topografia współpracujących powierzchni łożysk

5-2011
TRIBOLOGIA
31
Adam CZABAN*, Andrzej MISZCZAK*
TOPOGRAFIA WSPÓŁPRACUJĄCYCH
POWIERZCHNI ŁOŻYSK TOCZNYCH
POMIERZONA NA MIKROSKOPIE
SIŁ ATOMOWYCH
TOPOGRAPHY OF ROLLING BEARINGS COOPERATING
SURFACES MEASURED WITH AN ATOMIC FORCE
MICROSCOPE
Słowa kluczowe:
mikroskop sił atomowych, łożyska toczne, topografia powierzchni, mikro- i nanochropowatość
Key words:
atomic force microscope, rolling bearing, surface topography, microroughness, nano-roughness
Streszczenie
W niniejszej pracy autorzy przedstawiają wyniki pomiaru topografii powierzchni współpracujących elementów w łożyskach tocznych przeprowadzone na mikroskopie sił atomowych (AFM).
*
Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Techniki,
ul. Morska 83, 81-225 Gdynia.
32
TRIBOLOGIA
5-2011
Badaniu topografii powierzchni poddano elementy toczne (kulki,
rolki) oraz bieżnie łożysk tocznych przepracowanych i nowych. Badania
zostały przeprowadzone na mikroskopie sił atomowych typu NT-206
firmy MTM z Białorusi.
Zaprezentowane w pracy wyniki topografii powierzchni zawierają
również wyliczone wartości chropowatości Ra i Rq oraz wartość maksymalnej odległości pomiędzy najniższą a najwyższą nierównością. Dzięki
programowi komputerowemu SurfaceXplorer topografię powierzchni
przedstawiono w pracy w trzech postaciach: mapy powierzchni, trójwymiarowego obrazu chropowatości powierzchni i profilu przez wybrany
przekrój powierzchni. Dodatkowo zaprezentowano również rozkłady
wysokości chropowatości.
Uzyskane wyniki pozwalają na dokonanie oceny stopnia i rodzaju
zużycia badanych elementów w skali mikro, pomogą również w projektowaniu takiej warstwy wierzchniej elementów współpracujących, aby
uzyskiwać jak najlepsze efekty tribologiczne.
WPROWADZENIE
Produkcja urządzeń precyzyjnych, mikrorobotów i manipulatorów,
w których występują łożyska i mikrołożyska toczne wymaga, aby produkowane i stosowane łożyska lub mikrołożyska były perfekcyjnie wykonane, o niewielkich chropowatościach. Pomiaru mikro- i nanochropowatości dokonywać można na Mikroskopie Sił Atomowych (AFM). Autorzy
dokonali skanu powierzchni elementów tocznych i prowadnic na AFM
typu NT-206 firmy MTM z Mińska na Białorusi. Mikroskop ten umożliwia
przeprowadzenie skanowania powierzchni badanej próbki o maksymalnych wymiarach 32 µm x 32 µm i maksymalnej wysokości nierówności
±1 µm trzema trybami:
– tryb statyczny kontaktowy,
– tryb bezkontaktowy,
– tryb dynamiczny przerywany.
Autorzy podczas pomiarów topografii powierzchni wykorzystali tryb
statyczny kontaktowy pracy AFM. Dzięki temu trybowi pracy w przypadku elementów o twardej powierzchni uzyskuje się dobre odwzorowanie badanej powierzchni.
5-2011
TRIBOLOGIA
33
Program badań autorów obejmował pomiar topografii powierzchni
kilku nieużywanych łożysk tocznych kulkowych i stożkowych oraz kilku
używanych kulkowych i stożkowych łożysk tocznych.
POMIAR TOPOGRAFII POWIERZCHNI
W niniejszej pracy autorzy pokażą topografię powierzchni tylko 3 wybranych łożysk tocznych. Na wszystkich rysunkach pokazano płaskie
oraz trójwymiarowe obrazy nierówności powierzchni, jak również przekroje poprzeczne i rozkłady wysokości chropowatości dla badanej powierzchni.
Na Rys. 1 przedstawiono zbadaną powierzchnię kulki i prowadnicy
zewnętrznej nowego łożyska o numerze katalogowym 6000.
Kolejnym badanym łożyskiem tocznym było łożysko używane o numerze katalogowym 1203. Na Rys. 2b przedstawiono zbadaną powierzchnię kulki, natomiast na Rys. 2a topografię powierzchni prowadnicy wewnętrznej łożyska.
