Scripts Precision and Microproduction Engineering: Fertigung und Bewertung deterministischer Oberflächenmikrostrukturen zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens von Stahl-Bronze-Gleitpaarungen - Dissertation
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AUSFÜHRLICHERE BESCHREIBUNG: Im Rahmen der Arbeit wurde die deterministische Oberflächenmikrostrukturierung zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens von ölgeschmierten Stahl-Bronze-Gleitpaarungen betrachtet. Für die grundlegende und systematische Untersuchung des Einflusses von Mikrostrukturgeometrie und -anordnung wurde das elektrochemische Abtragen mittels elektrolytischen Freistrahls (Jet-ECM) als hochpräzise und flexible Technologie ausgewählt, prozesstechnisch charakterisiert und eingesetzt. Experimente mittels Ring-Scheibe-Konfiguration konnten zeigen, dass eine signifikante Reduktion des Reibungskoeffizienten durch eine günstige Mikrostrukturgestaltung realisiert werden kann. Unter Nutzung dieser Erkenntnisse wurde ein Drehverfahren mit Ultraschallschwingungsüberlagerung zur Mikrostrukturierung nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten implementiert. In weiterführenden Experimenten konnten die Ergebnisse der tribologischen Grundlagenuntersuchungen bestätigt werden. Abschließend wurden Empfehlungen für die funktionsorientierte Auslegung der betrachteten Fertigungsprozesse abgeleitet. The dissertation is focussed on deterministic surface microstructuring for the improvement of the tribological behaviour of oil lubricated steel-bronze slide pairings. The influence of the microstructure geometry and arrangement was investigated basically and systematically. For this purpose, the highly precise and flexible process Jet-Electrochemical Machining (Jet-ECM) was selected, characterized and used for the surface modification. Experiments with a ring-disc configuration have shown that a significant reduction of the friction coefficient can be realized by a suitable microstructure layout. By the use of these results, a vibration-superimposed turning process was implemented and applied for the surface microstructuring under technical production conditions. Further experiments confirmed well the results of the tribological basic investigations. Finally, recommendations for the function-oriented design of the considered microstructuring processes were derived. INHALT: 1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Tribologische Grundlagen 2.1.1 Tribologische Systeme 2.1.2 Reibungszustände 2.1.3 Verschleiß 2.1.4 Tribologische Prüftechnik 2.1.5 Reibungs- und Verschleißkenngrößen 2.1.6 Metallische Gleitlagerwerkstoffe 2.2 Mikrostrukturierung tribologisch beanspruchter Oberflächen 2.2.1 Geometrische Systematisierung 2.2.2 Tribologische Wirkungsweise 2.2.3 Gestaltung, Auslegung und Dimensionierung 2.3 Fertigungsverfahren zur Oberflächenmikrostrukturierung 2.3.1 Umformende Verfahren 2.3.2 Trennende Verfahren 2.3.3 Ökonomische Aspekte 3 Handlungsbedarf, Zielstellung und Vorgehensweise 3.1 Handlungsbedarf 3.2 Zielstellung und Vorgehensweise 4 Planung und Durchführung der Experimente 4.1 Vorbetrachtungen 4.1.1 Festlegung des tribologischen Systems 4.1.2 Mikrostrukturform, -geometrie und -anordnung 4.1.3 Experimentelle Realisierung 4.2 Eingesetzte Maschinen und Messtechnik 4.2.1 Prototypenanlage Jet-ECM 4.2.2 Präzisionsdrehmaschine Spinner PD32 4.2.3 Labortribometer Wazau TRM 500 4.2.4 3D-Laserscanning-Mikroskop Keyence VK-9700 4.3 Probenherstellung und -charakterisierung 4.3.1 Probenherstellung 4.3.2 Probencharakterisierung 5 Auswertung der Grundlagenexperimente 63 5.1 Prozesscharakterisierung 5.1.1 Verfahren 5.1.2 Prozessrelevante Parameter und Bearbeitungsgeschwindigkeit 5.1.3 Bewertung der Bearbeitungsergebnisse 5.2 Oberflächengestaltung 5.3 Tribologische Untersuchungen 5.3.1 Vollflächige Strukturierung des Bronzereibkörpers 5.3.2 Vollflächige Strukturierung des Stahlreibkörpers 5.3.3 Partielle Strukturierung des Bronzereibkörpers 5.4 Handlungsempfehlungen 6 Implementierung in einen serienfähigen Prozess 6.1 Prozesscharakterisierung 