Ефект stick-slip: чим напрямні верстатів відрізняються від скрипки

Основи тертя

Тертя — це сила, яка протидіє відносному руху двох поверхонь, що перебувають у контакті. Тертя між змащеними поверхнями ілюструє модель підшипника ковзання (Рисунок 1). Коли система перебуває у спокої, поверхні вала та підшипника безпосередньо контактують одна з одною. Будь-яка сила, прикладена для обертання вала, спершу має подолати взаємодію між цими двома поверхнями. Це називають статичним тертям, або тертям зриву (break-away).

Щойно вал починає обертатися, у дію вступає динамічне, або кінетичне, тертя. Унаслідок обертання вала олива «затягується» в зону контакту, що зменшує взаємодію поверхні з поверхнею і таким чином знижує сили тертя.

Зі зростанням швидкості плівка оливи в зоні контакту також збільшується, і тертя знижується ще більше. Коли поверхні повністю розділені оливою, тертя зменшується до мінімуму. Якщо швидкість продовжує зростати поза цією точкою, тертя знову збільшується, оскільки оливна плівка нарощується і створює в'язкий опір.

Зв'язок між швидкістю та тертям у змащених контактах описує крива Штрибека (Рисунок 2). Існує три різні режими мащення:

• Граничне мащення: тертя визначається переважно властивостями поверхонь.

• Змішане мащення: на тертя впливають як властивості оливи, так і властивості поверхонь, у співвідношенні, що залежить від швидкості.

• Гідродинамічне мащення: тертя визначається в'язкістю оливної плівки.

Мащення напрямних ковзання

Напрямні ковзання іноді називають лінійними підшипниками, і до них застосовуються ті самі принципи мащення, що описані вище. Відмінності полягають у тому, що дві поверхні, які перебувають у контакті, тепер плоскі, а рух — лінійний, а не обертальний. Якщо підшипник ковзання сконструйований для роботи в гідродинамічних умовах і теоретично міг би працювати так нескінченно, то повзуни мусять зупинятися, коли досягають кінця напрямної, і знову починати рух у протилежному напрямку. Тому, а також через те, що напрямні зазвичай працюють покроково, змішане мащення відіграє важливішу роль.

Ефект stick-slip

Найголовніше — напрямні ковзання значно більше схильні до явища, відомого як stick-slip («залипання-проковзування»), через значний час, який вони працюють у режимі змішаного мащення.

Stick-slip — це явище, спричинене безперервним чергуванням статичного та динамічного тертя. Воно може виникати, коли статичне тертя перевищує динамічне і коли в системі є певна пружність, як показано на Рисунку 3.

Коли прикладається рушійна сила, високе статичне тертя не дає повзуну зрушити з місця одразу. Натомість сила навантажує пружину, через яку рушійна сила, прикладена до повзуна, поступово зростає. Коли сила пружини перевищує силу статичного тертя, повзун починає рухатися. Через перехід від статичного тертя до динамічного сила пружини прискорює повзун, тоді як пружина швидко розвантажується. Зрештою пружина повністю розвантажується і починає протидіяти руху повзуна. Повзун уповільнюється, тоді як тертя за моделлю кривої Штрибека для змішаного мащення швидко зростає, аж поки нарешті повзун не зупиняється — і цикл починається знову. Цей ривкий рух і називають stick-slip.

Хоча неозброєним оком це може бути непомітно, stick-slip оточує нас усюди, породжуючи цілу низку добре чутних відчуттів. Stick-slip уможливлює насолоду від чарівного скрипкового концерту, але також спричиняє менш приємний звук учительської крейди по дошці чи гальм потяга, що зупиняється біля платформи. Stick-slip відповідає за ривкий рух склоочисників, а також за скрип послабленого привідного паса. Водії, які змушують шини вищати, різко змінюючи швидкість чи напрямок, несвідомо користуються ефектом stick-slip. А для тих, хто полюбляє масштаб: stick-slip у сейсмічно активних розломах розглядають як одну з потенційних першопричин землетрусів.

