jiŘÍ hÁjek, antonÍn kŘÍŽ - zcu.czzpůsoben třením musí být menší než měřená...

University of West Bohemia in Pilsen

SLEDOVÁNÍ TRIBOLOGICKÝCH VLASTNOSTÍ TENKÝCH VRSTEV

JIŘÍ HÁJEK, ANTONÍN KŘÍŽ

University of West Bohemia in Pilsen

MOTIVACE EXPERIMENTU

V SOUČASNÉ DOBĚ:„PIN-on-DISC“ – velmi důležitá analýza z hlediska správného využití příslušného typu systému tenká - vrstva substrát.

CO JE MOŽNÉ ANALÝZOU „PIN-ON-DISC“ ZJISTIT?

1) Určení kinetického, event. statického koeficientu tření v laboratorních podmínkách.

1/21

University of West Bohemia in Pilsen

2) V průběhu posledních let se velmi sleduje opotřebení tenkých vrstev.Zjištěnou hodnotu lze ovšem využít pouze pro srovnání v rámci jednoho experimentu. Pokud se jedná o opotřebení v řádech mikronů je tato hodnota prakticky nezměřitelná běžně používanými profilometry.

CÍL EXPERIMENTU: navrhnout takový test, který umožní sledovat testovaný materiál za podmínek odpovídajících praktickému využití

MOTIVACE EXPERIMENTU

2/21

University of West Bohemia in Pilsen

MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

Základ tribologických měření

PROBLÉMY:1) Třecí síla se mění neustále, takže jakákoliv představa o zjištění přesného koeficientu

tření se pouze blíží realitě.2) Kalkulace frikčního koeficientu jsou založeny ve většině případů na tzv. nominální

síle Fn.

TÉMĚŘ U VŠECH MĚŘENÍ (např.: tribometr CSM – cena zařízení cca 1,5 mil. Kč.) Koeficient tření odvozen z poměru Ft (měřené) a Fn (závaží, které je zavěšené např. na rameni, čímž je vyvozena normálová síla).

3/21

University of West Bohemia in Pilsen

Ra=6,23 Ra=4,530

0,01

0,01

0,02

0,02

0,03

0,03

0,04

0,04

0,05

0,05

0,06

0,06

0,07

0,07

0,08

0,08

0,09

0,09

0,1

Vliv drsnosti na rozptyl koeficientu tření

Drsnost

Od

chyl

ka o

d p

rům

ěrn

é h

od

no

ty

MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

Drsný povrch = kolísání zatížení → nepřesný koeficient tření

4/21

University of West Bohemia in Pilsen

Prudké změny v třecí síle mohou být způsobeny změnami reálné kontaktní síly Fn

MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

5/21

0,00 0,00 0,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03 0,030,0

0,1

0,1

0,2

0,2

0,3

0,3

0,4

0,4

0,5

0,5

0,6

0,6

0,7

0,7

0,8

0,8

0,9

0,9

1,0

1,0

Změny v třecí síle?

Dráha

Koefi

cien

t tř

en

í

University of West Bohemia in Pilsen

MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍKontaktní síla

Frikční síla (koreluje s kontaktní silou)

Rozdíl mezi okamžitou a nominální zátěžnou silou při výpočtu μ

μ= okamžitá frikční síla/okamžité zatížení

μ= okamžitá frikční síla/nominální zatížení

6/21

Reálný vztah mezi kontaktní silou a silou frikční

Rozdíl mezi měřením koeficientu tření založeném na poměru třecí síly a reálného zatížení

a

měřením vycházejícím z nominálního zatížení

University of West Bohemia in Pilsen

MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

Když μ = Ft(okamžitá)/Fn(okamžité)

Poskytuje míru intenzity interakce nerovností, nebo smykových sil v určitém bodě a čase.

Toto měření lze provést i v případě, že je Fn nominální ovšem zvolená rychlost a okolní chvění musí být nízké.

