F¨or att unders¨oka egenskaperna hos en yta finns flera verktyg f¨or b˚ade ytstruktur, kemisk sammans¨attning och h˚ardhet. Dessa ¨ar speciellt anv¨andbara f¨or att ta reda p˚a vilka n¨otningsmekanismer som skett och hur dessa har p˚averkat ytan.
Ett svepelektronmikroskop anv¨ander en tunn elektronstr˚ale som den sveper ¨over provytan och sedan detekterar de elektroner som sprids bak˚at ut ur den bestr˚alade ytan. Utifr˚an hur elektronerna reflekteras mot ytan kan man sedan g¨ora en avbildning av provet med ett mycket stort sk¨arpedjup. [23] N¨ar sve-pelektronmikroskopet anv¨ands placeras bitarna i en f¨orseglad vakuumkammare och all luft sugs ur f¨or att det inte skall finnas n˚agra luftmolekyler kvar att interagera med elektronerna. F¨or detta examens-arbete anv¨andes det svepelektronmikroskop av typ: JEOL JSM-6460VL som finns p˚a avdelningen f¨or materialteknik p˚a Lule˚a Tekniska Universitet.
Kapitel 4
Nul¨agesanalys
F¨or att kunna f¨orb¨attra n¨otningsbest¨andighet och livsl¨angd m˚aste man f¨orst f¨orst˚a hur dagens kompo-nenter n¨ots ut. En FEM-analys utf¨ors f¨or att uppskatta vilken typ av ytkontakt som kan r˚ada under drift och sedan g¨ors ett f¨ors¨oka ˚aterskapa verkliga driftf¨orh˚allanden i ett n¨otningsprov. Redan utslitna kompo-nenter unders¨oks i svepelektronmikroskop och n¨otningsskadorna j¨amf¨ors med de fr˚an n¨otningsprovet. N¨ar de n¨otningsmekanismer som verkar har identifierats s˚a kan man enklare f¨oresl˚a ˚atg¨arder p˚a f¨orb¨attring.
4.1 Ber¨akning av kontakttryck
Ett f¨orsta steg ¨ar att ber¨akna olika t¨ankbara spel mellan komponenterna, det vill s¨aga skillnad mellan bussningens innerdiameter och mejselns ytterdiameter. P˚a ritningarna f¨or bussning och mejsel uppges att bussningens ytterradie ¨ar 65 mm med toleransen H11 vilket inneb¨ar (+0,+0.19 mm) och mejseln ¨ar 65 mm (-0.4,-0.65 mm). I CAD modellen ¨ar delarna m˚attsatta: Bussning 65.1 mm och Mejsel 64.5 mm.
∅ Bussning = 65.1 mm max 65.19 mm min 65.0 mm ∅ Mejsel = 64.5 mm max 64.6 mm min 64.35 mm
Det genomsnittliga spelet mellan komponenterna ¨ar s˚aledes: 65.1 − 64.5 = 0.6 mm, det minimala spelet: 65.0 − 64.6 = 0.4 mm och det maximala spelet: 65.19 − 64.35 = 0.84 mm. Allt eftersom delarna n¨ots ut ¨okar spelet. Enligt Atlas Copco’s egna erfarenheter b¨or delarna bytas ut n¨ar spelet uppg˚ar till 3 mm.
En rad olika FEM-ber¨akningar utf¨ordes med mejsel, bussning och hammarkropp s˚a som beskrivet i metod-avsnittet. Olika elementstorlekar och spel pr¨ovades. Efter att ha provat de olika elementtyperna CTETRA(4) och CTETRA(10) gick det att konstatera att CTETRA(10) tog mycket l¨angre tid att ber¨akna men gav mer konsekventa och rimliga svar. CTETRA(10) ¨ar d¨arf¨or den elementtyp som anv¨ants genomg˚aende f¨or mejsel och bussning d¨ar det ¨ar h¨oga krav p˚a precision medans CTETRA(4) anv¨ants f¨or hammarkroppen. Ett exempel p˚a hur en f¨ardig FEM analys ser ut visas i figur 4.1.
