Diseño de superficies texturizadas óptimas para la lubricación de contactos mecánicos

Abstract

Los texturizados superficiales basados en hoyuelos actúan como reservorios locales de lubricantes, mejorando el comportamiento del contacto lubricado bajo mayores cargas y menores velocidades, ampliando el régimen de lubricación en película gruesa. Al mismo tiempo actúan como trampas de partículas, atrapándolas y eliminándolas de la zona de contacto.
Este proyecto se titula “Diseño de superficies texturizadas óptimas para la lubricación de contactos mecánicos” y consiste en el diseño de patrones, la fabricación de texturas de forma controlada y el ensayo en un tribómetro para reducir el coeficiente de fricción en el contacto puntual de dos superficies metálicas y comprobar si el texturizado de superficies también induce una reducción del coeficiente de fricción en contactos lineales.
El análisis de los resultados obtenidos se acompaña de un estudio factorial fraccional y una simulación de diferentes tipos de texturizado con redes neuronales artificiales para estudiar la influencia de diferentes parámetros del texturizado (profundidad, densidad, excentricidad de la elipse).
Diseño y fabricación de las probetas texturizadas:
La selección de texturas a efectuar se realiza con un fundamento estadístico, apoyándose en un modelo factorial fraccional y en función de las probetas texturizadas en anteriores estudios. Además se realizará la textura considerada óptima en estudios anteriores y una de mayor profundidad para analizar el efecto de esta.
El diseño de los patrones se realiza mediante un programa CAD (SolidEdge) y posteriormente se colorea con un programa de Photoshop (Adobe Photoshop) para asegurarse de que la calidad de imagen es adecuada para el uso de la SF100 (máquina de exposición para la fotolitografía).
Así pues, el diseño realizado por ordenador se plasma sobre la superficie de los discos de cobre mediante una técnica que combina la fotolitografía con un ataque químico. Se ha seleccionado este método por la disponibilidad del equipo en el laboratorio así como por su simpleza y fácil aprendizaje. A continuación se exponen las siguientes fases del proceso que consiste en recubrir el sustrato de una resina fotosensible que adquiere el patrón proyectado, protegiendo las zonas que no deben ser afectadas durante el ataque químico, dejando al descubierto las zonas de la superficie que serán los hoyuelos con las formas deseadas.
La comprobación de las dimensiones de los hoyuelos así como de su profundidad se hace con el microscopio Olympus DSX500 capaz de obtener imágenes en 3D.
Ensayo de las probetas:
El ensayo de las probetas, tanto de los discos para el contacto puntual como del cilindro para el contacto lineal tiene lugar en el laboratorio de lubricantes del Centro Tecnológico de Repsol en Móstoles donde disponen de un tribómetro para contacto puntual (MiniTraction Machine) y otro de contacto lineal (MicroPitting Rig). Los ensayos se realizan haciendo variar la velocidad media (Um) de los elementos en contacto y el ratio entre su velocidad de deslizamiento y dicha velocidad media (SRR%).
Resultados de los ensayos en tribómetro:
Los resultados obtenidos al texturizar una probeta muestran una reducción del coeficiente de fricción tanto en el contacto puntual como en el contacto lineal. En el caso del contacto lineal, los resultados han confirmado el efecto positivo de texturizar superficies, lo que abre la puerta a futuros estudios.
En el caso del contacto puntual se han identificado varias texturas con coeficientes de fricción más bajos que la mejor textura que se habían conseguido en anteriores trabajos.
En concreto la probeta de geometría 150x600, densidad 5% y 100μm es la que obtiene menor coeficiente de fricción (Textura 8). Estos resultados parecen indicar que la profundidad óptima es mayor que las 60 μm y menor que 185 μm (que presentan peor resultado). Se observa que las probetas de densidad superficial más alta (25%) ofrecen peores resultados que la probeta sin texturizar.
Diseño factorial fraccional:
Los datos se obtienen considerando las velocidades que llevan a la zona de lubricación más crítica en las que las texturas pueden tener un efecto beneficioso mayor. Para ello se hace una media con los tres datos de fricción de más baja velocidad (100mm.s-1, 250mm.s-1, 500mm.s-1) con SRR=10% y con SRR=50% y los otros dos modelos restantes haciendo una media con los tres siguientes datos de fricción (1000mm.s-1, 1500mm.s-1, 2000mm.s-1) con SRR=10% y con SRR=50%.
Las predicciones de los casos no ensayados se realizan calculando los estimadores de los efectos con los datos obtenidos de los ensayos.
Estos resultados son un primer análisis que evidencia claras diferencias entre las texturas, los mejores resultados se obtienen con profundidades de 100μm combinadas con la densidad de texturizado del 5%.
Red Neuronal Artificial:
Este apartado se realiza con la aplicación contenida en Matlab para crear redes neuronales artificiales y emplearlas. Una red neuronal es un sistema de procesamiento de información y aprendizaje automático cuyos elementos básicos de funcionamiento son las neuronas. La interacción de estos elementos que colaboran entre si al recibir entradas para ofrecer una salida.
Se ha construido una red de 10 neuronas y se ha entrenado con datos experimentales teniendo en cuenta los datos de proyectos anteriores y de los obtenidos en el trabajo actual. Los resultados obtenidos en este apartado siguen el trazado marcado por los anteriores análisis pero permiten una mejor definición de los texturizados más apropiados. La simulación del coeficiente de fricción variando el valor de la profundidad y dejando constantes los demás parámetros muestra un mínimo en 120μm.
Por otra parte, siguiendo el mismo procedimiento, la red muestra que la geometría óptima sería 300μmx790μm con una densidad de 5% y profundidad 120 μm.