7/21

University of West Bohemia in Pilsen

V případech kdy je koeficient tření extrémně nízký (0,01) vzrůstá důležitost absolutní roviny ramene a testovaného vzorku. Již při odchylce 1° může dojít k velmi výrazné chybě. Důležité je v těchto případech i vyvážení ramene

MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

8/21

University of West Bohemia in Pilsen

TECHNIKA SNÍMÁNÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

1) Piezoelektrický snímač 2) Snímače napětí (prodloužení)

1) Tento typ snímání nám umožní snímání s frekvencí vyšší než 25kHz (lze měřit i výrazné okamžité změny při měření koef. tření). Frekvenční limit chvění jež je způsoben třením musí být menší než měřená frekvence krystalu. Běžně prováděnému testu při rychlosti 100 m/s a frekvenci snímání 25kHz, odpovídá 40 μm distance měření.

2) Tento typ měření je rozšířenější ovšem nelze zaznamenat prudkou změnu v koef. tření. V případě obvyklého snímače prodloužení je měřící frekvence 0,2 – 4,8 kHz. Pokud se sleduje např. vliv drsnosti běžně připravovaných povrchů tak pro identifikaci jednotlivých nerovností je nutné použít testovací rychlost max.2 až 4 cm/s.Možnost sledování vliv drsnosti povrchu na koeficient tření i s pomocí běžných snímačů prodloužení je ukázáno na následujícím grafu (rychlost 1cm/s).

9/21

University of West Bohemia in Pilsen

TECHNIKA SNÍMÁNÍ KOEFICIENTU TŘENÍKinetický k. tření při různé drsnosti

0,58

0,58

0,59

0,59

0,60

0,60

0,61

0,61

0,62

0,62

Ra = 6,23 Ra = 4,53

Ko

ef.

tře

ní

Vliv drsnosti povrchu na kinetický koef. tření.

V obou případech byly nastaveny shodné parametry včetně zvoleného materiálu. Vzorky se lišily pouze v drsnosti povrchu

10/21

Z těchto důvodů byl zvolen snímač prodloužení, který umožňuje vychýlení ramene o 2mm (±1mm).

University of West Bohemia in Pilsen

MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ

Pro výpočet některých veličin charakterizujících odolnost vrstvy vůči opotřebení, jako je např. koeficient opotřebení, je nutné znát hloubku a reálný reliéf stopy opotřebení.

Nejčastěji se hloubka stopy určuje pomocí dotykového profiloměru. Profily se měří v několika místech stopy.

Snadno může dojít ke zkreslení výsledků

Z těchto důvodů bylo potřeba vybrat metodu jinou než-li konvenční dotykový profilometr

11/21

Záznam z profiloměru nekoresponduje se skutečným opotřebením

Patrné odhalení substrátu, tloušťka tenké vrstvy 4µm

0,81µm

University of West Bohemia in Pilsen

MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ

Změna nemusí vždy odpovídat změně opotřebení

Umožňuje souvisle zaznamenávat změny

On-line měření vzdálenosti mezi

ramenem a vzorkem

Nelze pro složité tvaryJednoduché, rychléOptická profilometrie

NákladnéVelmi přesné a relativně rychléLaser scanning

profilometry

Dostáváme informace pouze z jednotlivých úseček, malá

přesnost Jednoduché, relativně rychléDotyková profilometrie

Data jsou ovlivněna transferovým materiálem

Levné a jednoduchéVáhy

NevýhodyVýhodyExp. metoda

Vybráno bylo měření opotřebení pomocí laserového konfokálního mikroskopu.

12/21

University of West Bohemia in Pilsen

Důležité je správné nastavení tzv. zlomku měřené délky.

Čím kratší bude zlomek délky, tím se bude celková měřící délka prodlužovat a blížit se ke skutečnému profilu.

MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ

13/21

University of West Bohemia in Pilsen

MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ

Významnou výhodou této metody je možnost měřit plochu což bylo hlavním důvodem zvolení této metody snímání reliéfu povrchu v našem případě.

Pro konfokální mikroskopii to znamená především nastavení co nejvyššího počtu kroků v ose z.

Např. pro drsnost povrchu Rt = 20μm bude nutné rozdělit osu z na min. 1000 „úseků“ aby bylo možné docílit přesnosti max. 0,02 μm.