Цей невеликий перелік дає уявлення про те, наскільки небажаним є stick-slip у більшості ситуацій. Це особливо стосується напрямних ковзання, де stick-slip може спричиняти ривкі рухи повзуна та закріпленої на ньому деталі чи інструмента. Такий неконтрольований рух може призводити до неточної механічної обробки, неприйнятної якості готової деталі та втрати продуктивності (Рисунок 4).

Щоб сприяти плавнішій роботі, до оливи можуть додавати спеціальні присадки, які називаються модифікаторами тертя, для кращого контролю над тертям. Сучасні оливи для напрямних зазвичай містять синергійну суміш присадок-модифікаторів тертя, які забезпечують точну та плавну роботу в широкому діапазоні робочих умов.

Сучасні оливи для напрямних ковзання

Сучасні верстати та конструкції напрямних висувають вищі вимоги до застосовуваних олив. Зростання швидкостей і навантажень, а також більші очікування щодо точності верстата потребують високотехнологічних олив для напрямних. До того ж дедалі більше з'являється пар фрикційних матеріалів (наприклад, метал по пластику), які мають різні потреби в мащенні.

Сучасні оливи для напрямних мусять відповідати цим викликам завдяки ретельно збалансованому поєднанню базових олив і присадок, щоб досягти:

• Низького статичного тертя для легкого запуску.

• Безперервного переходу зі стану спокою до руху.

• Плавного руху навіть під великими навантаженнями.

Випробування фрикційних властивостей

Існує кілька визнаних випробувань тертя, які демонструють фрикційні властивості олив для напрямних. Ці тести дозволяють оцінити характеристики статичного та динамічного тертя оливи, а також вплив різних матеріалів напрямних.

Випробування на тертя Cincinnati Lamb. У випробуванні на тертя Cincinnati Lamb (Рисунок 5) визначається співвідношення статичного та динамічного тертя. Щоб уникнути stick-slip, не можна перевищувати співвідношення 1; менші значення забезпечують легкий запуск і плавний перехід зі стану спокою до руху. Компанія Cincinnati Machine Company встановлює верхню межу цього випробування на рівні співвідношення 0,8.

Трибометр SKC. Випробування на трибометрі SKC (Рисунок 6) визначає статичне тертя для пар «сталь по сталі» та «сталь по SKC3» (спеціальний пластиковий матеріал). Нижчі значення вказують на легший запуск і знижену схильність спричиняти stick-slip.

Стендове випробування в Дармштадті. Університет Дармштадта в Німеччині використовує повномасштабну напрямну верстата для моделювання реальних умов експлуатації верстатів. Оливи можна випробовувати (Рисунок 7) на різних матеріалах і конструкціях напрямних у широкому діапазоні швидкостей і навантажень, що дозволяє виявити суттєві відмінності між неякісними та якіснішими рецептурами олив. Рисунок 7 показує, як олива добре працює зі сталевими повзунами по сталі, але дуже погано — зі сталлю по пластику. Належно сформульована олива добре працюватиме за багатьох різних умов матеріалу та швидкості, знижуючи тертя і тим самим мінімізуючи виникнення stick-slip.

То чим же скрипки відрізняються від напрямних? Оливи для напрямних містять модифікатори тертя, щоб знизити статичне тертя і таким чином запобігти stick-slip. Скрипаль натирає смичок каніфоллю для протилежного ефекту — щоб збільшити статичне тертя між смичком і струною, породити stick-slip і видобути звук.

Переваги зменшення stick-slip

• Вища точність механічної обробки, без ривкого руху.

• Поліпшена якість готової деталі.

• Менше браку та втрат продуктивності.

• Підвищена ефективність у широкому діапазоні робочих умов.

• Легший запуск завдяки нижчому тертю.