Figur 4.1: Resultat av FEM analys f¨or kontakttryck
Elementstorlekarna valdes s˚a sm˚a som m¨ojligt f¨or b¨asta resultat. Den minsta fungerande elementstro-leken var 5 mm, ett f¨ors¨ok gjordes med 3 och 4 mm element men NX Nastran misslyckades i dessa fall att producera resultat. Elementstorlekar 8 mm eller st¨orre gav orimliga och inkonsekventa svar och anv¨andes d¨arf¨or inte. Inom intervallet 5 till 7 mm s˚a ber¨aknades kontakttrycket f¨or normalstort spel, se tabell 4.1. I tidigare tester som utf¨orts p˚a Atlas Copco f¨or SB 452 s˚a fann man att trycket i bakdelen var ungef¨ar 1/3 av trycket p˚a framsidan vilket verkar st¨amma ganska v¨al ¨aven i detta fall.
Tabell 4.1: Tabell ¨over ber¨aknade kontakttryck i GPa
Elementstorlek: (mm) 7 6.5 6 5.5 5
Maxtryck: (GPa) 2.20 X 2.98 3.36 3.44
Kontakttrycken plottas som funktion av de olika elementstorlekarna f¨or att illustrera trender i resul-taten. Det framg˚ar av grafen att maxtrycket verkar konvergera mot ca 3.5 GPa, se figur 4.2.
Figur 4.2: Kontakttryck som funktion av elementstorlek
Kontaktytan var mycket liten f¨or samtliga FEM-analyser b˚ade p˚a bussningens fr¨amre och bakre del. Mindre elementstorlek verkar ge h¨ogre lokala kontakttryck. Spelet mellan komponenterna verkar ¨aven inverka p˚a kontaktarean. Ett mindre spel ger st¨orre area och d¨armed l¨agre tryck medan ett st¨orre spel ger mindre area och h¨ogre tryck, se figur 4.3.
Figur 4.3: Kontakttryck som funktion av diametralt spel
I FEM-analysen erh¨olls h¨ogre tryck med ett st¨orre diametralt spel. Det ¨ar rimligt om b˚ade bussning och mejsel beh˚aller sin ursprungliga form eftersom konformiteten mellan ytorna blir mindre och ger en mindre kontaktyta. Avst˚andet mellan ytorna justerades i CAD-modellen genom att hela ytan fick en viss offset och den ursprungliga formen bevarades d¨armed.
I verkligheten kommer dock inte ytan n¨otas ut lika mycket ¨overallt utan n¨otningen kommer endast ske i kontaktytan d˚a mejseln inte roterar inuti bussningen. Det kommer allts˚a bli en mer oval form p˚a mejselns n¨otta sida vilket ist¨allet resulterar i att kontaktytan blir st¨orre och trycket borde d˚a bli l¨agre.
successivt allteftersom delarna slits ut. Hela hydraulhammaren var d˚a monterad p˚a en basmaskin och mejseln slogs kontinuerligt mot en st˚alplatta. Figur 4.4 visar n¨otningen p˚a mejseln efter olika tider.
Figur 4.4: Mejsel fr˚an tidigare n¨otningstest efter a) 0,5 timmar b) 1,5 timmar c) 2,5 timmar [24] FEM-analysen borde allts˚a st¨amma som b¨ast n¨ar varken mejsel eller bussning ¨ar n¨otta och deras form fortfarande ¨ar helt rund. Om man granskar tryckf¨ordelningen i kontaktytan f¨or detta fall finner man att endast n˚agon enstaka nod ligger kring maxtrycket 3.44 GPa medan de ¨ovriga noderna verkar ligga mellan 1.5 och 2.0 GPa, se figur 4.5. Vidare s˚a ¨ar maxtrycket l¨agre p˚a mejseln ¨an p˚a bussningen. I verkligheten m˚aste naturligtvis trycket vara lika h¨ogt p˚a b˚ada sidor vilket antyder att det finns en viss felmarginal i FEM-ber¨akningen. Dock skulle en rimlig uppskattning vara att kontakttrycket ligger mellan 1.5 och 2 GPa, eventuellt med lokala trycktoppar som ¨ar upp mot 3.5 GPa.