Rysunek 3 obrazuje topografię powierzchni używanego łożyska
stożkowego o numerze katalogowym 30205. Rozmieszczenie elementów
rysunku jest identyczne jak na wcześniejszych rysunkach. Na Rys. 3a
przedstawiono topografię powierzchni pierścienia wewnętrznego natomiast na Rys. 3b topografię powierzchni rolki łożyska.
Na Rys. 1 możemy zauważyć, iż średnia chropowatość powierzchni
tocznych nieużywanego łożyska jest rzędu 8 nm dla kulki i 25 nm dla
prowadnicy. W wybranym przekroju można zauważyć maksymalne wysokości wierzchołków nierówności na poziomie od -40 nm do +50 nm.
Na mapie powierzchni (górny lewy rysunek) i trójwymiarowym obrazie
powierzchni (prawy górny rysunek) możemy zauważyć obszary o dość
dużych gniazdach lub wrębach nierówności sięgających nawet 400 nm.
Na rysunku drugim widzimy większe wartości chropowatości, co
wynika z faktu, iż łożysko było używane, ale nie doszło do wyraźnego
zużycia.
Na rysunku trzecim widoczne są już znaczne ślady zużycia mechanicznego zarówno powierzchni rolki, jak i powierzchni bieżni. Wysokość
wierzchołków chropowatości dochodzi do 600 nm.
34
TRIBOLOGIA
5-2011
Rys. 1. Topografia powierzchni nieużywanego łożyska tocznego (typ 6000):
a) bieżnia zewnętrzna łożyska, b) kulka łożyska
Fig. 1. Surface topography of non-used rolling bearing (type 6000): a) external race of
bearing, b) bearing ball
5-2011
TRIBOLOGIA
35
Rys. 2. Topografia powierzchni używanego łożyska tocznego (typ 1203): a) bieżnia
wewnętrzna łożyska, b) kulka łożyska
Fig. 2. Surface topography of used rolling bearing (type 1203): a) internal race of
bearing, b) bearing ball
36
TRIBOLOGIA
5-2011
Rys. 3. Topografia powierzchni używanego łożyska tocznego (typ 30205): a) bieżnia wewnętrzna łożyska, b) rolka łożyska
Fig. 3. Surface topography of used rolling bearing (type 30205): a) internal race of
bearing, b) bearing roller
5-2011
TRIBOLOGIA
37
PODSUMOWANIE
Dzięki uzyskanym informacjom o mikro- i nanochropowatości współpracujących nowych i używanych powierzchni łożysk tocznych projektanci
i naukowcy będą mogli opracowywać nowe technologie produkcji tych
elementów.
LITERATURA
1. Chizhik S., Khudoley A., Kuznetsova T., Wierzcholski K., Miszczak A.:
Micro and Nanoscale Wear Studies of HDD Slide Bearings By Atomic
Force Microscopy. Proceedings of Methodological Aspects of Scanning
Probe Microscopy, Heat and Mass Transfer Institute of NAS, pp. 247–252,
Minsk 2010.
2. Brandlein J., Hasbargen L.: Ball and Roller Bearings – Theory, Design and
Application, John Wiley, 1999.
3. Thoma K., Rohr L., Rehmann H., Roos S., Michler J.: Materials failure
mechanisms of hybrid ball bearings with silicon nitride balls. Tribology International, Vol. 37, 6, pp. 463–471, 2004.
Recenzent:
Józef GAWLIK
Summary
In this paper authors present measurements results of the surface
topography of the cooperating surfaces of rolling bearings conducted
with an atomic force microscope (AFM).
Measurements of surface topography were made for rolling
elements (balls, rollers) and races of non-used and used rolling
bearings. In the investigations, the authors used the Atomic Force
Microscope NT-206 produced in MTM in Minsk, Republic of
Belarus.
The presented results of surface topography measurements
include calculated values of profile roughness parameters Ra and Rq
and the distance between maximum peak height and maximum
valley depth. The application SurfaceXplorer was used for
38
TRIBOLOGIA
5-2011
processing obtained data and the visualization of surface topography
in the three forms: a surface roughness map, a three-dimensional
surface topography plot and a profile graph in selected cross-section.
Furthermore distribution functions graphs of peaks and valleys
heights, tilt and orientation are presented.
The results and information about surface topography
allows one to evaluate the degree and type of wear in microscale and
will help to design surface layers with improved tribological
properties.