Reálný povrch

Dlouhý zlomek délky

Krátký zlomek délky

14/21

University of West Bohemia in Pilsen

ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY NA KONSTRUKCI ZAŘÍZENÍ

Opotřebení je běžným důsledkem funkce všech strojních součástí, které jsou ve vzájemném kontaktu a relativním pohybu.

Při obrábění dochází k opotřebení nástroje.

Protože podmínky práce řezného nástroje se zásadně liší od podmínek práce běžných strojních součástí, je třeba i k procesu opotřebení nástroje přistupovat odlišným způsobem.

15/21

University of West Bohemia in Pilsen

Odlišným způsobem bude potřeba přistupovat i k tribologickým měřením týkajících se systému tenká vrstva substrát v řezném procesu.

ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY NA KONSTRUKCI ZAŘÍZENÍ

Hlavní požadavky na navrhovanou konstrukci zařízení.

1.) Měrný tlak – namísto běžné konfigurace bude potřeba zvýšit desetinásobně zatížení. To znamená vyšší nároky na pohon

2.) Teplota na funkčním povrchu – Tato teplota se zvýší kombinací vysokého měrného tlaku a vysoké rychlosti. Navíc bude povrch ohříván pomocí laseru

3.)Rychlost ohřevu – běžně dostupná zařízení určená k tribologickým měření neumožňují vysokou rychlost ohřevu. Toto bude zajištěno vyšším zatížením a vyššími rychlostmi

16/21

University of West Bohemia in Pilsen

ŘEŠENÍ Snímání koeficientu tření: zvoleno sledování koeficientu tření pomocí snímačů prodloužení, které umožní snímat odchylku ramene max. 2mm s max. měřící frekvencí 4,8 kHz. Zařízení rovněž umožňuje v případě potřeby doplnit i snímač napětí ve vertikální směru (okamžité zatížení Fn).

Měření opotřebení: zvoleno bylo tzv. off-line měření pomocí konfokálního mikroskopu s přesností minimálně 0,2μm.

Konfigurace kontaktního namáhání: Z důvodů uvedených v předchozích kapitolách byla navržena konfigurace znázorněná na obrázku. „Nástroj“ neobrábí, ale smýká se po podložce. Pomocí této konfigurace je možné dosáhnout podmínek obdobných jako na hřbetu nástroje.

17/21

University of West Bohemia in Pilsen

ŘEŠENÍ Celková konstrukce přístroje:

ZKONSTRUOVANÉ ZAŘÍZENÍ:Maximální zatížení 150 N.Maximální rychlost 3000 ot./min.Maximální průměr měřených vzorků 30cm.Nerovnost sklíčidla 0,05mm.Snímání třecí síly: snímače polohy, max. výchylka ± 1mm.Software umožňuje připojení snímače sledujícího okamžité zatížení.Měření opotřebení pomocí konfokálního mikroskopu.Laserový ohřev.

18/21

University of West Bohemia in Pilsen

ŘEŠENÍ

Celková konstrukce přístroje:

Detail tribolologického testu při konfiguraci přibližující obrábění

19/21

University of West Bohemia in Pilsen

ŘEŠENÍ – doprovodná měření

Při tření a opotřebení materiálů je přítomna při tribologickém procesu řada dalších jevů.

Nejdůležitějšími jsou: vibrace, hluk a teplo.

Tyto veličiny je nutné sledovat při každé tribologické analýze, neboť podávají řadu doplňujících informací.

20/21

University of West Bohemia in Pilsen

ŘEŠENÍ – doprovodná měření

1) Přístroj na měření a analýzu zvuku

Přístroj provádějící kmitočtovou analýzu ve slyšitelném kmitočtovém rozsahu v reálné čase.

V našem případě Brüel & Kjaer 2238 Mediator

2) Bezdotykové měření teploty Bezkontaktní infrateploměr pro rychlé bezkontaktní měření teploty s laserovým zaměřováním a nastavitelnou emisitou. V našem případě OMEGA OS643E - LS

3) Měření dynamických dějůK měření dynamických jevů budou využity akcelorometrické snímače

21/21

University of West Bohemia in Pilsen

Text tohoto příspěvku a prezentaci celé přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: http://www.ateam.zcu.cz

Tento příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu na FST ZČU v PLZNI v roce 2006

DĚKUJI ZA POZORNOST