4.2 Tribologiska tester
Smord kontakt testades med olika tryck, temperatur, hastighet och ytfinhet f¨or att se hur de olika variablerna p˚averkar friktion och n¨otning. Varje prov utf¨ordes 3 g˚anger f¨or att s¨akerst¨alla resultatet eftersom friktion och n¨otningsprover tenderar att ha stor spridning. Inledande prover har ¨aven utf¨orts med torr och smord kontakt f¨or att belysa skillnaden mellan dessa tv˚a fall. Sm¨orjmedlet som anv¨andes var Atlas Copcos egen mejselpasta. Alla prov samt den tillh¨orande datan presenteras i bilaga A.
D˚a provbitarnas ytor m¨attes i en 3D-optisk ytprofilerare f¨ore prov kunde man konstatera att buss-ningens insida har en j¨amn yta, om ¨an n˚agot kornig medans ytan p˚a mejseln har tv¨arg˚aende sp˚ar kvar fr˚an bearbetning. Bussningsbitarna hade f¨ore prov en genomsnittlig ytfinhet p˚a Ra=0.66 um (Standar-davvikelse=0.06 um) och Mejselbitarna Ra=2.15 um (Standardavvikelse=0.24). Figur 4.6 visar hur ytan typiskt kan se ut f¨or bussning och mejsel f¨ore prov.
Figur 4.6: Ytstruktur p˚a bussning och mejsel f¨ore n¨otningsprov
De f¨orsta proverna med torr och smord kontakt utf¨ordes under 20 minuter, 200 N last, 27 Hz, 1 mm slagl¨angd och ingen temperaturh¨ojning. Frekvens och slagl¨angd valdes utefter de f¨orh˚allanden som r˚ader i den verkliga maskinen och ger en medelhastighet p˚a 0.054 m/s (maxhastighet=0.085 m/s). Testutrustningen klarade inte av att lasta mer ¨an 200 N vid provtillf¨allet eftersom den torra kontakten gav upphov till stora friktionskrafter.
I dessa tester kunde en kraftig n¨otning observeras i den torra kontakten medans den smorda kontakten l¨amnade provbitarna i princip ober¨orda. Friktionskoefficienten l˚ag stabilt kring 0.16 i det smorda provet medans den l˚ag p˚a 1.06 i genomsnitt i det torra provet, se figur 4.7.
Efter de tv˚a korta proverna gjordes ett l¨angre prov med sm¨orjfett f¨or att se om n˚agon typ av skada skulle uppkomma. Tiden ¨okades till 3 timmar och lasten ¨okades till 500 N. Friktionskrafter var konstant l˚aga under hela testet och ingen sk¨arning intr¨affade mellan bitarna se figur 4.8.
Figur 4.8: Friktionskoefficient f¨or smord kontakt
Sedan f¨oljde den huvudsakliga delen av de tribologiska testerna vilket var att variera olika parametrar (ytfinhet, temperatur, hastighet) och j¨amf¨ora deras inverkan p˚a friktion och n¨otning. Proverna utf¨ordes med stegvis ¨okande last f¨or att kunna studera friktionsbeteendet vid flera olika tryck. I de f¨orsta testerna k¨ordes ett ”normalfall” vilket innebar frekvens=27Hz, Slagl¨angd=1mm, Temperatur=40◦C, fettsmord kontakt och ingen ytp˚averkan. Friktionen i normalfallet var inledningsvis konstant l˚ag men en bit in i testet b¨orjade friktionsbeteendet f¨or¨andras och slutligen intr¨affade sk¨arning mellan ytorna. Den genom-snittliga tiden till sk¨arning var 6980 sekunder med en standardavvikelse p˚a 2074 sekunder. Figur 4.9 visar friktionskoefficienten under hela provets k¨ortid, de olika namnen som anges i grafen ¨ar test-ID f¨or respektive prov, f¨or mer info se bilaga A.