6.1.1 Verfahren 6.1.2 Prozessrelevante Parameter und Bearbeitungsgeschwindigkeit 6.1.3 Theoretische Betrachtungen 6.1.4 Bewertung der Bearbeitungsergebnisse 6.2 Oberflächengestaltung 6.3 Tribologische Untersuchungen 6.3.1 Vollflächige Strukturierung des Bronzereibkörpers 6.3.2 Vollflächige Strukturierung des Stahlreibkörpers 6.4 Handlungsempfehlungen 7 Diskussion und Bewertung der Ergebnisse 7.1 Vergleich der betrachteten Fertigungsverfahren 7.2 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Tribosysteme 7.3 Optimierungsansätze und Weiterentwicklungsmöglichkeiten 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Ringhalter für die tribologischen Experimente A.2 Herleitung der Bearbeitungskenngrößen bei der ultraschallüberlagerten Drehbearbeitung A.3 Spezifikation der eingesetzten Drehwerkzeuge A.4 Berechnung der Oberflächenfeingestalt mit messtechnisch erfasster Werkzeuggeometrie AUSZUG AUS DEM BUCH: Vorwort des Herausgebers In der Schriftenreihe Präzisions- und Mikrofertigungstechnik werden in loser Folge Forschungsergebnisse und Veranstaltungsbeiträge zu aktuellen Entwicklungen auf den Gebieten der Präzisionsfertigung und der Herstellung mikrostukturierter Bauteile und Oberflächen aus der Professur Mikrofertigungstechnik der Technischen Universität Chemnitz und dem Fraunhofer Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik - Abteilung Funktionsoberflächen und Mikrofertigung sowie dem durch beide Einrichtungen getragenen Kompetenzzentrum Mikrofertigungs- und Oberflächentechnologie KoMOT - veröffentlicht. Der Trend zu immer höherer Präzision in der Fertigung von Bauteilen bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an die Ressourceneffizienz stellt besonders vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität und Funktionalität von Bauteilen in verschiedensten Anwendungen eine Herausforderung an die Fertigungstechnik dar. Der elfte Band der Schriftenreihe adressiert die Erhöhung von Ressourceneffizienz durch die Reduzierung von Reibungsverlusten in Mechanismen. Die Themenstellung ist vor dem Hintergrund der vielfältigen Anstrengungen zur Reduzierung von Energie- und Ressourcenbedarf technischer Systeme sehr aktuell. Auch wenn bereits vielfältige Untersuchungen zum tribologischen Verhalten und zur Wirkung von Mikrostrukturen auf die Reibungseigenschaften in Mechanismen durchgeführt wurden, ist die Verbreitung solcher mikrostrukturierter Systeme noch recht gering. Neben den komplexen Wirkzusammenhängen und der vor diesem Hintergrund komplizierten Auslegung sowie den mangelnden Einsatzerfahrungen spielt vor allem die Verfügbarkeit geeigneter und wirtschaftlicher Fertigungstechnologien eine entscheidende Rolle bei der Entscheidung für oder gegen den Einsatz von Mikrostrukturen in Tribosystemen. Herr Steinert analysiert umfangreich den aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik und leitet davon die relevanten geometrischen Eigenschaften von tribologisch wirksamen Mikrostrukturen ab. Er untersucht zwei Fertigungsverfahren für die Herstellung von mikrostrukturierten Triboproben aus für Gleitpaarungen relevanten Werkstoffen. Dabei ermöglicht das Elektrochemische Abtragen die Erzeugung nahezu idealer geschlossener Mikrokalotten und die ultraschallüberlagerte Zerspanung die Herstellung einer großen Anzahl kalottenförmiger Mikrostrukturen in kurzer Zeit. Die umfangreichen tribologischen Untersuchungen der hergestellten Geometrien und die Ableitung von Vorgehensweisen zur Strukturauslegung und Bewertung sind wesentlicher Bestandteil der Arbeit. So schafft Herr Steinert eine über den Stand der Kenntnisse deutlich hinaus gehende Arbeit, die die Auslegung und wirtschaftliche Herstellung mikrostrukturierter Gleitpaarungen voran bringt und in der Folge zu ressourceneffizienten, energiereduzierten und verschleißarmen Bewegungssystemen beiträgt. Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert Chemnitz, im November 2017, 2017, Taschenbuch / Paperback, Neuware, H: 211mm, B: 149mm, T: 8mm, 300g, 142, Internationaler Versand, Selbstabholung und Barzahlung, PayPal, offene Rechnung, Banküberweisung.

