تاثیر دما بر عملکرد و عمر بال اسکروها

به عنوان جزء اصلی میدان های انتقال دقیق، بال اسکرو مستقیماً بر دقت عملکرد ماشین ابزار CNC، روبات های صنعتی و غیره تأثیر می گذارد. تحت شرایط دمایی شدید، خواص مکانیکی، ویژگی‌های تغییر شکل حرارتی و فرآیند پیری مواد بال‌اسکروها به شدت تغییر می‌کنند. ترکیب علم مواد، ترمودینامیک و تریبولوژی، تأثیر دما بر پارامترهای عملکرد، حالت‌های خرابی و عمر مفید بال‌اسکروها به طور سیستماتیک در این مقاله تحلیل می‌شود.
1. تاثیر مستقیم دما بر خواص مکانیکی مواد
1.1 تأثیر دما بر استحکام و سختی
با افزایش دما، مدول الاستیک فولاد به صورت غیرخطی کاهش می یابد. داده های تجربی نشان می دهد که تفاوت بین بارهای نهایی و تسلیم یک بال اسکرو M24 از دمای اتاق 30 کیلونیوتن 2 کیلونیوتن، زمانی که دمای محیط از 300 درجه سانتی گراد فراتر رفت، 93 درصد کاهش یافت. این تغییر به این دلیل است که دمای بالا چسبندگی بین اتم ها را ضعیف می کند و منجر به کاهش مقاومت در برابر دیستور شبکه می شود. برای طراحی بال اسکرو با پیش بارگذاری، سفتی محوری با هر 50 درجه افزایش تقریباً 8 تا 12 درصد کاهش می‌یابد که مستقیماً بر تکرارپذیری موقعیت‌یابی تأثیر می‌گذارد.
1.2 تغییر ناگهانی در ظرفیت تغییر شکل پلاستیک
در دماهای بحرانی (معمولاً 400-500 درجه)، انعطاف پذیری مواد به طور غیر طبیعی افزایش می یابد. به عنوان مثال، مساحت فولاد نیترید شده 38CrMoAlA در دمای اتاق 55 درصد کاهش یافت و در دمای 450 درجه به 68 درصد افزایش یافت. این افزایش پلاستیسیته با خزش تسریع شده همراه است که منجر به کشیدگی غیرقابل برگشت پیچ ها تحت بار ثابت می شود. مطالعه موردی یک خط تولید خودرو نشان داد که بال‌اسکرو در دمای محیط 40 درجه سانتی‌گراد تا 0.003 میلی‌متر در روز می‌خزد، که منجر به خطای تجمعی بیش از 0.2 میلی‌متر در طول سه ماه می‌شود که باعث خاموش شدن محافظ دستگاه می‌شود.
1.3 مفاهیم مهندسی ضرایب انبساط حرارتی
تفاوت ضرایب انبساط حرارتی بین اجزای بال اسکرو باعث ایجاد میدان تنش پیچیده می شود. ترکیب پیچ فولادی (= 11.5 × 10-6 درجه) و مهره‌های آلیاژ مس (= 17 × 10-6 درجه) اختلاف جابجایی محوری 0.027 میلی‌متر را در گرادیان دمایی 50 درجه سانتی‌گراد ایجاد کرد. این عدم تطابق منجر به کاهش 35 تا 40 درصدی چرخش در بار سیستم می‌شود. به گفته یکی از تولیدکنندگان هوانوردی، چنین شکست های تنش حرارتی 22 درصد از خرابی های بال اسکرو را تشکیل می دهند.
2. اثر دما بر ویژگی های تریبولوژیکی
2.1 تغییرات کلیدی در عملکرد روان کننده
نفوذ مخروط گریس به طور تصاعدی با دما افزایش می یابد. برای گریس مبتنی بر لیتیوم، ویسکوزیته کاری آن به یک پنجم دمای اتاق در 80 درجه سانتیگراد کاهش می یابد و ضخامت لایه روغن از 2 میکرومتر به 0.4 میکرومتر کاهش می یابد. این تغییر نسبت تماس را از 12% به 47% و ضریب اصطکاک را از 0.008 به 0.035 افزایش می دهد. آزمایش‌های انجام‌شده توسط یک سازنده تجهیزات نیمه‌رسانا نشان داد که خرابی روغن‌کاری، گشتاور کاری روی بال‌اسکرو را تا 220 درصد افزایش می‌دهد و باعث محافظت از اضافه بار موتور می‌شود.
2.2 دما{1}}تغییر حالت پوشیدن رانده شده
دمای بالا مکانیسم سایش اصلی را تغییر می دهد. ریزش خستگی علت اصلی در دمای اتاق است، در حالی که سایش اکسیداتیو در دمای 150 درجه قابل توجه است. در 300 درجه، سطح پیچ یک لایه اکسید Fe3O4 به ضخامت 0.5-1 میکرون تشکیل می‌شود. اگرچه این لایه (HV650) سخت تر از بستر (HV280) است، اما شکنندگی آن منجر به ریزش ذرات بزرگتر (3-5 برابر بزرگتر) می شود. این ذرات سخت سایش ساینده سه بدنه را در سیستم گردش ایجاد می کنند که عمر پیچ را 60 تا 70 درصد کاهش می دهد.
2.3 تضعیف پیش بار دینامیک
نوسانات دما می تواند باعث تغییرات دوره ای در پیش بارگذاری شود. برای بال اسکرو محور Z در مرکز ماشینکاری، تضعیف پیش بار روزانه به 0.8 کیلو نیوتن در چرخه دمایی 20-60 درجه سانتیگراد می رسد. این تضعیف به دلیل تفاوت تغییر شکل حرارتی بین پوسته مهره و یاتاقان است. هنگامی که اختلاف دما از 30 درجه تجاوز می کند، فاصله شعاعی 0.015 میلی متر افزایش می یابد و باعث ایجاد لرزش غیر طبیعی می شود. هنگامی که سطح شتاب ارتعاش از 0.5 گرم به 2.1 گرم افزایش می یابد، نرخ انتشار ترک خستگی در سطح کروی هشت برابر افزایش می یابد.