Figur 4.10: Friktionskoefficient test med f¨orh¨ojd temperatur
Den temperaturdata som samlats in av termoelementen visar att yttemperaturen l˚ag n˚agot under 150◦C under b¨orjan av provet men ¨okade sedan under provets g˚ang. Man kan tydligt se temperaturen ¨
okar stegvis i takt med ¨okande last. D˚a bitarna skar ihop sig s˚a accelererade v¨armeutvecklingen och temperaturen n˚adde 158◦C just innan provet avbr¨ots, se figur 4.11
Figur 4.11: Temperaturv¨arden fr˚an termoelement
I prov med sl¨atare yta var utf¨orandet detsamma som normalfallet fast ytan p˚a provbitarna var polerad. Detta s¨ankte ytfinheten p˚a mejseln fr˚an Ra=2.15 um till Ra=0.41 um och bussningen fr˚an Ra=0.66 um till Ra=0.40 um. Under f¨ors¨okets b¨orjan visade testet en l˚ag, om ¨an n˚agot oj¨amn friktion. D¨aremot skar bitarna ihop mycket tidigt i ena fallet efter bara 1772 sekunder, den genomsnittliga tiden var 3800 sekunder med en standardavvikelse p˚a 2307 sekunder, se figur 4.12.
Figur 4.12: Friktionskoefficient test med finare yta
I n¨otningsprov med f¨orh¨ojd hastighet var utf¨orandet detsamma som normalfallet fast medelhastighe-ten hade ¨okats till det dubbla genom att slagl¨angden ¨okats fr˚an 1 till 2 mm. Medelhastigheten i dessa prov var allts˚a 0.108 m/s och maxhastigheten 0.170 m/s. Dessa prov visade sig ha den b¨asta livsl¨angden av alla med 8599 sekunder till sk¨arning och standardavvikelse p˚a 891 sekunder. En m¨ojlig f¨orklaring ¨ar att nytt sm¨orjmedel enklare dras in i kontakten samtidigt som f¨ororenande partiklar f¨ors ut och sm¨orjfilmen h˚aller d¨arf¨or l¨angre. Friktionskoefficienten var dock relativt h¨og under f¨ors¨okens g˚ang. Ist¨allet f¨or en grad-vis ¨okning som slutligen resulterar i sk¨arning s˚a verkar friktionskoefficienten variera mer godtyckligt, se figur 4.13.
Figur 4.14: Samtliga tester med enskild variabel
Bild 4.15 visar temperaturutvecklingen f¨or fyra olika n¨otningsprover, en fr˚an varje variabel. De hel-dragna linjerna korresponderar till den v¨anstra axeln och visar friktionskoefficient medan de str¨ackade linjerna korresponderar till den h¨ogra axeln och visar temperatur. Temperaturen som genererade av friktionsv¨armen uppgick som mest till drygt 100 C efter 2 timmar och 40 minuters k¨orning. Eftersom trenden var fortsatt stigande s˚a ¨ar det m¨ojligt att temperaturen kan uppn˚a 150 C vilket var den tidigare uppskattningen.
Figur 4.15: Temperaturutveckling f¨or olika n¨otningsprov
Ifr˚an de f¨orsta inledande testerna med och utan sm¨orjmedel g˚ar det att konstatera att s˚a l¨ange det finns en sm¨orjfilm mellan ytorna ¨ar friktionen konstant l˚ag kring 0.16 och n¨otningstakten ¨ar mycket l˚angsam. Det ¨ar n¨ar sm¨orjfilmen havererar och bitarna sk¨ar ihop som det uppst˚ar h¨og friktion och snabb n¨otningstakt. Vid helt torr kontakt var friktionskoefficienten i snitt 1.06, om det finns sm¨orjmedel i kontakten men bitarna har skurit s˚a ligger friktionskoefficienten mellan 0.35 och 0.8.