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Publisher/Verlag: Verlag Wissenschaftliche Scripten | Scripts Precision and Microproduction Engineering, Band 11 | Im Rahmen der Arbeit wurde die deterministische Oberflächenmikrostrukturierung zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens von ölgeschmierten Stahl-Bronze-Gleitpaarungen betrachtet. Für die grundlegende und systematische Untersuchung des Einflusses von Mikrostrukturgeometrie und -anordnung wurde das elektrochemische Abtragen mittels elektrolytischen Freistrahls (Jet-ECM) als hochpräzise und flexible Technologie ausgewählt, prozesstechnischcharakterisiert und eingesetzt. Experimente mittels Ring-Scheibe-Konfiguration konnten zeigen, dass eine signifikante Reduktion des Reibungskoeffizienten durch eine günstige Mikrostrukturgestaltung realisiert werden kann. Unter Nutzung dieser Erkenntnisse wurde ein Drehverfahren mit Ultraschallschwingungsüberlagerung zur Mikrostrukturierung nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten implementiert. In weiterführenden Experimenten konnten die Ergebnisse der tribologischen Grundlagenuntersuchungen bestätigt werden. Abschließend wurden Empfehlungen für die funktionsorientierte Auslegung der betrachteten Fertigungsprozesse abgeleitet.The dissertation is focussed on deterministic surface microstructuring for the improvement of the tribological behaviour of oil lubricated steel-bronze slide pairings. The influence of the microstructure geometry and arrangement was investigated basically and systematically. For this purpose, the highly precise and flexible process Jet-Electrochemical Machining(Jet-ECM) was selected, characterized and used for the surface modification. Experiments with a ring-disc configuration have shown that a significant reduction of the friction coefficient can be realized by a suitable microstructure layout. By the use of these results, a vibration-superimposed turning process was implemented and applied for the surface microstructuring under technical production conditions. Further experiments confirmed well the results of the tribological basic investigations. Finally, recommendations for the function-oriented design of the considered microstructuring processes were derived. | 1 Einleitung2 Stand der Wissenschaft und Technik2.1 Tribologische Grundlagen2.1.1 Tribologische Systeme2.1.2 Reibungszustände2.1.3 Verschleiß2.1.4 Tribologische Prüftechnik2.1.5 Reibungs- und Verschleißkenngrößen2.1.6 Metallische Gleitlagerwerkstoffe2.2 Mikrostrukturierung tribologisch beanspruchter Oberflächen2.2.1 Geometrische Systematisierung2.2.2 Tribologische Wirkungsweise2.2.3 Gestaltung, Auslegung und Dimensionierung2.3 Fertigungsverfahren zur Oberflächenmikrostrukturierung2.3.1 Umformende Verfahren2.3.2 Trennende Verfahren2.3.3 Ökonomische Aspekte3 Handlungsbedarf, Zielstellung und Vorgehensweise3.1 Handlungsbedarf3.2 Zielstellung und Vorgehensweise4 Planung und Durchführung der Experimente4.1 Vorbetrachtungen4.1.1 Festlegung des tribologischen Systems4.1.2 Mikrostrukturform, -geometrie und -anordnung4.1.3 Experimentelle Realisierung4.2 Eingesetzte Maschinen und Messtechnik4.2.1 Prototypenanlage Jet-ECM4.2.2 Präzisionsdrehmaschine Spinner PD324.2.3 Labortribometer Wazau TRM 5004.2.4 3D-Laserscanning-Mikroskop Keyence VK-97004.3 Probenherstellung und -charakterisierung4.3.1 Probenherstellung4.3.2 Probencharakterisierung5 Auswertung der Grundlagenexperimente 635.1 Prozesscharakterisierung5.1.1 Verfahren5.1.2 Prozessrelevante Parameter und Bearbeitungsgeschwindigkeit5.1.3 Bewertung der Bearbeitungsergebnisse5.2 Oberflächengestaltung5.3 Tribologische Untersuchungen5.3.1 Vollflächige Strukturierung des Bronzereibkörpers5.3.2 Vollflächige Strukturierung des Stahlreibkörpers5.3.3 Partielle Strukturierung des Bronzereibkörpers5.4 Handlungsempfehlungen6 Implementierung in einen serienfähigen Prozess6.1 Prozesscharakterisierung6.1.1 Verfahren6.1.2 Prozessrelevante Parameter und Bearbeitungsgeschwindigkeit6.1.3 Theoretische Betrachtungen6.1.4 Bewertung der Bearbeitungsergebnisse6.2 Oberfläche.

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