Les expériences sur les ultrasons lubrification aide d'un Tribomètre piézoélectriquement-assistée et Profilomètre optique

Le frottement existe à l'interface de deux surfaces en contact quand ils glissent ou rouleau par rapport à l'autre. Friction se produit habituellement avec l'usure par abrasion ou de la colle. ¹ Ultrasons est la science derrière les phénomènes de haute fréquence, qui est, les vagues se déplaçant à des fréquences supérieures à la gamme acoustique (20 kHz). Le domaine des ultrasons comprend deux régimes fondamentalement différents. Un régime consiste à ondes de faible intensité comme ceux utilisés dans les procédés d'imagerie tels que les ultrasons médicale ou de contrôle non destructif de structures. L'autre est un régime de forte puissance dans lequel les ondes à haute énergie sont utilisés pour exécuter ou aider les processus d'ingénierie tels que le soudage des matières plastiques et des métaux. Il a été démontré que l'application de ce dernier type de vibrations ultrasonores à l'interface des deux surfaces en contact de glissement réduit la force de frottement efficace à l'interface. Ce phénomène est connu en tant que lubrification ultrasons.

Atteindrelubrification par ultrasons entre deux objets de coulissement, par rapport aux vibrations à des fréquences ultrasoniques doit être établi entre elles. Les vibrations sont généralement appliqués à l'un des deux objets, que ce soit dans le sens longitudinal, transversal, ou direction perpendiculaire par rapport à la vitesse de glissement. Dans cette étude, la broche d'un tribomètre est équipée d'un actionneur piézoélectrique de sorte que sa pointe vibre dans la direction perpendiculaire au disque rotatif du tribomètre. Les matériaux piézoélectriques sont une classe de matériaux «intelligents» qui se déforment lorsqu'ils sont exposés à des champs électriques, vibrant à la même fréquence que le champ d'excitation. Les matériaux piézoélectriques peuvent vibrer à des fréquences bien dans la gamme MHz. Étant superposée à la vitesse macroscopique, des vibrations ultrasonores ont pour effet d'alternance de la direction de la force de frottement instantané et le contact entre les surfaces, qui, en combinaison conduit à une réduction de la force de frottement et l'usure surface efficace. </p>

La réduction de la friction par ultrasons a été démontré dans des systèmes pratiques de fabrication. Par exemple, cette technologie a été utilisée pour réduire la force entre l'outil et la pièce de travail dans l'usinage des métaux et des processus tels que le forage, le pressage, la feuille de laminage, tréfilage et la formation. Avantages comprennent l'amélioration de l'état de surface ^{2 et} un besoin réduit pour les détergents coûteux et nuisibles à l'environnement pour éliminer les lubrifiants du produit final. Il ya des applications potentielles de la lubrification ultrasons dans d'autres domaines aussi. Par exemple, la lubrification ultrasons peut sensiblement améliorer l'expérience de l'utilisateur dans les produits de soins de santé personnels en éliminant la nécessité pour les lubrifiants ou des revêtements. Dans les applications automobiles, la modulation de friction peut améliorer les performances des joints à rotule tandis que la réduction de la friction entre les sièges du véhicule et facilite le déplacement des rails de siège, un gain de place et de masse qui serait autrement occupé par les composants et les méca traditionnelsSMS. Lubrification ultrasons peut aussi aider à améliorer l'efficacité énergétique en réduisant la friction dans les systèmes du groupe motopropulseur et de la suspension. ³ dans les applications spatiales, où les lubrifiants traditionnels ne peuvent pas être utilisés, la lubrification ultrasons peut être utilisé pour réduire l'usure et considérablement prolonger la vie des composants critiques.

Démonstrations en laboratoire de la réduction de la friction à travers la lubrification ultrasons sont nombreux. La réduction de la friction est quantifiée comme étant la différence entre la force de frottement mesurée sans lubrification par ultrasons et la force de frottement par des vibrations ultrasoniques appliquées. Dans les deux cas, la force de frottement est directement mesuré avec des capteurs de force. Littmann et al. ^05.04 actionneur piézoélectrique relié un conduit pour-un coulisseau, sur lequel un capteur de force et un cadre ont été installés pour la mesure de forces de frottement et d'application des charges normales. Actionneur pneumatique a été utilisé pour pousser le curseur en même temps que l'actionneur le long d'un rail de guidage. Ultrasonore duc vibrations sont appliquées dans la direction longitudinale de la vitesse de glissement. Bharadwaj et Dapino ^7/6 ont effectué des expériences similaires en utilisant un actionneur à empilement piézoélectrique relié à un guide d'onde conique à chaque extrémité de la pile. Des contacts ont eu lieu entre les bords sphériques des cônes et la surface du rail de guidage. Les effets des paramètres du système, tels que la rigidité de contact, charge normale, et la rigidité globale ont été étudiés. Kumar et Hutchings ⁸ installés une broche sur une sonotrode qui a été alimenté par un transducteur à ultrasons. Des vibrations ultrasonores sont générées et transmises à la broche, qui a été mis en contact avec une surface d'acier à outils. Force normale est appliquée par un vérin pneumatique et mesurée par une cellule de charge. Le mouvement relatif entre l'axe et le disque a été créé par une table alternatif.