De olika variablerna som testades: Tryck, Temperatur, ytfinhet och hastighet hade ingen st¨orre in-verkan p˚a friktionen s˚a l¨ange sm¨orjfilmen var intakt, f¨orutom att finare yta gav n˚agot l¨agre friktion och h¨ogre hastighet gav n˚agot h¨ogre. D¨aremot var de stora skillnader p˚a tiden det tog f¨or bitarna att sk¨ara ihop. H¨ogre temperatur samt finare yta gjorde att bitarna skar snabbare, h¨ogre hastighet gjorde att bitarna skar efter en l¨angre tid. N¨otningstakten var generellt h¨ogre p˚a mejseln ¨an bussningen vilket ¨
ar rimligt d˚a mejseln ¨ar av ett mjukare material. L¨angre tid till sk¨arning verkar sammanfalla med en l˚angsammare n¨otningstakt. N¨otningstakten i dessa tester beror sannolikt ¨aven p˚a hur l˚ang tid provet har skurit eftersom n¨otningen ¨okar kraftigt n¨ar sk¨arning intr¨affat. Figur 4.16 4.17 4.18 sammanfattar alla dessa resultat f¨or de olika proven, de svarta linjerna p˚a staplarna anger standardavvikelse.
Figur 4.18: N¨otningstakt f¨or provbitar fr˚an respektive prov
Samtliga prover skar innan maskinen n˚att sin maxlast p˚a 2000 N vilket motsvarar ett tryck p˚a 29.0 MPa i kontakten. De flesta prov b¨orjade visa tendenser till sk¨arning redan vid 1000 - 1200 N last. Detta ¨ar i sig anm¨arkningsv¨art eftersom det ¨ar l˚angt mycket l¨agre ¨an det ber¨aknade trycket 1.5 - 2 GPa som borde r˚ada i den verkliga applikationen. Om proverna kan sk¨ara redan vid l˚aga tryck borde komponenterna sk¨ara ¨annu snabbare i den faktiska applikationen.
Vid normalf¨orh˚allandet utan temperatur-h¨ojning s˚a bidrog ¨and˚a friktionsv¨armen med att h¨oja tempe-raturen till viss del. Tempetempe-raturen vid sk¨arning var i genomsnitt 77◦f¨or proverna med normalf¨orh˚allande och 150◦ (eller 158◦ m¨att n¨ara ytan med termoelement) f¨or proverna med f¨orh¨ojd temperatur. Detta inneb¨ar att en temperatur¨okning p˚a 105 % gav en 21 % kortare livsl¨angd.
De polerade provbitarna hade i snitt en ytfinhet p˚a: mejsel Ra=0.41 um och bussning Ra=0.40 um medans de vanliga bitarna hade en ytfinhet p˚a: mejsel Ra=1.99 um och bussning Ra=0.66 um. Detta inneb¨ar en 385 % finare yta p˚a mejseln och 65 % finare yta p˚a bussningen. Resultatet blev en 46 % kortare livsl¨angd. En m¨ojlig f¨orklaring ¨ar att en finare yta har mindre reservoarer som kan h˚alla kvar sm¨orjmedel i kontakten och d˚a allt sm¨orjmedel tryckts ut b¨orjar ytorna att sk¨ara. Dessa prover hade dock stor spridning i resultaten och os¨akerheten ¨ar d¨arf¨or st¨orre.
Genom att ¨oka slagl¨angden fr˚an 1 mm till 2 mm s˚a dubblades hastigheten mellan provbitarna och detta resulterade i en 23 % l¨angre livsl¨angd. Det inte klart huruvida hastigheten i sig eller den ¨
okade slagl¨angden bidrog till ¨okad livsl¨angd, sannolikt ¨ar det slagl¨angden eftersom det kan ha f¨orb¨attrat tillf¨orseln av sm¨orjmedel. Det skulle det vara l¨ampligt att g¨ora tester med b˚ade ¨okad slagl¨angd och ¨okad frekvens i framtida arbeten f¨or att reda ut detta.
Dessa prov har bara utf¨orts 3 g˚anger var och spridningen var generellt stor vilket inneb¨ar att de finns en viss os¨akerhet i alla resultat. Resultaten kan d¨aremot ge en fingervisning om ungef¨ar hur mycket friktion och n¨otning p˚averkas av olika parametrar.