピエゾアクチュエータに熱電対の先端をテープで固定します。読者に熱電対のリード線を接続します。フレームにリーダーを掛けます。

2.試験前の準備

1. モータの回転速度を調整します。
   1. チャックのリムに磁石を取り付けます。チャックの近くに配置し、ホール効果プローブ。それがデータ収集システムに接続されてガウスメータするホール効果プローブの出力を接続します。
   2. データ収集ソフトを開いて、データ収集を開始します。モーターをオンにします。 10（モータが提供する最低の回転数）にモータコントローラのスピードノブを回します。モータは10回転の回転の後、モーターをオフにします。データ収集を終了します。
   3. 保存したデータを分析します。ガウスメーターからの出力信号の2つのピークの間の時間は、腐敗に対するモータのための時間です1回転を食べました。
   4. 10刻みで10〜100（最高回転速度、モータが提供）からノブを回して、繰り返しは、2.1.3に2.1.2を繰り返します。
2. ドングリナットとの界面に垂直力を測定するためのディスク間の負荷センサパッドを配置します。細かく機械旋盤を使用してテストディスクの表面。
3. 試験の直前にテストされるドングリナット、ディスクを清掃してください。
   1. プラスチック手袋の上に置き、ラボワイプのmask.Prepare片に直面しています。 1インチの正方形にそれらを折ります。組織の正方形にエタノールを噴霧。優しく彼らとドングリナットとディスクの表面を拭いてください。
4. クリーンドングリナット、ディスクをインストールします。
   1. オープンエンドレンチで締め、ピエゾアクチュエータにドングリナットを通します。チャックにディスクを挿入します。ドングリナットの先端がディスク表面に接触していることを確認するために位置を調整します。
   2. ディスクとgymbalアームの上面の位置を合わせます。そうチャックを締めディスクがしっかりと保持されます。
5. ディスクの回転の振れを測定します。
   1. 固定具にレーザー変位センサーをインストールし、摩擦計の隣に固定具を配置します。ディスクがセンサーの範囲内にあり、レーザー光がディスクに垂直になるように、センサの高さと角度を調整します。
   2. データ収集システムにセンサーの出力を接続します。データ収集を開始します。モーターの電源を入れて、10回転するディスクを回転させます。モーターをオフにします。データ収集を終了します。

3.テストを実行

1. 超音波振動を用いた試験。
   1. ワイヤと両プーリを介してgymbalアームに接続する1つのフックにハング2 N個の重量。重みはドングリナットとディスクとの間の垂直荷重を適用するために使用されます。
   2. ロードセルに水平予張力を提供するために、gymbalアームに接続されている他のフックに別の2 N個の重みを掛けます。
   3. 信号を設定します。DCとの連続的な正弦波信号を提供するために、発電機は、V 3の振幅、および22 kHzの（圧電アクチュエータの共振周波数）の周波数、3 Vのオフセット。オフセット3 Vはピエゾアクチュエータの張力を防ぐために使用されることに注意してください。
   4. データ集録（低減された摩擦力）を起動します。アンプの電源をオンにし、4.67の実際の利得（ゲインつまみの数字は任意である）に相当する15のゲインつまみを回します。
   5. モーターをオンにします。 20.3ミリメートル/秒の線速度を提供するために、6.67回転数に回転数を設定します。 4時間のテストを実行します。
   6. モータ・アンプの電源を切り、データ収集を停止します。セットアップからテストドングリナットとディスクを削除します。繰り返し新しいドングリナット、ディスクをインストールするには、2.5から2.3を繰り返します。
   7. 繰り返して、3.1.6に3.1.1を繰り返します。ステップ3.1.5では、それぞれ、40.6ミリメートル/秒と87ミリメートル/秒の線速度を提供するために、13.3 RPMと28.7のrpmに回転速度を設定します。 2および0.94時間のテストを実行しcorrespondingly。
2. 超音波振動のないテスト。
   1. ドングリナッツやディスクを変更する手順を繰り返し3.1.6。繰り返し（測定摩擦が固有の摩擦である）信号発生器と信号増幅器をオフにして3.1.6に3.1.1を繰り返します。

4.光学プロフィル測定

1. 測定準備
   1. ステップ2.3を使用して測定する直前にディスクを清掃してください。ディスクのリムの周りに8均等に分散マークを作成します。プロフィルソフトウェアを開きます。
   2. レンズと試料台との間に十分な隙間があるように、レンズを上げます。サンプルプラットフォームをレベルです。プラットフォームにワイプラボの作品を配置します。
   3. ゆっくりプロフィルの正面を向い8マークのいずれかの組織の上にサンプルを置きます。
2. 測定設定。
   1. 処理タイプとしてVSI（副走査干渉）を選択します。以下のための5倍のレンズを選択ビューと全体の形状の大規模なフィールド。 2.4ミリメートル1.8ミリのスキャン領域に対して0.55X倍率を選択してください。
   2. 1Xスキャン速度を選択してください。 -100メートルから100メートルにスキャン範囲を設定します。画面上のぼやけた画像があるまで、サンプルに向かって下方にレンズを持参してください。画像がクリアされるまで、レンズの高さを調整します。
   3. 測定毎に平均するスキャンの数として2を選択してください。測定ボタンをクリックします。
3. ポスト測定手順。
   1. サンプル全体の傾きの生画像を補正するために、ソフトウェアで定義されたビジョンのレシピを使用してください。ソフトウェアで解析ツールボックスを開きます。
   2. 「基本統計」の項目から測定粗さの値を取得します。 「音量」の項目から、スキャンエリア内の摩耗痕の測定した体積の損失を取得します。
   3. x、y方向に1次元プロファイルのイメージを保存し、2次元プロファイル、3D形状、ならびに粗さ値のテーブル。番目までのサンプルを時計回りに回しE次のマークは、プロフィルの前に直面しています。
4. 繰り返して、残り7マークのために4.2〜4.3を繰り返します。
5. 繰り返し4.1を繰り返します。すべての6つのディスクに4.4へ。

結果

ここに提示された代表測定値は、図1に示す変形摩擦計から得た。圧電アクチュエータ22キロヘルツの周波数で2.5ミクロンの振幅で振動を発生させます。摩擦の依存性を研究し、線速度の低下を着用するために、3つの異なる速度（20.3、40.6、および87ミリメートル/秒）は、モータの回転速度を変更することにより、ディスクに適用しました。すべての3つのグループの場合、ディス?...

ディスカッション

実験は、超音波、摩擦や摩耗の低減に線速度の影響を研究するためにこのプロトコルを使用して行きました。測定は、超音波振動を効果的に摩擦を低減し、3つの線形速度で着用することを示しています。前の観察と一致し、摩擦低減の量は、87ミリメートル/秒で29.3％に20.3ミリメートル/秒で62.2パーセントから減少。摩耗の減少は線速度（48.6パーセントに45.8パーセント）を変更するとごくわ...

資料

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