3. اثر تسریع کننده دما بر پیری مواد
3.1 تجزیه حرارتی لایه های نیترید
پس از 520 درجه نیتریفیکاسیون گازی، فولاد 38CrMoAlA یک لایه ترکیبی فازی (Fe2-3N) به ضخامت 0.6 میلی متر ε- با ضخامت 0.6 میلی متر تولید می کند. هنگامی که دمای عملیاتی از 480 درجه فراتر می رود، این لایه نیترید شده شروع به شکسته شدن می کند و در عرض 200 ساعت سختی از HV1000 به HV600 کاهش می یابد. مطالعه موردی ماشین قالب‌گیری تزریقی نشان داد که شکست لایه نیترید نرخ سایش پیچ را از 0.002 میلی‌متر در ماه به 0.025 میلی‌متر در ماه افزایش داد و چرخه تعویض را از 5 سال به 8 ماه کاهش داد.
3.2 شکست حرارتی مواد پوشش
درجه درشت شدن دانه‌های پوشش‌های کروم سخت بیش از 200 درجه بود و تخلخل از 3% به 12% افزایش یافت. آزمایش‌ها بر روی سیستم زمین توربین بادی نشان داد که نرخ خوردگی زیرلایه پیچ پس از شکست روکش ۱۵ برابر افزایش می‌یابد. گرفتگی (عمق بیشتر از 0.1 میلی متر) در مدت 6 ماه در رطوبت بالا ساحلی (RH90٪) رخ داد. کاتالیز محصولات خوردگی (FeCl2 4H2O) سایش را بیشتر تسریع می‌کند و یک اثر سایش خوردگی هم افزایی ایجاد می‌کند.
3.3 تغییر شکل حرارتی قفس های پلیمری
ضریب انبساط خطی قفس نایلون 66 در 80 درجه 80 × 10 - 6 / درجه است که هفت برابر اعضای فولادی است. این تفاوت می تواند باعث تغییر شکل توپ تا 0.05 میلی متر شود و باعث مسدود شدن توپ شود. تجزیه و تحلیل خطای یک ماشین ابزار CNC نشان داد که تغییر شکل حرارتی قفس باعث افزایش صدای عملیاتی از 65 دسی بل به 82 دسی بل شده و باعث افزایش دمای غیرعادی پیچ (ΔT > 15 درجه) شده و یک دایره باطل را تشکیل می دهد.
4. اقدامات متقابل فنی برای کنترل دما
4.1 بهینه سازی انتخاب مواد
For high temperature applications (>150 درجه)، آلیاژهای مبتنی بر کبالت (مانند تنگستن کروم کبالت 6B) یا مواد پوشش سرامیکی باید انتخاب شوند. مطالعه موردی شرکت پتروشیمی نشان داد که پوشش های Stellite 6B عمر پیچ را از 3 ماه به 3 سال افزایش داده و هزینه های تعمیر و نگهداری را تا 82 درصد کاهش می دهد. برای دماهای پایین (40- درجه و کمتر)، از فولادهای زنگ نزن آستنیتی (به عنوان مثال{12}} لیتر) باید برای جلوگیری از شکستگی شکننده استفاده شود.
4.2 نوآوری های مدیریت حرارتی
سیستم خنک کننده اجباری می تواند دمای کاری پیچ را در محدوده معقولی حفظ کند. مطالعه موردی یک خط جوش خودرو نشان داد که پیچ‌های خنک‌شده با روغن دما را از 65 درجه به 28 درجه کاهش داده و دقت موقعیت‌یابی را 0.005 میلی‌متر بهبود می‌بخشد. در کاربردهای اندازه‌گیری دقیق، خنک‌کننده‌های ترموالکتریک به کنترل دمای + -0.1 درجه دست می‌یابند که خطاهای رانش حرارتی پیچ را به کمتر از 0.2 میکرومتر بر متر محدود می‌کند.
4.3 طراحی جبران سازه
الاستیسیته سازه‌های پیش‌بار{0}دوبل مهره بیش از 80 درصد تغییر شکل‌های حرارتی را جذب می‌کند. یک مطالعه موردی توسط یک سازنده هوافضا نشان داد که دستگاه جبران کننده فنر دیسکی تفاوت جابجایی محوری را از 0.12 میلی‌متر به 0.015 میلی‌متر در دمایی از -30 درجه تا 60 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. برای پیچ‌های بسیار بلند (L > 4 متر)، یک طراحی تکیه‌گاه میانی با جبران حرارتی با تغییر شکل خمش 65 درصد کاهش می‌یابد.
V. نتیجه گیری و چشم انداز
دما اساساً با تغییر خواص مواد، حالت‌های اصطکاک و فرآیند پیری بر حفظ دقیق و عمر مفید بال‌اسکروها تأثیر می‌گذارد. تحقیقات آینده بر سه جنبه متمرکز خواهد بود: 1) توسعه مواد هوشمند با ضرایب انبساط حرارتی منفی، 2) ایجاد مدل‌های پیش‌بینی جفت شده رابطه گرما-بار-و 3) ارتقاء فناوری دوقلو دیجیتال در جبران تغییر شکل حرارتی. با افزایش نیاز به قابلیت اطمینان تجهیزات در Industry 4.0، مدیریت دمای سیستم کلید پیشرفت تکنولوژیکی فن آوری توپ اسکرو خواهد بود.