Pohlman et Lehfeldt ⁹ également mis en œuvre une expérience pion-disque. Contrairement à d'autres études, ils ont utilisé un magnetostrictive transducteur pour générer des vibrations ultrasonores. Pour étudier la direction optimale pour la réduction de la friction à ultrasons, le transducteur a été soigneusement aligné de sorte que la direction de vibration est longitudinal, transversal, vertical et à la vitesse macroscopique. Ils ont étudié la réduction de frottement à ultrasons sur les deux surfaces sèches et lubrifiés. Popov et al. ¹⁰ utilisé avec un actionneur de guides d'ondes coniques. L'actionneur a été placée en contact avec une plaque de base en rotation. Cônes en neuf matériaux avec divers duretés ont été adoptées pour étudier l'influence de la dureté du matériau sur la réduction de frottement à ultrasons. Dong et Dapino ^{11 à 13} ont utilisé un transducteur piézo-électrique pour générer et transmettre des vibrations ultrasonores à un guide d'ondes prismatique avec des bords arrondis. La vibration longitudinale provoque des vibrations verticales en raison de l'effet de Poisson. Un curseur avec une courbe supérieure a été placé sous et en contact le guide d'ondes. Un cadre a été construite pour appliquer des forces normales à l'interface de contact. Til a été tiré manuellement curseur autour de la zone centrale du guide d'ondes; la force de frottement a été mesuré par une cellule de charge qui a été relié à la glissière.

Réduction de l'usure induite par ultrasons a également été étudiée et démontrée. Perte de volume, perte de poids, et la rugosité de surface changements sont employés pour quantifier la sévérité de wear.Chowdhury Helali et ¹⁴ en vibration d'un disque rotatif dans une configuration pion-disque. Les vibrations ont été générés par une structure de support de deux plaques parallèles situés sous le disque rotatif. La plaque supérieure a une boule sphérique installé décentré sur la surface inférieure, qui coulisse dans une fente qui a été gravé sur la surface supérieure de la plaque inférieure. La fente a été usinée avec une profondeur variable de sorte que périodiquement la plaque supérieure se déplace verticalement pendant la rotation. Les fréquences varient autour de 100 Hz en fonction de la vitesse de rotation.

Bryant et York ^15-16 ont étudié l'effet des micro-vibrations sur wréduction de l'oreille. Ils ont inséré un cylindre de carbone à travers un support avec une extrémité repose sur un disque en acier en rotation et l'autre extrémité reliée à un ressort hélicoïdal. Dans un cas, le cylindre est monté serré dans le support de sorte qu'il n'y avait pas de place pour les vibrations. Dans d'autres cas, les dégagements ont été laissés à permettre les micro-vibrations du cylindre tandis que le cylindre était en contact avec le disque en rotation. La perte de poids de la bouteille a été mesurée pour calculer le taux d'usure. Il a été montré que les micro-vibrations auto-générés ont permis de réduire l'usure près de 50%.

Goto et Ashida ^17-18 ont également adopté une expérience pion-disque. Ils reliés échantillons de broches avec un transducteur via un cône effilé et une corne. La broche en vibration dans la direction perpendiculaire à la surface du disque. Une masse est relié au transducteur sur sa partie supérieure pour l'application de charges normales. Les forces de frottement ont été convertis à partir du couple qui a été appliquée pour faire tourner le disque. Porter a été identifié comme adhésif parce que les deuxbroche et le disque sont faites d'acier au carbone. Taux d'usure ont été calculées à partir de mesures de perte de volume.

Il a été démontré que la vitesse linéaire joue un rôle important dans la lubrification par ultrasons. La composante expérimentale de cette recherche se concentre sur la dépendance de la réduction de la friction et de l'usure sur la vitesse linéaire.